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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.19 No.2 pp.84-91
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2015.19.2.084

Optimized Cross-section Suggestion of a New Concept Lining Board through Parametric Study

Chun-Ho Kim1), Seong-Tae Yi2)*, In-Sic Kim3), Tae-Mu Sim4)

• 본 논문에 대한 토의를 2015년 4월 30일까지 학회로 보내주시면 2015년 5월호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Corresponding author : yist@inhatc.ac.kr
October 17, 2014 October 30, 2014 November 10, 2014

Abstract

In this paper, to overcome disadvantages of existing lining boards, the parametric studies to evaluate safety and verify performance of newly suggested lining boards was performed. Since the calculated stresses of steel plates are lower than the allowable stress for considered all analytical variables, end reinforcement locations, and crane rail loads, it can be concluded that the suggested lining board is structurally safe. Where, “3,000×2,000×6t” was select to be optimized cross-section and the reinforcement from the end to 200mm to the internal direction looks like the best case. In addition, the suggested lining board is economical since the steel amount per unit area compared to existing lining board is reduced by 36% and it can apply to the lining structural system of subway and underpass since construction speed is past due to the less installation number of lining boards.


매개변수해석을 통한 신개념 복공판의 최적단면 제안

김 춘호1), 이 성태2)*, 김 인식3), 심 태무4)
1)정회원, 중부대학교 토목공학과 교수
2)정회원, 인하공업전문대학 토목환경과 교수, 교신저자
3)정회원, 중부대학교 토목공학과 박사과정
4)정회원, (주)하이드로 코리아 기술연구소 소장

초록

이 논문에서는 기존 복공판의 단점들을 극복하기 위해 새로이 제안된 신개념 복공판에 대한 안전성 검토와 성능을 검증하기 위한 매개 변수해석을 실시했다. 고려된 모든 해석변수와 단부 보강위치 및 크레인 하중에 대해 계산된 강재의 응력이 허용응력 이내의 값을 보여주 어 모든 경우가 구조적으로 안전한 복공판인 것으로 확인되었다. 구조적 안정성과 경제성을 고려했을 때 최적의 복공판은 판의 크기가 크 고 두께가 얇은 “3,000×2,000×6t”로 결정하였으며 보강은 단부 내측을 보강하는 것이 가장 좋을 것으로 판단되었다. 또한, 기존 복공판 대비 단위면적당 강재량을 36%정도 감소시켜 경제적으로도 우수하며, 복공판 개소가 적어 시공속도가 빠르기 때문에 지하철 및 지하차도 복공구조체에 적용이 가능할 것으로 판단된다.


    1.서 론

    복공판 (lining board)은 주로 가설교량의 바닥판 대용 또 는 지하철, 지하차도, 연약지반, 교량 등을 포함한 토목공사 용 및 다층건물과 같은 건축공사용으로 여러 현장에서 쓰이 고 있다. 이 복공판은 최근 들어 교통량과 대형차량의 혼입 률 증가로 하중을 더 많이 받기 때문에 쉽게 파손될 수 있어 사고가 쉽게 일어날 수도 있기 때문에 보수가 절대 필요한 실정이다. 현재까지 주로 사용되고 있는 복공판은 형강을 용 접으로 접합한 제품으로서 1970년대 서울시의 지하철공사때 부터 사양에 큰 변화없이 40여 년 동안 그대로 사용되어 왔 다 (KHBDC, 2010).

    우리나라에서 사용하고 있는 복공판은 ㄷ형강을 나란히 배열한 상판과 상판의 배면과 측면에 강판을 그리고 상판 아 래로 내부에 횡방향으로 배치된 리브판을 제작하여 시공되 어 왔고, 이와 같은 기존의 복공판에는 복공판의 시공 및 사 용 시 복공판의 유동을 방지하기 위하여 복공판 양끝단부에 측판의 길이방향과 직교하게 “L”자 형태의 앵글이 배면에 설치된다. 한편 이 모든 구성요소들은 용접에 의하여 일체화 되어 있다.

