KR101385028B1 - 링 버팀대를 구비한 흙막이 구조물 - Google Patents

Abstract

지하 굴착 공사용 흙막이 구조물에 있어서, 다수개가 결합되어 다각형 링 형상으로 형성되는 링 버팀대 수단; 상기 링 버팀대 수단의 둘레를 따라 결합되되, 상기 링 버팀대 수단에 방사 대칭(radial symmetry) 형태로 결합되는 다수의 중심 버팀대 수단들; 일측 단부는 상기 중심 버팀대 수단에 결합되고, 타측 단부는 상기 링 버팀대 수단에 결합되는 다수의 경사 버팀대 수단들; 상기 링 버팀대 수단의 둘레를 따라 형성되되, 상기 링 버팀대 수단에 수직하게 결합하면서, 하측 단부는 지하에 매립되는 다수의 포스트파일들; 을 포함하는 흙막이 구조물이 제시된다.

Description

링 버팀대를 구비한 흙막이 구조물{Earth retaining structure having beam}

본 발명은 링 버팀대를 구비한 흙막이 구조물에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 토목 공사시 지하의 토압에 대하여 효과적으로 대응하기 위한 흙막이 구조물에 관한 기술 분야에 속한다.

지하에 건축물을 구축하기 위하여는 터파기 공사가 반드시 필요하다. 특히 도심지에서의 지하 터파기 공사는 인접 건물의 안정성을 고려해야 하므로 다양한 흙막이 구조물에 관한 연구가 이루어져 왔다.

시공 부지 내의 공간에서만 흙막이 구조물을 형성하기 위한 가장 일반적인 방법은 레이커(Raker) 지지공법과 버팀대(스트럿, Strut) 지지공법이다. 레이커 지지공법은 최소한의 버팀으로 시공 부지 내의 공간에서 지지할 수 있는 장점이 있다. 그러나 굴착 심도(深度)에 제한을 크게 받으며, 일정한 심도 이상은 적용하기 힘들다.

*한편, 버팀대 지지공법은 작용하는 토압을 흙막이 벽체와 버팀대 구조물에 의해 버텨내는 방식이다. 버팀대들은 가로, 세로 방향으로 수 미터 간격을 두고서 촘촘히 배치되는 것이 통상적이다.

도 1에서는 이러한 통상적인 버팀대 지지 공법에 의한 흙막이 구조물을 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, 지하에 터파기 공사가 되어 있으며, 흙막이벽체(10)가 양쪽에 설치되어 있고 그 사이에 소정의 간격을 두고 포스트파일(30)이 수직으로 설치되어 있다.

상기 포스트파일(30)들 사이는 버팀대(20)가 복수개의 층을 이루며 수평으로 다수 설치된다.

다수의 버팀대(12)들의 중량이 상당히 무겁기 때문에, 수직 하방으로의 처짐 현상이 발생하기 쉽다. 따라서 포스트파일(30)이 매우 촘촘히 배치되어야만 버팀대(20)의 좌굴이 방지될 수 있다.

많은 수의 버팀대와 포스트파일로 인해서 굴착 공간 내에서의 작업 공간이 매우 협소해지게 되어 작업 효율이 크게 떨어진다.

그리고 많은 양의 버팀대와 포스트파일이 설치되므로 공사비와 공사 기간이 크게 증가되는 단점이 있다.

또한 굴착 작업 진행을 위한 공사 장비의 이동과 자재 적치 작업은 빈 공간의 협소함으로 인해 작업 효율이 매우 떨어진다.

본 발명은 종래 버팀대 지지 공법의 단점을 개선하기 위하여 안출된 것이다.

본 발명의 제1 목적은, 최소한의 버팀대 사용으로써 작업 공간을 충분히 확보할 수 있는 흙막이 구조물을 제시하는 것이다.

본 발명의 제2 목적은 흙막이 구조물 설치 시간 및 공사기간을 최소한으로 할 수 있는 흙막이 구조물을 제시하는 것이다.

본 발명의 제3 목적은 적은 개수의 버팀대 사용으로도 충분한 구조적 안정성을 충분히 발휘하는 흙막이 구조물을 제시하는 것이다.

본 발명의 제4목적은 깊은 심도(深度)에서의 큰 토압에 효과적으로 대응할 수 있는 흙막이 구조물을 제시하는 것이다.

상기 문제를 해결하기 위한 본 발명의 해결수단은 다음과 같다.

