3.1 버팀보의 구조 검토

일반 흙막이 버팀보 설계 방법을 확인하고 본 연구의 해석 조건을 고찰하고자 임의의 조건을 가정하여 흙막이 설계과정 및 내용을 검토하였다.

검토한 예시 단면의 가시설은 H-beam형태의 버팀보(Strut) 로 지지하며 굴착하는 공법을 적용하였으며, 단면의 버팀보 사용 규격은 H300×305×15×15 (SS400) 으로 일반적으로 사 용되는 버팀보 규격이다,

버팀보의 간격은 수평 3.0m, 수직 1.850∼2.604m이고, 가시 설 굴착 깊이는 GL –12.632∼12.911m, 가시설 버팀보는 5단을 사용하는 것으로 가정하였으며, 해석단면은 Fig. 3과 같다.

검토한 예시 단면은 엄지말뚝이 H-pile로 구성된 가시설 구 조물이며, 설계기준은 국토교통부 가설공사 표준 시방서 및 구조물 기초설계기준 해설을 적용한다. (^{Minister of Land, Infrastructure and Transport, 2014}; ^{Minister of Land, Infrastructure and Transport, 2015})

흙막이 가시설의 버팀보는 띠장에서부터 전달되는 하중, 고정하중, 상재하중 및 온도의 영향을 고려하여 휨압축부재 로 설계한다.

버팀보는 흙막이벽의 변위를 억제하고 띠장과 흙막이벽의 밀착을 위하여 초기 지압력을 도입하는 경우에는 추가되는 축력의 크기를 반영하여야 한다.

버팀보는 가설구조물 전체의 강성을 확보할 수 있도록 일 정간격으로 인접버팀보와 수평가새를 설치하며, 가새의 설치 는 좌굴 해석에 따라 위치 및 부재규격을 결정한다.

굴착 폭이 넓은 곳, 최상단 버팀보, 지질이 연약한 곳에 설 치되는 버팀보는 편토압에 대하여 검토하여야 한다.

흙막이 구조물에는 잔류변형률(strain) 자체는 문제가 되지 않으므로 일시적인 과대응력은 큰 문제가 되지 않으므로, 강 재를 이용한 일반적인 가시설물인 경우에는 허용응력 값의 1.5배를 할증하여 사용한다.

흙막이 가시설의 해석프로그램은 MIDAS GeoX 를 사용하 여 검토하며, 예시 단면의 2D Modeling은 Fig. 4와 같다.

검토 예시 단면의 버팀보 설계지간은 8.37m로 최대축력과 온도차에 의한 축력, 설계 축력을 고려한다.

버팀보의 자중 및 작업하중을 5kN/m로 가정한 휨모멘트를 받는 부재로 검토하며 이때 버팀보의 발생하는 축력은 Table 1과 같다.

검토 예시 단면의 결과에서 지표하 약 8.0m 지점부터 버팀 보에 발생되는 축력이 약 730kN이었고, 그 하부로는 더 큰 축 력이 발생하여 버팀보를 2개 적용하였다.

온도차에 의한 축력까지 반영하면 버팀보에 발생하는 최대 축력은 약 850kN이 발생한다.

3.2 조립식 버팀보의 수치해석 방법 및 조건

조립식 버팀보를 해석하기 위해서 임의의 조건을 가정한 일반 버팀보 해석을 실시하였으며, 그 결과 버팀보에 발생되 는 축력이 약 730kN 이상임을 확인하였다.

온도차에 의한 축력까지 고려하면 최대 약 850kN의 축력 이 발생하는 것을 확인하였다.

이에 따라 조립식 버팀보 해석조건에서는 수치적 편의를 위해 총 1,000kN의 축방향력을 적용하였으며, 해석에 적용된 축력 및 작업하중은 Table 2와 같다.

또한 일반 버팀보와 조립식 버팀보 단면을 비교하여 선형 좌굴해석(Linear Buckling Analysis)을 통해 Euler 임계좌굴하 중 ( P c r ) 에 의한 좌굴모드별 안전율을 검토한다.

좌굴해석 시 버팀보는 축방향 압축력과 연직방향 자중 및 작업하중에 의해 발생하는 휨모멘트를 받는 부재로 검토하 며, 하중은 고정하중(구조물하중)과 작업하중, 설계축력을 재 하 하는 것으로 한다.

