KR20190028167A

KR20190028167A - 지중 구조물 하중 분산장치

Info

Publication number: KR20190028167A
Application number: KR1020170115284A
Authority: KR
Inventors: 최정혜; 남상필; 남은서; 남예서; 남현서
Original assignee: 최정혜
Priority date: 2017-09-08
Filing date: 2017-09-08
Publication date: 2019-03-18

Abstract

개시된 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치는, 지면을 굴착하여 지중 구조물(20)을 매설하는 과정에서 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)과 이와 대향된 굴착면(12)의 사이에 마감된 되메움층(14)에 하중을 분산하기 위한 장치로서, 상기 지중 구조물(20)에 의해 가해지는 지중 응력(하중)이 상기 지중 구조물(20)의 직하부 뿐만 아니라 상기 지중 구조물(20) 측부에서도 상기 되메움층(14)에 분산되어 주변 지반(10)에 전달되도록, 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)에 하중 분산부재(100)가 설치된다.

Description

지중 구조물 하중 분산장치 {APPARATUS FOR LOAD DISTRIBUTION OF UNDERGROUND STRUCTURE}

본 발명은 지중 구조물에 가해지는 지중 응력(하중)을 지중 구조물 자체뿐만 아니라 하중 분산부재에 의해서도 분산시키는 장치에 관한 것이다.

최근, 기반 시설물의 증대로 인해 도로, 철도, 공동구, 하수관 등 지중 구조물의 활용과 입체화가 빠르게 진행되고 있고, 이에 따라 다양한 지중 구조물이 건설되고 있다. 이러한 지중 구조물은 토피고(Cover Depth) 증가에 따라 고정하중이 증가하고 있고, 도로개설에 따른 활하중 증가 등에 의한 보강이 필요한 경우가 발생하고 있다.

특히, 지중 구조물의 성능저하(열화), 상재하중의 증가, 구조요소의 제거 등으로 인해 보강이 필요한 경우가 발생하고 있다.

이러한 지중 구조물의 상부에 중요시설물 또는 영구시설물이 존재할 경우, 비개착 방법에 의해 지중 구조물을 보강하거나 또는 재하하중을 경감시키는 방법이 적용된다.

즉, 지중 구조물의 보강을 위해서 슬래브 단면 증설, 강판 접착, 부재 증설, 브레이싱 증설 등의 다양한 방법이 이용되고 있고, 특히, 하중(지중 응력)을 지지하고 있는 기존 지중 구조물의 일반적인 내부 보강 방법으로서 기존 하중을 지지하는 구조체에 단면을 증설하는 방법이 제안되고 있다. 또한, 작용하중에 반대되는 하중(예를 들면, 역재하 또는 가압)을 내부에서 가하여 보강하는 방법이 제안되고 있다.

이렇게, 지중 구조물의 보강과 관련된 기술이 한국등록특허 제1522610호에 제안된 바 있다.

특허문헌 1은 지중박스 구조물의 보강을 위하여 상부 및 측면 벽체에 절곡된 보강재를 배치하고, 벽체를 지지대로 하면서 벽체와 보강재 사이에 간격재를 설치하고, 보강재의 강성을 추가하여 지중박스 구조물의 하중저항 성능을 향상시킬 수 있는 보강재를 이용하여 콘크리트 벽체와 슬래브를 보강하는 지중박스 구조물 및 그 보강 방법에 관하여 기술하고 있으나, 지중박스 구조물에 하중이 집중되어 단위면적당 지반이 부담해야 할 하중이 증가되며, 이에 연약지반에 설치시 기초설치 및 연약처리와 같은 추가 공정이 요구되는 문제점이 있다.

한국등록특허 제1522610호 (등록일: 2015.05.18.)

본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 본 발명의 해결과제는, 지중 구조물의 외측벽을 따라 하중 분산부재를 설치하여 지중 구조물에 의해 가해지는 지중 응력(하중)이 지중 구조물뿐만 아니라 되메움층을 통해서도 분산된 후 주변 지반에 전달되도록 하므로 단위 면적당 지반에 가해지는 지중 응력(하중)을 경감시키는 지중 구조물 하중 분산장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치는, 지면을 굴착하여 지중 구조물(20)을 매설하는 과정에서 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)과 이와 대향된 굴착면(12)의 사이에 마감된 되메움층(14)에 하중을 분산하기 위한 장치로서, 상기 지중 구조물(20)에 의해 가해지는 지중 응력(하중)이 상기 지중 구조물(20)의 직하부 뿐만 아니라 상기 지중 구조물(20) 측부에서도 상기 되메움층(14)에 분산되어 주변 지반(10)에 전달되도록, 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)에 하중 분산부재(100)가 설치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

여기서, 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 외측벽과 접하는 제1측면(103)과, 상기 제1측면(103)과 일정거리 이격되며 상기 되메움층(14)과 접하는 제2측면(104)과, 상기 제1측면(103)과 제2측면(104)의 상하단을 연결하는 상면(101) 및 하면(102)을 포함할 수 있다.

