ROCK NAILING을 이용한 높은 옹벽 설계
김 성 수 소장
(주)성진구조안전기술단
배면이 연암인 높은 옹벽 설계
요즈음 아파트들은 대부분 경사지인 산자락에 건설되는 사례가 많다.
평지에는 이미 많은 건축물들이 빈틈없이 들어차 있어서 빈 공간이라고는 산동네의 노후주택들을 재개발하여 부지를 조성하고 그 위에 아파트 단지를 만드는 것이다. 이러다 보니 한쪽은 성토를 하고 한쪽은 깍아 내어 절토를 하여서 단지를 만드는 것이 필수적이다. 특히 강북의 뉴타운 지역은 지반의 경사도가 매우 급격한 지역이어서 대지 경계부분에서는 높은 옹벽이 배치되고 단지를 거의 차지하고 있는 지하주차장은 자연히 옹벽과 인접하면서 슬며시 토목옹벽은 자립할 공간을 잃어버리고 지하 주차장에 붙어버리게 되는 일이 빈번하다. 이쯤 되면 옹벽의 구조적 해결이 그리 만만한게 아니어서 단지 토목팀에서 처리하는 한계를 벗어나고 [단지토목]과 [건축구조]사이를 돌고 돌다가 결국은 건축구조에 SOS를 청하게 되는 수순을 밟게 된다.
단지의 경계는 대부분 10m 이상의 옹벽이 들어서게 된다. 옹벽의 배면은 절리나 강도, 균열의 폭등을 기준하면 보통암 이상의 암질로 분류된다고 할수 있다. 이렇게 토압의 주체인 배면토가 암석인 경우 일반적인 설계법으로는 과대한 토압이 산출되고 실제 작용하는 토압과는 상당한 차이가 나고 있다. 이때 암질의 물성치와 구조물의 합성거동을 동시에 고려하면 보다 합리적인 토압에 의한 높은 옹벽의 설계가 가능하므로 이를 소개하고자 한다.
토압의 설정
배면이 토사라면 흔히 주동토압계수의 적용이 정당화될 수 있다. 토압은 횡변위의 크기와 역비례 한다. 횡변위가 크면 토압은 적어져서 주동토압에 까지 감소한다. 횡변위가 없으면-지하외벽같이-토압은 정지토압으로 작용한다. 캔티 옹벽에서는 대부분 주동 토압계수를 적용할 수 있을 정도의 횡변위가 발생 된다. 이때 Rankine이 제안한 주동토압계수는 다음과 같이 표현된다.
주동토압계수 : Ka = (1-sin p)/(1+sin p)
그러나 배면이 연암인 경우의 토압은 어떤가? 위의 식에서 보듯이 토압의 크기는 오로지 내부마찰각과 반비례한다. 암석이 갖는 높은 물성치를 반영할수 없다.
구조를 처음 시작할 무렵 이런 의문을 갖은 적이 있다. 인수봉의 한 귀퉁이를 절취해서 창고를 만들고자 한다. 이때의 외벽설계는 어떻게 하고 토압계수는 어떻게 되나? 지하 외벽의 높이가 10m 쯤 되어서 NAIL을 설치하면 그때의 토압에는 어떤 변화가 생기나??
배면이 암석인 경우에도 마찬가지로 횡토압은 이를 지지하는 토류벽체의 횡변위의 량과 관계가 있다. 횡변위량이 크면 토압은 감소한다. 배면의 암석과 옹벽 구조물이 연동하여 작용하므로 토체와 구조체의 강성을 동시에 고려하여 해석이 되어야 할 사항이다. 연암의 내부마찰각은 각 건별로 차이가 있지만 별로 높은 편이 아니다.
이와 같이 배면이 연암인 경우 구조체 연동 해석 S/W의 사용하면 합리적인 횡적 거동예측과 해석이 가능하다.
사례 연구
본 설계 해석은 유한 차분해석 S/W인 FLAC을 사용하였다.
Alt-1 : 구조물-뒤채움재 동시 해석 방식에 의한 설계방식
토압은 변위에 반비례하므로 상호작용으로 인한 토압은 옹벽의 강성과 밀접 한 관계가 있다. 이를 정확히 모사하기 위하여 유한 차분 S/W 인 Flac를 사용하였다. 보강토 옹벽 구간은 상재하중으로
고려하였다.
Alt-2 : [Alt-1] + Tie back anchor(D29mm ROD)를 사용한 방식
<그림 1> 대상 구조물 현황도
<그림 2> ALT1 구조물 전단력도
<그림 3> ALT1 구조물 모멘트도
<그림 4> ALT1 불균형 히스토리
<그림 5> ALT1 변위도
<그림 6> ALT2 구조물의 토체 변위도
<그림 7> ALT2 ROCK NAIL 축력
<그림 8> ALT2 구조물 전단력도
<그림 9> ALT2 구조물 모멘트도
검토 소견
1. MOMENT 의 크기 및 SHEAR FORCE 의 크기는 상호 큰 차이가 없다.
2. 토압의 크기는 캔티 옹벽하부에 작용하는 전단력과 NAIL에 작용하는 인장력으로 비교분석하였다. 이때 캔티옹벽 하부에서 계산된 토압의 총량은 ALT1 이 60.5ton, ALT2 가 84 ton 으로서 ALT 1의 토압이 ALT2 에 비하여 72 % 인 것으로 나타났다.
3. 횡변위는 ALT1이 15mm 이고 ALT2가 7mm 로서 ALT2가 ALT1의 47% 로 계산되었다. TIE BACK를 설치하면서 횡변위는 감소하였으나 토압은 증가한 것이다. 횡변위가 감소하면 토압은 증가한다는 사실을 보여 주고 있다.
4. 최종 설계에서는 상부의 용도와 중요성을 감안하여 횡변위가 적은 ALT2로 선택하였다.
5. 실제 현장 시공을 고려하면 굴착시 가시설등의 과정을 거치면서 옹벽 시공전 이미 많은 횡변위가 발생되어 배면이 교란되므로 작용토압은 이보다 적을 것으로 판단된다.
6. 건축 구조에서는 Rock Nail을 건축 구조물에 연관하여 설계하는 것이 다소 낯설지만 구조성능면에서 보면 확실한 안전성과 경제성을 제고하는 공법이다. 특히 캔티옹벽 상부의 횡변위를 감소하는데 절대적인 효과를 발휘하는 것으로 나타났다. 단 이공법은 대지경계를 감안하여 설계가 진 행되어야 한다.
6. 현장굴착시 필연적으로 가시설용 GROUND ANCHOR 또는 ROCK BOLT를 시공한다. 외벽 설계시 건축구조에서는 이를 무시하고 설계하는 사례가 많다. 기 시공된 가설 TIE BACK ANCHOR를 그냥 버리지 말고 적극적으로 설계에 도입하면 상당한 경제적 설계가 가능하다.
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