즉 지하터파기 공사장의 흙막이 벽체 안쪽으로 형성되되, 원 또는 타원형인 링버팀대 수단;과, 링버팀대 수단(201)의 둘레를 따라 결합되고 방사대칭(radial symmetry)형태로 결합되는 다수의 중심 버팀대 수단들;과, 링 버팀대 수단(201)에 결합되는 다수의 경사 버팀대 수단들;과, 상기 링 버팀대 수단에 수직하게 결합하며 지하에 매립되는 다수의 포스트파일들; 을 포함하는 전체 흙막이구조물 중 링버팀대 수단(201)의 구조적 안정을 위한 단위구조물에 있어서,

상기 단위 구조물은,

다각형(多角形)의 일부분인 직선 형상으로 형성되고, 다수개가 상호 연결되어 링형상의 다각형을 이루게 되는 링 버팀대 수단(201);

상기 링 버팀대 수단(201)의 둘레를 따라 결합되되, 상기 링 버팀대 수단의 중심으로부터 멀어지는 방향(레이디얼 방향)으로 결합된 중심 버팀대 수단(310);

일측 단부는 상기 중심 버팀대 수단(310)에 결합되고, 타측 단부는 상기 링 버팀대 수단(201)쪽으로 상기 중심버팀대수단(310)을 중심으로 하여 상호 대칭되도록 경사지게 결합되는 경사 버팀대 수단(320,330);

상기 링 버팀대 수단(310)과 수직하게 결합하면서, 하측 단부는 지하에 매립되는 포스트파일(100); 및

링 버팀대 수단 주위로 형성되는 하중분산 지지수단(500)을 포함하며,

상기 하중분산 지지수단(500)의 일측은 중심 버팀대 수단(310) 또는 상기 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부에 결합되며, 상기 하중분산 지지수단(500)의 타측은 상기 링 버팀대 수단의 둘레 부분에 결합됨으로써, 링 버팀대 수단에 집중하중이 걸리지 않도록 하여 구조적 안정을 이룰 수 있음을 특징으로 하는 흙막이구조물의 단위구조물이 제시된다.

발명의 자세한 구조 및 기능은 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용에서 설명한다.

본 발명에서는 단순한 구조로도 토압에 저항할 수 있는 안정적인 구조의 흙막이 구조물을 제시한다.

적은 수의 버팀대와 포스트파일이 사용되므로 공사비용이 및 공사기간이 현저히 줄어드는 이점이 있다.

또한 굴착 공사 현장의 자체 부지 내에서 중장비와 자재의 이동 공간을 충분히 확보할 수 있다.

또한 흙막이 구조물의 경량화에 의하여 공사 지반이 침하되는 것을 방지할 수 있는 등 공사 현장에서의 각종 사고도 미연에 예방 가능한 이점이 있다.

또한 깊은 심도로 터파기 작업을 경우에도 매우 효과적으로 토압을 견딜 수 있는 장점도 있다.

도 1은 굴착된 공간에 설치된 종래의 흙막이 구조물의 단면도로서, 포스트파일(30)와 버팀대(20)를 보이고 있다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 흙막이 구조물의 평면도로서, 직선만으로 간략히 도시하고 있다.
도 3은 도 2의 A1 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 3의 구조물을 C방향에서 바라 본 도면이다.
도 5는 도 4의 구조물을 D방향에서 바라 본 도면이다.
도 6은 도 5의 구조물의 구성 요소들을 분리한 도면이다.
도 7은 흙막이 벽체(700)에 도 4의 구조물을 구조물 B에 의하여 연결한 상태를 도시한 도면이다.
도 8a는 도 2의 구조물과 동일한 구조의 흙막이 구조물로서, 구조 강도 시뮬레이션을 수행하기 위한 것이다.
도 8b는 도 8a에 도시된 결과와 비교하기 위한 시뮬레이션용 흙막이 구조물이다.
도 9a 및 도 9b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물의 휨 모멘트를 도시하고 있다.
도 10a 및 도 10b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 걸리는 축력을 도시하고 있다.
도 11a 및 도 11b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 걸리는 전단력을 도시하고 있다.
도 12a 및 도 12b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 발생되는 변위량을 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 다른 실시예로서, 선행긴장력(프리스트레스, pre-stress)을 주기 위한 강선수단(400,401,402,403)을 링 버팀대 수단(200)에 결합한 상태를 도시하고 있다.
도 14는 도 13의 구조물의 일부분(E 부분)의 확대도이다.
도 15는 본 발명의 또다른 실시예로서, 도 14과 동일한 구조를 가지되, 강선수단(403)의 수량을 증가시킨 구조물을 도시하고 있다.
도 16은 본 발명의 또다른 실시예로서, 도 13의 강선수단(403) 대신에 링버팀대 보강빔(413)이 설치된 구조물을 도시하고 있다.
도 17은 도 16의 일부분을 확대하여 입체적으로 도시한 도면이다.
도 18은 심도가 깊은 굴착 현장에서 적용할 수 있는 본 발명의 또다른 실시예를 보이고 있다.
도 19는 도 18의 흙막이 구조물의 단면도이다.
도 20 내지 도 23은 본 발명의 링 버팀대 수단, 중심 버팀대 수단 및 경사 버팀대 수단을 적용한 또다른 형태의 흙막이 구조물을 도시하고 있다
도 24는 본 발명을 적용한 편측지지 방법의 예를 도시하고 있다.
도 25 내지 도 29는 본 발명의 다른 실시예에 따른 흙막이 구조물을 설명하기 위한 도면이다.