    이와 같은 기존의 복공판은 지하철과 같은 지하시설 공사 시 도로면을 복개하기 위하여 사용되며 공사차량이나 화물 차량 등과 하중의 차량 통행시 반복되는 과하중과 도심지의 혼잡한 도로 상황을 견디지 못하여 피로에 의해 파괴되는 문 제점이 있다. 근래에 들어서는 과하중에 의한 국부적 파손이 증가하고 있고, 다양한 형강을 용접하여 가공하기 때문에 제 작하는 단계에서도 많은 어려움이 있다. 그 동안 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 연구 (Kim and Kim, 2004; Yoon et al., 2012; Kim et al., 2009; Lee and Kim, 2005a,b)가 일 부 수행되어 왔으나 안전성, 사용성, 경제성 등에 대한 고려 가 체계적으로 수행된 경우는 현재까지도 부족한 실정이다.

    이 연구에서 개발될 제품은 소음에 대한 민원과 주행성 개 선 등의 문제가 제거되어야 함은 물론 성능과 안전성에 있어 서도 기존의 제품보다 높은 수준이어야 하므로 기존 복공시 스템과 다른 개념으로 복공시스템을 구성하고 이에 적합한 복공판 구조를 개발하고자 한다. 앞서 언급된 바와 같이 복 공판은 지하차도 및 지하철공사와 같이 도심지 현장에서 기 존 교통량을 유지하면서 연장이 긴 지하구조물을 건설하기 위한 임시구조체로서 많은 강재량이 소요된다.

    따라서 이 논문에서 제안하는 신개념 복공판 (이하 HY-DECK 으로 칭함)은 기존 복공판 구조의 단점들을 극복하기 위하여 복공판 내부구조에 U-모양으로 절곡된 리브철판을 다수 배 치하여 벌집구조 형식으로 고안되었으며 기존 복공판의 지 간장보다 길게 제작될 수 있다. 또한, 복공판의 크기가 증가 함에 따라 주형, 기둥 등의 가설재에서 강재량을 줄일 수 있 어 경제적인 가설구조물 시공이 가능할 것으로 판단된다.

    2.신개념 복공판

    2.1신개념 복공판의 일반적인 특징

    기존 가설구조물의 구성도는 Fig. 1과 같고 여기서는 ㄷ형 복공판의 규격 (1,990×750×200mm)에 맞게 주형보를 Fig. 2 와 같이 간격 2.0m로 배치하고 중간말뚝은 4.0m간격으로 배 치한다. 또한, 주형과 주형 사이는 주형의 전도와 좌굴방지 의 목적으로 많은 수의 브레이싱 부재가 부착되며 복공판은 주형보 상부플랜지 위에 단순 지지형태로 설치된다.

    신개념 복공가설구조물 (Fig. 3)에 있어서 주형보와 복공 판에 발생하는 응력에 여유가 있어 Fig. 4와 같이 복공판의 길이와 주형보의 간격을 3.0m로 넓힐 수 있다면 연장이 긴 지하구조물의 건설을 위한 복공가설구조물의 공사비는 획기 적으로 절감될 수 있다.

    Fig. 5와 같이 복공판의 너비를 키우고 지지형태를 주형보 와 가로보가 동시에 지지하는 형태 (4면 지지)로 변경하고, 복공판이 주형보 위로 노출되지 않도록 복공면이 주형보 상 부플랜지와 일치된다면 하천에 가설되는 가교의 형고가 낮 아져 통수단면 확보에 유리할 뿐 아니라 중차량 통과 시 기 존 복공판의 들뜸, 전도 및 유실로 인하여 발생하던 사고를 대폭 감소시킬 수 있다.

    상기 시장에서 요구하는 사항에 부합하며 신개념 복공구 조에 적합한 신개념 복공판의 구성조건은 다음과 같다.

    1. 복공면의 용접이 되도록 노출되지 않게 하여 복공판의 국부파손을 줄여야 한다.

    2. 국부파손이 발생하더라도 복공판 전체가 파괴로 진행 되지 않게 하기 위하여 원활한 하중분배를 유도할 수 있는 구조로 구성되어야 한다.

    3. 넓은 복개면적과 4면지지 및 이격방지 구조로 전도 및 유실이 없어야 한다.

