조립식 트러스 버팀보의 구조거동에 관한 연구

Abstract

현재 트러스 구조의 좌굴에 대한 기본적인 이론은 Timoshenko, Gere, Euler, Johnson 등에 의해 정립되어 있으나, 흙막이 가시설 분야에서 버팀 구조물로 실용화할 수 있는 조립식 트러스 버팀보 구조형식 개발 및 이에 대한 연구가 요구되었다. 이에 따라 지하 터파기 공사에 설치되는 가시설용 버팀보를 조립식 트러스 시스템으로 구성하여 토압에 의한 압축력에 대해 안정성을 확보할 수 있는 버팀보 구조의 좌굴거동과 해석에 관한 연구가 필요하였다. 이 논문에서는 국내외 설계기준과 Timoshenko, Gere 등의 트러스 좌굴이론 등 관련 연구문헌을 조사분석하였다. 이에 따라 다섯 가지 형태의 기본적인 트러스 모델의 접합부의 연결방법, 중심축하중과 편심하중 등 하중재하 형태, 고강도 강관과 PHC파일로 구성된 버팀보에 대하여 축력, 응력, 변위, 좌굴하중 등 구조해석을 통해 규명하고, 조립식 버팀보의 최적구조와 좌굴거동을 연구하였다. 버팀보의 주부재와 연결되는 부재의 결합부는 여러 개의 볼트로 체결되어 서로 고정된 결합이 될 것으로 기대되지만, 용접으로 결합된 영구 구조물과는 다르게 축방향 하중에 대하여 서로 다른 거동이 예상되어 연결방법에 따라 고정연결, 힌지연결, 슬라이딩연결조건으로 구분하여 가정하였다. 이러한 결합조건들을 해석한 결과, 연결되는 부재의 축력분담은 고정연결과 힌지연결에서 슬라이딩연결보다 크게 발생하는 것으로 나타났다. 횡방향 변위는 고정연결보다 슬라이딩연결이 더 크게 발생하여 슬라이딩이 발생하지 않도록 부재를 접합하는 것이 조립식 트러스 버팀보의 역학적 거동에 커다란 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 형태별 트러스 버팀보는 사재와 연결보 등 부부재의 유무와 연결 형태에 따라 구조적 좌굴특성이 달라지는 것으로 나타났다. 사재의 하중분담율이 증가하는 경우 주부재의 축력이 감소하여 궁극적으로 좌굴능력을 증대시키고 변위를 제어하는 효과가 큰 것으로 나타났다. 그리고 주부재의 강성이 지나치게 크면 트러스 구조의 하중분담 효과가 작아지는 것으로 나타났다. 결과적으로 조립식 트러스 버팀보 구조형식에서 좌굴거동에 가장 유리한 구조형식은 사재와 연결보가 일정하게 배치된 완전 트러스 구조형태로 확인되었고, 부재의 결합형태가 단순화될수록 좌굴하중이 감소하고, 횡변위가 증가하였다. 또한, 사재와 연결보는 주부재의 하중을 분담하는 효과가 있는 것으로 나타났으므로 트러스 구조형식에서 사재와 연결보의 역할이 매우 중요한 것을 알 수 있었다. 따라서 조립식 트러스 버팀보 설계 시 사재와 연결보의 거동이 가시설 구조물의 안전성에 크게 영향을 미치는 것으로 나타났다.