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Study of Load Combination and Member Force of Cut and Cover Tunnel by Design Codes

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Academic year: 2021

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(1)

† 정회원, 과학기술연합대학원대학교, 미래첨단교통시스템공학과 E-mail : jhhur@krri.re.kr

* 정회원, 한국철도기술연구원, 도시철도표준화연구단

도시철도 개착식 구조물의 설계기준별 하중조합 및 단면력 검토

Study of Load Combination and Member Force of Cut and

Cover Tunnel by Design Codes

허진호† 김진호*

Jin-ho Hur Jin-ho Kim

ABSTRACT

In designing cut and cover tunnels, load combination applied Korea seismic design code of urban transit and its sections applied Korea concrete code 2003. However, by revision of Korea concrete code in 2007, engineers have been experiencing difficulties in their work.

In this study, application of Korea concrete code 2007 for designing is reviewed by comparing load combination of related codes and member force.

1. 서 론 최근 일본을 비롯한 해외 대형 지진발생으로 국내 주요 시설 및 인프라에 대한 내진안전성에 대한 사회적 관심이 증대되고 있다. 이 중 국내 여객 수송 분담률이 2번째로 높은 도시철도는 시설물 중 개 착식 구조물의 비중이 가장 높으며 2005년 건설교통부에서 ‘도시철도 내진설계기준’1)을 고시하여 내진 안전성을 확보하고 있다. 도시철도 개착식 구조물의 내진설계시 단면력을 산정하는데 필요한 하중의 종류와 계수는 ‘도시철도 내진설계기준(국토해양부, 2009)’에서 규정하고 있으며, 단면 설계는 ‘콘크리트 구조설계기준(건설교통부, 2003)’2)을 따르고 있다. 그러나 2007년 그간의 연구 성과를 반영한 개정된 ‘콘크리트 구조설계기준’에서 제안한 하중조합이 ‘도시철도 내진설계기준’과 일부 상이하여 설계자들에 게 많은 혼란이 발생하였다. 이에 본 연구에서는 기존 개착 구조물의 설계사례를 검토하여 관련기준별로 제시된 하중조합과 단면 력을 비교하여 2007년 개정된 ‘콘크리트 구조설계기준’3)의 적용성을 살펴보고자 한다. 2. 관련기준 검토 2.1 도시철도 내진설계 기준(국토해양부, 2009) 도시철도 내진설계기준에서는 지하에 건설되는 개착식 본선BOX 구조물, 정거장 본체 구조물같은 지 하에 건설되는 주요한 도시철도 구조물의 내진설계 시 기능수행수준과 붕괴방지수준에 대하여 다음과 같은 하중조합에 의해 설계하도록 규정하고 있다. (1) 기능수행수준의 지진에 대하여 고정하중(D), 활하중(L), 횡방향토압(H) 및 지진하중(E)이 작용하는 경우의 하중조합

  ×

 

 

 

 (2.1)

(2)

(2) 기능수행수준의 지진에 대하여 고정하중(D)과 지진하중(E)이 작용하는 경우의 하중조합

 

 

(2.2) (3) 붕괴방지수준의 지진에 대하여 고정하중(D), 활하중(L), 횡방향토압(H) 및 지진하중(E)이 작용하는 경우의 하중조합

 

 (2.3) 2.2 콘크리트 구조설계기준 2007(건설교통부, 2007) 2007년 개정된 콘크리트 구조설계기준은 토압을 받는 구조물의 내진설계 시 기능수행수준과 붕괴방지 수준에 대하여 다음과 같은 하중조합의 검토를 요구하고 있다. (1) 기능수행수준의 지진에 대하여 고정하중(D), 연직방향토압(Hv), 횡방향토압(Hh) 및 지진하중(E)이 작용하는 경우의 하중조합

 

 

 

 (2.4) (2) 붕괴방지수준의 지진에 대하여 고정하중(D), 연직방향토압(Hv), 횡방향토압(Hh) 및 지진하중(E)이 작용하는 경우의 하중조합