그리고 상기 하중 분산부재(100)의 하면(102)은 경사면으로 형성될 수 있다.

더욱이, 상기 하중 분산부재(100)의 하면(102)에는 요철이 돌출 형성되거나, 또는 함몰 형성될 수 있다.

한편, 상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 횡단면 형상에 대응하는 형상을 가지며 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)을 감싸도록 설치될 수 있다.

또한, 상기 하중 분산부재(100)는 블록 형태를 가지며 상기 지중 구조물(20)의 대응되는 높이의 양쪽 외측면에 설치될 수 있다.

더욱이, 상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)에 높이 방향으로 복수 개 설치될 수 있다.

그리고 상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)과 별도로 제작한 후 상기 지중 구조물(20)에 고정되거나, 또는 상기 지중 구조물(20)과 일체로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치에 의하면, 지중 구조물에 의해 가해지는 지중 응력(하중)이 지중 구조물 자체와 되메움층을 통해 분산되어 하중 분산 전달 구조를 통해 단위 면적당 지반이 받는 하중이 대폭 감소되고, 연약 지반상에서도 별도의 기초시공 및 지반처리공법 없이 구조물을 안전하게 시공 및 유지관리할 수 있고, 시공이 간단하면서 지지력 확보에 따른 비용을 절감 가능하며, 소음 감소와 공사기간이 단축 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치의 경사면이 되메움층에 접촉한 상태를 도시한 사용상태도이다.
도 2는 본 발명의 지중 구조물 하중 분산장치를 도시한 사시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치의 평면이 되메움층에 접촉한 상태를 도시한 사용상태도이다.
도 4는 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치가 암거에 11자형의 블록형으로 형성되면서 연속 배열된 상태를 도시한 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치가 암거에 11자형의 블록형으로 형성되면서 비연속 배열된 상태를 도시한 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치가 지중 구조물에 복수개 설치된 상태를 도시한 사용상태도이다.
도 7은 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치(경사면 적용)에 의해 지반에 대한 하중분산 효과와 단위면적당 지중 응력 경감 효과를 확인하기 위하여 유한요소 해석 모델링에 따른 지중응력을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 지중 구조물 하중 분산장치(평면 적용)에 의해 지반에 대한 하중분산 효과와 단위면적당 지중 응력 경감 효과를 확인하기 위하여 유한요소 해석 모델링에 따른 지중응력을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 하중 분산장치가 미적용된 일반 지중 구조물에 대한 유한요소 해석 모델링에 따른 지중응력을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소 외에 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하, 본 발명의 지중 구조물 하중 분산장치를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 지중 구조물 하중 분산장치는 지중 구조물(20)의 하부에 의한 하중 분산과 함께 지면에 매립된 지중 구조물(20)의 외측벽(22)과 경사진 굴착면(12)의 사이에 마감되는 되메움층(14)을 통해서도 하중 분산이 가능하도록 하는 하중 분산부재(100)를 포함한다.

즉, 하중 분산부재(100)는 맨홀, 공동구, 암거 등을 포함하는 지중 구조물(20)의 외측벽(22)을 감싸도록 설치되어 지중 구조물(20)의 하중을 되메움층(14)을 통해 주변 지반(10)에 넓게 분산시키게 된다.

이때, 하중 분산부재(100)는 지중 구조물(20)의 외측벽(22) 상부에 설치되는 것으로 예시하였으나, 이에 한정하지 않고 설치 위치의 변경이 가능하다.

여기서, 되메움층(14)은 잡석과 양질의 토사로 형성된 층으로, 특히 토사는 내부마찰각이 큰 사질토로써 토립자 내부마찰각에 의한 하중 분산 폭이 약 30~45°만큼 더 커지게 된다.

더욱이, 하중 분산부재(100)는 지중 구조물(20)과 별도로 콘크리트 타설 등을 통해 제작된 후 지중 구조물(20)의 외측벽(22) 상부에 고정될 수 있다. 이와 다르게 하중 분산부재(100)는 지중 구조물(20)의 제작시 지중 구조물(20)과 함께 콘크리트 타설 등으로 일체 제작될 수 있다. 여기서, 하중 분산부재(100)는 지중 구조물(20)과 별도로 제작된 후 지중 구조물(20)에 고정되는 것으로 예시한다.

