사각형 강관을 이용한 비개착 시공에 따른 지반거동의 분석: 수치해석

최순욱,박영택,장수호,배규진,이기택,백용기,Choi, Soon-Wook,Park, Young-Taek,Chang, Soo-Ho,Bae, Gyu-Jin,Lee, Ki Taek,Baek, Yong Ki 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.5

본 연구에서는 기존 도로나 철도 하부에 비개착 공법을 적용하여 입체교차 구조물을 시공할 경우, 비개착공법에 사용되는 사각형 강관의 1개 관입과 전체 강관들의 관입에 따른 상부 지반의 침하와 강관 주변의 변위를 3차원 수치해석으로 분석하여 비개착공사에 따른 지상의 안정성을 파악하고자 하였다. 이상의 수치해석 결과, 사각형 강관 관입에 의한 주변지반의 거동은 수평방향보다 연직방향의 변위에 크게 좌우되며, 토피고가 낮을수록 침하량이 보다 커지는 것으로 파악되었다. 강관 전체를 추진하는 해석에서는 강관들의 추진순서에 따라 침하량이 다소 다르게 나타났으며, 상부에 위치한 사각형 강관들 추진에 의해 발생하는 침하량이 총 침하량의 약 75%를 차지하는 것으로 나타나, 상부 강관 추진 시에 주의 깊은 시공관리가 필요할 것으로 판단되었다. This study aims to numerically investigate ground movement around a square steel pipe as well as a group of square steel pipes induced by its and their ground penetration for trenchless construction of a concrete box. From numerical results, ground movement induced by a square steel pipe is much more dominantly governed by vertical displacement rather than horizontal displacement. Ground settlement induced by pipe penetration is much larger as the overburden becomes lower. The settlement is also shown to be slightly dependent upon the sequence of pipe penetration. More careful construction management is highly in demand during the penetration of upper pipes since their induced settlement occupies approximately 75 percent of total ground settlement after the whole construction of steel pipes.

화재시나리오별 침매터널 구조물의 화재저항성 평가

최순욱,장수호,김흥열,조봉현,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Kim, Heung-Yon,Jo, Bong-Hyun 한국터널지하공간학회 2010 한국터널지하공간학회논문집 Vol.12 No.6

본 연구에서는 뿜어붙임 방식의 모르타르 내화재가 시공된 침매터널 벽체구조물을 모사한 철근콘크리트 블록시험체에 대해 $HC_{inc}$ 화재시나리오와 IS0834(4시간) 화재시나리오 하에서 침매터널 내화재의 화재저항성 평가결과를 비교하였다. $HC_{inc}$ 화재시나리오 하에서는 내화재와 시험체 계면으로부터 0, 25, 50 mm 위치에서의 최대온도가 각각 $311^{\circ}C$, $194^{\circ}C$, $142^{\circ}C$로 나타났으며, IS0834(4시간) 화재시니리오 조건에서는 0, 25, 50 mm 위치에서의 최대온도가 각각 $332^{\circ}C$, $222^{\circ}C$, $179^{\circ}C$ 측정되었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 적용된 두 가지 화재시나리오들은 최대온도개념에서 유사한 화재강도임을 확인할 수 있었다. 이와 더불어 내화재 설치여부에 따른 침매터널 구조물의 안전성을 확인하기 위한 구조안정성 해석을 수행하였다. 이때 내화재가 설치되지 않은 시험체에 대한 화재시험을 수행하여 화재에 의한 콘크리트의 단면손실과 강도저하를 확인하고 그 결과를 이용하여 구조안정성 해석을 수행하였다. 이상의 해석 결과, 본 연구에서 적용된 강력한 화재시나리오 조건에서는 침매터널 구조물의 안정성 확보를 위하여 내화재가 필수적임을 확인할 수 있었다. In this study, fire resistance of a fireproof material sprayed upon an immersed tunnel was experimentally evaluated under $HC_{inc}$ and IS0834(duration of 4 hours) fire scenarios. Under $HC_{inc}$ fire scenario, the maximum inner temperatures of a concrete specimen at the depth of 0, 25 and 50 mm from the interface between the structure and the fire-proofing layer were $311^{\circ}C$, $194^{\circ}C$ and $142^{\circ}C$ respectively. Similarly, the corresponding maximum temperatures under IS0834 fire scenario were $332^{\circ}C$, $222^{\circ}C$ and $179^{\circ}C$ respectively. From the results, it was revealed that the two different fire scenarios assumed in this study have almost the same fire capacity as each other in the maximum temperature concept. In addition, a structural analysis of the immersed tunnel under $HC_{inc}$ fire scenario was carried out to verify the effects of the fireproof material on its structural stability. Material loss and deterioration of a concrete specimen without any fire-proofing measure was also experimentally evaluated to obtain input parameters for the structural analysis under such a severe fire scenario. From the results, it was confirmed that the application of fireproof measures to the immersed tunnel is essential for its structural stability even under a severe fire scenario.

