KR20030096811A

KR20030096811A - 지하철등 대단위 굴착 공사의 브레이싱 없는버팀보(Strut) 공법.

Info

Publication number: KR20030096811A
Application number: KR1020020033855A
Authority: KR
Inventors: 염동신; 이정학
Original assignee: 염동신; 이정학
Priority date: 2002-06-17
Filing date: 2002-06-17
Publication date: 2003-12-31
Also published as: KR100534079B1

Abstract

일반적으로 지하구조물 작업시 측벽부의 토압을 지지하기 위해 측벽과 측벽 사이에 버팀보(Strut)를 설치한다. 지하철과 같이 측벽간 폭이 넓고 대형 작업장비들을 운용하여야 하는 경우 작업여건상 중간버팀대를 조밀하게 설치할 수가 없으므로 버팀보(Strut)의 좌굴장이 커지게 된다. 기존에 버팀보(Strut)로 주로 사용하던 H형강의 경우 본 지하철 시공 구간과 같이 측압이 크고 좌굴장이 긴 경우에는 연직방향의 거동에 대하여는 강축에 의해 저항하므로 안전하지만 관성모멘트가 현저히 작은 약축에 대하여는 횡방향 좌굴에 관한 안전성이 문제가 된다. 따라서, H형강 대신 모든 방향의 축에 대해 동일한 관성모멘트를 가지는 원형강관이나 각관을 사용하면 횡방향 좌굴응력이 기존의 H-형강보다 약 3배 이상 강해지며 수평, 수직 보강재를 설치하지 않아도 되므로 토공작업시 작업여유 공간이 발생하여 시공성이 양호하고, 수평 · 수직 보강재를 제거하므로 자재비 및 시공비가 절감된다.

즉, 본 발명은 대규모 굴착 공사시 버팀보(Strut)를 기존의 H-형강에서 원형강관이나 각관으로 변경하면, 시공성 및 경제성이 향상되도록 발명되었음.

Description

지하철등 대단위 굴착 공사의 브레이싱 없는 버팀보(Strut) 공법.{omitted}

기존 지하철등 대단위 굴착공사에서 흙막이벽을 버팀보형식으로 지지할 경우 H-Beam 사용시는 좌굴에 약하기 때문에 수평 · 수직 보강재가 설치되어, 토공작업등 시공성이 불량하였으며 수평 · 수직 보강재 설치에 따른 자재비 및 시공비가 추가 소요되나 본 발명에 따른 방법으로 시공한다면 브레이싱 즉, 수평 · 수직 보강재를 제거하여 시공성 및 경제성 향상을 고려토록 한 것임

본 발명은 대단위 굴착 공사에 관한 것으로, 굴착시 토압에 저항 시키기 위하여 버팀보를 설치하는데 종래에는 버팀보 재질이 H-Beam 이어서 약축 방향으로 좌굴이 발생하여 약축 보강을 위한 수평 · 수직 보강재를 설치하였고, 이로 인하여 공간이 협소하여 목적구조물(지하 구조물) 품질관리가 저하되었다.

또한 수평 ·수직 보강재 설치로 작업기간이 길어 제반 비용 소요가 크고, H-Beam의 단위 중량도 커서 재료비가 증가 되므로, 경제성도 저하 되었다. 안전성 면에서는 설치 및 해체시 수평 ·수직 보강재의 미설치 기간 상존으로 가시설 변형 가능성이 크고, 수평 · 수직 보강재 설치 작업이 버팀보 위에서 이루어 지므로 안전사고가 발생 하였다. 종래의 방법은 이러한 여러 가지 문제점을 내제하고 있다.

이에 본 발명은 대규모 굴착공사시 종래의 기술보다 시공성, 경제성, 안전성면에서 우수한 브레이싱 없는 버팀보 공법을 제공하는데 그 목적이 있다. 따라서, 본 발명은 상기 목적을 달성하고자, 기존의 버팀보 형식인 H-Beam에서 강관으로 버팀보를 변경하였다.

버팀보를 강관으로 변경할 시, 강관의 좌굴 하중을 계산하여 좌굴응력이 높아 수평 · 수직 보강재가 불필요 하고, 강관과 H-Pile(엄지 말뚝)의 접합부 상세 및 응력검토, 강관과 강관의 접합부 상세 및 응력검토를 수행하여야 한다.

본 발명은 기존에 주로 사용하던 H형강과 비슷한 단면적을 갖는 원형강관 두 경우에 대하여 유한요소법에 의한 좌굴해석 및 P-효과를 고려한 응력해석을 수행하여 구조적 안전성을 검토하여야 한다. 또한, 본 연구를 통해 제안하고자 하는 원형강관의 우수성을 평가하여야 한다.

