PS-Ⅱ 흙막이 공법

흙막이 공사에 통상 사용되는 버팀보 지지방식은 버팀보를 일정한 간격으로 배치하여 굴착면으로부터 토압을 지탱하는 원리로서 굴착작업이 진행됨에 따라 많은 강재가 사용되며, 중앙 Pile의 간섭으로 굴착장비의 움직임에 많은 제약을 받게되어 공기 및 경제적 손실을 초래하였다. 본공법 (PS-Ⅱ)은 이러한 문제점을 해결하고자 기존의 등단면 띠장재 대신에 이등 단면 띠장재에 Cable (또는강봉)을 장착하여 양단부에 소정의 Prestress를 줌으로써 이때 발생되는 Prestress에 의한 휨모멘트를 이용하여 토압에 저항하도록 하는 원리를 활용한 공법으로 버팀보를 많이 절감할수 있는 큰 장점이 있다.

PS-Ⅱ흙막이 공법의 특징은 PS 흙막이공법(기존)에 사용되는 띠장재가 겹띠장의 구조형태로서 수십개의 볼트에 의한 접합구조이므로 이때 볼트구멍에 의해 생기는 단면결손과 볼트접합 상태를 확인하는 작업등 유지관리가 어려운 실정이었다. 따라서 PS-Ⅱ 공법에서는 이러한 문제점을 보완하여 단일부재를 사용함으로서 제작이 용이하며, 유지관리 및 구조적 결함을 한층 보완 하였다.

PS-Ⅱ흙막이 공법의 구조적 원리는 토압에의해 유발된 띠장중앙부와 단부의 토압에 대한 휨모멘트가 중앙부에 크게 작용하도록 하는 휨모멘트 재분배 효과를 이용한 공법이다. 버팀보지지 방식에 있어서 띠장재의 응력을 검토할 경우 작용하는 토압 휨모멘트는 1/10wℓ² 으로 하고, 지점의 부 모멘트에 의해 결정된다. 이것은 띠장재를 등단면의 3경간 연속보로 한 경우 아래 그림 1과 같이 단부지점의 부 모멘트가 중앙부 의 정 모멘트보다 크게된다. 따라서 중앙부의 단면 이차 휨모멘트를 증대하면 그림2와 같이 휨모멘트의 재분배가 일어나서 중앙부의 정 모멘트가 증가하고 중간지점의 부 모멘트가 감소한다. 이때 중앙부에 프리스트레스를 도입하면 그림3과 같이 중앙부재의 휨모멘트가 크게 줄게되어 상당히 합리적인 구조를 이루게 된다.

그림1 기존공법의 경우 띠장재에 발생하는 휨모멘트도 그림2 PS-Ⅱ공법의 띠장재에 발생하는 휨모멘트도 (프리스트레스를 가하지 않은 경우) 그림3 PS-Ⅱ공법의 띠장재에 발생하는 휨모멘트도 (프리스트레스를 가한 경우)

본공법의 기본구조는 다음 그림과 같이 단면 2차 휨모멘트가 다른 좌우대칭 3경간 연속보에 등분포 하중이 작용할 경우 지점반력 및 휨모멘트를 산출한다. 응력검토 전단응력검토 σG = (P/A1) + (Mmax/Z1) σC~E=(P/A2) + (Mmax/Z2) σA~C=(Mmin/Z2) 여기서 P : Prestress량 (kgf) A1 : PS 띠장중앙부의 단면적(㎠) Z1 : PS 띠장중앙부의 단면계수(㎤) A2 : PS 띠장단부의 단면적(㎠) Z2 : PS 띠장단부의 단면계수(㎤) Z=(Smax/A) 여기서 Smax : 최대 전단력 (kgf) A : 띠장 WEB의 단면적(㎠)

토압 및 띠장재 SPAN과 PS-Ⅱ띠장재의 내력과의 관계는 도표에 제시하고 있다. 이 도표를 참고로 하여 설계에 해당하는 단면을 결정하면 편리하다.

