KR100915099B1 - 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 단위 지보구조 및이를 시공하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지하터파기시 흙막이벽체에 발생되는 수평력(수평토압, 수압 및 상재하중 등)을 아치형 수평 구조재를 이용하여 지지할 수 있도록 한 것이다. 아치형 수평 구조재는 좌굴이 발생하지 않고, 축력만 발생하는 구조이므로 경제적, 안정적으로 시공된다. 기존의 스트러트(Strut)(H-Beam을 이용한 수평구조물)공법에 비해 수직, 수평적으로 넓은 작업공간의 확보가 가능하며, 지하터파기 폭이 넓은 경우에도 아치형 수평 구조재는 축력만 발생하는 구조이므로 작은 단면으로도 흙막이벽체를 지지할 수 있는 효율성이 큰 경제적인 부재이다.

그 기술적인 구성은 소정의 단위 길이로 형성되는 아치형 수평 구조재(100)를 단계별 지하터파기시 포스트파일(14)의 피스 브라켓(15)위 서포트 빔(13)에 거치시키고, 스트러트(Strut)(12)와 아치형 수평 구조재(100)를 연결하여 직선수평부재의 수평력을 아치형 수평 구조재가 전달받아 축력으로만 응력을 분담한다. 아치형 수평 구조재는 강관이다. 그 내부에 충진(콘크리트, 몰탈등)경화를 한 충전강관을 사용하게 되면 그 효과를 극대화 시킬 수 있다.

Description

수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 단위 지보구조 및 이를 시공하는 방법{Structure for supporting retaining wall of earth with arch material and method constructing the arch structure}

본 발명은 지하 건축물, 지하 구조물을 축조할 때 지하굴착으로 인한 수평토압을 지지하기 위한 흙막이 벽체 지보구조에 관한 것이다.

종래의 스트러트(Strut) 지보공법은 지하터파기시 흙막이벽체(10)의 수평토압을 스트러트가 지지하도록 한 공법이다. 이 경우 스트러트(Strut)가 흙막이벽체(10)를 지지하는 메카니즘에 대하여 설명하기로 한다.

흙막이벽체(10)는 스트러트는 대향되게 설치되는 흙막이벽체(10)를 가로 질러 설치된다.

지하터파기를 수행하면 수직벽은 수평방향의 토압을 받는다. 수평방향의 토압을 받는 수직벽을 지지하지 않으면 수직벽은 무너지게 된다. 수직벽의 지지를 스트러트에 의하여 지지하는 방식이 종래의 스트러트 지보공법이다. 스트러트는 수직벽에 설치된 흙막이벽체에 대하여 수평방향으로 설치된다. 수평방향의 토압을 지지하기 위해서다. 스트러트는 수직벽체로부터 전달되는 수평토압을 지지하는 구조재이므로 스트러트가 지지하는 수평방향의 지지점이 반드시 있어야한다. 수평방향의 지지점이 없다면 수평토압을 지지할 수 없기 때문이다. 스트러트의 수평방향 지지점은 2곳이다. 2개의 지지점은 서로 대향되게 설치되어있는 각각의 흙막이벽체에 위치된다. 서로 대향된 흙막이벽체를 수평방향으로 길게 설치된 1개의 스트러트에 의하여 수평토압을 지지하는 메카니즘이다. 다시 말하면 서로 대향된 흙막이벽체를 지지점으로 하여 스트러트 하나로 수평토압을 지지하는 방식이다.

그런데 지하터파기공사는 가로 x 세로가 60m x 90m가 넘는 것이 보통이다.

스트러트(Strut)의 하나의 길이가 60-90m가 되게 되면 H형강으로 제작된 스트러트(Strut)는 그 자중에 의하여 수평방향에서 아래로 처지게 된다. 이러한 현상을 수평좌굴이라 한다. 서로 대향된 흙막이벽체를 지지점으로 하여 설치된 스트러트(Strut)가 수평방향을 유지하고 있어야 수평토압의 지지가 구조 역학상 유리하고 효율적이다. 만약 스트러트에 수평좌굴이 발생하게 되면 구조 역학적으로 불리해지는 문제가 있다. 그 정도가 심하게 되면 스트러트가 수평토압을 견디지 못하게 되어 수직벽체가 붕괴에 이르게 될 우려가 있다.