선형절삭시험에 의한 더블디스크커터와 싱글디스크커터의 커터 작용력과 축응력에 대한 실험적 평가

최순욱,장수호,박영택,이규필,배규진,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Park, Young-Taek,Lee, Gyu-Phil,Bae, Gyu-Jin 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.2

본 연구는 선형절삭시험 중에 동일한 커터 링 형상을 가진 더블디스크커터와 싱글디스크커터에 발생하는 커터작용력과 각 디스크커터 축에 발생하는 축응력 및 토크를 평가하였다. 선형절삭시험 결과, 선형절삭실험 중에 발생한 더블디스크커터의 연직력과 회전력의 평균값은 싱글디스크커터의 약 두 배 내외인 것으로 측정되었다. 더블디스크커터의 축에 작용하는 축응력의 평균값 역시 연직력과 마찬가지로 싱글디스크커터의 두 배 정도로 나타났지만, 토크의 경우에는 전체적으로 낮은 측정값을 보여 비교의 의미가 없는 것으로 판단되었다. 하지만 더블디스크커터의 연직력의 평균값이 직경 432 mm(17인치) 디스크커터의 허용하중을 상회하기 때문에 테이퍼 롤러 베어링의 내구성능에 대한 검토가 필요한 것으로 판단되었다. 또한 더블디스크커터 축에 작용하는 축응력은 싱글디스크커터의 약 두 배 정도로 발생하였지만, 일반적으로 사용하는 디스크커터 축 재료의 항복강도를 고려할 때 적용 상에 문제가 없는 것으로 나타났다. This study aims to evaluate cutter acting forces as well as axial stresses and torques in the shaft of two kinds of disc cutters including a single disc cutter and a double disc cutter with the same cutter ring geometry in a series of linear cutting tests. From the tests, the mean values of normal forces and rolling forces acting on the double disc cutter were approximately twice as high as those from the single disc cutter. Similarly, the mean values of axial stresses in the shaft of the double disc cutter were also twice as high as those from the single disc cutter even though the comparisons of torques from two kinds of disc cutters were insignificant since they showed very low values. However, it is necessary to take the durability of a tapered roller bearing used for the double disc cutter into high consideration since the average normal force from the double disc cutter exceeds the allowable force for a disc cutter with the diameter of 432 mm (17 inches). Finally, there is no practical problem in terms of axial stresses in the shaft of the double disc cutter since they are much lower than the yielding stress of the cutter shaft material, even though the axial stresses in the shaft of the double disc cutter are approximately twice as high as those from the single disc cutter.

선형절삭시험에 의한 코니컬커터의 삽입재 크기에 따른 절삭성능 평가

최순욱,강태호,장수호,이철호,이규필,김창용,Choi, Soon-Wook,Kang, Tae-Ho,Chang, Soo-Ho,Lee, Cheol-Ho,Lee, Gyu-Phil,Kim, Chang-Yong 한국터널지하공간학회 2016 한국터널지하공간학회논문집 Vol.18 No.2

본 연구는 로드헤더 커팅헤드에 사용되는 코니컬커터의 삽입재 크기에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보기 위하여 절삭간격과 절삭깊이, 그리고 사각을 변화시키면서 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. 절삭간격이 12~27 mm인 조건에서 절삭깊이에 따라 평균 커터작용력이 일정한 범위에서 나타났다. 사각이 $0^{\circ}$인 경우에서는 일반적으로 알려진 최적 S/d비 1~5사이인 4~4.5 조건에서 비에너지가 최소로 나타났으며, 사각이 $6^{\circ}$인 경우에서는 최적 S/d비가 좀 더 작은 1~3에서 나타났다. 단순히 시험결과에 의한 비교에서는 슬림 코니컬커터가 헤비 코니컬커터에 비해 절삭효율이 좋게 나타났지만, 대상지반의 강도가 높을 경우에 대해 커터의 소모량과 손상을 고려한다면 헤비 코니컬커터의 사용이 효과적일 것이다. In order to estimate the performance of a conical cutter depending on the insert size, this study measured forces acting on conical cutters with different cutter spacings, penetration depths and skew angles using slim and heavy conical cutters. When cutter spacings ranged from 12 to 27 mm, the deviations of mean cutter forces with cutter depths appeared smaller compared to other cutter spacings. When skew angle is $0^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 4 to 4.5 for which specific energy of cutting was minimized. It were usually found in the range of 1 to 5. However, when skew angle is $6^{\circ}$, the optimal S/d ratio was obtained in the range of 1 to 3. The simple comparison results shows that the performance of slim cutter was superior to that of heavy cutter, but the use of heavy cutter can be effective, considering the cutter consumption and cutter damage when the strength of the ground is high enough.

