Transcript 되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토 상수관

Hongik Univ. Structures Lab. of Civil Engineering
양천길 개착구에 매설된 지하지장물(상수도, 전력구 등)의
진동영향분석 및 계측방안과 도로복구 후
지반침하 대책에 관한 연구
(지하철 905공구)
2008. 11. 12
홍익대학교 토목공학과 교수 윤 순 종
Hanjin Heavy Industries & Construction Co., Ltd.
Hongik Univ. Structures Lab. of Civil Engineering
차 례
서론
 지하지장물 보호공의 구조설계검토
 지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
 되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
 되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
결론
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
서 론
 연구배경 및 목적
구조물 안전성 검토
지장물 매설
(상수관, 전력구, 가스관 등)
개착공법
지하지장물에 대한 보호대책 필요
계측기 설치
계측결과 분석 및 지하지장물의 거동 예측
안전검토 및 문제발생시 신속한 대책마련을 위한 기초자료 제공
되메우기 방안 검토
되메우기 방안 비교검토
공법선정시 기초자료로 활용
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
서 론
 연구범위 및 활용방안
22개소의 지장물 침하계 설치
3개소의 진동계측기 설치
정기적인 계측자료 비교 분석
GTSTRUDL(Ver. 27) 사용 지하지장물의 구조해석
계측데이터를 분석하여 지하지장물의 변위 예측
진동변위를 고려하여 현장상황에 맞는 관리기준 제
안
되메우기 공법을 선정시 기초자료로 활용
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
서 론
 현장조사
현장위치
지하지장물 현황
가양대교
올림픽대로
공구시점
공구시점
8K170.166
8K170.166
대상
제일모직
양천길
905정거장
905정거장
공구종점
9K710.166
9K710.166
907정거장
907정거장
까르푸
우성APT
현대APT
SBS방송국
화곡로
906정거장
906정거장
통신관
통신관
한전 전력구 상수도관
100X12 가스관 80X2
(154KV)
2400 상수도관
하수관
1200
500
900
상수도관
지역난방
600
φ 315X2
상수도관
200
하수관
600
상수도
하수도
도시가스
지역난방
905공구 L=1,540m
공항로
한전전력구
통신
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
지하지장물 보호공의 구조설계검토
 검토단면(φ2,400mm 상수도관 및 전력구)
주형보 브레이싱
2LS - 90×90×10
복공판
2,000×750×200
전력구
2,100×2,300
상수도관
φ2,400 m m
H - 440×300×11×18
C .T.C 2,000
L= 3,000
H - 440×300×11×18
C .T.C 2,000
7,490
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
지하지장물 보호공의 구조설계검토
 검토단면(φ2,400mm 상수도관 및 전력구)
상수도관 받침 Beam 검토
휨응력(kgf/cm2)
구조설계
GTSTRUDL
허용휨응력
212.901
195.880
2,498.310
횡방향 Beam 검토
휨응력(kgf/cm2)
전단응력(kgf/cm2)
구조설계
GTSTRUDL
허용휨응력
구조설계
GTSTRUDL
허용전단응력
1,095.137
587,900
1,487.700
360.801
247.810
1,485.000
횡방향 Beam 지지보 검토
휨응력(kgf/cm2)
전단응력(kgf/cm2)
구조설계
GTSTRUDL
허용휨응력
구조설계
GTSTRUDL
허용전단응력
477.059
488.310
2,257.200
485.261
273.960
1,485.000
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
지하지장물 보호공의 구조설계검토
 검토단면(φ2400mm 상수도관 및 전력구)
지장물 지지파일 검토
작용하중 < 파일의 지지력
O.K !
H파일의 검토
작용하중에 의한 압축응력 < 허용압축응력
O.K !
유한요소해석결과 다른 검토단면에서도 모두 안전하다고 평가됨 !
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
계측기 설치현황
 지장물침하계
- 위험단면으로 예상되는 곳 선정
- 2003년 12월 20일 부터 2005년 11월 10일까지 총 22개소 설치 후 초기측정
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
 지장물침하계 설치현황
관리번호
설치위치
설치일자
초기측정일
관리번호
설치위치
설치일자
초기측정일
P-01-1
8k300
2400상수관
2004/05/24
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P-06-1
9k110
2400상수관
2005/02/23
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P-01-2
8k300
2400상수관
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8k825
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8k592
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9k370
1200상수관
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8k940
