KR20140013755A - 해트형 강 시트 파일 - Google Patents

Abstract

경제성, 시공성 및, 건전성이 함께 최적화된 해트형 강 시트 파일을 제공한다. 본 발명에 따른 해트형 강 시트 파일은, 상 플랜지부의 양 단에 웹부가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어지는 해트형 강 시트 파일로서, 강 시트 파일벽을 형성했을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항 R 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가, 하기의 식군 (A) 또는 (B) 중 어느 하나를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 한다.
식군 (A):
(W/I)×R≤0.004이며, 그리고
2.65×10^－4×I＋22≤θ≤2.80×10^－4×I＋48 (20,000≤I＜80,000)
2.65×10^－4×I＋22≤θ≤70 (80,000≤I＜180,000)
식군 (B):
0.004＜(W/I)×R≤0.0075이며, 그리고
2.80×10^－4×I＋44.6＜θ≤80 (20,000≤I＜80,000)
67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)

Description

해트형 강 시트 파일{HAT-TYPE STEEL SHEET PILE}

본 발명은, 지하 흙막이, 하천 호안 등에 사용되는 해트형 강 시트 파일에 관한 것이다.

본 명세서에 있어서, 해트형(hat type) 강 시트 파일이란, 상 플랜지부의 양 단에 웹부(web portion)가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어져, 전체 형상이 대략 해트형으로 된 강 시트 파일을 말한다.

강 시트 파일의 이음매를 끼워 맞춤시켜 축조한, 강 시트 파일벽의 성능의 지표의 하나로써, 벽의 강성(rigidity)을 나타내는 단면 2차 모멘트(I)가 있다. 일반적으로, 단면 2차 모멘트(I)가 크면, 토압이나 수압 등의 하중이 작용했을 때의 벽체의 변형량은 작아진다.

단면 2차 모멘트(I)는, 강 시트 파일의 판두께(t)나 높이(H)를 증가시키는 것 등으로써 크게 하는 것이 가능하지만, 경제성의 관점에서는 가능한 한 단면적(A)을 작게 하여 강중(W)을 줄이는 것이 바람직하다.

한편으로, 강 시트 파일의 대형화는, 강 시트 파일의 관입 저항(R)의 증대로 이어진다. 관입 저항(penetration resistance;R)은, 강 시트 파일의 시공성(관입성)을 좌우하는 주요한 지표로서, 가능한 한 작게 하는 것이 바람직하다. 즉, 관입 저항이 작으면, 강 시트 파일의 시공 속도, 시공 능률이 향상되는 것으로 이어진다.

강 시트 파일의 관입 저항(R)은, 주로 지반 저항에 의한 지지력과 이음매 저항(joint resistance)으로 이루어진다. 이 중, 지반 저항에 의한 지지력(선단＋주면 마찰)에 대해서는, 워터제트(water jet) 공법 등의 보조 공법을 이용하여 지반의 강도를 일시적으로 저하시킴으로써, 지지력도 어느 정도 인위적으로 저하시키는 것이 가능하다.

한편, 이음매 저항은, 이음매끼리 혹은 이음매와 이음매 내의 토사와의 마찰 저항이 요인이다.

통상, 이음매 간에는 수㎜ 이하의 극간(gap)이 형성되어 있기 때문에, 선행하여 타설(打設)된 강 시트 파일과 완전히 병행을 유지하여 타설되는 경우에는, 이론상으로는, 이음매끼리의 마찰은 거의 발생하지 않는다.

그러나, 실제로는 강 시트 파일은 강체(rigid body)가 아니기 때문에, 지반 저항에 의한 지지력으로 점차 그 단면이 변형되어, 휨이 발생한다. 그 결과, 이음매끼리가 접촉하여 마찰이 발생한다.

또한, 마찰 저항을 저감하기 위해 이음매에 윤활제를 도포한다는 방법이 있지만, 이음매와 토사와의 마찰에 의해 박리되기 때문에, 효과가 제한되어 버린다.

이음매 저항이 발생하면, 강 시트 파일이 기울어, 더욱 마찰이 증가한다는 악순환이 발생한다.

한번 이러한 악순환에 빠지면 수정하는 것은 곤란하기 때문에, 강 시트 파일의 타설시에 가능한 한 기울어짐이 발생하지 않도록 유도틀을 사용하고, 넘어짐이나 어긋남이 발생한 경우는, 강 시트 파일을 인발하여 재차 다시 타설하는 것이 행해지고 있다.

이와 같은 강 시트 파일의 넘어짐(inclination)이나 어긋남에 대하여, 시공 관리의 기준을 엄격하게 하여 이음매 저항을 억제한다는 방식도 있지만, 동시에 시공 능률의 저하를 초래한다.

또한, 강 시트 파일의 단면의 변형에 의해 마찰 저항이 증가한다는 원인이 제거된 것은 아니며, 강 시트 파일을 인발하여 재차 다시 타설해도 수정되지 않는다는 경우가 일어난다는 문제가 있었다.

이상과 같이 강 시트 파일의 단면 설정에 관해서는, 경제성과 시공성의 관점에서의 고찰이 필요하지만, 이 점, 해트형 강 시트 파일의 단면 형상의 설정 방법에 대해서, 예를 들면 하기에 나타내는 특허문헌 1∼5에 있어서 고찰이 이루어지고 있다.