 

 

 

 (2.5) 여기서, Hv는종래에 고정하중 D와 혼동되어 사용되던 흙의 무게를, 토압하중의 수직방향 성분인 Hv로 명확히 정의한 것이다.4) H는 고정하중 수직방향 토압이 고정하중의 하중조합 계수 1.4D와 토압하중 계수 1.6을 모두 고 려한 보정계수로써 다음과 같다.  ≤  에 대해서, H   (2.6)  ≥  에 대해서, H    h ≤  (2.6) 2.3 검토결과 도시철도 내진설계기준과 콘크리트 구조설계기준의 하중조합을 비교 검토한 결과 콘크리트 구조설계 기준은 활하중을 고려하지 않는 대신 토압의 수평성분과 수직성분을 구분하여 토압에 의한 영향을 더 크게 반영하고 있다. 표 1. 설계기준별 하중조합 구 분 수직방향 하중 수평방향 하중 도시철도 내진설계기준 기능수행수준 1.155D +1.275L 1.35H +1.35E 0.9D 1.4E 붕괴방지수준 1.0D +1.0L 1.0H +1.0E 콘크리트 구조설계기준 기능수행수준 0.9D +1.6HHv 1.6HHh +1.4E 붕괴방지수준 0.9D +1.6HHv 1.6HHh +1.0E 3. 기준별 하중 검토 3.1 개요 설계기준별 하중조합에 대한 구조물의 적용성을 살펴보기 위하여 기존 개착식 터널 구조물의 설계사

(3)

례를 살펴보았다. 대상 구조물은 토피고 9m인 지중 2련 일반 개착식 구조물로써 제원은 그림 1과 같으 며 해석조건은 표 2와 같다. 383.056 659.678 659.678 542.143 542.143 416.532 416.532 283.520 283.520 144.227 144.227 144.227 144.227 283.520 283.520 416.532 416.532 542.143 542.143 659.678 659.678 383.056 그림 1. 단면형상 및 하중재하도(기능수행-측벽) 표 2. 구조물 해석조건 지하수위 GL -1.0m 노면활하중 11.00kN/m2 재료중량 철근콘크리트 = 25.00kN/m2 포장 = 23.00kN/m2 지하수 = 10.00kN/m2 재료강도 콘크리트(fck) = 21 MPa 철근(fy) = 240 MPa 콘크리트탄성계수(EC) = 26950 MPa 철근탄성계수(ES) = 200000 MPa 흙의중량 흙의 습윤 단위중량 = 19.0kN/m2 흙의 습윤 단위중량 = 10.0kN/m2 흙의 내부마찰각 = 30.0° 정지토압계수 = 0.5 지진하중 내진등급: I등급 지진구역: I (지역계수=0.11) 지반종류: SC 3.2 구조해석 및 결과 도시철도 내진설계기준과 비교하여 콘크리트 구조설계기준의 하중조합의 안전성을 살펴보기 위하여 응답변위법을 이용한 해석을 실시하였다. 대상 구조물의 하중조합 및 계수는 표 3과 같다. 표 3. 대상 구조물의 하중조합 구 분 수직방향 하중 수평방향 하중 도시철도 내진설계기준 기능수행수준 1.155D +1.275L 1.35H +1.35E 0.9D 1.4E 붕괴방지수준 1.0D +1.0L 1.0H +1.0E 콘크리트 구조설계기준 기능수행수준 0.9D +1.6Hv 1.6Hh +1.4E 붕괴방지수준 0.9D +1.6Hv 1.6Hh +1.0E

(4)