각각의 버팀보 좌굴안정성을 검토 후, 3D 유한요소해석 (Finite Elements Method)을 통해 구조 각 부재에 발생하는 최 대응력을 산정하여, 설계기준에서 제시하는 허용응력 및 조 합응력과 비교한다.

적용 설계기준은 서울시 지하철 9호선 버팀보 보강 관련 설계기준으로 검토하였으며, 적용 기준 내용은 가시설 전체 의 강성을 확보할 수 있도록 일정간격으로 인접 버팀보 간에 수평 브레이싱을 설치하여 보강하여야 한다(^{Seoul Metropolitan Government Office of Subway Construction, 2001}).

강재의 허용응력은 가설 구조물의 특성과 재사용 및 부식 을 고려한 허용응력 저감계수 적용하였고, 재료의 허용응력 값들에 보정계수 곱하여 적용한다(Korea Rail Network Authority, 2017).

Table 3은 해석 단면의 평면도 및 단면도를 나타낸 것이다.

조립식 버팀보 단면은 상부플랜지에 사전천공이 되어있는 단면이다. 이와 같은 단면으로 가시설 버팀보의 좌굴 및 응력 을 검토하고자 한다.

버팀보의 해석 시 사용한 상세단면은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5(a)는 일반 버팀보 검토 단면이고, Fig. 5(b)는 조립식 버팀보 검토 단면이다. 검토 단면의 버팀보간 거리는 2.5m를 적용하였고, 버팀보의 길이는 9.0m로 적용하였다.

각 버팀보의 단면은 일반 버팀보와 같은 H-형강의 규격 (H300×305×15×15)을 사용하였으나 조립식 버팀보 단면은 상부플랜지에 미리 천공된 볼트구멍을 반영하였으므로 H-형 강 단면적을 볼트구멍만큼 감소시켰다.

해석단면의 가시설 제원은 종방향 브레이싱이 있는 단면으 로 검토하며 경사 브레이싱의 제원은 같다.

본 연구에서 적용한 버팀보 강재의 물리적 특성치는 Table 4와 같다.

버팀보 단면에 사용한 브레이싱 강재의 규격은 L175× 175×12으로 같은 규격의 강재를 사용하였으며 규격은 SS400 을 사용하였다.

버팀보의 좌굴해석에 필요한 구조해석 전산 프로그램은 MIDAS CIVIL을 이용하였다.

검토 단면의 구조물은 상부플랜지, 하부플랜지, 복부 등으 로 구성되어 있으며, 구조물 거동을 고려한 3차원 유한요소해 석을 수행하여 설계 부재력을 산출하였다.

Fig. 6은 해석에 사용한 3D 모델링의 전체 단면이고, Fig. 7 은 일반 버팀보와 조립식 버팀보의 상부플랜지의 상세단면이 여, 모델링에서 조립식 버팀보의 천공된 단면을 고려하여 검 토 해석하였다.

버팀보의 자중은 프로그램 내에서 자동 재하 되도록 하였 고, 작업하중은 연직하중으로 재하 하였으며, 축력은 버팀보 의 양 끝에 재하 하였다. 하중 재하도는 Fig. 8과 같다.

4.1 버팀보 단면의 좌굴해석 결과

버팀보 해석 결과 선형 좌굴해석(Linear Buckling Analysis) 에서 임계좌굴하중(Citical Buckling Load) 결과 값인 좌굴모 드(Buckling Mode)를 보인 것이 Fig. 9 (a), (b)이다.

발생한 임계좌굴하중 값은 일반 버팀보일 때 3,273kN 이고, 조립식 버팀보 일 때 3,438kN이다.

작용 축방향력 1,000kN 대비 Euler 임계좌굴하중이 크므로 좌굴에 대한 버팀보의 좌굴안정성은 일반 버팀보와 조립식 버팀보가 모두 확보된 것으로 판단한다.

Table 5는 버팀보 단면의 발생 부재력 집계이고, Fig. 10에 도식화하였다.

집계된 버팀보 단면의 부재력은 조립식 버팀보 단면이 모든 응력에서 더 크게 발생하였으며, 휨응력은 약 1.6배, 전단응력 은 약1.6배, 압축응력은 1.05배 더 큰 부재력이 집계되었다.

조립식 버팀보가 더 큰 부재력을 갖는 이유는 단면의 상부 플랜지에 볼트 구멍이 사전 천공되어 있으므로 단면결손에 따른 단면적 감소 때문이라고 판단된다.