도면을 참조하며 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명한다.

본 출원인은 특허출원(10-2011-0071051호)를 통하여 링버팀대를 구비한 흙막이 구조물 발명을 출원하여, 2012. 03. 13자로 특허결정을 받았으며, 본 출원기술은 상기 특허출원 기술 중 링형 버팀대의 형상을 다각형 형태, 즉 짧은 직선 형강 다수개를 상호 이어붙혀서 다각형 형태로 제시한 기술을 포함하고 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 흙막이 구조물을 상공(도 1에서 U 방향) 에서 내려다 본 것이다. 도 2에서 보이는 구조물이 지하 터파기 공간 내에 여러 층으로 형성된다.

지하 터파기가 된 영역은 도 2 에서 최외곽 부분이며, 터파기 영역을 4각형으로 가정하였다. 최외곽 부분에서 안쪽으로 가해지는 토압을 견디기 위한 흙막이 벽체들(700,701,702,703)이 4각형의 둘레를 따라 형성되어 있다.

도 2의 중심부에는 원형의 링 버팀대 수단(200)이 설치되어져 있으며, 링 버팀대 수단(200)의 둘레를 따라서 중심 버팀대 수단(310)들이 다수 설치되어 있다.

링 버팀대 수단(200)은 미리 준비된 아치(원호) 형태의 버팀대들을 공사 현장에서 상호 연결함으로써 원형으로 제작하는 것이 바람직하다. 또한 원호 이외에 직선형 형강을 상호 결합하여 전체적으로 다각형을 이루면서 링형상으로도 얼마든지 구축가능하다.

링 버팀대 수단(200)의 '링' 이라는 용어는 반지 형상과 닮은 것을 고려하여 명명되었다. 링 버팀대 수단(200)의 형태는 원 형태 이외에도 타원 형상으로 응용하는 것도 충분히 가능하며 원의 일부로 제작될 수도 있다(도 24 참조).

또한, 도 29에서와 같이 다수의 직선 형강 부재가 상호 연결되어 전체적으로 링형상을 이루는 구조물로도 충분히 적용 가능하다.

중심버팀대 수단(310)은 링 버팀대 수단(200)의 중심으로부터 방사 형태로 뻗어나가는 방향으로 설치된다.

각각의 중심버팀대 수단(310) 일측에는 경사 버팀대 수단(320,330)이 결합된다.

경사 버팀대 수단(320,330)이라는 명칭의 '경사'라는 용어는 중심 버팀대 수단(310)을 기준으로하여, 중심 버팀대 수단(310)의 길이방향으로부터 비스듬하게 기울어져 결합되기 때문에 명명된 것이다.

경사 버팀대 수단(320,330)의 일측 말단부는 중심 버팀대 수단(310)에 결합되고 타측 말단부는 링 버팀대 수단(200)으로 연결된다.

상기 경사 버팀대 수단(320,330)은 상기 중심 버팀대 수단(310)을 중심으로 하여 상호 대칭되도록 형성되는 것이 구조적으로 안정하다.

도 2에서 A1,A2,A3 는 모두 동일한 구조로서, 링버팀대 수단(200)과 중심버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)을 포함한다. 도 4에서 도시된 포스트파일(100)은 도 2에서는 편의상 도시를 생략한다.

상기 A1,A2,A3은 흙막이 구조물의 단위 구조물로서 전체 흙막이 구조물의 가장 중요한 기본적인 단위체이다.

즉 원 또는 타원의 일부분 형상으로 형성되는 링 버팀대 수단(200);과

상기 링 버팀대 수단(200)의 둘레를 따라 결합되되, 상기 링 버팀대 수단(200)의 중심(원 또는 타원의 중심)으로부터 멀어지는 방향(레이디얼 방향)으로 결합되는 중심 버팀대 수단(310); 과

일측 단부는 상기 중심 버팀대 수단(310)에 결합되고, 타측 단부는 상기 링 버팀대 수단(200)에 결합되는 경사 버팀대 수단(320,330); 과

상기 링 버팀대 수단(310)과 수직하게 결합하면서, 하측 단부는 지하에 매립되는 포스트파일(100); 을 포함하는 구조물이 도 2에 도시된 전체 흙막이 구조물의 중요한 기본 단위체인 것이다.

도 2에서의 방향 x, y는 도 9a 내지 도 12b에서의 구조 해석 시뮬레이션 결과에 대한 설명을 위해 표시되어져 있다.

x 방향은 링 버팀대 수단(200)이 이루는 원의 접선 방향을 표시한다. y 방향은 도 2의 지면으로부터 나오는 방향(즉, 도 1에서의 U 방향의 반대방향)을 표시한다.

도 2의 4개의 꼭지점 부분에는 다수의 주변 버팀대(350)가 설치된다. 주변 버팀대(350)은 흙막이벽체(700,701,702,703)와 중심 버팀대(310)를 연결하는 역할을 한다. 한편, 주변 버팀대(350)이 배치되는 형태는 도 2와 달리 다양한 형태로도 가능하다.