또한, 하중 분산부재(100)는 도 2에 도시된 바와 같이 지중 구조물(20)의 평면 형상에 대응하도록 단면이 원형(도 2a 참조) 또는 사각형(도 2b 참조) 형상 또는 대칭된 11자 형태의 블록형(도 2c 참조) 등으로 형성될 수 있다. 더욱이, 하중 분산부재(100)는 지중 구조물(20)의 외측벽(22) 상부에 삽입되는 경우 내부에 사각형 또는 원형 형상 등의 결합홀(105)이 형성된다.

한편, 하중 분산부재(100)는 그 평면 형상이 원형, 사각형 및 11자 형태의 블록형으로 형성됨을 도면을 통해 예시하였지만, 이에 한정하지 않고 하중 분산을 위해 지중 구조물(20) 형상에 맞게 다양한 형상으로 변경 실시가 가능하다.

또한, 하중 분산부재(100)는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 지중 구조물(20)의 대응되는 높이의 양쪽 외측면에 설치되도록 대칭된 11자 형태의 블록형으로 배치되는 경우 연달아 연속 설치(도 4 참조)되거나, 설정 간격을 두고 비연속 설치(도 5 참조)될 수 있다.

그리고 하중 분산부재(100)는 상면(101), 하면(102), 제1측면(103), 제2측면(104) 및 결합홀(105)을 포함한다. 상면(101)은 제1측면(103) 및 제2측면(104)의 상단을 연결하는 면이고, 하면(102)은 제1측면(103) 및 제2측면(104)의 하단을 연결하는 면이다. 그리고 제1측면(103)은 지중 구조물(20)의 외측벽과 접하는 면이고, 제2측면(104)은 제1측면(103)과 일정거리 이격되면서 되메움층(14)과 접하는 면이다. 또한, 결합홀(105)은 하중 분산부재(100)의 외측벽에 삽입되어 제1측면(103)이 하중 분산부재(100)의 외측벽에 닿도록 형성된다.

여기서, 하중 분산부재(100)의 하면(102)은 경사면 또는 평면을 갖도록 형성될 수 있다. 즉, 하중 분산부재(100)의 하면(102)에 경사면이 형성된 경우, 경사면의 각도(α)는 90°이하로 형성되는 것이 바람직하다. 따라서, 하중 분산부재(100)의 하면(102)에 경사면이 형성되는 경우, 하중 분산부재(100)를 통하여 전달되는 하중은 내부 마찰각이 크고, 변형이 적으며, 안정적인 되메움층(14)의 재료를 통과하는 동안 수직력과 수평력으로 분리 분산되어 주변 지반(10)에 넓게 분산 전달하게 된다.

한편, 도면에는 도시하지 않았지만, 하중 분산부재(100)의 하면(102)에 요철이 돌출 형성되거나, 함몰 형성될 수 있다. 이렇게 하중 분산부재(100)의 하면(102)에 경사면이 형성된 경우 경사면을 통해서도 하중의 분산이 가능하고, 세부적으로 요철을 통해서도 하중의 세부 분산이 가능하다. 더욱이, 하중 분산부재(100)의 하면(102)이 평면인 경우에도 요철이 형성될 수 있다.

또한, 도 3에 도시된 바와 같이 하중 분산부재(100)의 하면(102)이 평면인 경우, 하중 분산부재(100)를 통하여 전달되는 하중은 되메움층(14)의 내부마찰각에 의해 수직력과 수평력으로 분산되고 되메움층(14)이 굴착면(12)을 통해 접촉하고 있으므로 하중이 주변 지반(10)에 넓게 분산될 수 있다.

한편, 하중 분산부재(100)는 도 6에 도시된 바와 같이 지중 구조물(20)의 높이 방향 즉, 하부에도 추가 설치될 수 있으며, 하부에 한정하지 않고 상부에도 선택적으로 추가 설치될 수 있다. 이렇게, 하중 분산부재(100)가 지중 구조물(20)의 상하에 복수 개가 설치되어 하중 분산 면적의 향상이 가능한 이점이 있다.

도 7 내지 도 9는 하중 분산부재(100)가 설치된 지중 구조물(20)이 하중을 지반(10)에 어떻게 작용시키는지를 알아보고, 또한 지반(10)에 대한 하중 분산 효과와 단위면적당 지중 응력 경감 효과를 확인하기 위하여 유한요소 해석 프로그램인 쏘일웍스(Soilworks)를 이용하여 모델링 및 해석을 수행하였다.(2D 해석)

이때, 도 7은 하중 분산부재(100)의 하면(102)이 경사면인 경우, 경사면을 통해 하중을 분산시키는 경우이고, 도 8은 하중 분산부재(100)의 하면(102)이 평면인 경우, 평면을 통해 하중을 분산시키는 경우이며, 도 9는 하중 분산장치가 미적용된 일반 지중 구조물에 대한 경우이다.