이와 같이 스트러트의 자중에 의한 수평좌굴을 방지하기위하여 포스트 파일이 지지하고 있는 것이다. 포스트 파일이 설치되는 간격은 통상 6-8m이다.

포스트 파일은 수평토압과는 전혀 무관하다. 포스트 파일이 수평방향의 스트러트에 대하여 수직으로 설치되기 때문이다. 포스트 파일은 스트러트의 자중을 지지하면서 스트러트가 수평방향을 유지되도록 받쳐주는 역할을 하고 있을 뿐이다.

도2와 도3는 지하터파기 공사에 포스트 파일이 설치된 상태이다.

종래의 스트러트(Strut) 지보공법의 문제점은 수평토압을 지지하기 위하여 굴착단계에 따라 설치되는 수평방향의 스트러트가 작업공간을 가로막고 있는 점에 있다.

수평으로 설치되는 스트러트가 흙막이벽체를 지지하고 있는 한 작업공간을 확보할 수 없다. 작업공간이 확보되지 못하면 지하터파기 굴착은 물론 굴착단계에 따른 스트러트설치도 용이하지 못하다. 작업의 효율성이 현저하게 저하되는 문제점이 있다.

도 1a 및 도 1b에 나타난 바와 같이 종래의 스트러트(Strut)지지방식에 의한 지하터파기 시공순서는 스트러트를 지지하기 위한 포스트파일을 일정간격(6.0m ~ 8.0m)으로 굴착 현장지반에 삽입하고, 스트러트를 굴착단계에 따라 양 측면에 고정시키면서 지반을 굴착하므로 이들 방법들은 대부분 스트러트하부에서 지하터파기 작업을 실시하게 된다. 따라서 도 2 및 도 3과 같이 굴착평면 내에 포스트파일 및 스트러트(Strut)가 촘촘히 설치되어 이와 굴착장비의 간섭으로 인하여 작업 효율성이 현저히 저하된다.

특히, 스트러트(Strut)공법의 경우 수평설치 길이가 길어지는 경우 스트러트(Strut) 부재의 좌굴 등의 영향에 따라 지하터파기 폭이 50m이상일 경우 시공이 곤란하다. 이 경우 기존에는 지반앵커 등을 지하터파기 현장 외곽으로 설치할 수밖에 없으나, 주변에 지하층이 있는 건물이나 인접 지주의 동의를 얻지 못할 경우 시공이 불가하다.

이러한 종래의 문제점은 스트러트(Strut)가 작업공간을 가로질러 설치되는데 그 원인이 있다. 흙막이벽체를 지지하기위하여 수평으로 설치되는 스트러트가 작업공간을 가로막고 있기 때문이다. 수평으로 설치되는 스트러트가 흙막이벽체를 지지하고 있는 한 작업공간을 확보할 수 없다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하고자 한 것으로 흙막이벽체의 지지를 확실하게 하면서도 작업공간을 최대한 확보하고자 함에 그 목적이 있고, 또한 작업공간이 확보됨으로써 굴착장비의 굴착작업과 토사의 이송작업이 효율적으로 이루어질 뿐 아니라 시공이 간편하고 공기를 단축시키는데 다른 목적이 있으며, 단위부재(세그멘트)로 제작하여 운반, 연결 및 시공이 용이하도록 함에 또 다른 목적이 있다.

이러한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 흙막이벽체에 작용하는 토압, 수압 및 상재하중 등의 수평력을 서로 대향되게 설치된 흙막이벽체를 2개의 지지점으로 하는 종래의 스트러트 대신에 수평아치형 구조재로 지지하도록 한 것이다.

다시 말하면 종래의 스트러트의 자중을 받쳐주던 포스트파일을 대폭 생략하고 그 대신에 수평아치형 구조재로서 이를 대체한 것이다.