기능수행수준에 대한 해석결과는 표 4에서와 같이 콘크리트 구조설계기준의 하중조합을 적용한 경우 가 도시철도내진설계기준의 하중조합을 적용한 경우보다 상부슬래브의 단면력은 약 2~11%, 벽체의 단 면력은 약 6~19%, 기둥의 단면력은 약 6~9% 높게 나타났다. 붕괴방지에 대한 해석결과는 표 5에서와 같이 콘크리트 구조설계기준의 하중조합을 적용한 경우가 도시철도내진설계기준의 하중조합을 적용한 경우보다 상부슬래브의 단면력은 약 2~13%, 벽체의 단면력 은 약 6~19%, 기둥의 단면력은 약 6~9% 높게 나타났다. 표 4. 기능수행수준에 대한 대상 구조물 단면력 비교 구분 위 치 도시철도 내진설계기준 콘크리트 구조설계기준 모멘트 전단력 축력 모멘트 전단력 축력 kN.m kN kN kN.m kN kN 상부 슬래브 1 경 간 좌측 346.43 338.27 329.72 367.22 355.19 336.318 중앙부 224.79 127.88 248.25 238.28 134.27 253.21 우측 259.29 274.71 156.16 274.84 288.45 159.279 2 경 간 좌측 274.06 265.14 256.11 290.51 278.40 261.232 중앙부 203.21 201.82 265.80 215.40 211.92 271.121 우측 445.68 370.64 166.26 472.43 389.17 169.581 하부 슬래브 1 경 간 좌측 316.16 268.40 388.60 350.94 316.71 396.374 중앙부 250.79 307.44 292.35 265.84 322.81 298.197 우측 396.08 325.80 44.77 419.85 342.09 45.669 2 경 간 좌측 378.00 309.29 34.90 419.59 364.96 35.594 중앙부 345.28 371.52 360.92 366.00 390.09 368.137 우측 399.68 370.62 398.87 423.66 389.15 406.844 좌측 벽체 1 층 상부 385.43 476.41 475.73 408.56 504.99 504.272 중앙부 60.60 309.21 329.07 64.85 330.86 352.109 하부 208.97 247.38 304.62 248.68 294.38 362.502 우측 벽체 1 층 상부 575.80 655.76 533.61 610.35 695.11 565.623 중앙부 59.84 365.46 288.18 64.03 391.04 308.354 하부 348.74 247.26 364.92 415.01 294.24 434.259 기둥 1 련 상부 161.47 56.27 720.39 171.16 59.64 763.61 중앙부 110.70 59.43 753.18 118.45 63.59 805.901 하부 158.42 58.89 746.63 172.68 64.19 813.83 -108. 871 -102. 360 363.593 206.735 74.999 81.946 19.719 64.026 18.040 68.568 -57.122 217.138 234. 694 218. 054 253. 453 215. 404 216. 506 114. 026 117. 277 35. 533 46. 404 160. 643 238. 279 212. 402 184. 420 159.994 4.243 10.388 98.110 9.475 64.846 29.828 12.723 113.204 223.736 7.760 174.790 -350. 935 -111. 280 -88. 315 -419. 850 -419. 585 -149. 231 -32. 139 -240. 653 -423. 663 -415.005 -225.249 -61.215 2.861 -23.786 -81.246 -209.055 -154.245 -610.350 65. 041 62. 762 84. 967 64. 712 -408.557 -113.092 -26.588 -86.928 5.015 -40.435 -9.063 -6.847 -123.202 -248.678 -8.087 -172.678 -367. 221 -76. 197 -42. 444 -274. 843 -290. 505 -104. 670 -7. 731 -213. 773 -472. 426 44. 455 41. 631 -32. 086 -23. 229 436. 104 365. 998 224. 992 76. 264 12. 279 29. 016 125. 395 265. 839 359. 909 141.115 126.021 106.617 183.035 163.615 348.169 -147.441 -159.217 -28.202 -44.047 88.200 72.355 230.435292.144214.590 390.093 200.617 266.743 34.475 24.771 274.854 38.521 434.873 621.274172.073 935.613 357.822 81.549 -32.629 148.656 8.519 251.152 67.012 359.054 202.920 386.099 -15.975 -123.202 116.002 6.512 313.098 213.813 484.663 155.805 664.030 6.682 455.642 426.009 24.395 323.999 22.504 13.907 245.834 224.679 300.316 58.694 63.375 -309.163 -322.807 -116.737 -136.141 19.942 0.522 149.283 -355.708 -367.484 -212.087 -227.932 -144.059 -159.904 -147.485 -163.330 -172.259 -180.753 -345.034 -253.508 -301.751 -69.483 -26.969 -277.052 18.172 -378.180-468.771 -19.570 -683.750 -105.959 -342.720 -403.645 -116.738 -211.915 13.644 -56.649 119.501 37.880 148.368 -147.365 -343.276 -8 .641 -215.443 51.344 -96.130 67.239 -397.307 -905.533 -104.391 -553.351 -437.798 -36.185 -312.197 -10.701 4.975 -226.953 -193.017 -268.654 -59.617 -64.298 -396.152 -518.642 133.948 -166.036 -24.561 381.598 332.834 154.760 그림 3. 기능수행수준에 대한 휨모멘트도 및 전단력도(콘크리트 구조설계기준)