본 발명의 첫번째 특징은 지하 터파기 공사시에 만들어지는 흙막이 구조물의 중심부분에 링 버팀대 수단(200)을 설치하였다는 점이다.

본 발명의 두번째 특징은 링 버팀대 수단(200)의 구조적 안정성을 확보하기 위하여, 중심버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)을 링 버팀대 수단 (200)의 둘레를 따라 결합한다는 점이다. 이때 하중분산 지지수단(500, 도 6 참조)을 설치하여 링 버팀대 수단(200)에 집중하중(concentrated force)이 가해지지 않도록 한다는 것이다.

링버팀대 수단(200)의 중심부는 빈 공간이다. 즉 이 영역에는 아무런 구조물이 설치되지 않으므로 흙막이 구조물을 설치하는 기간이 단축되고, 공사 차량 및 자재 이동이 매우 용이하다.

도 3은 도 2의 A1 부분을 확대한 도면이고 도 4는 도 3의 구조물을 C방향에서 바라 본 도면이며(도 7 참조) 도 5는 도 4의 구조물을 D방향에서 바라 본 도면이다. 도 6은 도 5의 구조물의 구성 요소들을 분리한 도면이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 링 버팀대 수단(200)의 전체 형상인 원형의 일부분(도 2의 A1 부분)만이 도시되고 있다.

링 버팀대 수단(200)은 H 빔으로 형성되는 것이 바람직하지만, 반드시 이 재료에 한정되는 것은 아니다.

*링 버팀대 수단의 강도 보강을 위하여 보강재(210,211,212,213,214)가 더 결합될 수도 있다.

링 버팀대 수단(200)의 둘레에는 상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520)이 결합된다. 이것은 링 버팀대 수단(200)에 집중 하중이 걸리지 않도록 하기 위함이다.

만약 중심 버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부가 링 버팀대 수단(200)의 둘레에 직접 결합된다면 구조적 안정성 측면에서 바람직하지 않다. 이 경우 링 버팀대 수단에 집중 하중이 작용하게 되어 구조적 안정성을 해치기 때문이다.

따라서 상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520)이 링 버팀대 수단(200) 둘레를 따라 결합된 후, 중심 버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)은 상기 상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520)에 결합되는 것이 바람직하다.

상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520)에 의해서, 중심 버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부가 링 버팀대 수단(200)에 가하는 힘을 분산하는 기능을 한다.

포스트파일(100)은 지반에 수직으로 설치되는 것으로서 링 버팀대 수단(200), 중심버팀대 수단(310) 및 경사 버팀대 수단(320,330) 등을 떠받치는 역할을 한다.

링버팀대 고정수단(110,120)은 포스트파일(100) 일측에 결합된다. 그 중 하나는 링 버팀대 수단(200)의 아래측에 있고, 나머지 하나는 상부 지지수단(510) 윗면에 위치한다. 이러한 구조에 의하여, 링 버팀대 수단(200)이 위, 아래 방향으로 움직이는 것을 효과적으로 방지할 수 있다.

도 5와 도 6을 참조하며 도 3의 구조물의 구성에 대하여 보다 상세히 설명한다.

상부 지지수단(510)과 하부지지수단(520)을 합쳐서 하중분산 지지수단(500)이라고도 명명한다.

상기 하중분산 지지수단(500)의 일측은 중심 버팀대 수단(310) 또는 상기 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부에 결합되며, 상기 하중분산 지지수단(500)의 타측은 상기 링 버팀대 수단(200)의 둘레 부분에 결합된다. 링 버팀대 수단(200)과 하중분산 지지수단(500)은 접촉면적을 작게 할 경우 링 버팀대 수단(200)이 붕괴될 우려가 있다.

따라서 하중분산 지지수단(500)의 일측 부분의 형상은, 링 버팀대 수단(200)의 둘레 형상(원호의 일부)과 동일하게 형성하여 가급적 접촉 면적을 크게 함이 바람직하다.

상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520)은 플레이트 형태로 형성됨이 바람직하다. 그러나 하중분산 지지수단(500)은 H빔과 같은 강재, 강봉 ,강관을 사용하여 제작하는 것도 가능하다. 본 발명의 일 실시예로는 플레이트 형태로 하중분산 지지수단(500)을 구성하였다.

하중분산 지지수단(500)을 플레이트 형상으로 제작할 경우 강도 보강을 위하여, 보강재(531,532,533,541,542,543, 551,553)를 상부 지지수단(510)과 하부 지지수단(520) 사이에 설치할 수도 있다. 이러한 보강재의 형태와 위치 및 개수는 도 5에 도시된 것과는 달리 다양하게 변형가능하다.

하중분산 지지수단(500)의 일측에는 연결판(580,581,582)이 형성되어 있다.