수평 아치형 구조란 수평토압 또는 수압 및 상재하중 등에서 오는 수평력을 아치의 축력으로 지지하는 구조를 말한다. 축력은 수평방향의 외력에 대하여 아치구조의 내부에서 이에 대응하는 힘이다. 이와 같이 수평방향의 외력을 축력으로 지지하는 것이 아치구조의 특징이다.

수평아치형 구조재는 흙막이 벽체를 통해 전달된 수평력을 지지하는 구조재이기 때문에 수평아치형 구조재가 흙막이 벽체와 직접 접면되는 방식일 수도 있고, 흙막이 벽체와 수평아치형 구조재사이에 지지부재를 개재시켜 지지부재를 통해 수평아치형 구조재에 전달시키는 방식일수도 있다. 지하터파기의 공간형태와 작업의 편의성에 의하여 결정되는 것이지만 종래의 스트러트로 인한 문제점을 해결하고 있다는 점에서 그 기본은 동일한 것이다.

수평아치형 구조재는 그 자체가 갖는 직경(r)과, 수평아치형 구조재를 이루고 있는 아치 반경(R)으로 이루어진다.

수평아치형 구조재 자체의 직경(r)은 작은 것에서부터 큰 것까지 있다. 지하터파기공사의 규모에 따라 그 직경(r)이 다르기 때문이다.

아치반경(R)이 클수록 흙막이벽체의 넓게 지지 할 수 있을 뿐 아니라 작업공간도 그만큼 넓어진다.

반면에 아치반경(R)이 클수록 단위 수평아치형 구조재의 제작도 어렵고 이를 운반하는 것도 어려운 문제가 있다. 세그먼트로 제작하는 것이 바람직하다.

본 발명의 수평아치형 구조재가 이루는 아치형태는 수평력에 대하여 축력으로 대응이 가능한 형태이면 어느 것이든 가능하다. 그 형태를 예로 든다면 원형, 타원형, 반원형, 반타원형 등이 될 것이다. 아치형태는 지하터파기공사의 형태에 따라 달라지기 때문이다. 아치형태를 조합해서 사용하는 경우에는 더욱 그렇기 때문이다.

축력을 효율적으로 이용하기 위한 수평아치형 구조재로서 중공 강관, 충전강관, 중공 파이프, 충전 파이프, 강봉 또는 H형 강재 등이 바람직하다.

이중 충전강관은 중공강관에 충전재(예컨대 콘크리트 몰탈)를 충전한 것으로 강재의 인장특성과 콘크리트의 압축특성을 극대화 시킨 부재이다. 축 하중을 주 하중으로 하는 수평아치형 구조재에 적용하면 충전강관은 그 효과가 매우 크다.

특히 흙막이 벽체를 지지하는 구조와 같은 가설구조물은 수평토압에 대하여 일시에 붕괴되는 것이 안전성의 관점에서 가장 큰 문제점으로 지적되고 있다.

가설 구조물의 붕괴가 서서히 일어날 수만 있다면 이에 대한 대책을 마련할 수 있는 시간적 여유가 주어질 것이다. 인명피해를 줄일 수 있기 때문이다.

가설 구조물의 붕괴가 한순간에 일어나는 원인중의 하나는 수평토압을 지지하고 있는 구조재가 취성거동을 하는데 있다. 취성거동은 지지력에 한계를 넘게 되면 일시에 파괴점에 이르기 때문이다. 연성거동이 취성거동에 대응되는 거동이다. 연성거동이나 취성거동모두 그 지지력에 한계를 넘게 되면 파괴된다는 결과는 양자가 같다. 다만 파괴점에 도달함과 동시에 붕괴가 되느냐 아니면 파괴점을 지나고도 서서히 붕괴되느냐에 있어서 차이가 있을 뿐이다. 이러한 관점에서 전자를 취성거동, 후자를 연성거동이라 부른다. 달리 말하면 연성거동은 강재의 소성변형이 서서히 진행되는 반면, 취성거동은 강재의 소성변형이 일시에 끝나는 것이라 할 수 있다.