Table 6은 버팀보 브레이싱 단면의 발생 부재력 집계이고, Fig. 11에 도식화하였다.

브레이싱의 경우 일반 버팀보 단면이 조립식 버팀보 단면 의 브레이싱보다 더 큰 응력이 발생하였다. 휨응력의 경우 약 1.12배, 전단응력은 1.16배, 압축응력의 경우 1.57배 더 큰 부 재력이 집계되었다.

이는 조립식 버팀보는 SM490강재가 적용하였고 일반 버 팀보는 상대적 재료강성이 작은 SS400강재를 적용하였다. 그 결과 같은 외력이 적용되었음에도 각 버팀보에서 발생된 응 력이 달라 연관 부재인 브레이싱에 전달되는 응력의 차이가 발생한 것으로 판단된다.

4.2 버팀보 단면의 구조 안정검토

버팀보 단면의 구조 안정검토를 위해 최대 발생응력을 설계 기준에서 제시하는 허용응력 및 조합응력과 비교하며, 허용응 력은 축방향 압축응력과 휨응력, 전단응력을 비교한다. 적용 한 설계기준은 국토교통부 구조물 기초 설계기준 해설을 준하 였다(Minister of Land, Infrastructure and Trans port, 2015).

버팀보의 허용응력 산정은 가설 구조물의 특성과 재사용 및 부식을 고려한 허용응력 저감계수 적용하고, 재료의 허용 응력 값들에 보정계수 곱하여 적용하였다.

본 연구에서 적용한 보정계수는 철도설계기준(노반편)에 서 제시하는 값을 사용하였고, 가설구조물 일 때의 값으로 사 용하여 보정계수의 값은 1.5를 사용하였고, 강재의 재사용 및 부식을 고려한 허용응렬 저감계수는 0.9를 적용하였다(Korea Rail Network Authority, 2017).

버팀보 단면에 발생하는 응력과 허용 응력의 값을 비교하 여 Table 7에 정리하였다. 일반 버팀보와 조립식 버팀보 모두 사용한 버팀보는 강재의 허용응력 값을 만족하고 있다.

Fig. 12에 버팀보에 발생하는 응력과 허용응력을 도식화하였다.

계산된 버팀보의 허용응력 값은 휨응력이 일반 버팀보가 116.843MPa, 조립식 버팀보가 135.267MPa으로 약 1.2배 더 높고, 허용 전단응력 값은 일반 버팀보 일 때 108MPa이고, 조 립식 버팀보 일 때 148.5MPa으로 약 1.4배 높았다.

또한 허용압축응력의 값은 일반 버팀보 일 때 145.021 MPa 이고, 조립식 버팀보일 때 176.360MPa으로 약 1.2배 높았다.

이는 Table 4에 표현한 바와 같이 선천공으로 인한 단면손 실을 반영하여 일반 버팀보 대비 조립식 버팀보의 단면적이 작게 적용되어 같은 외력에 버팀보 발생응력이 조립식 버팀 보에서 더 크게 발생한 것으로 사료된다.

버팀보의 브레이싱에 발생하는 응력과 허용응력의 비교 검 토 결과는 Table 8에 정리하였다.

브레이싱에 발생하는 응력도 강재의 허용응력 값을 만족하 며, 브레이싱에 발생된 응력의 차이는 Fig. 8의 설명에 기술한 내용과 같다.

Fig. 13은 각 버팀보 단면 별 브레이싱의 발생응력과 허용 응력을 도식화 한 것이다.

버팀보의 축력, 연직 및 수평 휨모멘트, 횡방향 좌굴을 고려 할 경우 조합응력 해석법을 적용하여 안정을 검토한다. 이때 발생하는 합성응력은 식 (1)으로 구하며 값이 1.0 이하일 때 안정한 것으로 검토한다.

여기서, f c a 는 발생한 압축응력(MPa), f c a 는 버팀보의 강축 및 약축에서 발생한 축방향 압축응력 중 작은 값(MPa)이고, f b 는 발생한 휨응력(MPa), f b a 는 버팀보의 허용휨응력(MPa), f e a 는 오일러 좌굴에 대한 허용응력 값(MPa)이다.

계산된 합성응력의 값은 일반 버팀보 단면 일 때 0.765, 조 립식 버팀보 단면 일 때 0.744이며 모두 1.0이하로 안정한 것 으로 판단된다.