중심버팀대 수단(310)과 경사버팀대 수단(320,330)의 말단부에도 연결판(315,325,335)이 형성되어 있어서 상기 연결판(580,581,582)과 결합된다. 이러한 결합은 볼트에 의하여 결합되거나 용접에 의해 결합될 수도 있다.

연결판(315,325,335)이 결합된 위치에는 하중이 많이 걸리므로, 버팀대 보강재(311,321,331)를 도 5에서 도시된 위치에 설치할 수도 있다.

도 5 및 도 6에 도시된 결합 방법은 본 발명의 일 실시예에 불과하다. 그 이외에도 본 발명이 속한 분야의 기술자라면 용이하게 결합 방법을 변형할 수 있지만 모두 본 발명의 권리범위에 속한다.

도 7은 흙막이 벽체에 도 4의 구조물을 구조물 B에 의하여 연결한 상태를 도시한 도면이다. 구조물 B는 하나의 예시에 불과하고 다른 형태로 변형가능하다.

흙막이 벽체(700)의 띠장(whale)에 구조물 B를 결합하며, 중심 버팀대 수단(310)은 구조물 B에 결합함으로써, 흙막이 벽체(700)에 가해지는 토압(土壓)에 대하여 대응할 수 있게 된다.

본 발명에서의 흙막이벽체(700)는 특정한 형태에 국한되지 않는다. 즉 H 파일 토류판, CIP, 지하연속벽 혹은 슬러리월(Slurry wall) 등 다양한 형태로 이루어질 수 있다. 본 발명의 기술 분야의 기술자라면 본 발명의 흙막이 구조물에 다양한 종류의 흙막이벽체(700)을 적용할 수 있을 것이다.

도 8a는 도 2의 구조물과 동일한 구조의 흙막이 구조물로서, 구조 강도 시뮬레이션을 수행하기 위한 것이다. 그리고 도 8b는 도 8a에 도시된 흙막이 구조물과의 구조 강도를 비교하기 위한 시뮬레이션용 흙막이 구조물이다.

본 발명에서는 도 8a에 도시된 흙막이 구조물을 바람직한 실시예로 제시한다.

도 8b의 구조물이 도 8a의 구조물과 다른 점은, 중심 버팀대 수단(310)과 경사 버팀대 수단(320,330)이 링 버팀대 수단(200)과 결합된 형태의 차이이다.

즉, 본 발명에서 링 버팀대 수단의 안정성을 위하여 도 8a와 같이 링 버대 수단(200)에 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부가 결합되어 있음이 특징이다.

도 9a 내지 도 12b는 도 8a 및 도 8b의 구조물에 대한 구조 강도 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다. 힘을 가하는 조건은, 4각형 형태의 둘레에 길이당 10 톤중(tonf)을 가하는 것이다. 여기서 톤중은 ton 질량 단위에 중력 가속도를 곱한 것이다. 이를 tonf 로 표기한다.

도 9a의 결과는 각 구조물에 있어서 y방향으로 걸리는 모멘트를 도시하고 있다. y 방향은 도 1에서의 U 방향의 반대 방향이며 지면(地面)에 수직한 방향이다.

링 버팀대 수단(200)에서의 최대 휨 모멘트는 9.8 tonf-m이다.

반면, 도 9b에서는 링 버팀대 수단(200)에서의 최대 휨 모멘트는 20.2tonf-m이다.

따라서, 도 9a의 경우가 도 9b의 경우보다 48.5% 정도의 휨 모멘트가 걸리므로, 구조적으로 훨씬 안정함이 확인되었다.

도 10a 및 도 10b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 걸리는 축력을 도시하고 있다.

링 버팀대 수단(200)의 길이 방향으로 걸리는 힘(축력, axial force)은 링 버팀대 수단(200)의 둘레를 따라 0시 방향, 3시 방향, 6시 방향, 9시 방향 등 4개소에서 최대로 나타났다.

축력은 버팀대 혹은 링 버팀대 수단의 길이 방향에 걸리는 힘으로서 수치가 큰 값일수록 안정성 확보에 유리하다. 버팀대 혹은 링 버팀대 수단은 소정의 길이를 가진 직선 혹은 막대 형상을 취하고 있기 때문에 길이방향(축방향)으로 외력(토압)이 걸릴수록 구조적 안정성이 높아지게 된다. 통상 축력이 크면, 휨 모멘트는 작아져서 구조적으로 더 안정하게 된다.

도 10a에서는 최대 축력은 110 tonf 정도이고 도 10b에서는 103 tonf 이다. 즉, 도 8a 구조가 링 버팀대 수단(200)의 구조적 안정성 확보에 유리함이 확인되었다.

도 11a 및 도 11b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 걸리는 전단력을 도시하고 있다.

전단력은 z 방향 즉, 링 버팀대 수단(200)이 이루는 원의 중심으로 향하는 방향으로 계산된다. 전단력은 링 버팀대 수단(200)을 절단하고자 하는 힘을 의미한다.

