강관 버팀보의 형상과 배치에 따른 흙막이 가시설의 공학적 거동에 대한 연구 = A Study on The Engineering Behaviour of Propped Retaining Walls with The Shape and Arrangement of Steel Pipe Struts

국문 초록 (Abstract)

대규모 철도, 지하철, 지하차도, 건축물 등 각종 터파기 공사 시 흙막이 가시설이 필요하다. 그동안 버팀보로 지지되는 흙막이 가시설에는 주로 H-형강을 사용하여 지반 변형을 억제해 왔다. 그러나, 터파기 작업 시 버팀보와 지중 매설물에 의한 간섭 등으로 버팀보의 길이를 증가시켜야 하는 상황이 늘어남에 따라 공학적 특성이 개선된 형태의 버팀보 선제적 개발이 필요하다. 이에 최근 단면의 성능(단면2차모멘트)이 우수한 강관을 사용하여 가시설의 전체 구조 요소(벽체, 띠장, 버팀, 보강재, 중간말뚝 등)를 감소시키면서 흙막이 가시설의 공사 기간을 단축시킬 수 있는 강관 버팀보 공법이 개발되었다. 그러나 아직까지 이 공법이 적용된 가시설의 공학적 거동과 강관 버팀보에 작용하는 압축력에 관해서는 명확히 규명되지 못하고 있는 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 강관 버팀보의 적용성을 평가하기 위해 H-형강(H-300x300), 강관(D406.4 mm), 강관(D508.0 mm)을 대상으로 재하시험과 원심모형실험을 수행하였다. 먼저 재하시험과 UTM 시험을 통해 강관버팀보의 연결부재(연결재, 이음재, 유밴드)에 대한 안정성을 검토하였다. 또한, 3차원 유한요소해석을 통해 흙막이 가시설에 대한 다양한 parametric 해석을 수행하여 버팀보의 종류에 따른 공학적 거동의 특성을 분석하고 이를 현장 실측 치와 비교, 분석하였다.

한편, 버팀보의 종류에 따른 축력과 흙막이 가시설의 거동을 비교하기 위해 원심모형실험을 수행하였으며, 각 버팀보 형식에 작용하는 축력과 지반의 거동을 관찰하고 그 적정성을 검토하였다. 이를 통해 강관 버팀보가 기존 H-형강에 비해 흙막이 가시설의 안정성을 증가시키고, 동시에 시공성과 경제성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Excavations for railways, subways, underpasses, and building basements inevitably require temporary earth‑retaining structures. Conventional systems employ H‑shaped steel struts to control ground deformation; yet longer unsupported spans are increasingly demanded owing to utility interference and wider excavation footprints, revealing structural and constructional limitations. A pipe‑strut system with superior sectional stiffness(second moment of area) has therefore been proposed to shorten construction time by reducing wall, waler, strut, and soldier‑pile members. However, its engineering behaviour and the compressive forces acting on pipe struts remain insufficiently understood.

This study evaluates the applicability of pipe struts through (i) axial‑loading and static strength tests on full‑scale H-300×300, Ø406.4 mm, and Ø508.0 mm struts—including connection components(couplers, splice plates, U-bands)— (ii) 3D finite‑element parametric analyses of retaining systems, and (iii) 60g centrifuge model tests. Results demonstrate that pipe struts outperform conventional H‑shapes in reducing axial force demand and lateral wall displacement, enabling rational elimination of intermediate piles and walers while improving constructability and cost efficiency.

목차 (Table of Contents)

• 목 차 ⅰ
• 표 목 차 ⅲ
• 그림 목차 vii
• 국문 요지 x
• Ⅰ. 서론(Introduction) 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 연구 목적 4
• 3. 연구 내용 및 방법 4
• Ⅱ. 이론적 배경 및 선행연구 고찰(Literature Review and Theoretical Background) 6
• 1. 흙막이 가시설 개요 6
• 2. 버팀보의 설계 요소 11
• 3. 버팀보 시스템의 역할 23
• 4. 선행기술 H형강과 강관 버팀보의 구조적 특성 비교 29
• 5. 원형 강관 버팀보 공법의 개발 배경 35
• 6. 관련 국내외 연구 동향 38
• 7. 연구의 차별성 및 기대 효과 55
• Ⅲ. 강관 버팀보 시스템의 구조 및 연결자재 안정성 실험(Experimental Study on Steel Pipe Strut System) 56
• 1. 실험 계획 및 구성 개요 56
• 2. 시험체 검증 기준(강관 및 연결자재) 60
• 3. 연결자재 종류 및 역할 (연결재, 이음재, 유밴드) 63
• 4. 연결자재의 UTM 실험 66
• 5. 실험 분석 73
• 6. 연결자재의 안정성 평가 77
• Ⅳ. 3차원 유한요소해석을 통한 공학적 거동 분석(3D Finite Element Analysis) 78
• 1. 인천 OO 재처리수 1단계 시설공사 3D 해석 78
• 2. OO지구 다목적 농촌용수 개발사업(인입수로 및 양수장 시설공사) 3D 해석 82
• 3. 보강재가 설치된 H형강 버팀보와 보강재가 미설치된 강관 버팀보의 3D 해석 87
• 4. 버팀보(강관 Vs H형강, L=10.0 m) 좌굴하중의 구조 검토 93
• 5. 버팀보(강관 Vs H형강, L=10.0 m) P-Δ 검토 98
• 6. 현장 실측치와의 비교 101
• 7. 해석과 계측의 분석 125
• Ⅴ. 원심모형실험을 활용한 버팀보 거동 분석(Behavior Analysis of Struts Using Centrifuge Model Tests) 126
• 1. 원심모형실험 개요 126
• 2. 축소 모델 설계 및 구성 134
• 3. 원심모형실험 분석 149
• Ⅵ. 종합 고찰 및 실무 적용성 분석(Discussion and Practical Implications) 156
• 1. 버팀보 형상 및 배치에 따른 구조적 효율 비교 156
• 2. 강관 버팀보의 시공성 및 경제성 분석 166
• 3. 흙막이 가시설의 안전성 향상 가능성 199
• 4. 설계 및 시공 현장 적용에 대한 제언 205
• Ⅶ. 결론 및 향후 연구(Conclusions and Future Work) 207
• 1. 연구 성과 요약 207
• 2. 주요 결론 정리 208
• 3. 연구의 한계 209
• 4. 후속 연구 과제 제안 209
• 참고문헌 210
• 부록(원심모형실험 그래프) 214
• ABSTRACT 217