수치 해석 결과, 하기 표 1과 같이 하중 분산부재(100)의 효과를 입증하기 위하여 유한요소해석에 의한 수치해석을 수행하였다. 수치해석결과 상재하중 10ton/㎡과 지중구조물 자중을 재하할 경우 하중 분산부재(100)가 없을 때 지중 응력(11.392ton/㎡) 보다 경사면이 있는 하중 분산부재(100)가 있을 때 지중 응력(3.253ton/㎡)이 약 2/3 정도 경감된 것으로 나타났다.

그리고 하중 분산부재(100)가 없을 때 지중 응력(11.392ton/㎡) 보다 평면을 갖는 하중 분산부재(100)가 있을 때 지중 응력(4.827ton/㎡)이 약 1/2 정도 경감된 것으로 나타났다.

지중 구조물의 형태		최대지중응력 (ton/㎡)	경감률(%)	분산효과
하중 분산부재 없음		11.392	0	작다
하중 분산부재 있음	평면	4.827	58	크다
하중 분산부재 있음	경사면	3.253	71	크다

이와 같이 본 발명의 지중 구조물 하중 분산장치는, 지면을 굴착하여 형성된 굴착면(12) 내에 지중 구조물(20)을 매립시키고, 지중 구조물(20)의 외측벽(22)과 이와 대향된 굴착면(12)의 사이에 되메움층(14)을 형성한 후, 지중 구조물(20)의 외측벽(22) 상부를 따라 하중 분산부재(100)를 설치하여 지중 구조물(20)에서 전달되는 하중을 지중 구조물(20) 자체뿐만 아니라 하중 분산부재(100)에 의해서도 주변 지반(10)에 전달되게 한다.

기존의 지중 구조물은 구조물 하면의 지반이 구조물을 지지하도록 하였으나 이를 개선하여 지중 구조물의 하부 뿐만 아니라 지중 구조물과 지반이 접하는 측면에서도 구조물을 지지할 수 있도록 하중 분산부재(100)를 설치한 것이다.

그리고 연약한 지반에 암거, 맨홀, 공동구 등과 같은 지중 구조물의 설치시 별도의 기초 없이 하중 분산부재(100)의 적용만으로도 지지력을 확보가 가능하고, PC 암거, PC 맨홀 등에 적용하여 연약지반용 PC(precast concrete) 구조물로의 적용 역시 가능하다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

10: 지반 12: 굴착면
14: 되메움층 20: 지중 구조물
22: 외측벽 100: 하중 분산부재
101: 상면 102: 하면
103: 제1측면 104: 제2측면
105: 결합홀

Claims

지면을 굴착하여 지중 구조물(20)을 매설하는 과정에서 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)과 이와 대향된 굴착면(12)의 사이에 마감된 되메움층(14)에 하중을 분산하기 위한 장치로서,
상기 지중 구조물(20)에 의해 가해지는 지중 응력(하중)이 상기 지중 구조물(20)의 직하부 뿐만 아니라 상기 지중 구조물(20) 측부에서도 상기 되메움층(14)에 분산되어 주변 지반(10)에 전달되도록, 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)에 하중 분산부재(100)가 설치되는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제1항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 외측벽과 접하는 제1측면(103)과, 상기 제1측면(103)과 일정거리 이격되며 상기 되메움층(14)과 접하는 제2측면(104)과, 상기 제1측면(103)과 제2측면(104)의 상하단을 연결하는 상면(101) 및 하면(102)을 포함하는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제2항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)의 하면(102)은 경사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제2항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)의 하면(102)에는 요철이 돌출 형성되거나, 또는 함몰 형성되는 지중 구조물 하중 분산장치.
제2항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 횡단면 형상에 대응하는 형상을 가지며 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)을 감싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제2항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)는 블록 형태를 가지며 상기 지중 구조물(20)의 대응되는 높이의 양쪽 외측면에 설치되는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제5항 또는 제6항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)의 외측벽(22)에 높이 방향으로 복수 개 설치되는 것을 특징으로 하는 지중 구조물 하중 분산장치.
제1항에 있어서,
상기 하중 분산부재(100)는 상기 지중 구조물(20)과 별도로 제작한 후 상기 지중 구조물(20)에 고정되거나, 또는 상기 지중 구조물(20)과 일체로 형성되는 지중 구조물 하중 분산장치.