도 11a에서는 링 버팀대 수단(200)에 걸리는 최대 전단력은 11.5 tonf 이고, 도 11b에서는 18.0 tonf 로 나타났다. 따라서 도 8a와 같은 구조물 형태가, 링 버팀대 수단(200)의 구조적 안정성 확보에 유리하다.

도 12a 및 도 12b는 각각 도 8a 및 도 8b의 흙막이 구조물에 걸리는 변위량을 도시하고 있다.

흙막이 구조물 각 위치에서의 변위량 (displacement)은 크기와 방향을 가진 벡터(vector)이다. 도 12a에서 표시된 방향(+ Dx)이 + 변위 방향이다. 좌측으로 향하는 방향은 (-) 방향이다.

도 12a에서 변위량은 최대 1.4 센티미터이고, 도 12b에서는 최대 1.46 센티미터이다.

따라서 도 8a의 구조물이 변위량 측면에서도 구조적 안정성을 가지는 것으로 확인되었다.

도 9a 내지 도 12b 까지의 시뮬레이션 결과를 종합해보면, 중심 버팀대 수단(310)과 경사버팀대 수단(320,330)이 결합된 구조물이 링 버팀대 수단(200)쪽으로 지지하는 구조물 형태(도 8a)가 구조적으로 매우 안정함을 확인할 수 있었다.

도 13는 본 발명의 다른 실시예로서, 강선 수단을 링 버팀대 수단에 결합한 상태를 도시하고 있다. 도 14는 도 13의 구조물의 일부분(E 부분)의 확대도이다.

링 버팀대 수단(200)의 안정성을 좀더 확보하기 위하여, 프리스트레스 수단을 더 구비할 수 있다. 프리스트레스 수단은 미리 링 버팀대 수단에 긴장력(선행긴장력)을 주기 위함이다.

이러한 프리스트레스 수단 중 하나의 예로서 강선수단(400,401,402,403)을 사용할 수도 있다.

강선수단(400,401,402,403)은 링 버팀대 수단(200)의 내측에 링버팀대 수단(200)의 중심을 기준으로 대칭적으로 다수 설치됨(도 13 참조)이 바람직하다. (전체적으로 보아서, 원호의 두지점을 이은 선분 형태)

이러한 강선 수단은 미리 링 버팀대 수단에 긴장력(선행긴장력)을 주어 흙막이 구조물 중에서 하중이 집중되는 취약한 부분의 안정성을 높여주는 역할을 한다.

물론, 강선수단(400,401,402,403) 대신에 강봉을 사용하여 긴장하는 구조도 가능하다. 강선은 장력(tension)만을 발휘할 수 있지만, 강봉은 압축력에도 견딜 수 있는 장점이 있다.

도 14 및 도 15에서와 같이 강선수단(403)은 강선지지체(451) 사이를 가로질러 형성되어 있다.

강선지지체(451)는 강선지지체하부(450,452)에 의해 지지된다. 강선수단(403a)은 도 15에서와 같이 다수개로 형성될 수 있다. 강선단부(403b)는 강선단부 고정수단 (408)에 의해 고정된다. 강선수단의 설치 위치, 형태 및 개수는 다양하게 변형 가능하다.

도 16은 본 발명의 또다른 실시예로서, 도 13의 강선수단(403) 대신에 링버팀대 보강빔(413)이 설치된 구조물을 도시하고 있다. 도 17은 도 16의 일부분을 확대하여 입체적으로 도시한 도면이다.

도 14에서 강선수단(403)은 그 말단부에 연결된 링 버팀대 수단(200)을 당기는 기능만 수행하는 반면, 도 17의 링 버팀대 보강빔(413)은 버팀대 및 링 버팀대와 함께 구조물의 일부로서 링 버팀대 수단(200)쪽으로 힘을 분산시키는 역할도 하며, 모멘트에 견디는 역할도 수행한다.

상기 프리스트레스 수단들(강선, 강봉, 빔)들은 강선, 강봉, 빔 중에서 어느 하나 혹은 이들중 2개 이상을 조합하여 구비하는 것도 가능하다.

본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 설명하였지만, 그외에도 다양한 변형된 실시예가 있을 수 있다.

도 18은 심도가 깊은 굴착 현장에서 적용할 수 있는 본 발명의 또다른 실시예로서, 터파기 공사 현장 상공에서 바라 본 것이다. 도 19는 도 18의 흙막이 구조물의 측단면도이다.

도 19와 같이 지하 터파기 심도가 깊을 경우, 강한 토압이 작용하게 된다. 이 경우, 도 8a에 도시된 링 버팀대 수단(202) 내측으로 지름이 작은 링 버팀대 수단(202)을 별도로 더 설치할 수 있다. 이때 내, 외측의 링 버팀대 수단(200,202)를 연결하는 링 연결수단(800)이 더 필요하다. 도 18에서 도시된 링 연결수단(800)의 배치 형태 이외에도 다른 형태로 구성할 수 있음은 자명하다.

상기 두개의 링 버팀대 수단들(200,202)은 동심원(concentric circles)을 이루는 것이 구조적으로 바람직하다.