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8k470
2400상수관
2004/03/24
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P-07-1
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P-10-1
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P-05-1
9k050
2400상수관
2005/06/16
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1200상수관
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P-07-3
9k200
전력구Box
2005/10/20
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P-07-4
9k190
전력구Box
2005/11/10
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
계측기 설치현황
 진동계측기(전기식 변위계)
- 교통량이 빈번한 곳으로 8km900~9km330구간 선정
- 8k900구간 및 9k110구간, 9k310구간 3개소 설치 후 초기측정
진동계측기를 설치하기 위한
버팀대 설치
진동계측기 설치
데이터 수집을 위한
Multiplex Module 설치
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
계측결과
 지장물침하계
- 22개소의 계측결과로부터 각변화량과 각변위 계산
- 최대각변화량 : -0.090
- 최대각변위 : 1/637
- 계측결과 각변화량과 각변위는 관리기준 이내
No.
P-01-1
P-01-2
P-03-1
P-03-2
P-08-1
P-08-2
P-09-1
P-09-2
P-10-1
P-10-2
최대
각변화량
0.009
-0.009
0.014
-0.011
-0.019
0.009
-0.030
-0.090
-0.054
0.056
최대
각변위
1/6366
1/6366
1/4093
1/4407
1/3016
1/6366
1/1910
1/637
-1/1061
1/1023
관리기준
각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
계측결과
 지장물침하계
No.
P-06-1
P-06-2
P-02-1
P-02-2
P-04-1
P-04-2
최대
각변화량
-0.019
0.018
0.054
-0.050
0.068
0.046
최대
각변위
1/3016
1/3183
1/1061
1/1146
1/843
1/1246
관리기준
각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300
P-07-1
P-07-2
P-05-1
P-05-2
P-07-3
P-07-4
-0.003
0.005
0.022
0.021
-0.057
0.083
1/19099
1/11459
1/2604
1/2728
1/1005
1/690
각변화량 : ±0.114, 각변위 : 1/500, 1/400, 1/300
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
계측결과
 진동계측기(전기식 변위계)
- 차량의 정체가 예상되는 3구간의 상수도관 및
주형보에 전기식 변위기 설치후 약1시간
간격으로 계측
- 진동변위는 주초에 증가하다가 주말에 감소하는
경향을 나타냄
- 최대진폭 (최대진동변위) 결정
 max  Pos.Max.Displ.  Neg.Min.Displ
 4.000mm
구간
8k900
φ2400상수관
8k900
주형보
9k110
φ2400상수관
9k110
주형보
9k310
φ2400상수관
최대변위(mm)
4.000
0.267
0.750
0.750
1.152
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
지하지장물 변위계측 및 안전성 검토
지하지장물의 구조검토
 진동변위를 고려한 지장물의 구조거동 조사
8k900 φ2400 상수관
횡방향 지지보(주형보)
최대응력
(kgf/cm2)
항복응력
(kgf/cm2)
최대처짐
(mm)
최대응력
(kgf/cm2)
항복응력
(kgf/cm2)
최대처짐
(mm)
342.86
1,900
4.00
630.36
1,900
2.82
처짐규정 = L/800
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
되메우기 시공후 지하지장물의 구조검토
 1안
 장점
- 지장물 변위 억제 및 견고하게 지지
- 슬래브 부분만 S.R.C. 구조로 환경오염 방지
- 지하공간활용 양호
- 공기단축에 유리
- 지하지장물이 목적구조물에 영향을 미치지 않음
- 지장물이 많고 토피고가 높은 구간에 유리
- 지장물 복구비 저렴
 단점
- C.I.P. 강재와 횡방향 거더의 연결부 정밀시공필요
- 되메우기 다짐시 정밀시공 요함
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
되메우기 시공후 지하지장물의 구조검토
 2안
 장점
- 별도의 지지보가 없으므로 다짐관리가 우수함
- 지장물 복구비 저렴
- 공기단축에 유리
- 지하지장물이 목적구조물에 영향을 미치지 않음
- 지장물이 많고 토피고가 높은 구간에 유리
 단점
- 되메우기 다짐불량시 지장물침하로 인한 변위 우려
- 되메우기 다짐시 정밀시공 요함
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
되메우기 시공후 지하지장물의 구조해석
 해석방법
q
- 지장물 하부는 되메우기 토사를 고려하여
탄성지반으로 가정 하중
L
- 지장물의 양 단부는 단순지지로 가정
Elastic
Foundation
- 지장물 상부의 하중은 등분포하중으로 가정
 지배미분방정식(C. K. Wang, 1983)
d 4x k
q