충전강관은 중공강관에 비하여 매우 높은 연성거동을 보이는 부재이다. 가설구조물의 안전성을 배가시키는데 아주 유리한 부재이다. 국부좌굴에 대한 위험성도 현저하게 떨어진다. 또한 충전강관을 사용함으로써 강재량을 최소화 할 수 있는 이점이 있다. 동일 직경을 갖는 중공강관과 충전강관이 지지할 수 있는 지지력은 충전강관이 훨씬 크기 때문에 그만큼 강재량을 줄일 수 있는 것이다.

이와 같이 본 발명은 수평아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조로서 지하터파기공사를 수행하고 있으므로 굴착 폭에 따른 영향을 받지 않으며, 주변에 지하구조물이 있는 경우에도 적용이 가능하고, 또 현장 내에 Strut와 같은 간섭요소가 최소화 되므로 그만큼 작업공간이 확보되어 지하터파기시 작업장비와의 간섭이 최소화 되는 것이다.

본 발명의 구성을 도면과 함께 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

스트러트(12)의 일단부는 흙막이벽체(10)의 띠장(11)과 연결ㆍ고정되고 상기 스트러트(12)의 연장부는 포스트 파일(14)에 피스(p) 고정된 피스 브라켓(15a)에 의하여 지지되는 서포트빔(13a)위에 설치ㆍ고정되는 것에 있어서

포스트파일(14)의 전면에 피스 브라켓(15b)을 피스(p)고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하며 상기 서포트 빔(13b)위에 수평아치형 구조재(100)를 설치하면서 스트러트(12) 단부와의 접합부를 용접ㆍ고정하여 수평 아치형 구조재(100)의 축력에 의하여 수평토압을 지지되도록 하고 이와 동시에 작업 공간(S)을 넓게 형성함을 특징으로 하는 구성이다.

수평 아치형 구조재(100)의 반경(R)이 큰 경우에는 단위부재인 세그멘트로 제작하는 것이 경제적이고 시공에도 유리하다.

또 수평아치형 구조재(100)에 콘크리트 등의 충전재로 충전하게 되면 강성이 커져 아치형태의 축력에 유리하다.

도 5a 및 도 5b는 수평아치형 구조재(100)를 이용한 흙막이벽체(10)의 지보구조의 사시도로써 흙막이벽체(10)에 작용되는 수평토압 등의 외력은 짧은 길이의 스트러트(12) 등에 전달되고, 이는 다시 피스 브라켓(15b)에 의하여 지지되고 있는 서포트빔(13b)위에 설치된 수평 아치형 구조재(100)에 전달된다. 피스 브라켓(15b)은 포스트 파일(14)의 전면에 피스(p) 고정되면서 서포트빔(13b)과 피스 고정되어있다. 상기 서포트 빔(13b)위에 설치된 수평 아치형 구조재(100)는 스트러트(12)의 단부와 접면되어 용접ㆍ고정되며 서포트 빔(13b)과는 피스(p) 고정된다.

수평토압 등 외력은 아치구조의 특징인 수평 축력에 의하여 지지므로 휨모멘트 및 좌굴이 발생하지 않아 굴착 폭에 관계없이 경제적이며, 안정적으로 흙막이벽체(10)를 지지할 수 있게 된다.

수평토압 등 외력을 수평아치형 구조재(100)에 전달시키는 방법은 스트러트(12), 콘크리트 슬라브 형태 및 빔(Beam)부재 등의 조합에 의하여 다양한 방법으로 전달시킬 수 있다.

도 6a 및 도6b는 본 발명의 시공순서를 설명하면 다음과 같다.

흙막이벽체(10)와 포스트파일(14)을 지중에 삽입하는 단계;

첫 번째 단 수평아치형 구조재(100)가 설치될 심도까지 지반을 굴착하는 단계;

상기 포스트파일(14)에 세로방향으로 피스 브라켓(15b)을 피스고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하면서 피스(p) 고정하는 단계;

상기 서포트 빔(13b)과, 그리고 스트러트(12)의 단부를 상기 첫째 단 수평아치 구조재(100)와 접면되게 설치한 상태에서 상기 스트러트(12)와 접면되어있는 단부를 용접ㆍ고정시켜 첫 번째 단 수평아치 구조재(100)를 상기 서포트 빔(13b)위에 견고하게 설치하는 단계;