내, 외측의 링 버팀대 수단(200,202)는, 미리 준비된 아치(원호) 형상의 버팀대(도시되지 않음)들을 공사 현장에서 상호 연결함으로써 원형으로 제작하는 것이 바람직하다. 이는 자재 운송의 편리함 때문이다. 아치 형상의 작은 버팀대들은 원의 일부분으로서, 이들을 결합하는 방법은 특정한 하나의 방법에 국한되지 아니한다. 그리고 직선형태의 형강을 상호 결합하여 전체적으로 다각형이면서 링형태로 제작하는 것도 얼마든지 가능하다.(도 29 참조)

내측의 링 버팀대 수단(202)을 떠받치기 위하여 다수의 포스트파일(102)이 더 필요하며, 편의상 도 18에서는 포스트파일의 도시를 생략하였다.

만약, 지하 심도가 더 깊어질 경우에는 링 버팀대 수단(202)의 개수를 증가시키는 것도 물론 가능하다.

도 20 내지 도 24는 본 발명의 링 버팀대 수단, 중심 버팀대 수단 및 경사 버팀대 수단을 적용한 다른 형태의 흙막이 구조물을 도시하고 있다. 도 20 내지 도 24의 구조물에서는, 도 2에서 도시된 A1, A2, A3 부분의 구조물을 모두 채용하고 있다.

굴착 작업 현장에서 대지 경계의 여유가 있을 경우에 도 20과 같은 형태로 흙막이 구조물을 구성할 수 있으며, 본 발명은 여러 작업 현장 상황에 따라서 여러 형태로 흙막이 구조물이 변형 가능함을 보이고 있다.

도 25 내지 도 29는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 흙막이 구조물을 설명하기 위한 도면이다.

본 실시예에서는 전체적으로는 링형상을 가지되 실제적으로는 직선 형강을 상호 이어 붙여서 다각형을 이루는 형태의 링 버팀대 수단(201)을 보이고 있다. 도 26과 도 27은 서로 반대 방향에서 바라 본, 도 28의 링 버팀대 수단의 사시도이다.

도 29는 앞선 실시예에 따른 도 8a에 대응되는 도면으로서, 도 2와 같이 흙막이 구조물의 중간 부분에는 구조물들이 설치되지 아니하고, 원형을 이루는 링 버팀대수단 대신에, 직선부재로의 링버팀대수단(201)들어 이어 붙혀, 다각형을 이루는 링 버팀대(201)를 도시하고 있다. 이러한 다각형상의 링 버팀대 수단(201)은 단위 직선 형강을 서로 결합하여 제조 가능하며, 도 5에 도시된 곡선을 가진 링버팀대수단 보다 제작이 수월하다.

도 29의 A4 부분을 확대한 도면이 도 28에 해당한다. A4 부분의 직선 개수가 많아질수록 다각형은 점점 도 8a 과 같은 원형상의 링버팀대에 가까워지게 된다.

도 28은 도 6의 경우와 구성의 목적과 기능이 같지만, 상하부지지수단(511,521)의 길이 방향 형태가 곡률을 가짐이 없이 직선 형태로 되어 있다. 이는 링버팀대 수단(201)이 직선의 형강으로 된 형태에 대응하기 위함이다.

앞서 설명된 바와 같이 상하부지지수단으로 이루어진 하중분산 지지수단(511,521)은 중심버팀대수단(310)과 경사버팀대수단(320,330)으로부터 가해지는 집중 응력이 직접 링버팀대 수단(201)으로 가해지지 않도록 이를 분산시키는 역할을 한다.

도 25 내지 도 27은 본 실시예에서 링 버팀대수단(201)을 이루는 단위 형강 부재들의 결합 관계 및 여러 보강판들을 도시하고 있다.

도 29와 같은 다각형을 이루는 낱개의 형강들은 상호 연결되어 링 버팀대 수단(201a, 201b)를 이룬다. 도 25는 도 29의 링버팀대 수단의 상측방향에서 바라본 일부분에 대한 평면도이다. 링버팀대수단의 단부는 상호 맞대기 이음이 되어 이를 적절한 체결수단(950)으로 결합할 수 있다. 도 26에서와 같이 링버팀대 수단의 단위 직선 형태의 형강들이 만나는 곳에서는 집중 하중이 걸리게 되므로 보강재(901,902,903)을 대어 구조적 안정성을 보강할 수 있으며, 이러한 보강재의 형태 및 설치 개수는 가감 가능하다. 또한, 추가적인 강도 보강을 위하여, 삼각형태의 보강판(900)을 각 링버팀대 수단의 모서리 부분에 결합시킴으로써, 토압 때문에 이웃한 직선형의 링버팀대 수단들 사이의 결합각도가 작아지는 방향으로 변형되는 것을 방지할 수 있다.

요약하면, 본 발명에서의 링 버팀대 수단은 반드시 원형 기타 원호의 형태 혹은 다각형 형태로도 충분히 응용 가능하다는 것이다.

