구조물의 안정성(2)

관련 논문 1. 콘크리트 옹벽의 안정성 평가를 위한 적외선 영상의 공학적 활용. 국민대학교대학원. 유승권 2. 기존 상부구조물 및 터널 하부를 통과하는 터널공사 시공 안정성에 관한 연구. 서울시립대학교 과학기술대학원. 장문석

 

기존 상부구조물 및 터널 하부를 통과하는 터널공사 시공 안정성에 관한 연구(서울시립대학교 과학기술대학원. 장문

논문 요약

최근 도심지에서 기존 터널과 신설 터널을 연결하는 지하철 환승 정거장 시공이 많아지고 있다. 환승 정거장 시공 중 특히 터널 구간 시공은 도심지 특성으로 인해 기존 터널과 기존 상부구조물을 통과하는 구간을 갖게 된다. 이 구간에서 상부 구조물 및 터널 안정성에 대한 여러 가지 위험성이 내포되고 있으며 결과적으로 터널 붕괴 혹은 기존 구조물의 사용성 저하로 이어지게 된다. 이러한 현상은 다음과 같은 메카니즘으로 인해 발생하게 된다.

신설 터널 시공 시 지반 굴착으로 인해 정역학적 관점에서 토압의 힘평형이 순간적으로 깨지게 되고 이로 인해 신설 터널에서 천단, 내공 등의 변위가 발생하게 된다. 이러한 변위는 터널 주변부의 지반을 이완시키고 이완된 지반은 기존 터널 및 기존 구조물의 변위를 발생시키게 된다. 변위가 과도해질 경우 구조물의 파괴나 부등침하로 인한 사용성 저하가 발생하게 되므로 이에 대한 방지대책이 필요하다. 이에 따라 다양한 보강 공법 및 시공방법에 대해서 연구가 수행되고 있다.

연구자는 실제 시공중인 신설 터널공사 자료를 바탕으로 신설 터널 시공으로 인한 상부 구조물과 기존 터널의 영향 및 보강공법의 안정성에 대해서 검토하여 안정성 확보 방안을 제시하였다. 신설 터널공사 자료를 토대로 지반 해석 프로그램인 MIDAS를 사용하여 기존 터널 하부통과 구간과 상부구조물 하부통과 구간에 대해서 공법의 적정성 및 안정성을 평가하고 현장 계측자료와 비교하였다. 또한 기존 상부구조물의 하부통과구간에 대해서 발파진동 추정식을 통한 발파시 진동 영향 및 굴착방법 타당성을 분석하였다.

수치해석 수행 결과 신설 터널의 천단 및 내공의 최대 변위, 지보재의 부재력, 기존 상부구조물의 최대 각변위가 모두 허용치 이내에 드는 것으로 나타났다. 또한 발파진동 추정식을 이용한 발파진동분석 결과 기존 상부구조물에 허용치 이내의 발파진동이 발생하는 것으로 검토되었다. 이를 바탕으로 신설 터널 시공시 기존 상부구조물 안정성 확보 방안에 대한 방법을 제시하였다.

 

콘크리트 옹벽의 안정성 평가를 위한 적외선 영상의 공학적 활용 (국민대학교대학원. 유승권)

논문 요약

연구자는 옹벽과 같은 벽체 구조물이 국지성 강우 및 구조물 자체의 노후화로 인한 옹벽붕괴사고로 인명 피해와 같은 추가 재해 예방에 목적을 두고 있다. 그래서 벽체 내부에 철근 매설 유무를 탐지하고 벽체 배면부에 공동을 탐사할 수 있는 비접촉식·비파괴검사 기법을 제안하고있다. 비접촉식·비파괴검사 기법은 적외선화상기법을 의미한다. 기존의 벽체나 지반 내 철근 및 공동을 탐사 할 수 있는 비파괴검사 기법으로 전자파법, 자기법, 방사선법, GPR, 탄성파탐사법 등이 있다.

기존의 탐사기법들은 측정 대상에 측정 장치를 직접 접촉 혹은 접근시켜야만 결과의 신뢰율을 최대한으로 확보할 수 있는 단점이 있다. 그래서 비접촉식·비파괴검사 기법인 적외선화상기법을 활용하여 철근 및 공동을 탐지하는 기법을 제안하였다. 이를 위해 적외선 카메라를 이용한 실내실험과 수치해석을 수행하였다.

실험은 콘크리트 판을 1m 이격한 거리에서 일정 열원에 노출시키고 적외선 카메라를 이용하여 가열과 냉각시간에 따른 표면의 온도 변화를 측정하였다. 열적 확산현상에 의해 시간에 따른 표면 온도 변화는 벽체 배면부의 열적 특성이 어떻게 변화하는지를 반영하였다. 이를 위해 철근의 근입 깊이가 서로 다른 벽체를 다수 제작하여 실험하였고, 대형토조 실험을 통하여 공동의 크기에 따른 실험도 진행하였다.