특허문헌 1 및 2는, 새롭게 정의한, 플랜지 폭(Bf)과 유효폭(B)과의 관계식과, 단면 2차 모멘트(I)와 높이(H)와 유효폭(B)과의 관계식을 함께 만족함으로써, 종래의 U형 강 시트 파일이나 광폭형 강 시트 파일보다 우수한 단면 성능이 얻어지는 형상 설정 방법 및 해트형 강 시트 파일이 나타나 있다.

한편, 특허문헌 3에서는, 단면 2차 모멘트(I)의 관계식에서 웹 각도 θ의 범위를 한정하여, 관입 저항(R)을 최소화한 해트형 강 시트 파일이 나타나 있다. 또한, 특허문헌 5도 동일하게, I와 B 및 단위 중량(W)의 관계식을 만족하도록 설정하여, 관입성을 확보한 해트형 강 시트 파일이 나타나 있다.

또한, 특허문헌 4는, 기존의 U형 강 시트 파일의 단위 중량(W)과 단면 2차 모멘트(I)와의 선형 관계를 상회하도록 설정한 해트형 강 시트 파일의 I와 W의 관계식과, 유효폭(B)과 플랜지 폭(Bf)의 관계식을 함께 만족함으로써, 경제성을 높인 해트형 강 시트 파일이 나타나 있다.

이들 해트형 강 시트 파일은, 유효폭(B)은 700∼1200㎜, 높이(H)는 200∼350㎜ 정도, 단면 2차 모멘트(I)는 10,000∼20,000㎝⁴/m 전후의 것을 대상으로 하고 있다.

일본공개특허공보 2008-069631호 일본특허 제4069030호 공보 일본특허 제3488233호 공보 일본특허 제3458109호 공보 일본공개특허공보 2005-213895호

상기의 특허문헌 1∼5에서는, 해트형 강 시트 파일의 단면 형상의 설정에 있어서, 경제성 혹은 관입성(시공성) 중 어느 하나에 착안하여, 그에 특화된 고찰이 이루어지고 있다.

그러나, 이들은 경제성과 시공성을 함께 최적화한다는 명확한 컨셉에서의 강 시트 파일의 형상 설정 방법은 아니다. 발명자들이 알고 있는 범위에서는, 경제성, 시공성 및 건전성을 함께 최적화한 해트형 강 시트 파일에 대해서 개시한 문헌은 없다.

경제성을 높이기 위해서는, 가능한 한 단면 성능당의 강중을 줄일 필요가 있으며, 단면을 확대하면서 판두께를 삭감해 가는 방법을 생각할 수 있다. 그러나, 단면을 확대하면 시공시의 관입 저항이 증가하는 것을 명백하다. 또한, 판두께를 얇게 하면 시공시나 운반시에 국부 좌굴(local buckling) 등의 손상이 발생할 우려가 있어, 강 시트 파일의 성능에 문제가 발생한다.

본 발명은, 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 경제성과 시공성을 함께 최적화하고, 또한 건전성도 확보한 해트형 강 시트 파일을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

발명자들은, 벽폭 1m당의 단면적(A) 혹은 단위 벽 면적당의 중량(W)을, 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트(I)로 나눈, A/I나 W/I를, 경제성 지표로 정의하는 것을 생각했다. 경제성으로서는, 이들의 경제성 지표가 작을수록 바람직해진다. 즉, 어느 단면 2차 모멘트(I)를 발휘하기 위해 필요한 단면적(A)이나 단위 중량(W)은, 제조 비용 등을 고려하면, 이들의 경제성 지표가 작은 쪽이, 보다 경제적이라는 것이다.

덧붙여 말하면, 종래의 400㎜ 폭의 U형 강 시트 파일의 Ⅲ형에서는 W/I＝150/16,800＝8.9×10^{－ 3} 인 것에 대하여, 대형화된 600㎜ 폭의 광폭형 강 시트 파일의 Ⅲw형에서는 W/I＝136/32,400＝4.2×10^－3으로, 경제성이 배 이상으로 향상되어 있다.

상기와 같이, 강 시트 파일의 단면 성능(단면 2차 모멘트(I) 또는 단면 계수(Z))가 동일하다면, 단위 벽 면적당의 중량(W)은 작은 쪽이 경제적이다(동일 단면 성능에 대한 강재 중량의 저감). 즉, 단위 중량당의 제조 비용이 동일하다면, 단면 성능당의 중량(W/I)이 작은 쪽이 경제적이다.

한편으로, 단면 성능당의 중량(W/I)이 작아지면, 강 시트 파일의 단면 치수(유효폭(B), 높이(H))는 증대되고, 판두께(t)는 감소한다. 그 결과, 시공시에 있어서의 강 시트 파일의 변형량이 증대되어, 타설이 곤란해진다. 그 때문에, W/I가 큰 쪽이 시공성은 좋은, 즉 관입 저항(R)이 작다고 할 수 있다.

따라서, W/I(≒제조 비용)가 감소하면, 관입 저항(R)(≒시공 비용)은 증가한다. 반대로, W/I가 증가하면, 관입 저항(R)은 감소한다고 생각된다. 즉, W/I와 R과는 이율 배반의 관계에 있다고 할 수 있다.

그 때문에, 경제성 지표인 W/I와 시공성 지표인 R을 어떻게 균형 잡을지가, 경제성과 시공성의 양쪽을 최적화시킴에 있어 중요해진다.

본 발명은 이러한 인식에 기초하여 이루어진 것이며, 구체적으로는 이하의 구성으로 이루어지는 것이다.