본 발명에서는 단순한 구조로도 토압에 저항할 수 있는 안정적인 구조의 흙막이 구조물을 제시하였으며 적은 수의 버팀대와 포스트파일이 사용되므로 공사비용이 및 공사기간이 현저히 줄어드는 이점이 있다. 또한 굴착 공사 현장의 자체 부지 내에서 중장비와 자재의 이동 공간을 충분히 확보할 수 있으며, 흙막이 구조물의 경량화에 의하여 공사 지반이 침하되는 것을 방지할 수 있는 등 공사 현장에서의 각종 사고도 미연에 예방 가능한 이점이 있다. 게다가 본 발명은 깊은 심도로 터파기 작업을 경우에도 매우 효과적으로 토압을 견딜 수 있는 장점도 있다.

100,102:포스트파일 110,120:링 버팀대 고정수단
111,121:볼트 200,201,202:링 버팀대 수단
210,211,212,213,214:보강재 310:중심 버팀대 수단
320,330:경사 버팀대 수단 350:주변 버팀대
311,321,331:버팀대 보강재 400,401,402,403,403a: 강선수단
403b:강선 말단부 408:강선말단부 고정수단
413:링 버팀대 보강빔 450,452:강선지지체 하부
451:강선지지체 500:하중분산 지지수단
510,511:상부 지지수단 520,521:하부 지지수단
531,532,533, 541,542,543,551,553: 보강재
580,581,582,315,325,335:연결판
700,701,702,703:흙막이 벽체 800:링 연결 수단

Claims (1)

1. 지하터파기 공사장의 흙막이 벽체 안쪽으로 형성되되, 다각형의 링버팀대 수단;과, 상기 링버팀대 수단(201)의 둘레를 따라 결합되고 방사대칭(radial symmetry)형태로 결합되는 다수의 중심 버팀대 수단들;과, 링 버팀대 수단(201)에 결합되는 다수의 경사 버팀대 수단들;과, 상기 링 버팀대 수단에 수직하게 결합하며 지하에 매립되는 다수의 포스트파일들; 을 포함하는 링형상의 버팀대를 구비한 흙막이 구조물에 있어서,
   상기 흙막이 구조물은,
   다각형(多角形)의 일부분인 직선 형상으로 형성되고, 다수개가 상호 연결되어 다각형을 이루게 되고, 직선 형태의 링버팀대수단(201a,201b) 들이 서로 만나는 위치에 보강재(901,902,903)을 형성하되,
   
   보강재(901,902,903) 세개 중 하나의 보강재(901)은, 수직으로 서있는 형태로 제1판(901a), 제2판(901b)이 결합되어 형성되어, 이웃한 두개의 링버팀대수단 중 하나(201a)의 단부에 결합되고,
   또다른 보강재(902)는 이웃한 나머지 하나의 링버팀대수단(201b) 단부에 결합되되, 수직으로 서있는 형태로 제3판(902a), 제4판(902b)가 결합되어 형성되고,
   상기 보강재들(901,902) 사이에는 제5판(903a), 제6판(903b), 제7판(903c)로 이루어져 수직으로 서있는 형태로 결합된, 나머지 하나의 보강재(903)이 형성되며,
   상기 제2판(901b)과 제5판(903a)가 맞대기 결합되고, 상기 제7판(903c)과 제3판(902a)가 맞대기 결합되며,
   
   링버팀대수단의 모서리 부분에 삼각형태의 보강판(900)이 형성되어, 토압으로 인한 이웃한 링버팀대 수단들 사이의 결합각도가 작아지는 방향으로 변형되는 것이 방지되도록 한 링 버팀대 수단(201);
   상기 링 버팀대 수단(201)의 둘레를 따라 결합되되, 상기 링 버팀대 수단의 중심으로부터 멀어지는 방향(레이디얼 방향)으로 결합된 중심 버팀대 수단(310);
   일측 단부는 상기 중심 버팀대 수단(310)에 결합되고, 타측 단부는 상기 링 버팀대 수단(201)쪽으로 상기 중심버팀대수단(310)을 중심으로 하여 상호 대칭되도록 경사지게 결합되는 경사 버팀대 수단(320,330);
   상기 링 버팀대 수단(310)과 수직하게 결합하면서, 하측 단부는 지하에 매립되는 포스트파일(100); 및
   링 버팀대 수단 주위로 형성되는 하중분산 지지수단(500)을 포함하며,
   상기 하중분산 지지수단(500)의 일측은 중심 버팀대 수단(310) 또는 상기 경사 버팀대 수단(320,330)의 말단부에 결합되며, 상기 하중분산 지지수단(500)의 타측은 상기 링 버팀대 수단의 둘레 부분에 결합됨으로써, 링 버팀대 수단에 집중하중이 걸리지 않도록 하여 구조적 안정을 이룰 수 있음을 특징으로 하는,
   다각형상의 링 버팀대를 구비한 흙막이 구조물
   

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