1.1 연구배경

최근 교통, 환경 문제 등 도심 과밀화로 인해 발생하는 문제를 해결하기 위해 지하공간의 활용도가 높아지고 있다. 국가간 해저터널과 같은 대형 지하공간 개발 프로젝트가 계획, 시공중에 있으며 환경문제 개선을 위한 지하공간 개발 사례도 증가하고 있다. 이와 같이 기존 공사에 비해 지하 공사가 대형화되고 심층화됨에 따라 공사비용이 증가하고 설계 또한 복잡해지고 있다(Bozkurt and Mehmer, 2016). 따라서, 주변 구조물의 현황, 지반상태 등 전반적인 시공환경을 고려하여 경제적이고 합리적인 가시설 설계와 공법의 적용이 요구된다(Yoon, 2010). 또한, 지하안전관리에 관한 특별법 시행에 따라 2018년 1월부터 10 m 이상의 지하굴착공사를 수반하는 사업에 대하여 지하안전영향평가 및 사후지하안전영향조사를 실시하도록 하는 등 지하안전을 확보하기 위한 지하안전관리제도가 시행되고 있다(Kim and Huh, 2018). 이러한 경향으로 자립식 흙막이 가시설 공사의 중요성이 커지고 있으며 그에 따른 자립식 흙막이 가시설 구조물의 설치 공법과 시공기술의 향상이 절실히 요구되고 있다(Gebre, 2011).

자립식 흙막이 가시설 구조물은 외력을 견딜만한 충분한 강도와 강성을 가지는 재료를 사용하여 변위, 지반침하로 인한 인접구조물 등에 손상을 주지 않아야 한다. 기존의 강관파일공법과 달리 강관파일에 CLSM (Controlled Low- Strength Material) 유동성 뒷채움재를 채운 자립식 흙막이 가시설 구조물을 개발하였다(Zhou, 2008). CLSM채움 강관파일을 설계 및 현장에 적용하기 위해서, 기존의 콘크리트 채움은 균열로 인한 누수로 강관말뚝에 미치는 영향이 크게 되지만, CLSM채움은 압축강도가 20 MPa 이하로 균열에 대한 손상이 없어 강관손상에 대한 문제는 발생하지 않는다. 그렇지만 구조물의 역학적 성질과 구조적 성능에 대한 조사가 필요하다(Kwon, 2016).

따라서 CLSM채움 강관파일의 거동을 확인하기 위해서는 실험을 통해 채움 강관파일의 거동을 확인하여야 하며, 본 논문에서는 CLSM채움 강관파일의 거동을 확인하기 위해 압축강도실험과 휨강도실험을 수행하였다.

1.2 실험체 제작

자립식 흙막이 가시설 파일로 사용할 CLSM채움강관의 압축강도를 알아보기위해 CLSM채움을 변수로두어 강관파일의 압축강도실험을 수행하였고, 콘크리트 충전강관의 압축강도실험도 제시하였다. 압축 실험체의 규격과 단면의 크기는 실험장비의 성능을 고려하여 결정하였다. 압축 실험체 제작에 사용된 강관은 일반 구조용 탄소강관의 표준 규격으로 사용되고 있는 KS D 3566을 참고하여 결정하였다. 압축 실험체에 사용한 강관은 SGT275 (f_y=275MPa) 이고, 직경이 139.8 mm 인 강관을 설정하였다. 실험체 제작은 강관파일의 양끝부분에 원형강판으로 용접하였고, CLSM채움 강관파일은 강관파일은 한쪽 끝부분을 원형강판으로 용접하고 나서 CLSM을 채우고 나머지 반대편 끝부분을 용접하였다. 또한 CLSM채움 유무를 변수로 둔 강관파일의 압축거동과 비교하기 위해 콘크리트 강도가 40 MPa인 콘크리트 충전강관을 제작하였다. 강관파일의 압축강도실험 변수는 Table 1과 같고, Fig. 1은 제작한 압축시편이며 Fig. 2는 휨실험 전경이다.

Table 1

Type and Quantity of Compressive Strength Test Specimens

Fig. 1

Compressed Specimen

Fig. 2

Steel Pipe Bending Test

2.1 해석조건 및 가정사항

강관의 유한요소해석을 수행하기 위해 강관의 모델링은 Auto CAD를 사용하였으며, 역학적 성질은 강관의 일반적인 탄성계수 값을 적용하였다. 또한, CLSM의 물성치는 ANSYS Workbench Ver. 19.2에서 제공하고 있는 물성치를 적용하였다.

Auto CAD를 사용하여 강관을 길이방향으로 6 m, 관경은 406.4 mm, 508 mm, 두께는 9 mm로 실제 실험체의 치수와 같도록 모델링하여 Fig. 3과 같이 ANSYS 프로그램으로 변환하였다. 유한요소해석에서 실험체의 경계조건은 Fig. 4와 같이 강관의 한쪽끝단을 단순지지(Simple support)로 하고 나머지 한쪽지점은 이동단(loller end support)으로 x, y방향으로 구속하였으며 하중은 점차적으로 증가시켜 강관의 변형을 확인하고 그 결과를 실험데이터와 비교하였다.