    4. 강성이 우수하면서도 강재량이 적어 경제성을 확보해 야 한다.

    5. 간단한 구조형식으로 유지보수가 용이해야 한다.

    2.2신개념 복공판의 제안

    이상 위에 열거한 신개념 복공구조에 적합한 구성조건을 감안하여 Fig. 6, 7과 같은 신개념 복공판을 고안하였고, 그 특징은 Table 1 및 다음과 같다.

    1. 3,000×2,000mm의 제원으로 복공면적이 약 6m2로 넓 어 복공판의 들뜸현상을 방지하였다.

    2. 주형 상부에서 하향으로 200mm 낮게 연결된 가로보 (H-형강)가 복공판 단부를 지지하고 주형 상부에 복공 판이 다시 지지되는 4면 지지구조로 복공판의 소음, 이 탈 및 전도를 방지하였다.

    3. 강상판 교량의 바닥판과 유사한 형식으로 U-모양으로 절곡된 리브철판을 다수 배치하여 복공판 내부구조를 벌집구조로 형성함으로서 우수한 강성을 확보하였다.

    4. 가로보에 지지되어 응력집중이 예상되는 부위 즉 복공 판 단부와 복공판 중앙부에 격막 (diaphragm)과 하부 보강판을 설치하여 국부변형을 방지하고 원활한 하중 분배를 유도하였다.

    5. 기존 복공판 대비 단위면적당 강재량을 36%정도 감소 시켰다.

    6. 복공판 개소가 적어 시공속도가 빠르기 때문에 지하철 및 지하차도인 복공구조물에 적용성이 크다.

    이러한 신개념 복공판과 기존 복공판의 특징을 비교하면 Table 2와 같은데, 이 표로부터 신개념 복공판의 공사비도 13.6%정도 절감됨을 알 수 있다.

    3.구조해석

    3.1최적단면 선정을 위한 구조해석

    3.1.1해석모델

    본 해석은 유한요소해석을 통해 신개념 복공판의 최적단 면을 도출하기 위한 목적으로 수행되었다. 해석시, 신개념 복공판은 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS의 8절점을 갖는 C3D8R 요소를 이용하여 모델링하였다 (Fig. 8).

    경계조건은 Fig. 9와 같이 주형과 복공판의 접촉면과 가로 보와 복공판의 접촉면에서 x, y, z 방향으로의 이동을 제어 할 수 있도록 힌지로 하였으며 하중은 중앙부에 DB-24 하중 의 윤하중 분포폭으로 재하하였다.

    3.1.2재료특성

    해석에 사용된 재료로 가격과 경제성을 고려하여 SS400의 강판 재를 사용하고 물성치로는 강재의 탄성계수 (E)는 200,000MPa, 강재의 프아송비 (ρ)는 0.3을 사용하였다.

    3.1.3하중조건

    일반적으로 복공판에 작용하는 하중은 활하중 (차량하중) 과 자중이며 대부분을 활하중이 지배한다. 차량하중은 차륜 의 접지면적 (200×500mm)을 계산하고 이 접지면에 차량하 중을 적용하였다. 또한 가설교량과 같이 복공판 위에서 인양 작업이 필요한 경우에 대비하여 150ton 크레인의 무한궤도 용 접지면적을 계산하고 크레인의 이동과 작업을 고려하여 크레인 하중을 재하하였다. 최적단면을 선정하기 위한 구조 해석에는 단면 자중의 영향은 미미하므로 자중은 고려치 않 았다.

    3.2신개념 복공판의 구조해석에 사용된 변수

    신개념 복공판의 최적단면을 선정하기 위하여 Table 3과 같이 복공판 크기에서 길이는 2m로 통일하고 폭을 2.5m, 3m로 변화시켰으며 두께는 6mm, 8mm 및 12mm로 각각 변 화시켜 매개변수해석을 수행하였다. 또한 단부 보강위치를 보강하지 않은 경우, 내측과 외측을 보강한 경우에 따른 영 향을 추가로 검토하였다. 그리고 150ton의 크레인 하중에 대 해서도 안전성 검토를 수행하였다.