(1) 본 발명에 따른 해트형 강 시트 파일은, 상 플랜지부의 양 단(both ends)에 웹부가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어지는 해트형 강 시트 파일으로서, 강 시트 파일을 형성했을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항(R) 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가, 하기의 식군 (A) 또는 (B) 중 어느 하나를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

식군 (A):

(W/I)×R≤0.004이며, 그리고

2.65×10^－4×I＋22≤θ≤2.80×10^－4×I＋48 (20,000≤I＜80,000)

2.65×10^－4×I＋22≤θ≤70 (80,000≤I＜180,000)

식군 (B):

0.004＜(W/I)×R≤0.0075이며, 그리고

2.80×10^－4×I＋44.6＜θ≤80 (20,000≤I＜80,000)

67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)

(2) 본 발명에 따른 해트형 강 시트 파일은, 상 플랜지부의 양 단에 웹부가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어지는 해트형 강 시트 파일로서, 강 시트 파일을 형성했을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항(R) 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가, 상기의 식군 (A)를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(3) 본 발명에 따른 해트형 강 시트 파일은, 상 플랜지부의 양 단에 웹부가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어지는 해트형 강 시트 파일로서, 강 시트 파일벽을 형성했을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항(R) 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가, 상기의 식군 (B)를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

(4) 본 발명에 따른 해트형 강 시트 파일은, 상기 (1)∼(3) 중 어느 하나에 기재된 해트형 강 시트 파일로서, 높이(H)와 웹 판두께(tw)와의 관계가 하기식을 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

H/tw≤60.0

본 발명에 있어서는, 강 시트 파일벽을 형성했을 때의 벽면 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항(R) 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가 상기의 식군 (A) 또는 (B) 중 어느 하나를 만족하도록 설정되어 있기 때문에, 경제성과 시공성의 양쪽을 충족하고, 그리고 보다 시공성을 높이도록 최적화된 단면 형상을 갖는 해트형 강 시트 파일로 되어 있다.

본 발명에 있어서는, 상기에 더하여 추가로, 높이(H)와 웹 판두께(tw)와의 관계가 하기식을 만족하도록 설정되어 있기 때문에, 시공시의 관입 저항에 의한 강 시트 파일의 좌굴/변형을 억제할 수 있고, 이에 따라, 건전성을 확보한 해트형 강 시트 파일을 제공할 수 있다.

H/tw≤60.0

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 해트형 강 시트 파일의 설명도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 최적 단면을 도출하는 과정의 설명도로서, B＝1400㎜, tf＝16㎜, tw＝8.5㎜로 일정하게 하여, 높이(H), 웹 각도(θ)를 변화시켰을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트와 단위 벽 면적당의 중량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 최적 단면을 도출하는 과정의 설명도로서, B＝1400㎜, H＝600㎜로 일정하게 하고, 플랜지 판두께(tf)와 웹 판두께(tw)를 변화시켰을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트와 단위 벽 면적당의 중량의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 최적 단면을 도출하는 과정의 설명도로서, I＝80,000의 경우에 있어서, 경제성 지표와 웹 각도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 최적 단면을 도출하는 과정의 설명도로서, I＝80,000의 경우에 있어서, 시공성 지표와 웹 각도와의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 최적 단면을 도출하는 과정의 설명도로서, I＝80,000의 경우에 있어서, 시공성 및 경제성을 가미한 지표와 웹 각도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 형태에 있어서 해트형 강 시트 파일을 강 시트 파일벽으로 했을 때의, 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트와 웹 각도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태인 해트형 강 시트 파일을 강 시트 파일벽으로 했을 때의, 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트와 웹 각도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실시 형태의 다른 형태인 해트형 강 시트 파일을 강 시트 파일벽으로 했을 때의, 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트와 웹 각도와의 관계를 나타내는 그래프이다.
도 10은 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P45°와 시공성 지표 R/R45°와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 11은 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P45°와 웹 각도 θ(°)와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12는 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P67°와 시공성 지표 R/R67°와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 13은 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P67°와 웹 각도 θ(°)와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 14는 시공시 관입 저항 P와 높이/웹 두께비인 H/tw와의 관계를 나타내는 도면이다.
도 15는 시험체의 변형량과 높이/웹 두께비인 H/tw와의 관계를 나타내는 도면이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

도 1에 나타내는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 해트형 강 시트 파일에 대해서, 그 형상 결정 방법을 설명한다.

해트형 강 시트 파일의 단면 형상을 규정하는 파라미터로서는, 유효폭(B), 높이(H), 웹 각도(θ), 플랜지 폭(Bf), 플랜지 판폭(tf), 웹 판두께(tw)가 있다.

이들을 정하면, 단위 벽 면적당의 중량(W) 및 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트(I)가, 하기식에 의해 일의적으로 정해진다.

I＝I₀＋∑A×y²

W＝γ×A

(I₀: 단면 2차 모멘트, A: 단면적, y: 도심축으로부터의 거리, γ: 단위 체적 중량)

통상, 강 시트 파일의 단면 2차 모멘트(I)는, 강 시트 파일 단면의 CAD 데이터를 이용하여, 이음매부를 포함한 엄밀해(嚴密解;exact solution)를 상기식으로 산출하고 있다.

그러나, 본 실시 형태와 같은 단면 형상의 검토, 즉, 파라메트릭 스터디(parametric study)에 있어서는, 매회 CAD 데이터를 작성하고 나서 I를 산출하는 것은 매우 번잡하다.