두 번째 단 수평아치 구조재(100)가 설치될 심도까지 지반을 굴착하는 단계;

상기 포스트파일(14)전면에 세로방향으로 피스 브라켓(15b)을 피스(p)고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하면서 피스 고정하는 단계;

상기 서포트 빔(13b)과, 그리고 스트러트(12)의 단부를 상기 두 번째 단 수평아치형 구조재(100)와 접면되게 설치한 상태에서 상기 스트러트(12)와 접면되어있는 단부를 용접ㆍ고정시켜 두 번째 단 수평아치 구조재(100)를 상기 서포트 빔(13b)위에 견고하게 설치하는 단계;

위의 『굴착→피스 브라켓(15b) 및 서포트 빔(13b)의 설치→수평아치형 구조재(100)의 설치』단계를 반복하여 수평아치형 구조재(100)가 설치됨을 특징으로 하는 흙막이벽체 지보구조의 시공방법이다.

수평아치형 구조재(100)의 반경(R)이 큰 경우 단일 부재로 제작 및 설치가 곤란하므로 도 9에 나타난 바와 같이 단위부재(세그멘트)로 제작하여 도 9의 상세와 같이 연결하여 설치할 수 있다. 또한, 단위부재는 도 9의 단면과 같이 다양한 단면의 제작이 가능하며, 특히 충전강관을 사용할 경우 그 경제성 및 안정성은 극대화 된다.

지하터파기 현장의 평면형상이 정사각형, 직사각형 및 복잡한 평면형상인 경우에도 대, 중, 소의 수평아치형 구조재(100)를 조합하여 배치하면 어떤 경우에도 적용이 가능하며, 도 10a ~ 도10f에 평면형상에 따른 수평아치형 구조재(100)의 조합을 예시하였다. 앵커(13)와 수평아치형 구조재(100)를 현장에 적합하게 조합하여 사용할 수 있다.

이와 같이 구성된 본 발명의 효과를 설명하면 다음과 같다.

⒜ 지하터파기 지보공법으로 수평아치형 구조재를 사용할 경우 좌굴 및 모멘트가 발생하지 않는 구조이므로 축력만 발생되므로 경제적인 단면으로 설계할 수 있는 효과가 있다.

⒝ 아치구조 사용으로 효율성을 증대시켜 강재량을 최소화시킬 수있다.

⒞ 지하터파기시 작업공간을 최대한 확보함으로써 공기가 단축되고 시공이 간편하다.

⒟ 지하터파기 면적이 넓은 경우 및 주변에 지하구조물이 있는 경우에 적용이 가능하다.

⒠ 단위부재로 제작되어 운반, 연결 및 시공이 간편하므로 공기 단축 및 공사비가 절감된다.

⒡ 아치형태와 지지력의 크기에 따라 사용재료를 다양성하게 사용할 수 있다.

⒢ 특히, 충전강관을 사용하게 되면 안정성과 효율성이 배가된다.

도 1a ~ 1b는 종래의 스트러트(Strut) 지보방식에 의한 지하터파기 시공순서도

도 2는 종래의 스트러트(Strut) 지보방식에 의한 지하터파기 평면도

도 3은 종래의 스트러트(Strut) 지보방식에 의한 지하터파기 단면도

도 4는 종래의 스트러트(Strut) 지보방식에 의한 지하터파기 사시도

도 5a는 본 발명의 수평아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조의 사시도 도 5b는 도 5a의 분해사시도

도 6a ~ 6b는 본 발명의 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조를 굴착단계별로 흙막이 벽체를 시공하는 과정을 나타낸 단면도

도 7은 본 발명의 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조를 이용하여 흙막이 벽체시공이 완료된 평면도

도 8은 본 발명의 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조를 이용하여 흙막이 벽체시공이 완료된 정면도

도 9는 본 발명 수평아치형 구조재의 단위부재인 세그멘트 단면도

도 10a ~ 10f는 본 발명 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이 벽체 지보구조를 다양하게 적용할 수 있음을 보인 배치 평면도

도 6a 및 도6b는 본 발명의 시공순서로 흙막이벽체(10), 포스트파일(14)를 지중에 삽입한다. 첫 번째 단 수평아치 구조재(100) 설치 심도까지 지반을 굴착하고, 첫 번째 단 수평아치 구조재(100)를 설치한 후 두 번째 단 수평아치 구조재(100) 설치 심도까지 지반을 굴착 후 두 번째 단 수평아치 구조재(100)를 설치한 후 세 번째 단 위치까지 지반을 굴착하는 순서를 반복하여 소요의 지하터파기 심도까지 굴착한다.