선형절삭시험에 의한 슬림 코니컬커터의 절삭성능 평가(I): Attack Angle 변화에 의한 결과

최순욱,장수호,박영택,이규필,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Park, Young-Taek,Lee, Gyu-Phil 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.6

본 연구에서는 로드헤더 커팅헤드 설계의 기본 사항인 절삭조건에 따른 커터작용력의 변화를 살펴보는 기초 연구를 진행하기 위하여 연암 및 보통암을 대상으로 하는 슬림 코니컬커터를 사용하여 받음각과 커터관입깊이, 커터간격의 조건에 따른 선형절삭시험을 수행하였다. 각 시험조건에서 커터작용력인 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. S/d비와 비에너지의 관계, 관입깊이와 비에너지의 관계, S/d비와 커터작용력의 관계로부터 받음각이 $50^{\circ}$, 커터간격이 12 mm, 커터관입깊이가 9 mm인 조건이 모르타르시험체에 대한 최적의 절삭조건임을 확인할 수 있었다. 특히 받음각이 $50^{\circ}$인 경우가 $45^{\circ}$인 경우에 비해 장비사양 설계를 위해 더 효과적임을 알 수 있었다. In this study, the variations of cutter acting forces depending on cutting conditions were examined to obtain basic data for roadheader cutting head design. The linear cutting tests were performed in the condition of different attack angles, penetration depths, cutter spacings by using a slim conical pick for the light cutting condition. Cutter acting forces were measured by 3-directional load cell under different test conditions, and the analysis for cutting performance were carried out after calculating average values of the measured results. It is confirmed that the optimal cutting condition for the mortar specimen is the 50 degree attack angle, the cutter spacing of 12 mm, the cutting depth of 9 mm which are obtained from the analysis results. In addition, 50 degree attack angle is more effective than 45 degree attack angle to design optimal specifications of cutting head.

프리캐스트 방식 내화풍도슬래브 시공조인트부의 화재저항성능 평가

최순욱,강태호,이철호,김세권,김태균,장수호,Choi, Soon-Wook,Kang, Tae-Ho,Lee, Chulho,Kim, Se Kwon,Kim, Tae Kyun,Chang, Soo-Ho 한국터널지하공간학회 2021 한국터널지하공간학회논문집 Vol.23 No.5

횡류식으로 지하공간의 환기시설을 구축할 때 사용되는 풍도슬래브는 터널의 장대화 및 중차량 통행에 따라 내화성능 확보가 필요하다. 본 연구는 내화재와 슬래브를 일체식으로 제작하는 프리캐스트 내화풍도슬래브를 대상으로, RWS화재시나리오 하에서 내화풍도슬래브를 시공할 때 발생하는 시공조인트부에서의 온도변화를 측정하였다. 그 결과, 시공조인트부의 보강이 없을 경우는 시공조인트부 안쪽의 콘크리트에서 손상이 발생하여 내화재의 손상으로 이어짐을 확인하였다. 반면 시공조인트 내측의 한쪽 면을 내화재로 보강한 경우는 보강이 없을 경우에 비해 3배 이상의 화재저항성능을 보였지만, 보강이 없는 블록에서 콘크리트 및 내화재의 단면손실이 나타났다. 그러나 보강된 블록에서는 손상이 나타나지 않았다. Duct slabs, which are used to build ventilation facilities in underground spaces with transverse ventilation system, need to secure fire resistance according to longitudinal and heavy vehicle traffic of tunnels. This study measured the temperature change at the construction joint of the precast fireproof duct slab which integrates fire resistance material and duct slab under the RWS fire scenario. As a result, it was confirmed that if there is no reinforcement of the construction joint, damage will occur in concrete inside the construction joint, leading to damage to the fireproofing layer. On the other hand, when one side of the construction joint was reinforced with fireproofing materials, it showed more than three times the fire resistance performance compared to when there was no reinforcement. At this time, cross-sectional losses of concrete and fireproofing layer were shown in blocks without reinforcement, but no damage was seen in the reinforced blocks.

