수직터널 구조물 거동의 이해cngst.com/PDS/seminar/strand7/ESCO.pdf · 2008-07-22 · 7 1. 개 요 수직터널라이닝의설계동향 92차원해석으로수직터널구조물의안전성평가

수직터널수직터널 구조물구조물 거동의거동의 이해이해

2008.07.182008.07.18

에스코컨설턴트에스코컨설턴트에스코컨설턴트

2

1.1.

개개

요요

2.2.

수직터널수직터널

라이닝의라이닝의

해석법해석법

3.3.



거동거동

검토검토

4.4.

결결

론론

목목 차차

User ConferenceUser Conference

3


1.1. 개개 요요

4

1. 1. 개개

요요

수직터널수직터널 설치설치 현황현황

터널터널 설치연장설치연장 증가증가

→→

교통영향교통영향, , 인접인접

지장물지장물

등등

영향영향

최소화최소화

터널터널 장대화장대화

→→

환기환기

및및

방재방재, , 공사목적상공사목적상


설치설치

필요성필요성

증가증가

수직터널

누진연장(한국전력공사) 장대터널의

수직터널

설치

예

-

500

1,000

1,500

2,000

2,500

3,000

3,500

4,000

1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005

년도 (YEAR)

설치

연장

(m

)

5

1. 1. 개개

요요

수직터널의수직터널의 용도용도 (1)(1)

지하철

시설물 전력구

시설물

도심지도심지 터널터널 공사용공사용 작업구작업구 및및 운영중운영중 환기구환기구

→→

지하철지하철, , 전력구전력구, , 통신구통신구

등등

6

1. 1. 개개

요요

수직터널의수직터널의 용도용도 (2)(2)

도로터널

환기구 철도터널

방재용

대피로

도로도로 및및 철도터널의철도터널의 환기구환기구 및및 방재시설방재시설

→→

도로터널도로터널

환기구환기구, , 철도터널철도터널

방재용방재용

대피로대피로

등등

7

1. 1. 개개

요요

수직터널수직터널 라이닝의라이닝의 설계설계 동향동향

22차원차원 해석으로해석으로 수직터널수직터널 구조물의구조물의 안전성안전성 평가평가

주철근은주철근은 원주방향으로원주방향으로 배치배치

수직터널의

해석단면

선정

예 수직터널

주철근

배치

예

8

1. 1. 개개

요요

수직터널수직터널 구조물구조물 거동특성거동특성

수직터널수직터널 구조물의구조물의 구조적구조적 특성에특성에 따른따른 부재설계부재설계

심도에심도에 따라따라 작용하중작용하중((토압토압) ) 변화변화

원주방향의원주방향의 축력으로축력으로 하중하중 지지지지

→→

Plane Strain Plane Strain 조건조건(2D)(2D)에서는에서는

보강철근보강철근

불필요불필요

→→

적절한적절한

해석해석

및및

설계법설계법

검토검토

필요필요

수직터널수직터널 벽체의벽체의 두께두께 결정결정

중간슬래브의중간슬래브의 두께두께 및및 설치간격설치간격 결정결정

→→


거동에거동에

대한대한

이해이해

필요필요

9


2.2. 수직터널수직터널 라이닝의라이닝의 해석법해석법

10

2. 2. 수직터널수직터널


해석법해석법

수직터널수직터널 구조물의구조물의 거동거동 특성특성

구구

분분 하하

중중

조조

건건 구조적인구조적인

조건조건

특특

징징

심도에 따라 작용하중 변화

중력방향으로 자중 작용

슬래브가 벽체의 지점 역할

휨응력,압축응력 검토 필요

개요도개요도

2D2D해석해석(Plane Strain (Plane Strain 조건조건) ) 적용적용 곤란곤란

11

지중구조물의지중구조물의 일반적인일반적인 해석법해석법

Ring & Plate 모델 수치해석

모델 Beam & Spring 모델

Closed Form

Solution

연속체 역학에 기초

현장조건 고려 곤란

FEM, FDM 등

현장조건 고려 가능

지반과 구조물의

상호거동

파악

가능

인장 스프링으로

지반거동

모사

해석은 간단하나

해석조건

설정에

유의

필요



해석법해석법

12

Beam & Spring Beam & Spring 모델모델

구조물은구조물은 Beam, Beam, 주변지반주변지반 영향은영향은 SpringSpring으로으로 모사모사

→→

직선부재에직선부재에

설치하는설치하는

Spring : Spring : 도로교도로교

표준시방서표준시방서

→→

곡선부재에곡선부재에

설치하는설치하는

Spring : Spring : WoelferWoelfer

공식공식((암반지지력암반지지력))‥

2D 모델 3D

모델



해석법해석법

13

수직터널수직터널 구조물구조물 2D2D해석해석 vs. 3Dvs. 3D해석해석 (1)(1)