    3.3신개념 복공판의 구조해석 결과

    3.3.1복공판의 최적단면 선정

    신개념 복공판의 최적단면을 선정하기 위해 복공판의 크 기를 변화시켜 가며 차륜하중에 대한 구조해석을 실시한 결 과의 일부는 Fig. 10~Fig. 13과 같고 이들 결과들을 정리하 여 Table 4에 나타내었다.

    Table 4의 해석결과로부터 고려된 모든 경우에 대하여 응 력이 SS400강재의 허용응력 140MPa 이내이므로 모든 경우 에 구조적으로 안전한 것으로 판단되었다. 단, Fig. 10~Fig. 11

    13의 응력분포도로부터 복부판의 양지점부에서 응력이 집중 되는 현상이 발생되었으므로 이에 대한 보강대책을 강구해 야 할 것으로 판단된다. 또한, 구조적 안정성과 경제성을 고 려했을 때 최적의 복공판은 판의 폭이 넓고 두께가 얇은 “3,000×2,000×6t”로 결정하였고 단부 보강위치의 영향은 이 복공판에 대하여 3.3.2절에서 검토하고자 한다. 이 크기의 신 개념 복공판에 대한 실험 및 구조해석적 검증은 Kim et al. (2014)에 의해 수행되었다.Fig .12-13-14-15-16

    3.3.2단부 보강위치에 대한 검토

    단부 보강위치에 대한 검토는 3.3.1절에서 최적단면으로 선정된 복공판 (3,000×2,000×6t)에 대하여 수행했으며, 무보 강일 경우, 단부 내측부 보강과 단부 외측부 보강 경우로 나 누어 검토하였다. 이때 하중은 중앙부에 1축으로 재하하였다.

    해석결과를 Fig. 14~Fig. 17에 그리고 결과정리를 Table 5 에 나타냈으며, Table 5에서 부재에 발생되는 최대응력은 단 부 내측부 (단부 리브의 내측부 양 끝단 및 중앙부)를 보강 한 경우가 가장 작으며 처짐도 가장 적게 발생되었다. 여기 서 단부 외측부는 단부 리브의 외측부 양 끝단과 중앙부를 나타낸다.

    무보강, 단부 내측보강 및 단부 외측보강의 경우에 부재에 발생되는 응력을 그래프로 나타낸 결과 (Fig. 18)로부터 상 판과 복부에 발생되는 응력은 단부내측을 보강한 경우에 가 장 작음을 알 수 있었다.

    해석결과, 단부 내측부를 보강한 경우가 무보강한 경우보 다 약 11%정도 응력이 감소하였고, 처짐은 51%정도 감소하 는 경향을 보였다. 단부 외측부를 보강한 경우는 무보강한 경우보다 약 71%정도 응력이 증가하였으나, 처짐은 44%정 도 감소하였다. 이때, 응력의 증가는 리브 부재가 아닌 보강 판 끝단에서 발생하였으나, 다른 위치에서의 응력과 처짐감 소 등을 고려하였을 때 보강효과가 상당히 있는 것으로 나타 났다.

    따라서, 복공판 보강 시 보강위치는 리브 내측을 보강하는 것이 가장 좋은 보강효과를 보였으나, 시공성 등을 고려할 때 리브 외측을 보강하여도 큰 무리는 없을 것으로 판단된다.

    3.3.3크레인 하중 (150ton)에 대한 검토

    크레인의 무한궤도를 고려하여 크레인의 궤도폭 (1.07m) 과 복공판 길이 (2.0m)를 접지면적으로 하여 접지압을 재하 하였다.

    해석결과, 상판의 응력분포는 Fig. 19와 같고 최대 24.93MPa, 최소 0.04754MPa였다. 복부의 응력분포는 Fig. 20과 같으 며, 최대 74.69MPa, 최소 0.04754MPa였다. 이들을 DB-24, 총중량 432kN인 표준트럭의 하중재하 시와 비교했을 때 약 70% 이내의 응력분포를 보여주었다. 이는 SS400의 허용응 력인 140MPa 보다 적으므로 안전성을 확보하고 있다고 판 단되었다. 따라서 크레인의 하중 (150ton)에 대해서도 이 논 문에서 제시하는 신개념 복공판이 충분한 안정성을 유지하 고 있는 것으로 판단된다.