그래서, 강 시트 파일벽의 단면 2차 모멘트(I)의 산정에 있어서, 다음과 같은 방법을 생각했다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 해트형 강 시트 파일을, 상하 플랜지와 웹의 3개의 부분으로 분할하고, 간략 계산이기는 하지만, I를 간편하게 산출할 수 있는 방법을 이용했다. 단, 이 방법은 이음매부를 고려하고 있지 않기 때문에, 그만큼 I의 값이 작게 산출된다. 시험 계산(trial calculation)에 의하면, 엄밀해의 약 80∼90％의 값이 되지만, 이 점은, 후술하는 형상을 규정하는 직선을 피팅(fitting)에 의해 구할 때에 고려되기 때문에 문제없다.

전술한 바와 같이, 일반적으로 단면 2차 모멘트(I)는, 하기의 식으로 나타난다.

I＝I₀＋∑A×y²

여기에서, 도 1과 같이 해트형 강 시트 파일을 3개의 장방형((ⅰ)(ⅱ)(ⅲ))으로 분할하여, 각각의 I를 도출하면, 이하와 같이 된다. 단, (ⅰ)는 좌우의 장방형을 더하여 하나의 장방형으로 취급하고 있다.

(수 1)

이에 따라, 해트형 강 시트 파일 1장당의 I'는, 하기식이 된다.

I'＝Bf×tf/2×(tf²/3＋h²)＋tw×h³/6×1/sinθ

따라서, 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트(I)는, 하기식 (1)이 된다.

I＝{Bf×tf/2×(tf²/3＋h²)＋tw×h³/6×1/sinθ}×1000/B…(1)

이 (1)식에 의하면, 해트형 강 시트 파일의 단면 형상을 규정하는 파라미터인, 유효폭(B), 높이(H＝h＋tf), 웹 각도(θ), 플랜지 폭(Bf), 플랜지 판폭(tf) 및 웹 판폭(tw)으로부터, 용이하게 단면 2차 모멘트(I)를 산출할 수 있다.

또한 마찬가지로, 단위 벽 면적당의 중량(W)도, (2)식에 의해 산출할 수 있다.

W＝(Bf×tf＋h×tw/sinθ)×2×γ×1000/B …(2)

또한, 플랜지 폭(B)은, 하기식으로 나타난다.

Bf＝B/2－h/(2×tanθ)

(1)식 및 (2)식을 이용하여, I 및 W를 시험 계산한 예를 도 2에 나타낸다. 도 2에 있어서는, 종축이 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 횡축이 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡)를 나타낸다.

이 예에서는, B＝1400㎜, tf＝16㎜, tw＝8.5㎜로 일정하게 하여, 높이(H), 웹 각도(θ)를 변화시킨 것이다.

도 2에 나타나는 바와 같이, 높이(H) 및 웹 각도(θ)의 증가에 수반하여, 단면 2차 모멘트(I)가 증가하는 것을 알 수 있다. 특히, 높이(H)는 I의 증가에 크게 기여하기 때문에, 제조 가능하고 그리고 시공성이 허락하는 한 H를 크게 하는 것이 경제성을 높이는 데는 효과적이다.

또한, (1)식 및 (2)식을 이용하여, I 및 W를 시험 계산한 예로서, B＝1400㎜, H＝600㎜로 일정하게 하고, 플랜지 판두께(tf)와 웹 판두께(tw)를 변화시킨 것을 도 3에 나타낸다.

도 3에서는, tw를 8.5㎜, 9㎜, 10㎜, 12㎜, 14㎜로 변화시켜, tf를, tf≥tw의 조건의 하에, 8.5㎜, 9㎜, 10㎜, 12㎜, 14㎜, 16㎜, 19㎜, 22㎜로 변화시키고 있고, 도 3의 그래프 중, 각 tw로부터 연장되는 우측 상승의 곡선의 다발에 있어서의 각 곡선이 당해 tw일 때에 취할 수 있는 tf를 나타낸다.

도 3에서는, I에 대한 플랜지 판두께(tf)와 웹 판두께(tw)의 영향을 판독할 수 있다. 즉, B＝1400㎜, H＝600㎜로 일정하게 하고 있지만, 단면 2차 모멘트의 식에 있어서의 도심축으로부터의 거리 y의 2승의 항에 의해, 도심축으로부터 먼 플랜지 판두께(tf)의 증가에 의한 효과가 크다.

예를 들면, tw＝8.5㎜이고 θ＝90°에 대해서 착안하면, tf＝8.5㎜인 경우에는, I＝95,000(㎝⁴/m)이지만, tf＝16㎜에서는, 155,000(㎝⁴/m)이 되고 있다. 다른 한편, 도 3으로부터 명백한 바와 같이 tw를 변화시켜도 I는 크게 변화하고 있지 않다.

따라서, I의 증가에는, tf를 크게 하고, tw를 작게 하는 것이 효과적이다.

여기에서, 주목해야 할 것은, 도 2 및 도 3의 종축의 어느 I(예를 들면, I＝100,000㎝⁴/m)에서 횡축을 보면, 복수의 선과 교차하는 점에서, 높이(H), 웹 각도(θ), 플랜지 판두께(tf), 웹 판두께(tw)에 따라서, 동일한 단면 2차 모멘트(I)를 발현 가능한, 여러 가지 해트형 강 시트 파일의 방법이 존재하는 것을 알 수 있다.