이론적으로이론적으로 원형원형 수직터널수직터널 구조물의구조물의 2D2D해석은해석은 축력만축력만 발생발생

2D2D해석은해석은 모델링모델링 조건에조건에 따라따라 모멘트가모멘트가 발생발생

→→

실제조건으로실제조건으로

볼볼

수수

없음없음

모멘트도 축 력 도 전단력도



해석법해석법

14


2차원

해석결과

(심도

22m) 3차원

해석결과

구구

분분

모모

멘멘

트트

((tonftonf--m/mm/m)) 축축

력력

((tonftonf))변변

형형

량량(mm)(mm)원주방향원주방향

((MM

xxxx

))깊이방향깊이방향

((MM

yyyy

))원주방향원주방향

((PP

xxxx

))깊이방향깊이방향

((PP

yyyy

))

2D2D 1.712 - 121.629 - 0.96

3D3D일일

반반

부부 0.650 3.502 152.418

슬래브접속슬래브접속 2.620 14.577 90.888 49.077 0.65

((MM

xxxx

)) ((MM

yyyy

))

22m22m

1.6351.635 121.653121.653



해석법해석법

15


원주방향원주방향 모멘트는모멘트는 2D2D와와 3D3D의의 해석결과가해석결과가 유사유사

깊이에깊이에 따른따른 토압의토압의 변화를변화를 고려할고려할 경우경우 깊이방향깊이방향 모멘트가모멘트가 원주방원주방

향향 모멘트보다모멘트보다 크게크게 발생발생

(1.7 (1.7 tonftonf··m/mm/m

< 14.6 < 14.6 tonftonf··m/mm/m))

→→

구조물구조물

보강계획보강계획

수립시수립시

3D3D해석해석

필요필요

→→

주철근의주철근의

배치방향에배치방향에

대한대한

검토검토

필요필요



해석법해석법

16


3.3. 수직터널수직터널 라이닝의라이닝의 거동거동 검토검토

17



거동거동

검토검토

수직터널수직터널 구조물의구조물의 거동특성거동특성 파악을파악을 위한위한 검토검토

수직터널의수직터널의 벽체두께벽체두께, , 중간슬래브중간슬래브 제원제원 등에등에 따른따른 구조물구조물 거동거동 변변화를화를 파악하기파악하기 위한위한 3D 3D 해석해석 수행수행

지반특성치는지반특성치는 일반적인일반적인 값값 적용적용

해 석 단 면 해석적용

지반특성치

구 분 토 사 풍화암 연 암

단위중량

(tonf/m3)1.9 2.0 2.4

점 착 력

(tonf/m2)- 5 25

내부마찰각

(degree)30 32 35

탄성계수

(tonf/m2)3,000 20,000 80,000

18

구구

분분 벽체벽체

두께두께

CASE 1CASE 1 300 mm300 mm






검토검토 1 : 1 : 벽체벽체 두께에두께에 따른따른 수직터널의수직터널의 거동거동 변화변화

수직터널수직터널 벽체벽체 두께가두께가 구조물구조물 거동에거동에 미치는미치는 영향을영향을 파악하기파악하기 위위해해 두께를두께를 변화시키며변화시키며 해석해석 수행수행

해석조건해석조건

중간중간 슬래브가슬래브가 없는없는 조건에조건에 대해대해 수직터널수직터널

벽체의벽체의

두께를두께를

변화시키며변화시키며

해석해석

수행수행

((fckfck=240kgf/cm=240kgf/cm22))



거동거동

검토검토

해 석 단 면

19

검토검토 1 : 1 : 벽체벽체 두께에두께에 따른따른 수직터널의수직터널의 거동거동 변화변화

벽체

최대변형량

발생경향 벽체

모멘트

발생경향

벽체 두께가 증가함에 따라 벽체에 발생하는 단면력은 증가하고 벽

체의 변형은 감소

최대 단면력이 발생하는 위치는 슬래브와 벽체가 연결되는 부분

-1.00

-0.90

-0.80

-0.70

-0.60

-0.50

-0.40

-0.30

-0.20

-0.10

0.00

200 300 400 500 600 700 800 900

벽체 두께 (mm)

변형

량 (

mm

-22.00

-20.00

-18.00

-16.00

-14.00

-12.00

-10.00

-8.00

200 300 400 500 600 700 800 900

벽체 두께 (m)

벽체

모멘

트 M

yy (

tonf-

m/m



거동거동

검토검토

20

중간 슬래브 설치 간격에 따라 7 Case의 해석 수행

구구

분분 CASE 1CASE 1 CASE 2CASE 2 CASE 3CASE 3 CASE 4CASE 4 CASE 5CASE 5 CASE 6CASE 6 CASE 7CASE 7

개개

요요

도도

슬슬

래래

브브

설설

치치

수수-- 1EA1EA 2EA2EA 3EA3EA 4EA4EA 5EA5EA 6EA6EA

최대간격최대간격 20.8 m20.8 m 10.3 m10.3 m 6.8 m6.8 m 5.1 m5.1 m 4.2 m4.2 m 3.7 m3.7 m 3.7 m3.7 m