(5)

표 5. 붕괴방지수준에 대한 대상 구조물 단면력 비교 구분 위 치 계수하중 계수하중 모멘트 전단력 축력 모멘트 전단력 축력 kN.m kN kN kN.m kN kN 상부 슬래브 1 경 간 좌측 312.69 306.31 230.45 353.34 367.57 255.805 중앙부 268.72 120.39 179.86 303.65 150.49 199.644 우측 285.78 283.50 140.82 322.94 377.06 156.307 2 경 간 좌측 293.15 273.30 200.15 331.26 366.22 222.168 중앙부 261.82 181.35 186.44 295.86 226.69 206.943 우측 435.01 324.19 149.64 491.56 395.52 166.098 하부 슬래브 1 경 간 좌측 261.39 218.22 213.55 290.14 257.50 217.825 중앙부 315.98 251.04 159.80 334.93 263.59 162.994 우측 554.41 432.80 38.81 587.68 454.44 39.588 2 경 간 좌측 514.00 409.28 25.59 570.54 482.95 26.102 중앙부 444.04 306.68 199.21 470.68 322.02 203.195 우측 360.71 305.78 227.72 382.35 321.07 232.272 좌측 벽체 1 층 상부 388.54 342.33 489.95 411.86 362.87 519.342 중앙부 37.57 221.35 343.12 40.20 236.85 367.139 하부 192.16 161.75 265.32 228.67 192.48 315.732 우측 벽체 1 층 상부 605.57 446.81 539.47 641.90 473.62 571.838 중앙부 21.47 301.99 308.57 22.97 323.13 330.167 하부 324.90 165.97 315.23 386.63 197.50 375.127 기둥 1 련 상부 211.16 73.10 863.57 223.83 77.49 915.381 중앙부 146.44 78.90 895.02 156.69 84.42 957.671 하부 210.71 78.42 885.87 229.67 85.48 965.601 -13.286 -157.915 -166.145 -44.863 411.077 290.253 131.436 13.766 43.961 -2.416 88.571 27.392 174.434 217.003 249.865 311.902 295.857 181.540 43.847 82.239 241.305 303.654 255.847 156.337 116.935 -17.225 54.658 11.400 40.867 19.104 62.995 164.702 246.012 10.299 231.613 -290.138 -104.513 -146.754 -587.679 -570.542 -211.975 -65.101 -237.205 -382.354 -386.630 -260.505 -104.945 -15.644 -34.308 -123.870 -109.660 -330.105 -326.269 -641.903 69.210 79.483 105.686 84.564 -411.856 -137.822 -159.555 -29.946 -38.046 -16.011 5.324 -37.846 -146.078 -228.672 -10.808 -229.672 -353.341 -66.341 -27.122 -322.937 -331.256 -90.003 -19.402 -232.508 -491.557 0.658 14.623 -19.177 -19.555 497.519 470.684 335.011 117.330 173.864 334.934 364.599 69. 923 140. 440 121. 036 269. 741 250. 321 460. 517 -156. 325 -168. 101 -37. 327 -53. 172 73. 289 57. 445 186. 211 170. 367 322. 016 218.660 165.312 228.584 33.917 247.980 21.871 323.133 105.031 455.899 151.209 611.861 279.654 8. 383 -66. 858 109. 292 18. 139 259. 655 123. 902 415. 944 290. 746 473. 925 -28. 122 -120. 391 108. 242 14. 626 329. 310 226. 194 497. 044 76.136 368.001 11.685 269.526 205.844 -3.640 24.455 167.755 16.628 184.790 152.120 195.923 76.512 84.733 -249. 946 -263. 591 -87. 000 -106. 404 32. 345 12. 925 156. 208 -473. 693 -485. 469 -319. 419 -335. 264 -208. 461 -224. 305 -134. 153 -149. 998 -94. 150 -102. 645 -227.183 -173.834 -225.679 -31.011 -214.268 11.841-233.346 -15.243-289.261 15.429 -378.353 -46.147 -349. 068 -424. 790 -132. 748 -226. 685 -0. 009 -62. 863 113. 287 45. 235 155. 723 -235. 969 -386. 116 -40. 910 -190. 629 68. 061 -29. 038 134. 331 -301.013 -592.878 -133.452 -391.293 -243.931 -34.447 -25.313 -168.612 -10.807 -178.969 -149.399 -193.203 -77.439 -85.660 -484. 756 -524. 989 140. 873 -178. 183 -97. 728 313. 522 445. 182 83. 567 그림 4. 붕괴방지수준에 대한 휨모멘트도 및 전단력도(콘크리트 구조설계기준) 4. 결 론 본 연구에서는 현존하는 도시철도 개착식 터널에 대하여 도시철도내진설계기준의 하중조합과 콘크리 트 구조설계기준의 하중조합을 토피고 9.0m의 기존 구조물에 대하여 응답변위법으로 해석 비교한 결과 얻은 결론은 다음과 같다. 기능수행수준의 구조물 단면력은 콘크리트 구조설계기준의 하중조합에 대한 결과가 기존 도시철도내 진설계기준의 하중조합에 대한 결과보다 약 2~19% 높게 나타났으며, 붕괴방지수준의 경우 약 2~20% 높게 나타났다. 대상 구조물에 대하여 한정할 경우 콘크리트 구조설계기준의 하중조합이 도시철도내진 설계기준보다 보수적인 결과를 나타내었다.