버팀보(Strut)의 구조적 안전성 검토를 위해 축하중을 받는 버팀보(Strut)의 좌굴해석을 수행하고 만약 좌굴하중이 지배적이지 못할 경우, 즉 1차 좌굴하중이 설계축하중보다 클 경우 P-해석을 수행하여 작업하중(자중을 포함하여 작업 도중에 재하될 수 있는 설계 상 재하중) 및 설계축하중 재하시 발생하는 구조물의 응력이 세장비를 고려한 강관(SPS400)의 허용응력을 초과하는지에 대하여 검토하여야 한다.

이에 다음과 같이 기술적 과제를 해결하고자 한다.

(1) 횡하중을 받는 보-기둥의 해석이론

① 좌굴해석 이론

일반적으로, 축하중을 받는 기둥은 좌굴 또는 횡방향으로 처지는 성질 때문에 부재의 탄성한도보다 훨씬 낮은 P/A응력하에서도 파괴될 수 있다. 따라서, 허용응력은 좌굴에 대한 위험과 관련시켜 감소시키게 되는데 통상적으로 세장비에 의해 좌우된다.

또한, 횡하중을 받는 기둥(보-기둥)의 경우 횡하중에 의해 초기 처짐이 발생하면 축방향 압축하중에 의해 휨이 급격히 커지므로 심각한 문제가 될 수 있다. 따라서, 이러한 경우에는 횡하중에 의한 모멘트의 영향을 고려하여 응력해석을 하여야 한다.

[표 1.1]

이론적인 좌굴하중은 아래 식 (1.1)로 구할 수 있다.

한편 국내 도로교 표준시방서에서는 강재의 종류 및 세장비에 따라 다음과 같이 허용응력을 규정하고 있다.

[표 1.2]

② 보-기둥의 압축응력

보-기둥 부재의 경우, 횡하중에 의해 단순지지의 L/2 지점에서 초기 최대처짐 α를 갖는다고 하면 처짐 곡선은이다.

이러한 초기 처짐을 갖는 부재에 축하중 P가 작용하면 보의 굽힘모멘트는 다음과 같다.

여기서,

: 축하중의 작용으로 보의 굽힘에 의해 발생하는 추가처짐 굽힘모멘트 M을 처짐 곡선의 미분방정식 El"=-M 에 대입하여 풀면 보-기둥의 L/2지점에서의 처짐에 대한 최종식은 다음과 같다.

α : 보-기둥의 임계하중에 대한 축하중 P의 비

만약, 단순지지된 보-기중에 등분포하중 w가 재하된 경우라면, 중앙점에서의 최대 처짐은이므로 등분포하중 및 축하중을 받는 부재이 L/2 지점에서의 최대처짐은 다음과 같다.

따라서, 보-기둥의 최대 굽힘 모멘트이다.

최종적으로, 축하중과 굽힘모멘트에 의한 최대 압축응력은 아래의 식으로 구할 수 있다.

(2) 구조해석 모델

① 해석모델 및 단면상수

[표 2.1]

그림 2.1 해석모델

[표 2.2]

② 하중조건

P-해석시 하중은 그림 2.2와 같이 두 개의 경우에 대하여 해석을 수행하였다.

그림 2.2 하중조건

LC 1과 LC 2는 동시에 재하되지 않으며 LC 2의 1.5tonf은 가장 큰 모멘트를 발생시키는 부재의 L/2 지점에 재하한다. 또한, 부재에 재하되는 하중은 그림 3.2와 같이 단면의 중앙 상부에 작용하는 것으로 가정한다.

그림 2.3 해석모델별 하중재하 위치

(3) 좌굴하중 및 압축응력의 이론해

① 세장비에 따른 허용 압축응력 계산 (SPS400)

H형강의 경우에는 1차 좌굴이 약축에 대하여 발생하므로 Iz에 대한 허용 압축응력을 계산하였다.

[표 3.1]

(가) 원형강관의 허용 압축응력 계산

(나) H형강의 허용 압축응력 계산

② 좌굴하중 계산 (SPS400)

(가) 원형강관

(나) H형강

③ 좌굴하중 계산(SPS400)

(가) 원형강관의 압축응력 계산(LC 1)

(나) H형강의 압축응력 계산 (LC 1)

(4) 구조해석 및 결과

① 구조해석 방법

구조해석은 범용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였으며 원형강관 및 H형강에 대한 응력분포와 발생할지 모를 국부좌굴 등을 정확히 평가하기 위하여 3차원 Shell 요소를 사용하였다. 구조해석은 크게 좌굴해석과 P-효과를 고려한 대변형해석에 대하여 수행하였다. P-효과를 고려한 대변형해석은 자중 및 작업하중 등을 고려한 상재하중과 설계축하중에 대하여 수행되었고 이때의 최대응력과 허용압축응력을 비교하였다.