검토검토 2 : 2 : 중간중간 슬래브슬래브 간격에간격에 따른따른 수직터널의수직터널의 거동거동 변화변화

해석 CASE

중간 슬래브 두께 20cm 적용



거동거동

검토검토

21

벽체

변위

발생경향 벽체

모멘트

발생경향


0.85 0.860.92

0.98 0.98 0.99 1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

3 3.5 4.2 5.1 6.8 10.3 20.8

중간 슬래브 간격 (m)

변위

량 (

mm

0.99 0.970.99 0.98 0.99 1

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

3 3.5 5.1 6.8 10.3 20.8


벽체

모멘

트

-0.67

-0.65

-0.63

-0.61

-0.59

-0.57

-0.55

0 5 10 15 20 25


변위

량 (

mm

-13.4

-13.3

-13.2

-13.1

-13.0

-12.9

-12.8

-12.7

-12.6

0 5 10 15 20 25


벽체

모멘

트 (

tonf-

m/m



거동거동

검토검토

22


슬래브

모멘트

발생경향 모멘트

발생편차

수직터널의 단면력과 변형량은 중간 슬래브 설치간격이 4.0m~6.0m 정도일 때 가

장 안정적인 결과를 보이나 그 편차가 미소함

상시 해석조건에 대해서는 슬래브에 발생하는 단면력의 편차가 적어 중간 슬래브를

삭제하여도 수직터널 벽체의 구조적인 문제는 발생하지 않을 것으로 판단됨

7.00

8.00

9.00

10.00

11.00

0 5 10 15 20 25


상부

슬래

브 모

멘트

(to

nf-

m/m

상부슬래브

바닥슬래브96%

98%

100%

102%

20.8 10.3 6.8 5.1 4.2 3.5 3


모멘

트 발

생량

(%

)

상부슬래브

바닥슬래브



거동거동

검토검토

23

구구

분분 중간중간

슬래브슬래브

두께두께






검토검토 3 : 3 : 중간중간 슬래브슬래브 두께에두께에 따른따른 수직터널의수직터널의 거동거동 변화변화

수직터널수직터널 중간중간 슬래브의슬래브의 두께가두께가 벽체의벽체의 안정성에안정성에 미치는미치는 영향을영향을

파악하기파악하기

위해위해

두께를두께를


해석해석

수행수행

해석조건해석조건

중간중간 슬래브슬래브 1EA 1EA 설치조건에설치조건에 대해대해 슬래브의슬래브의

두께를두께를


해석해석

수행수행

해 석 단 면



거동거동

검토검토

24

구구

분분 벽체벽체

변위변위

발생경향발생경향 벽체벽체

모멘트모멘트

발생경향발생경향

검검

토토

결결

과과

검토검토 3 : 3 : 중간중간 슬래브슬래브 두께에두께에 따른따른 수직터널의수직터널의 거동거동 변화변화

벽체에 발생하는 변형량은 중간 슬래브 두께가 벽체 두께와 동일한

400mm일 때 최소가 되나 그 편차는 미소함

벽체에 발생하는 모멘트는 중간 슬래브 두께에 의한 영향이 거의 없음

→

중간

슬래브의

단면력에

따라

두께

선정이

바람직함

-0.70

-0.68

-0.66

-0.64

-0.62

-0.60

0 100 200 300 400 500 600 700

중간 슬래브 두께 (mm)

변위

량 (

mm

-14.00

-13.50

-13.00

-12.50

-12.00

0 100 200 300 400 500 600 700

중간 슬래브 두께 (m)

벽체

모멘

트 M

yy (

tonf-

m/m



거동거동

검토검토

25


4.4. 결결 론론

26

벽체두께

선정

(상시하중)벽체두께

선정

(상시하중)

중간

슬래브

배치

(기능성)중간

슬래브

배치

(기능성)

내진성능

평가내진성능

평가 설계종료설계종료

N.G

O.K

4. 4. 결결

론론

수직터널수직터널 구조물의구조물의 거동은거동은 Plane Strain Plane Strain 조건으로조건으로 해석해석 곤란곤란

→→

3D 3D 해석으로해석으로

구조물구조물

설계를설계를

수행하는수행하는

것이것이

바람직바람직

중간중간 슬래브슬래브 설치설치 간격과간격과 두께에두께에 의한의한 영향영향 작음작음 ((상시조건상시조건))

→→

상시해석상시해석

결과만결과만

고려할고려할

때때

중간슬래브를중간슬래브를

삭제해도삭제해도

무방무방

→→

상시해석상시해석

결과로결과로

설치조건을설치조건을

산정하기산정하기

어려움어려움

→→

기능성기능성

및및

내진성능내진성능

등등

부가적인부가적인

검토가검토가

요구됨요구됨

감사합니다감사합니다

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수직터널 구조물 거동의 이해cngst.com/PDS/seminar/strand7/ESCO.pdf · 2008-07-22 · 7 1. 개 요 수직터널라이닝의설계동향 92차원해석으로수직터널구조물의안전성평가