Fig. 3

Steel Pipe Modeling

Fig. 4

FEM Modeling

2.2 해석결과

ANSYS에 의한 유한요소해석의 결과로부터 휨실험체의 하중에 따른 수직변위를 Fig. 5와 Table 2에 정리하여 나타내었다. 유한요소해석 결과와 실험값을 비교한 결과 최대 6% 미만의 차이를 보였다. 모든 실험결과와 해석결과의 차이는 유한요소해석에서는 강관이 일정한 역학적 성질을 갖는 것으로 가정하고 있으나, 실험에 사용한 강관의 경우 재료의 역학적 성질에서 시편채취 위치에 따라 차이가 발생하며, CLSM의 경우 일정한 역학적 성질이 없어 유한요소해석 내의 물성치를 대신하여 적용하였기 때문에 차이가 발생한 것으로 생각된다. 그러나, 이와 같은 결과로부터 1~7% 이내로 강관의 거동을 예측이 가능함을 확인하였다. 따라서 유한요소해석을 통해 휨 실험체의 하중과 변위 관계를 예측하는 것이 가능하다고 할 수 있다.

Fig. 5

Deformation of Bending Experiment

Table 2

Comparison of Experimental Results and Analysis Results

3.1 압축실험체의 거동분석

강관 실험체의 압축강도실험 결과 CLSM채움 강관의 압축강도 실험결과는 Fig. 6과 같이 모든 실험체에서 강관 상부에서 국부좌굴형태의 파괴손상이 발생되었다. 이러한 이유는 강관의 양끝단을 용접하여 원형강판을 덧대었기 때문에 가력지점 근처에서 강관이 좌굴형태로 파괴된 것으로 판단된다. 또한 콘크리트 충전강관의 경우 국부좌굴에 의해 강관의 파괴없이 강관이 항복하여 횡방향 구속력을 상실하며 파괴되었다. 압축강도실험 결과는 Table 3에 정리하였다.

Fig. 6

Destructive Form of Steel Tube Experiment

Table 3

Compression Strength Test Results

3.2 휨실험체의 거동분석

실험한 데이터를 바탕으로 S400, S500, SS400, SS500 실험체의 하중-변위, 하중-변형률로 나누어 실험결과를 정리하였으며, 휨실험체중앙부와 거더길이 1/3지점에 설치한 와이어변위계로부터 측정한 처짐과 UTM으로 부터 얻은 하중을 사용하여 하중-변위 관계를 조사하였다. 강관파일 양끝단을 원형강판으로 용접한 실험체(S400)의 휨강도실험 결과를 Fig. 7과 같이 실험체의 중앙부분에서 44.88 mm의 처짐이 발생하고 가력된 1/3, 2/3 지점에서는 일정 하중이 지나서는 하중이 가해지는 가력부분에서 국부적인 변형을 확인하였다. 또한, 강관 휨 실험체의 거동은 Fig. 8과 같이 강관 지름의 약 9%인 35.49 mm 정도까지 선형거동을 보였으며 하중이 S400 (356.54 kN), S500 (388 kN), SS400 (394.31 kN), SS500 (410.89 kN)에서 실험체가 항복하였으며, S400인 경우를 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 7

Destructive Shape of Steel Tube Bending Experimental Body

Fig. 8

Load-Displacement Relationship of S400 Steel Tube Bending Experimental Body

3.3 강관 휨실험체와 CLSM 채움 강관 휨실험체 비교

CLSM 강관 휨 실험체와 강관 휨 실험체를 비교한 결과는 Table 4에 정리하였다. 실험결과 SS400 휨 실험체는 S400 휨 실험체보다 휨강도가 약 10.59%, 변위는 4.41% 증가하였으며, SS500 휨 실험체는 S500 휨 실험체보다 휨강도가 약 5.88%, 변위는 27.66% 증가하는 것으로 나타났다. 각각의 휨 실험체들은 휨강도의 차이는 8.24% 이내였으나, 동일 관경에서 CLSM채움 강관 파일이 가시설 흙막이 구조물로 사용할 경우 변형이 발생하여도 일정 하중에서 휨 성능이 확보됨을 실험 결과를 통해 확인하였다. Fig. 9에서 보는바와 같이 강관 휨 실험체(S400)의 실험체는 356.54 kN, SS400의 실험체는 394.31 kN에서 압축부의 국부좌굴에 의해 더 이상 하중이 증가하지 않았다. 또한, 강관 휨 실험체(S400)는 강관이 항복한 이후부터 휨 실험체는 하중이 감소함을 확인하였다. 그러나 모래채움 강관 휨 실험체(SS400)에서 변형이 발생하여도 일정하중을 저항하고 있음을 확인하였다.

Table 4

Comparison of Steel Tube Bending Experimental Body and CLSM-Filled Steel Tube Bending Experimental Body

Fig. 9

Comparison of SS400 Bending Experiment and S400 Bending Experiment

3.4 결과 비교

S400, S500, SS400, SS500 휨 실험체는 재료와 단면이 동일한 강성을 가지고 있으며 휨실험을 통해 이를 확인할 수 있었다.

두 개의 대칭인 하중이 작용하는 경우 중앙점의 최대 처짐은 Eq. (1)을 통해 구할 수 있다. CLSM채움 유무에 따른 강관파일 휨 실험체의 처짐과 유한요소해석(FEA)과 이론식을 이용하여 구한 처짐을 정리하여 Table 5에 나타내었다.

Table 5

Experiments, Finite Element Analysis, Theoretical Comparison