도 7 및 도 8은 수평아치형 구조재(100)를 이용한 지하터파기 단면 및 평면도로써 기존 공법에 비해 지하터파기면 외곽에 포스트파일이 설치되므로 작업 공간 및 경제성이 기존공법에 비해 현저히 증가된다.

Claims (7)

1. 스트러트(12)의 일단부는 흙막이벽체(10)의 띠장(11)과 연결ㆍ고정되고 상기 스트러트(12)의 연장부는 포스트 파일(14)에 피스 고정된 피스 브라켓(15a)에 의하여 지지되는 서포트빔(13a)위에 설치ㆍ고정되는 흙막이 벽체 지보구조에 있어서,

   상기 포스트파일(14)의 전면에 포스트파일(14)의 전면에 피스 브라켓(15b)을 피스(p)고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하며 상기 서포트 빔(13b)위에 수평아치형 구조재(100)를 설치하면서 스트러트(12)의 단부와 용접에 의하여 고정하고 수평 아치형 구조재(100)의 축력에 의하여 수평토압을 지지되도록 하며 이와 동시에 작업 공간(S)을 넓게 형성함을 특징으로 하는 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이벽체 단위 지보구조
2. 제1항에 있어서

   수평 아치형 구조재(100)는 단위부재인 세그멘트로 제작됨을 특징으로 하는 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이벽체 단위 지보구조
3. 제1항 또는 제2항에 있어서

   수평아치형 구조재(100)에 충전재를 충전함을 특징으로 하는 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이벽체 단위 지보구조
4. 삭제
5. 삭제
6. 흙막이벽체(10)와 포스트파일(14)을 지중에 삽입하고 지중을 굴착한 다음 스트러트(12)의 일단부는 흙막이벽체(10)의 띠장(11)과 연결ㆍ고정되고 상기 스트러트(12)의 연장부는 포스트 파일(14)에 피스(p) 고정된 피스 브라켓(15a)에 의하여 지지되는 서포트빔(13a)위에 설치ㆍ고정되는 흙막이 벽체 지보방법에 있어서,

   ⒜ 흙막이벽체(10)와 포스트파일(14)을 지중에 삽입된 상태에서 첫 번째 단 수평아치형 구조재(100)가 설치될 심도까지 지반을 굴착하는 단계;

   ⒝ 상기 포스트파일(14)에 세로방향으로 피스 브라켓(15b)을 피스(p) 고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하면서 피스 고정하는 단계;

   ⒞ 상기 서포트 빔(13b)에 얹혀지면서 스트러트(12) 단부와 접면되는 접합부에 상기 첫 번째 단 수평아치 구조재(100)를 용접으로 설치ㆍ고정하는 단계;

   ⒟ 두 번째 단 수평아치 구조재(100)가 설치될 심도까지 지반을 굴착하는 단계;

   ⒠ 상기 포스트파일(14)에 세로방향으로 피스 브라켓(15b)을 피스(p) 고정하고 그 위에 서포트 빔(13b)을 설치하면서 피스(p) 고정하는 단계;

   (f) 상기 서포트 빔(13b)에 얹혀지면서 스트러트(12) 단부와 접면되는 접합부에 상기 두 번째 단 수평아치 구조재(100)를 용접으로 설치ㆍ고정하는 단계;

   ⒢ 위⒜~⒞의 단계를 반복하면서 세 번째, 네 번째, ㆍㆍㆍ의 수평아치형 구조재(100)를 설치함을 특징으로 하는 수평 아치형 구조재에 의한 흙막이벽체 단위 지보구조를 시공하는 방법
7. 삭제