그래서, 해트형 강 시트 파일의 제품 구성으로서, I＝20,000, 40,000, 60,000, 80,000, 100,000, 120,000, 140,000, 160,000, 180,000의 9타입을 상정하고, 하기의 표 1에 나타내는 파라미터에 의해, 이들의 각 I를 발현 가능한 사양을 도출했다. 또한, 여기에서는 간략화를 위해, 유효폭(B)을 1400으로 일정하게 설정했지만, 물론 제조 가능한 범위에서 유효폭(B)도 파라미터로 한 검토를 행할 수 있다.

도출한 다수의 해트형 강 시트 파일의 방법에 대해서, 앞서 서술한 바와 같이, 경제성 및 시공성의 양자를 최적화한 해트형 강 시트 파일의 단면 형상을 설정하기 위해, 이하와 같이 검토를 행했다.

도 4는, I＝80,000(㎝⁴/m)의 해트형 강 시트 파일을 예로, 경제성 지표(W/I)와 웹 각도(θ)와의 관계를, 높이(H＝600, 550, 500, 450)마다 나타낸 그래프로서, 종축이 경제성 지표(W/I)를, 횡축이 웹 각도(θ)를 나타내고 있다.

도 4에 나타내는 그래프는, 표 1의 각 플랜지 판두께(tf)마다, 웹 각도(θ)를 점차 크게 하면서 웹 판두께(tw)를 얇게 하고, I＝80,000(㎝⁴/m)를 확보하면서 중량을 저감해 갔다. 그리고, I＝80,000(㎝⁴/m)이 만족할 수 없게 되면, 다음의 tf에 랭크 다운(ranked down)함과 함께, tw를 랭크 업(ranked up)하는 것을 반복했다. 이 때문에, 도 4의 그래프에서는, 톱(saw) 형상으로 우측 하강하는 그래프가 되고 있다.

도 4의 그래프에 의하면, 각 tf마다의 직선을 보면, 웹 각도(θ)가 증가함과 함께, 경제성 지표(W/I)는 감소하는 경향이 있고, 경제성은 향상되어 가는 것을 알 수 있다.

이와 같이, 웹 각도(θ)와 경제성 지표(W/I)와의 사이에는, 밀접한 관련성이 인정된다.

한편, 시공성 지표(관입 저항(R))를, 하기식의 (3)으로 정의한다. (3)식은, 강 시트 파일 모형의 실내 타설 시험에 의해 얻어진 관입 저항을 나타내는 식의 일 예이고, 앞서 나타낸 특허문헌 3에서도 동일한 식이 나타나고 있다.

R＝tanθ×H×2/Bf…(3)

(3)식을 관찰함으로써, 하기의 현상의 발생이 이해될 수 있다.

·웹 각도(θ)가 커지면, 웹이 일어나고, 강 시트 파일의 홈 내에 토압이 집중되어 강 시트 파일이 변형되기 쉬워져 관입성이 저하된다.

·높이(H)가 커지면, 지반 저항이 커져 관입성이 저하된다.

·플랜지 폭(Bf)이 커지면, 상기의 홈 내의 토압을 개방하기 쉬워지기 때문에, 관입성은 향상된다.

관입 저항(R)을 규정하는 파라미터로서, (3)식에 나타나는 바와 같이, 웹 각도(θ), 높이(H) 및 플랜지 폭(Bf)이 있다.

도 5는, 도 4의 경우와 동일한 바와 같이 I＝80,000(㎝⁴/m)의 해트형 강 시트 파일을 예로, 시공성 지표(관입 저항(R))와 웹 각도 θ(°)의 관계를, 각 높이(H＝600, 550, 500, 450)마다 나타낸 것이다. 또한, 도 5로부터, 관입 저항(R)을 최소로 하는 웹 각도 θ(°)가 존재하는 것을 알 수 있다.

전술한 바와 같이, 경제성 지표(W/I) 및 시공성 지표(R)는, 모두 웹 각도 θ(°)와 밀접하게 관련되어 있기 때문에, 이들 2개의 지표를 조합하여 하나의 지표로 할 수 있고, 또한 그렇게 함으로써, 하나의 지표로 경제성과 시공성의 양쪽을 평가할 수 있다.

경제성 지표(W/I) 및 시공성 지표(R)를 조합하는 방법으로서, 양 지표를 곱하는 방법을 채용했다.

(경제성 지표)×(시공성 지표)＝α×(W/I)×β×(R)

로 한다.

여기에서, α 및 β는 각각 경제성 및 시공성 지표의 중량 계수이다. 또한, 여기에서는, 양 지표를 곱하는 방법을 채용하고, α＝β＝1로 하고 있다.

경제성 지표(W/I)와 시공성 지표(R)는 모두 각 값이 작아지는 쪽이 각각 경제성이 우수하고, 시공성이 우수하다는 것 때문에, 이들을 승산한 것에 있어서도, 승산값이 작아짐으로써, 경제성 및 시공성의 양쪽이 우수하다고 평가할 수 있다.

도 6은, I＝80,000(㎝⁴/m)의 경우에 대해서, 경제성 지표(W/I) 및 시공성 지표(R)를 곱한 (W/I)×R과, 웹 각도 θ(°)와의 관계를, 각 높이(H＝600, 550, 500, 450, 400)마다 나타낸 것이다.

전술한 바와 같이, 도 6의 그래프에 있어서, 종축의 값이 작을수록 경제성·시공성이 우수한 것이 되지만, 그 상한값(문턱값)을 어떻게 설정하는지가 문제가 된다.