(6)

따라서 지반에 대한 영향이 큰 도시철도 개착식 구조물의 내진설계 시 콘크리트 구조설계기준의 하 중조합을 적용할 경우 도시철도 내진설계기준의 하중조합을 적용할 경우보다 보수적인 값을 나타낼 것 으로 예측된다. 감사의 글 본 연구는 국토해양부 도시철도표준화2단계 연구개발사업의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. 참고문헌 1. 국토해양부, “도시철도 내진설계 기준”, 2009 2. 건설교통부, “콘크리트 구조설계기준”, 2003 3. 건설교통부, “콘크리트 구조설계기준”, 2003 4. 신현목, 백인열, “하중조합, 강도감소계수 및 모멘트 재분배”, 한국콘크리트학회 학회지, 제19권 제4 호, pp.2-24, 2007 5. 전한철, 이의준, 배병훈, 김세열, “개착터널 설계 하중조합 및 단면 검토”, 대한토몰학회 학회지, 제 56권 제2호, pp.45-51, 2008

수치

표 5.  붕괴방지수준에 대한 대상 구조물 단면력 비교 구분 위   치 계수하중 계수하중모멘트전단력축력모멘트전단력 축력 kN.m kN kN kN.m kN kN 상부 슬래브 1 경간 좌측 312.69 306.31 230.45 353.34 367.57 255.805중앙부268.72120.39179.86303.65150.49199.644우측285.78283.50140.82322.94377.06156.3072 경 간 좌측 293.15 273.30 200.15 3

참조

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