dy 4 EI EI
 y  A cos
C sin

L

L
x cosh
x cosh

L

L
x  B cos
x  D sin

L

L
x sinh
x sinh

L

L
EI : 지하지장물의 휨강성
A ~ D : 처짐량
x
  L4
x
k
4 EI
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
되메우기 시공후 지하지장물의 구조해석결과
- 2가지 제안된 비교안의 구조거동을 비교하기 위해 지간길이를 증가시키면서 휨모멘트 변화를 조사
- 매설깊이에 따라 본선구간과 유치선구간으로 구분
- 최대건조단위중량의 90% 및 95% 인 경우의 되메우기 토사에 대해 산출된 지반반력계수를 사용하여
지하지장물의 거동을 비교 및 분석 함
- 탄성지반 위에서는 중앙부의 휨모멘트는 증가하다 감소함
- 지간길이가 증가할 수록 처짐이 증가 함에 따라 지반반력이 증가하기 때문임
- 지간길이가 일정한 길이 이상으로 증가하면 지하지장물의 중앙부에서 상부하중과 지반반력이 평형을
이루어 더 이상 처짐이 발생하지 않음
- 지간길이가 증가할 수록 중앙부의 휨모멘트는 0으로 수렴하고 최대휨모멘트는 양지점부근에서 발생함
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
 최대건조단위중량의 90%인 경우(본선구간)
지하지장물
상수도관
전력구
되메우기공법
휨모멘트
(ton·m)
휨응력
(kgf/cm2)
1안
28.0
29.0
2안
115.5
119.3
1안
29.1
1.6
2안
186.5
9.9
허용응력
(kgf/cm2)
1,500
31
처짐
(mm)
0.011
2.363
0.005
2.260
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
 최대건조단위중량의 90%인 경우(유치선구간)
지하지장물
상수도관
전력구
되메우기공법
휨모멘트
(ton·m)
휨응력
(kgf/cm2)
1안
24.3
25.1
2안
110.1
113.7
1안
30.18
1.6
2안
193.6
10.3
허용응력
(kgf/cm2)
1,500
31
처짐
(mm)
0.010
2.050
0.005
2.347
Hanjin Heavy Industries & Construction Co., Ltd.
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
 최대건조단위중량의 95%인 경우(본선구간)
지하지장물
상수도관
전력구
되메우기공법
휨모멘트
(ton·m)
휨응력
(kgf/cm2)
1안
27.9
29.7
2안
99.6
102.9
1안
29.1
1.6
2안
160.7
8.7
허용응력
(kgf/cm2)
1,500
31
처짐
(mm)
0.011
1.736
0.05
1.686
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
되메우기 시공후 지하지장물의 구조거동 분석
 최대건조단위중량의 95%인 경우(유치선구간)
지하지장물
상수도관
전력구
되메우기공법
휨모멘트
(ton·m)
휨응력
(kgf/cm2)
1안
24.4
25.2
2안
86.3
89.1
1안
30.2
1.6
2안
166.8
8.9
허용응력
(kgf/cm2)
1,500
31
처짐
(mm)
0.010
1.529
0.005
1.751
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
되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
상수관(φ2,400mm)
 매설관 형식 및 제원
- 관의 종류 : 강관
 하중계산
- 관경(D) : 2400mm
- 고정하중에 의한 정토압
Wd   H  2 1.5  3.0t / m
2
- 활하중에 의한 정토압
- 관두께(t) : 22mm
- 토피고(H) : 1.5m
- 매설토 단위중량(  ) : 2.0t/m3
2 P  (1  i)
Wl 
 3.27ton / m2
2.75  (0.2  2 H )
Wl : 활하중(t/m2)
P : 후륜하중(DB-24 : 9.6ton)
i : 충격계수(i=0.5)
• 매설관거 상부로 차량등이 통과시 하중에 의한
압력이 토압하중에 가산
H (m)
i
• 차량하중은 후륜하중을 사용(전륜하중의 영향 무시)
H ≤ 1.5
0.5
• 도로의 종방향에 타이어 접지폭 20cm에서 45˚ 분산,
횡방향에는 차체 점유폭을 2.75m로 분산 가정
1.5 ≤ H ≤ 6.5
(0.65-0.1)H
H ＞ 6.5
0
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
되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
 강도계산
- 관체의 휨모멘트 및 휨응력
• 모멘트 계수 K1, K2 는 받침각의 각도에 따라 결정
구분
관정
관저
K1
K2
K3
K4
K1
K2
K3
K4
90
0.132
0.079
0.102
0.030
0.223
0.011
0.102
0.030
180
0.120
0.079
0.085
0.030
0.160
0.011
0.085
0.030
360
0.107
0.079
0.070
0.030
0.121
0.011
0.070
0.030
- 관정과 관저의 휨모멘트
M : 단위길이당 매설토와 활하중에
M  K1  q  r  K  p  r
2
2
2
K1 :
K2 :
r :
q :
p :
의한 휨모멘트 합
매설토에 읜한 모멘트 계수
활하중에 의한 모멘트 계수
관두께의 중심반경
매설토에 의한 정토압
활하중에 의한 정토압
관정 : M c  0.907tonf  m / m
관저 : M b  0.757tonf  m / m
- 관정과 관저의 휨응력
관정 :  c  11197.53t / m2
2
관저 :  b  9345.68t / m
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
되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
 강도계산
- 관체의 수직방향 변형량 및 변형률
  K3
qr
pr
 K4
B I
B I
4
4
 : 매설토와 활하중에 의한 직경변
K3 :
K4 :
B :
I :
형량의 합
매설토에 읜한 직경변형량 계수
활하중에 의한 직경변형량 계수
탄성계수
단면2차모멘트
- 직경변형률
V