그래서, 이 점에 대해서 검토한 결과, 앞서 서술한 강 시트 파일 모형 실험 등을 동일하게 조사하면 0.004∼0.0075 정도였기 때문에, 여기에서는 0.0075 정도 이하가 되는 웹 각도 θ(°)를, 경제성 및 시공성을 함께 확보할 수 있는 사양으로 하여 정의했다.

덧붙여, 기존의 해트형 강 시트 파일에서는, 양 지표를 곱한 값은 10H에서 0.0081, 25H에서 0.0097 정도가 되고, 반드시 경제성과 시공성을 함께 최적화한 강 시트 파일 형상으로는 되어 있지 않은 것을 알 수 있다.

상기 정의에 기초하여, 도 6에 있어서, 종축을 0.0075 이하로 한 경우의 횡축의 범위를 구함으로써, 웹 각도 θ(°)의 범위를 구한 결과, I＝80,000(㎝⁴/m)에서는, 경제성과 시공성(관입성)을 함께 최적화하기 위해서는, 웹 각도 θ(°)는 49∼77° 정도로 하는 것이 바람직하다는 것이 판명되었다(도 6 참조).

이러한 검토 방법을, 목표로 하는 I의 레벨을 바꾸어 행함으로써, 경제성 및 시공성을 균형 잡고, 그리고 요구되는 각각의 I를 만족할 수 있는 최적의 단면 형상을 규정하는 것이 가능해진다.

동일한 검토를 행하고, 상기와 동일한 순서에 따라서, 각 I에 대해서 웹 각도(θ)의 적절한 범위를 구한 것을, 표 2에 나타낸다.

표 2의 결과에 대해서, 종축을 웹 각도 θ(°)로 하고, 횡축을 I(㎝⁴/m)로 한 그래프를 도 7에 나타낸다. 도 7에 있어서는, 표 2에 나타낸 상하한값을 플롯하여, 직선으로 피팅한 것이다.

또한, 앞서 서술한 바와 같이, 여기에서 이용한 단면 2차 모멘트 I의 간편 산정 방법은, 엄밀해의 약 80∼90％로 되어 있어, 그 때문에 도 6에 나타낸 (W/I)×R은 엄밀해보다도 커져 있다. 그리고, 도 6의 그래프가 아래로 볼록한 그래프인 것을 고려하면, 간편 산정 방법을 채용함으로써 엄밀해의 경우보다도 최적 범위를 좁게 판정한 것으로 되어 있다. 따라서, 도 7에 나타낸 바와 같이, 간편 산정 방법에 의한 플롯을 직선으로 피팅했을 때에 다소의 어긋남이 발생한다 해도, 엄밀해에 보다 가까워 질 뿐이며, 문제는 없다.

도 7에 나타내는 직선을 정식화하면, 이하와 같이 된다.

2.65×10^－4×I＋22≤θ≤80 (20,000≤I＜180,000)

70≤θ≤80 (180,000≤I＜200,000) …(4)

전술한 바와 같이, (4)식은 경제성 및 시공성을 함께 고려하여 설정한 것이며, (4)식의 범위를 충족하는 해트형 강 시트 파일은, 경제성 및 시공성의 양쪽을 충족하는 것이다.

단, 해트형 강 시트 파일을 타설하는 지반의 조건(N값 등을 지표로 한 경도)에 따라서는, 그 중에서도 보다 시공성을 중시하거나, 반대로 경제성을 중시하거나 하는 경우도 생각할 수 있다.

즉, 지반이 경질인 경우에는, 타설 가능성을 최대한으로 하기 위해 관입 저항(R)을 작게 하고, 다소의 중량(W)의 증가는 어쩔 수 없다는 판단도 있을 수 있다. 한편, 지반이 연약한 케이스에서는, 관입 저항(R)이 다소 커져도 중량(W)을 저감하는 쪽이 메리트가 있다고 판단되는 경우도 있다.

그래서, 이하에 있어서는, 시공성을 보다 중시한 경우 최적의 형상 설정과, 경제성을 보다 중시한 경우의 최적의 형상 설정에 대해서 설명한다.

＜시공성 중시＞

상기 (4)식에서 규정되는 범위 내에 있어서, 시공성을 보다 중시한다는 것은, 시공성을 정의한 (3)식(R＝tanθ×H×2/Bf)을 참조하면 이해되는 바와 같이, θ의 값을 작게 하는 것이다. 한편, 시공성·경제성과 웹 각도 θ와의 관계를 나타낸 도 6을 참조하면, θ의 값을 작게 하는 것은, 즉 문턱값을 내리는 것과 등가인 것을 알 수 있다.

그래서, 시공성을 중시한 형상 설정으로서, (W/I)×R의 문턱값을 0.004 이하로 하여, 상기와 동일한 검토를 행했다. (W/I)×R이 문턱값 0.004가 되는 웹 각도 θ(°)를, 각 I에 대해서 산정한 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 산정 결과에 기초하여, 하기의 식군 (A)를 정의했다.

식군 (A) :

(W/I)×R≤0.004이며, 그리고

2.65×10^－4×I＋22≤θ≤2.80×10^－4×I＋48 (20,000≤I＜80,000)

2.65×10^－4×I＋22≤θ≤70 (80,000≤I＜180,000)

식군 (A)를 그래프화 하여 나타낸 것이 도 8이다.