    4.결 과

    기존 복공판의 단점들을 극복하기 위하여 박스 형태로 고 안된 신개념 복공판의 안전성 검토와 성능을 검증하고자 매 개변수해석을 실시했으며 다음과 같은 결론을 도출하였다. 또한, 기존 복공판 대비 단위면적당 강재량을 36%정도 감소 시켜 경제적으로도 우수하며, 복공판 개소가 적어 시공속도 가 빠르기 때문에 지하철 및 지하차도용 복공구조체에 적용 이 가능할 것으로 판단되었다.

    1. 신개념 복공판에 대한 구조적 안전성을 검토한 결과, 고 려된 해석변수들에 대해 SS400 강재의 허용응력 이내의 응력들을 보여주어 모든 경우에 구조적으로 안전한 복 공판인 것으로 판단된다. 따라서 이들 중, 최적의 복공 판은 판의 크기가 크고 두께가 얇은 “3,000×2,000×6t” 인 것으로 결정하였다.

    2. 단부 보강위치 및 크레인의 하중에 따른 구조적 안전 성에 대한 검토를 실시한 결과, 계산된 응력들이 허용 응력 이내의 값을 보여 주었으며 이들 중 단부 내측을 보강하는 것이 가장 좋을 것으로 판단된다.

    3. 신개념 복공판은 기존의 복공판의 단점인 들뜸현상과 소음, 이탈 및 전도를 방지하고, 강상판 교량의 바닥판 과 유사한 형식인 복공판 내부구조에 U 모양으로 절 곡된 리브철판을 다수 배치하여 벌집구조를 형성함으 로써 우수한 강성을 확보하였다. 또한 가로보에 지지 되어 응력집중이 예상되는 부위 즉 복공판의 단부와 중앙부에 격막과 하부 보강판을 설치하여 국부변형을 방지하고 원활한 하중분배를 유도할 수 있다.

    Figure

    JKSMI-19-84_F1.gif

    Configuration DWG of existing lining systems

    JKSMI-19-84_F2.gif

    Exploded view of middle piles for existing lining systems

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    Configuration DWG of HY-DECK

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    Exploded view of middle pile for HY-DECK

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    System type of HY-DECK

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    Obique view of HY-DECK (upper surface)

    JKSMI-19-84_F7.gif

    Obique view of HY-DECK (lower surface)

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    Modelling to optimize HY-DECK

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    Boundary conditions of analysis model (HY-DECK)

    JKSMI-19-84_F10.gif

    Stress distribution of upper plate (HY-DECK, 2,500×2,000×6t)

    JKSMI-19-84_F11.gif

    Stress distribution of web (HY-DECK, 2,500×2,000×6t)

    JKSMI-19-84_F12.gif

    Stress distribution of upper plate (HY-DECK, 3,000×2,000×6t)

    JKSMI-19-84_F13.gif

    Stress distribution of web (HY-DECK, 3,000×2,000×6t)

    JKSMI-19-84_F14.gif

    Stress distribution of upper plate (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, internal reinforcement)

    JKSMI-19-84_F15.gif

    Stress distribution of web (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, internal reinforcement)

    JKSMI-19-84_F16.gif

    Stress distribution of upper plate (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, external reinforcement)

    JKSMI-19-84_F17.gif

    Stress distribution of web (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, external reinforcement)

    JKSMI-19-84_F18.gif

    Stresses with reinforcement location of ends

    JKSMI-19-84_F19.gif

    Stress distribution of upper plate (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, crane rail load)

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    Stress distribution of web (HY-DECK, 3,000x2,000x6t, crane rail load)

    Table

    Characteristics of HY-DECK

    Comparison of characteristics between HY-DECK and existing lining board

    Analysis parameter for determination of optimized cross-section and stability evaluation (unit: mm)

    Stresses of lining boards under wheel load (unit: MPa)

    Stresses with reinforcement location of ends (unit : MPa)

    Reference

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