침매터널 세그먼트조인트의 내화 대책에 대한 실험적 평가

최순욱,장수호,김흥열,조봉현,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Kim, Heung-Youl,Jo, Bong-Hyun 한국터널지하공간학회 2011 한국터널지하공간학회논문집 Vol.13 No.3

In this study, a series of fire experiments under $HC_{inc}$ and ISO834 (duration of 4 hour) fire scenarios were carried out for three different types of fire protection measures for the segment joint to evaluate their applicabilities to an immersed tunnel. The experimental results revealed that an expansion joint installed to allow relative movements between concrete element ends in an segment joint is the most vulnerable to a severe fire. For the fire protection measure where the originally designed steel plates at an expansion joint arc replaced by fire-resistant boards, the experiments showed that they cannot achieve good fireproofing performance under both $HC_{inc}$ fire scenario and ISO834 (4 hour) fire scenarios since the installation of fire-resistant boards results in the reduction of the sprayed fire insulation thickness. On the other hand, the application of modified bent steel plates replacing the original steel plates was proved to be very successful in fireproofing of the expansion joint due to more sprayed materials filled in bent steel plate than in the original design concept as well as higher adhesion between the steel plate and the sprayed fire insulation layer. 본 연구에서는 화재 발생시 침매터널 세그먼트조인트의 지수재를 고온으로부터 보호하기 위한 내화대책의 효용성을 평가하기 위하여, 세 가지 방식으로 침매터널 세그먼트조인트를 모사한 콘크리트 블록실험체에 대해 $HC_{inc}$ 화재 시나리오와 ISO834(4시간) 화재 시나리오 하에서 화재실험을 수행하였다. 실험결과로부터 함제간의 변위를 허용하기 위한 시공조인트가 화재 시 취약부위임을 확인할 수 있었다. 열 손상에 취약한 시공조인트의 철판을 내화보드와 굴곡이 있는 철판으로 보강한 내화대책으로 변경하여 화재실험을 수행한 결과, 내화보드로 보강한 경우는 내화보드 설치에 따른 뿜어붙임 모르타르 내화재의 시공두께 감소로 인해 내화재의 휨이 발생하여 내화성능을 발휘하지 못하였고, 굴곡이 있는 철판으로 보강한 경우는 철판굴곡에 의해 철판과 뿜어붙임 모르타르 내화재와의 부착력이 증가됨과 더불어 철판 굴곡부에 채워지는 뿜어붙임 모르타르 내화재로 인하여 시공조인트에서의 열 손상이 발생하지 않아 내화성상알 충분히 발휘할 수 있음을 확인하였다.

사각형 강관을 이용한 비개착 시공에 따른 지반거동의 분석: 모래지반에 대한 모형 토조실험

최순욱,박영택,장수호,배규진,이기택,백용기,Choi, Soon-Wook,Park, Young-Taek,Chang, Soo-Ho,Bae, Gyu-Jin,Lee, Ki Taek,Baek, Yong Ki 한국터널지하공간학회 2012 한국터널지하공간학회논문집 Vol.14 No.5

본 연구에서는 비개착 공법에서 상부구조물의 하중을 지지하는데 유용한 사각형 강관의 관입이 지반에 미치는 영향을 파악하고자, 모형토조에 강사장치를 이용하여 상대밀도가 일정한 모래지반을 조성하고, 조성된 모래지반에 모형 오거에 의한 굴착과 동시에 사각형 강관이 관입되는 모형 토조실험을 실시하였다. 실험 결과, 토피고가 낮을 경우에는 사각형 강관 주변의 모든 방향으로 대체로 균등하게 영향범위가 나타난 반면, 토피고가 높아질수록 사각형 강관 관입에 의한 영향범위는 주로 강관 상부에서 넓게 나타나고, 특히 상부 영역의 수평 변형률에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다. 특히, 사각형 강관 상부의 모래 표면의 변위는 무차원 관입속도가 약 0.2일 경우에 최소로 나타났다. 또한 사각형 강관의 관입속도가 일정할 경우, 오거의 회전속도에 따라 모래 표면의 변위량이 달라지는 것으로 나타나, 안전시공을 위해서는 시공조건에 적합한 무차원 관입속도의 선정이 중요하다는 것을 알 수 있다. This study aims to experimentally investigate ground settlement and ground movement around the square pipe by its penetration in sandy ground. A series of laboratory model tests were carried out with a small-scale auger equipment for penetration of a square pipe as well as a newly designed test box with a sand raining equipment. From the experiments, it is shown that a square pipe induces ground movement evenly around it in a low overburden condition. However, as the overburden becomes higher, ground movement by a square pipe is concentrated mainly above it. Especially, horizontal strain above the square pipe was mainly dominated by its penetration. In addition, sand surface movement is the smallest in case of the dimensionless penetration rate equal to 0.2. When its penetration rate of the square pipe is fixed, the rotation speed of auger controls surface movement whether it is settlement or heaving. Therefore, the selection of an optimal dimensionless rate for the square pipe is a key design factor to minimize ground settlement in a trenchless construction.