＜경제성 중시＞

경제성을 보다 중시한다는 것은, 경제성 지표(W/I)를 작게 하는 것이다. 그래서, 도 4를 참조하면 이해되는 바와 같이, 경제성 지표(W/I)를 작게 하기 위해서는, 웹 각도(θ)를 크게 하면 좋다. 한편, 시공성·경제성과 웹 각도 θ와의 관계를 나타낸 도 6을 참조하면, θ의 값을 크게 하는 것은, 즉 문턱값을 올리는 것과 등가인 것을 알 수 있다. 그래서, 경제성을 중시한 형상 설정으로서, (W/I)×R의 문턱값을 0.004 이상 0.0075 이하로 하여, 상기와 동일한 검토를 행한 결과, 하기의 식군 (B)를 정의했다. 식군 (B):

0.004＜(W/I)×R≤0.0075이며, 그리고

2.80×10^－4×I＋44.6＜θ≤80 (20,000≤I＜80,000)

67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)

식군 (B)를 그래프화 한 것이 도 9이다.

이상과 같이, 해트형 강 시트 파일의 단면 형상의 설정(특히 웹 각도(θ))에 있어서, 기본적으로 경제성 및 시공성을 양립시킴((4)식)과 함께, 보다 시공성을 중시(식군 (A))하거나, 경제성을 중시(식군 (B))하는가에 따라서, θ의 영역을 구분하여 사용할 수 있다.

그리고, (4)식의 범위를 충족하는 해트형 강 시트 파일은, 경제성 및 시공성의 양쪽을 충족하는 것이며, 식군 (A)의 범위를 충족하는 해트형 강 시트 파일은 경제성 및 시공성의 양쪽을 충족하면서, 또한 보다 시공성이 우수한 것이며, 식군 (B)의 범위를 충족하는 해트형 강 시트 파일은, 경제성 및 시공성의 양쪽을 충족하면서, 또한 보다 경제성이 우수한 것이다.

＜안정성의 확보＞

또한, 본 발명에 있어서는, 상기에 더하여 추가로, 높이(H)와 웹 판두께(tw)와의 관계가 하기식을 만족하도록 설정되어 있기 때문에, 시공시의 관입 저항에 의한 강 시트 파일의 좌굴/변형을 억제할 수 있고, 이에 따라, 건전성을 확보한 해트형 강 시트 파일을 제공할 수 있다.

H/tw≤60.0

본 발명의 실시예로서, 이하에 나타내는 사양의 해트형 강 시트 파일을 설계했다.

B＝1400㎜, H＝540㎜, θ＝75°, I＝114,810㎝⁴/m

상기 사양의 해트형 강 시트 파일이 상기의 지표의 범위에 있는지 아닌지를 확인했다.

상기 해트형 강 시트 파일의 사양을, (4)식 및, 식군 (B)에 적용하면, 이하와 같이 된다.

(4)식: 2.65×10^－4×I＋22≤θ≤80 (20,000≤I＜200,000)

2.65×10^－4×I＋22＝2.65×10^－4×114,810＋22＝52.4

52.4＜θ＝75＜80이며, θ는 (4)식의 범위 내에 있다.

식군 (B): 67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)인 바, 상기 해트형 강 시트 파일의 θ＝75°는, 67＜θ＝75＜80이며, 식군 (B)를 충족시킨다.

따라서, 상기 본 실시예의 해트형 강 시트 파일은 경제성 및 시공성이 우수하고, 또한 보다 경제성이 우수한 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예로서, 이하에 나타내는 사양의 해트형 강 시트 파일을 설계했다.

B＝1400㎜, H＝540㎜, θ＝75°, I＝81,454㎝⁴/m

상기 해트형 강 시트 파일의 사양을, (4)식, 및, 식군 (B)에 적용하면, 이하와 같이 된다.

(4)식: 2.65×10^－4×I＋22≤θ≤80 (20,000≤I＜200,000)

2.65×10^－4×I＋22＝2.65×10^－4×81,454＋22＝43.6

43.6＜θ＝75＜80이며, θ는 (4)식의 범위 내에 있다.

식군 (B): 67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)인 바, 상기 해트형 강 시트 파일의 θ＝75°는, 67＜θ＝75＜80이며, 식군 (B)를 충족시킨다.

따라서, 상기 본 실시예의 해트형 강 시트 파일은 경제성 및 시공성이 우수하고, 또한 보다 경제성이 우수한 것을 알 수 있다.

또한, 상기의 설명에서는, 경제성 지표와 시공성 지표를 승산하는 것으로 했지만, 양 지표를 모두 합하여 지표로서 이용하는 것도 가능하다.

그 경우, 더함에 있어서는, 양 지표의 무게를 고려하기 위해,

(경제성 지표)＋(시공성 지표)＝α×(W/I)＋β×(R)

로 하도록 해도 좋다.

또한, 제조 비용과 벽 중량당의 단면 성능(W/I) 및, 시공 비용과 관입 저항의 역수(1/R)는 각각 상반되는 관계이기 때문에, I/W와 1/R을 경제성, 시공성의 지표로 할 수도 있다.

본 발명의 시공성 지표 R의 설정 방법에 관한 검토 사례로서, 1/12 축척의 강 시트 파일 모형(길이 100㎝)을, 5호 규사로 제작한 지반 중에 일정 속도로 밀어 넣어 타설한 모형 시공 시험의 실시예를 나타낸다.

모형 시공 시험의 실시 케이스에 대해서, 표 3에 실제 크기 환산한 형상과 그로부터 결정되는 경제성 지표 1/W 및, 시공성 지표 R을 나타낸다. 또한, 본 실험체의 1m당의 단면 2차 모멘트 I는 모든 케이스에서 55,000(㎝⁴/m) 정도가 되도록, 형상을 설정하고 있다.