PS-II 600 PS-II 700 PS-II 800 규격 300x300 x40x20 588x300 x12x20 300x300 x41x24 700x300 x13x24 400x300 x42x26 800x300 x14x26 단면적(㎠) 224.00 185.76 247.32 228.76 302.16 260.72 단면계수(㎤) 1961.2 3853.2 2197.3 5560.2 3469.5 7063.8 단면2차moment(㎠) 29418 113283 32960 194606 69389 282553 prestress량(ton) 80 80 80 prestress 편심량(㎝) 42.5 47.5 52.5 prestress moment(t.m) 34 38 42

F100 F130 f170 F200 F230 F270 F310 구성 7xφ11.1 7xφ12.7 7xφ15.2 19xφ9.5 19xφ10.8 19xφ11.1 19xφ12.4 공칭경(㎜) 33.3 38.1 45.6 47.5 54.0 55.5 62.0 단면적(㎟) 519.3 691.0 970.9 1042.0 1323.9 1409.6 1765.1 단위중량(㎏/m) 4.09 5.45 7.75 8.77 11.10 11.78 14.80 게이블중량(㎏/m) 4.92 6.54 9.30 9.94 12.46 13.06 16.42 인장하중Pus(tf) 95.0 126.0 165.1 190.5 222.3 258.5 296.4 항복점하중Pys(tf) 83.3 110.4 144.4 166.9 196.0 226.2 262.0 허용 하중(pas) tf 토질공학회 평상시 0.6 PUS 57.00 75.60 99.06 114.30 133.38 155.10 177.84 지진시 0.75PUS 71.25 94.50 123.82 142.87 166.72 193.87 222.30 항만 평상시 1/3.8PUS 25.00 33.15 43.44 50.13 58.50 68.02 78.00 지진시 1/2.5PUS 38.00 50.40 66.04 76.20 88.92 103.40 118.56

반력은 각 파일의 휨방향 저항력으로 지지한다. 반력은 경사버팀으로 지지한다. 반력은 Earth Anchor로 지지한다. 원형 Shaft 굴착시 이용한다. 반력은 Strut 또는 Earth Anchor로 지지한다. 대규모 굴착시 PS-II부재와 Strut를 조합하여 작업공간을 확보한다.

일반 흙막이 공사에 주로 이용되는 Strut 지지공법과 신공법인 PS-Ⅱ흙막이 공법의 시공성, 안정성, 경제성 등을 간략히 비교하면 다음과 같다. 주사용자재 일반 Strut 공법 PS-II 공법 시공성 ·시공실적이 많다 ·숙련도가 높다 ·강재사용이 많아 작업능률이 저하된다 ·Strut, Post pile의 간격이 좁아 토공작업시 능률이 떨어진다. ·본구조물 시공시 작업공간 협소로 인하여 품질이 저하된다. ·굴착모양에 따라서 많은 제한을 받는다. ·PS 띠장 설치시 정밀시공을 요한다. ·강재 사용이 줄게 되어 작업능률이 좋다. ·Strut, Post pile의 간격이 훨씬 늘어나서 작업공간 확보가 용이하다. ·본구조물 시공시 작업공간 확보로 인하여 품질을 높일 수 있다. ·굴착모양에 따라서 제한을 받지 않는다. 안정성 ·현장 시공시 주변지반의 변위가 많이 발생한다. · Cable을 이용하여 Prestress를 가하기 때문에 주변지반의 변위량을 최소화 시킬수 있다. 경제성 ·강재 사용량이 많아 비경제적이다. ·Strut 설치간격이 좁고 작업공간이 협소하여 굴착작업시 공기가 증가된다. ·사용강재가 줄게되어 경제적이다. ·Strut 및 Post pile,Wale이 줄어들어 시공속도가 빠르다. ·작업공간이 확보가 용이하여 굴착작업 시간을 줄일수 있다.