좌굴해석의 경우, 축하중만 받는 Strut에 대한 좌굴하중과 상재하중에 의한 초기 처짐을 갖는 Strut에 대한 좌굴하중은 거의 차이가 없다. 또한, 본 해석 모델과 같이 횡하중을 받는 보-기둥의 경우 작은 횡하중하에서도 기둥의 안정성이 깨지므로 좌굴문제 보다는 기하비선형 문제로 해석하여야 한다. 따라서, 상재하중 및 축방향 좌굴하중에 대한 기하비선형 해석을 수행하였으며 최대 설계축하중인 111.55tonf재하시 Strut에 발생하는 응력을 허용 압축응력과 비교·평가하였다.

P-효과를 고려한 응력해석 절차는[표 4.1] 같다.

[표 4.1]

해석결과, 축하중이 좌굴하중에 도달할 때 급격한 처짐을 보이지 않고 초기 미소한 축하중에서도 수직변위가 증가함을 보였다. 이는 상재하중이 재하될 경우 좌굴보다는 휨에 의한 변형임을 알 수 있다.

P-효과를 고려한 Step I과 Step II의 해석으로부터 축하중의 증가에 따른지간 중앙부 수직처짐 곡선인 P-곡선은 그림 4.1과 같다.

그림 4.1 P-곡선

② 구조해석 결과

(가) 원형강관의 좌굴해석 결과

원형강관의 경우 부재 축에 대한 vertical 방향과 lateral 방향의 강성이 동일하므로 각 방향에 대하여 2개의 동일한 모드가 발생한다. 그림 4.3의 1,2차 좌굴모드와 그림 4.4의 3,4차 좌굴모드는 전체적인 구조의 좌굴로서 일반적인 보의 좌굴이론에 의하여서도 예측되는 거동이다. 그림 4.5와 4.6의 좌굴모드들은 단면이 찌그러지며 발생하는 좌굴모드로서 보의 좌굴이론으로는 해석할 수 없는 거동이다.

[표 4.2]

그림 4.3 원형강관의 1,2차 좌굴모드

그림 4.4 원형강관의 3,4차 좌굴모드

그림 4.5 원형강관의 5,6차 좌굴모드

그림 4.6 원형강관의 7,8차 좌굴모드

(나) H형강의 좌굴해석 결과

H형강의 경우에는 vertical 방향(강축)의 강성에 비하여 lateral 방향(약축)의 강성이 작으므로 1차 좌굴은 약측에 대하여 발생한다.

[표 4.3]

그림 4.7 H형강의 1차 좌굴모드(약축)

그림 4.8 H형강의 2차 좌굴모드(강축)

그림 4.9 H형강의 3차 좌굴모드

그림 4.10 H형강의 4차 좌굴모드(약축)

그림 4.11 H형강의 5차 좌굴모드

(다) 원형강관의 응력해석

좌굴해석 결과, 1차 좌굴하중이 P_cr=747.6tonf으로서 설계 축하중 P=111.55tonf비하여 많은 여유를 가지므로 설계축하중과 연직하중이 동시에 작용하는 경우의 응력검토를 위한 기하학적 비선형해석을 수행하였다.

[표 4.4]

그림 4.12 원형강관의 응력 contour(LC 1)

그림 4.13 원형강관의 응력 contour(LC 2)

(라) H형강의 응력해석

좌굴해석 결과, 1차 좌굴하중이 P_cr=223.6tonf으로서 설계 축하중 P=111.55tonf에 비하여 많은 여유를 가지므로 설계축하중과 연직하중이 동시에 작용하는 경우의 응력검토를 위한 기하학적 비선형해석을 수행하였다. 지점부 축하중 작용점에 국부적인 과대한 압축응력이 작용하나 유한요소해석상 발생할 수 있는 결과로서 한 절점에 과대한 집중하중이 작용하는 경우 그 점에서는 국부적인 응력 증가가 발생하기 때문이다. 실제로는 보강 Plate에 의해 한 점에만 하중이 집중되지 않으므로 하중집중점의 응력결과는 비교 대상이 되지 못한다.

따라서, 이론적으로 가장 큰 응력을 발생시키는 보의 중앙지점(원형강관과 동일지점)에서의 최대 압축응력을 비교하였다.

[표 4.5]

그림 4.14 H형강의 응력 contour(LC 1)

그림 4.15 H형강의 zoomed 응력 contour(지간중앙) (LC 1)

그림 4.16 H형강의 응력 contour(LC 2)

그림 4.17 H형강의 zoomed 응력 contour(지간중앙) (LC 2)

(5) 결론

[표 5.1]

① 지하철구간에서 원형강관을 버팀보(Strut)로 사용하는 경우의 구조적인 안전성과 우수성을 해석적인 방법을 통하여 검증하였다.