표 5에 시공시 관입 저항(최대 하중) P 및, 케이스(2)(θ＝45°)의 관입 저항(최대 하중) P45°로 기준화한 P/P45°의 값을 시공성 지표 R 및, θ＝45°인 경우의 시공성 지표 R45°로 기준화한 R/R45°를 비교하여 나타낸다.

기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P45°를 기준화한 시공성 지표 P/P45°와의 대응을 도 10에 나타낸다. 양자는 잘 대응하고 있는 점에서, 본 시공성 지표의 타당성이 확인되었다.

도 11에 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P45°와 웹 각도 θ(°)와의 관계를 나타낸다. 본 발명 범위(36.6°≤θ≤63.4°)에 있어서는, 실험에 있어서의 시공시 관입 저항은 비교적 작게 억제되어 있는 것에 대하여, 본 발명 범위(θ＝75°, 82°)에 있어서는, 시공시 관입 저항이 증대되고 있는 점에서, 본 발명의 타당성이 확인되었다.

본 발명의 시공성 지수 R의 설정 방법에 관한 검토 사례로서, 1/12 축척의 강 시트 파일 모형(길이 100㎝)을, 5호 규사로 제작한 지반 중에 일정 속도로 밀어 넣어 타설한 모형 시공 시험의 실시예를 나타낸다.

모형 시공성 시험의 실시 케이스에 대해서, 표 5에 실제 크기 환산한 형상과 그로부터 결정되는 경제성 지표 1/W 및, 시공성 지표 R을 나타낸다. 또한, 본 시험체의 1m당의 단면 2차 모멘트 I는 모든 케이스에서 82000(㎝⁴/m) 정도가 되도록, 형상을 설정하고 있다.

시공시 관입 저항(최대 하중) P, P를 케이스(6)(θ＝67°)의 관입 저항(최대 하중) P67°로 기준화한 P/P67°, 시공성 지표 R, 및, R을 θ＝67°인 경우의 시공성 지표 R67°로 기준화한 R/R67°을, 표 7에 비교하여 나타낸다.

기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P67°와 기준화한 시공성 지표 R/R67°와의 대응을 도 12에 나타낸다. 양자는 잘 대응하고 있는 점에서, 본 시공성 지표의 타당성이 확인되었다.

도 13에 기준화한 시공시 관입 저항(최대 하중) P/P67°과 웹 각도 θ(°)와의 관계를 나타낸다. 본 발명 범위(67°≤θ≤80°)에 있어서는, 실험에 있어서 시공시 관입 저항은 비교적 작게 억제되어 있는 것에 대하여, 본 발명 범위(θ＝85°)에 있어서는, 시공시 관입 저항이 증대되고 있는 점에서, 본 발명의 타당성이 확인되었다.

본 발명의 실시예로서, 1/8.5 축척의 강 시트 파일 모형(길이 110㎝)을, 7호 규사로 제작한 지반 중에 일정 속도록 밀어 넣어 타설한 모형 시공 시험의 실시예를 나타낸다.

모형 시공 시험의 실시 케이스에 대해서, 표 7에 실제 크기 환산한 형상과 관입 저항값 P를 나타낸다.

도 14에 시공시 관입 저항 P와 높이/웹 두께비 H/tw와의 관계를 나타낸다. 높이/웹 두께비 H/tw의 값이 60 전후에서 관입 저항이 증대되고 있다. 높이/웹 두께비 H/tw를 60 정도로 억제함으로써 변형을 억제할 수 있게 되어, 시공성의 저하를 초래할 우려는 없다.

도 15에 시험체의 변형량과 높이/웹 두께비 H/tw와의 관계를 나타낸다. 시험체의 변형량은 웹과 플랜지의 교차 각도의 변형량을 나타내고 있다. 높이/웹 두께비 H/tw의 값이 60 전후에서 시험체의 변형량이 커지고 있다. 높이/ 웹 두께비 H/tw를 60 정도로 억제함으로써 변형량을 억제할 수 있다.

Claims (4)

1. 상 플랜지부의 양 단(end)에 웹부가 연속해서 형성되고, 한 쌍의 웹부의 각 단부에 하 플랜지부가 형성되어 이루어지는 해트형 강 시트 파일로서, 강 시트 파일을 형성했을 때의 벽폭 1m당의 단면 2차 모멘트 I(㎝⁴/m), 단위 벽 면적당의 중량 W(㎏/㎡), 관입 저항(R) 및 웹 각도 θ(°)와의 관계가, 하기의 식군 (A) 또는 (B) 중 어느 하나를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 해트형 강 시트 파일.
   식군 (A):
   (W/I)×R≤0.004이며, 그리고
   2.65×10^－4×I＋22≤θ≤2.80×10^－4×I＋48 (20,000≤I＜80,000)
   2.65×10^－4×I＋22≤θ≤70 (80,000≤I＜180,000)
   식군 (B):
   0.004＜(W/I)×R≤0.0075이며, 그리고
   2.80×10^－4×I＋44.6＜θ≤80 (20,000≤I＜80,000)
   67＜θ≤80 (80,000≤I＜200,000)
2. 제1항에 있어서,
   상기 식군 (A)를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 해트형 강 시트 파일.
3. 제1항에 있어서,
   상기 식군 (B)를 만족하도록 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 해트형 강 시트 파일.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 높이(H)와 웹 판두께(tw)의 관계가 하기식을 만족하는 것을 특징으로 하는 해트형 강 시트 파일.
   H/tw≤60.0

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