2r
100  1.682  5%
O.K .
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되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
전력구
 사용재료
- 강도설계법에 의한 설계
• 콘크리트
- 설계기준강도 :
- 턴성계수
:
f ck  240kgf / cm2
Ec  2.32 105 kgf / cm2
• 철근
 하중조합
- 항복강도
:
- 탄성계수
:
고정하중
하중조합
f y  3000kgf / cm2
Es  2.00 106 kgf / cm2
토압
활하중
연직수압
측벽수압
Case-6
Case-7
Case-8
1.7
1.8
-
-
-
1.7
1.8
-
-
-
1.8
1.7
1.8
1.5
1.8
-
0.9
1.7
1.8
1.5
1.8
지하수무
지하수유
지하수무
지하수유
연직
수평
Case-1
Case-2
Case-3
Case-4
Case-5
1
1.54
-
1.8
-
2
1.54
-
0.9
3
-
1.54
4
-
1.54
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
되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
 부재 위치별 모멘트 및 전단력
구분
상부슬래브
하부슬래브
벽체
위치
단면제원
Mu
Su
B (cm)
H (cm)
(tonf·m)
(tonf·m)
단부
100
50
3.778
10.459
중앙부
100
50
2.207
2.092
단부
100
50
1.708
8.929
중앙부
100
50
0.084
0
상단부
100
50
3.490
8.312
중앙부
100
50
1.749
0.304
하단부
100
50
3.932
10.680
비고
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되메우기 시공후 지하지장물의 안전성 검토
전력구
 우각부 계산
<상부슬래브 우각부>
<하부슬래브 우각부>
- 우각부까지의 최단거리
R  2
a

b 

 t2  b   t1   
( a  b) 
a 

최단거리 (cm)
인장응력 (kgf/cm2)
비고
상부 우각부
81.317
2.857
O.K .
상부 우각부
70.711
1.708
O.K .
- 인장응력
f max 
5 Mu
R2 W
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결론
 계측 및 되메우기 검토 결론
- 유한요소 해석결과 2,400mm 상수도관 및 전력구 박스의 위험단면에서의 보호공은 안전하다고 평가됨
- 계측결과 최대각변화량과 최대각변위는 각각 -0.090ﾟ, -1/637로 나타났으며 발생한 변위는
지하지장물의 안전에 영향을 미치지 않을 정도의 작은 값임
- 진동영향으로 발생되는 최대변위는 4.0mm이고, 최대변위가 발생했을 때 2,400mm 상수도관 및
횡방향 지지보는 안전한 것으로 분석됨
- 구조해석결과 되메우기 시공후 2,400mm 상수도관 및 전력구 박스는 2안은 1안보다 휨모멘트를 더
부담해야 하지만 구조적 안전에는 문제가 없는 것으로 나타남
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결론
 지하지장물의 구조해석 결과
구분
본선구간
(최대건조단위중량의 90%)
지하저장물
되메우기공법
휨모멘트
(tonf·m)
휨응력
(kgf/cm2)
Ф2,400mm
상수도관
1안
28.0
29.0
2안
115.5
119.3
1안
29.1
1.6
2안
186.5
9.9
1안
24.3
25.1
2안
110.1
113.7
1안
30.18
1.6
2안
193.6
10.3
1안
27.9
29.7
2안
99.6
102.9
1안
29.1
1.6
2안
160.7
8.7
1안
24.4
25.2
2안
86.3
89.1
1안
30.2
1.6
2안
166.8
8.9
전력구
유치선구간
(최대건조단위중량의 90%)
Ф2,400mm
상수도관
전력구
본선구간
(최대건조단위중량의 95%)
Ф2,400mm
상수도관
전력구
유치선구간
(최대건조단위중량의 95%)
Ф2,400mm
상수도관
전력구
허용응력
(kgf/cm2)
1,500
31
1,500
31
1,500
31
1,500
31
처짐
(mm)
0.011
2.363
0.005
2.260
0.010
2.050
0.005
2.347
0.011
31
0.05
31
0.010
1.529
0.005
1.751
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