실험결과의 검증을 위해 수치해석을 병행하여 수행했다. 분석결과 벽체 내부의 철근의 근입 깊이가 2cm 이내인 경우 적외선 영상을 통해 확인되었으나, 근입 깊이가 그 이상이 되면 표면온도의 측정오차로 인해 정량적으로 평가하는 것이 어려운 것으로 나타났다. 또한 공동의 경우 콘크리트 두께 15cm이하에서 공동의 지름이 30~50cm에서 탐지가 가능하였다. 하지만 콘크리트 두께 20cm에서 실험상 공동의 최대 지름 50cm에서도 표면온도의 차이가 모호하여 공동의 존재를 탐지하는데 어려움이 있었다.

 

실험 결과를 보아 벽체 두께나 주변 환경에 따라 정도의 차이는 있으나 제한된 조건에서 벽체 표면에 측정된 열화상을 콘크리트 벽체 구조물 내에 철근의 탐지와 배면부에 공동을 탐지하는 것이 어느 정도 가능함을 확인하였다.

연구자는 위와 같은 연구 목적과 방법을 통해 다음과 같은 결과를 얻었다. 연구결과 앞으로 노후화된 건축물과 시설물들을 점검하여 벽체 내부를 보수하는데 비파괴기법으로써 도움이 될 수 있으며, 국지성 호우로 인한 벽체 배면부에 공동이 발생하는 것을 조사하여 2차 피해를 막는 것에 본 연구가 도움이 됨이 가능할 것으로 짐작된다.

실험에서 콘크리트 벽체 배면부에 매설된 공동이 냉각 과정에서 열전도도가 모래보다 상대적으로 높아 먼저 냉각되어 온도가 낮게 나타나는 것을 알 수 있었다. 매설된 공동의 지름이 증가할수록 열용량과 열전도도와 관계되어 표면 최대온도 차이에 도달하는 시간이 길어진다는 것도 알 수 있었다.

모형실험 결과를 통해 이러한 현상은 배근된 철근의 배근깊이가 얕아질 수 록 분명한 표면온도 차이를 보이고, 가열시간이 길어질수록 벽체 내부의 열확산 현상이 진행됨으로써 표면온도 차이가 점차 줄어드는 것으로 나타났다.

수치해석을 통하여 공동의 크기가 커질수록 표면온도 차이를 확연히 알 수 있었고 콘크리트 두께가 얇아질수록 표면 온도 차이가 증가하는 것을 볼 수 있었다. 대형토조 실험에서 수치해석 만큼에 정확한 그래프 양상을 볼 수는 없었지만 적외선 이미지를 통하여 비교적 낮은 온도 차이 이지만 공동이 매설된 위치와 비교하여 공동의 존재 유무를 알 수 있었다. 수치해석과 비슷한 결과로 콘크리트 벽체의 두께가 10cm일 때 인공공동의 지름이 30cm, 40cm, 50cm와 콘크리트 벽체 두께 15cm에서 인공공동의 지름 50cm에서 매설된 공동의 존재 유무를 알 수 있었다.

 

배우고 느낀 점

힘의 합성과 분해, 물체의 평형을 배우고 무게중심과 구조물의 안정성에 관해 관심을 가지게 되었다. 구조물이 평형을 유지한고 무너지지 않는 것이 아니라는 것에서 피라미드와 콜로세움 그리고 피사의 사탑이 힘과 돌림힘이 모두 평형상태를 유지하고 무게중심이 구조물의 바닥면 내에 있는지 여부가 영향을 미친다는 것을 알게 되었다. 즉 무게중심이 건물의 내부에 있기’이라는 것이다.

논문을 통해 알게 된 것은 터널공법은 크게 굴착작업과 복공작업으로 이루어진다. 복공작업이란 굴착작업후 콘크리트 또는 철근 콘크리트로 굴착면을 덮는 작업을 말하며, 보통 거푸집짜기와 콘크리트 타설 작업으로 나뉘어 실행된다.

또한 일반적으로 터널공법에 의해서 완성되는 터널은 아치형을 이루게 되는데 그 이유는 아치형태의 구조물이 상부로부터 받는 압력을 주위로 분산시켜 안정적으로 지지할 수 있기 때문이다. 국내 서울 지하철을 예로 들면, 각 지하철 노선간의 지하철도는 NATM터널 공법에 의해 건설되었으며, 대부분의 지하철역은 개착식 공법으로 건설되었음을 알게 되었다.

건축현장에서 지반공사에 많은 시간이 소요되는 것과 건축물 주변 지반 침하 현상을 최근에 보고 문제 해결 방안에 대해 생각하는 계기가 되었고 건축에 신소재와 인공지능을 활용한 공사 기법 연구를 하려는 목표를 가지게 되었다.

참고자료: 국회도서관자료