② 좌굴하중 검토에 있어서는 검토 대상인 원형강관(406, t=10)과 H형강(H300×305×15×15) 모두 좌굴하중이 각각 747.6tonf과 223.6tonf으로서 설계축하중인 111.55tonf를 훨씬 상회하는 값을 보여 두 부재 모두 전체적인 좌굴하중은 설계 축하중보다 큰 결과를 보였다. 그러나 H형강의 경우 약축에 대한 좌굴이 지배적이므로 원형강관에 비하여 30%에 해당하는 훨씬 작은 좌굴하중 값을 가짐을 알 수 있다. 따라서, 원형강관의 좌굴하중에 대한 안전율이 훨씬 크다고 할 수 있다.

③ 연직방향의 가설하중을 포함한 대변형 해석을 수행하고 이로부터 응력 검토를 한 결과, 원형강관의 경우에는 최대압축응력이 -1,400 kgf/cm²로서 허용압축응력 -1468 kgf/cm²보다 작은 값을 보였으나, H형강의 경우에는 허용압축응력 -636 kgf/cm²보다 큰 -1,200kgf/cm²의 최대압축응력이 발생함으로써 설계조건을 만족하지못함을 알 수 있었다.

이는 H형강이 연직방향의 거동에 대하여는 강성이 커서 발생하는 압축응력 자체의 크기는 오히려 원형강관에 비하여 더 작으나, 상대적으로 강성이 작은 약축에 대한 세장비가 커짐으로 인하여 허용압축응력이 매우 작은 -636 kgf/cm²에 불과하기 때문이다. 따라서, 검토대상의 원형강관이 보다 작은 단면적을 가짐에도 불구하고 H형강에 비하여 구조적으로 훨씬 안전하고 우수한 것으로 판단된다.

④ 결론적으로 버팀보(Strut)를 원형강관으로 사용함으로 인하여 기존의 H형강을 사용하는 경우에 비하여 다음과 같은 많은 장점들이 있는 것으로 판단된다.

· 보다 작은 단면적의 부재를 사용하여도 횡방향 좌굴에 대한 안전성 우수

· 중간 수직 버팀대 및 브레이싱의 생략 가능

· 이로 인한 자재비, 설치비 등의 비용 절감으로 인한 경제성

· 중간 수직 버팀대 및 브레이싱의 생략으로 인한 시공 중 작업공간의 확충

강관은 강축, 약축의 구별이 없고, 허용 좌굴 하중이 H-형강의 3.4배로서 좌굴에 강하므로, 수평, 수직 보강재가 불필요 하고, 여유있는 작업공간 확보로 시공성이 우수함.

제1도는 강관 버팀보를 설명하기 위한 단면도.

제2도는 JACK 연결부 상세와 버팀보 제작 및 연결 상세임.

제3도는 버팀보 연결부 설치 위치도 및 경사 띠장부 버팀보 연결재와 강관버팀보 시공 순서도.

제4도는 U-볼트 설치예.

제5도는 U-볼트 설치예.

제6도는 버팀보 수평브레이싱 설치도.

제7도는 띠장과 버팀보의 띠장 설치도면.

강판버팀보 구조

발명의 구성 및 작용은 강관 버팀보의 적용성을 기존방식(H-형강)과 비교하여 설명하였고, 강관 버팀보의 구조 검토를 하여 기존 버팀보 방식인 H-형강과 좌굴하중을 비교하고, 강관의 연결부 검토를 하여 상세히 기술하였으며, 구성 및 작용을 고찰하였다.

(1) 강관 버팀보 적용성 검토

주)공사비는 본선부 폭16m, 연장15m 기준임.

Claims

대단위 굴착 공사 또는 지하구조물 작업시 측벽부의 토압을 지지하기 위해 측벽과 측벽사이에 버팀보(strut)를 설치한다.

특히, 지하철과 같은 측벽간 폭이 넓고 대형장비들을 운용하여야 하는 경우 작업여건상 중간 버팀대를 조밀하게 설치할 수가 없으므로 버팀보(Strut)의 좌굴장이 커져, 기존의 H-형강의 경우 연직 방향의 경우 강축에 의해 저항하므로 안전하지만, 관성모멘트가 현저히 작은 약축에 대하여는 횡방향 좌굴에 관한 안전성이 문제가 되므로, H-형강 대신 모든 방향의 축에 대해 동일한 관성 모멘트를 가지는 원형강관이나 각관을 버팀보(Strut)로 사용하여 구조적인 안전성과 경제성을 내재한 공법.
굴착공사시 버팀보를 강관으로 사용하므로 발생되는 강관 연결부 상세에서 JACK과 강관, 강관과 강관의 접합부를 응력검토를 하고 도면에 기술하여, 연결부에도 구조적인 안전성을 고려한 공법.