요소제거모델을 활용한 열전달해석에서 터널 화재이력곡선의 초기가열구배에 따른 대류열전달계수의 변화

최순욱,장수호,이춘환,안성율,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Lee, Jun-Hwan,Ahn, Sung-Yol 한국터널지하공간학회 2010 한국터널지하공간학회논문집 Vol.12 No.3

본 연구에서는 화재에 의한 콘크리트의 단면손실과 역학적 특성을 저하하는 주요 요인 가운데 온도증가율, 즉 초기가열구배를 변화시키면서 모의화재실험을 수행하였다. 그리고 수행된 모의화재실험에서 관찰된 단면손실을 모사하기 위하여 요소제거모델을 활용한 유한요소해석법에 의해 열전달해석을 수행하였다. 이때 모의화재실험결과와 수치해석결과가 가장 일치하는 대류열전달계수를 반복적인 해석과정을 통해 도출하였다 이상의 과정으로부터 얻어진 초기가열구배에 따른 대류열전달계수의 변화를 조사한 결과, 각 초기가열구배별 대류열전달계수의 변화는 분수함수 형태로 근사시킬 수 있었다. 최종적으로 모의화재실험으로부터 도출된 초기가열구배별 대류열전달계수의 변화 결과를 내삽하여 다양한 초기가열구배에 따른 화재경과시간별 대류열전달계수의 변화를 추정할 수 있는 수식을 함께 제시하였다. The initial heating rate is well known as one of the most influencing factors on the occurrence of spalling and the loss of strength in concrete after fire initiation. In this study, a series of fire tests were carried out at different initial heating rates to find out its effects on the deterioration of tunnel structural members. Heat transfer analyses combined with an element elimination model were also carried out to verify its applicability in the same conditions as the fire tests. Moreover, the convection heat transfer coefficients compatible with fire test results were derived from parametric studies. In this course, their time-dependent variations were also analyzed at different initial heating rates. Finally, a numerical formula to estimate the heat transfer coefficients at the various initial heating rates was proposed by the interpolation of the results of numerical analyses.

선형절삭시험에 의한 슬림 코니컬커터의 절삭성능 평가(II): Skew Angle 변화에 의한 결과

최순욱,장수호,이규필,박영택,Choi, Soon-Wook,Chang, Soo-Ho,Lee, Gyu-Phil,Park, Young-Taek 한국터널지하공간학회 2014 한국터널지하공간학회논문집 Vol.16 No.6

본 연구에서는 받음각이 $45^{\circ}$인 경우에 대해 사각이 $0^{\circ}$와 $6^{\circ}$이고 S/d비가 1.3~12사이인 시험조건에 대해 슬림 코니컬커터를 사용하여 선형절삭시험동안 발생하는 커터작용력을 측정하였다. 각 시험조건에서 커터작용력인 연직력, 절삭력, 구동력을 측정하였고 그 측정결과의 평균값을 사용하여 분석을 실시하였다. 커터관입깊이가 깊어질수록 비에너지가 감소하였고 커터관입깊이에 따른 커터작용력의 변화는 사각이 $6^{\circ}$인 경우가 작게 나타났다. 이와 같은 결과로부터 사각이 $6^{\circ}$인 경우가 $0^{\circ}$인 경우에 비해 장비설계측면에서 효과적인 것으로 판단된다. 또한 $F_c/F_n$은 사각이 $6^{\circ}$일 때가 $0^{\circ}$인 경우에 비해 작게 나타났다. 그러나 사각이 있을 경우 구동력의 증가가 나타날 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다. In this study, the cutter acting forces were measured by 3-directional load cell at two different skew angles and various S/d ratios during a series of linear cutting tests using a slim conical pick. The analysis for cutting performance were carried out after calculating average values of the measured results. The increase of penetration depth results in the decrease of specific energy. And the variations of the cutter acting forces depending on penetration depth in the case of 6 degree skew angle were smaller than in the case of 0 degree skew angle. From this results, 6 degree skew angle is more effective than 0 degree skew angle in designing optimal specifications of cutting head. In addition, $F_c/F_n$ under the setting of 6 degree skew angle was smaller than under the setting of 0 degree skew angle. However, it should be considered that the increase of cutter acting force in the cutting direction accompanied the increase of driving force in the case of the setting for 6 degree skew angle.