RC, SFRC 및 하이브리드 분절 라이닝 설계에 대한 수치적 조사
터널 규모에서 콘크리트 라이닝 구조물의 성능을 연구하고 기존의 철근 콘크리트 라이닝 설계와 비교하기 위해 그라우트 층과 개별 터널 라이닝 세그먼트를 포함한 상세한 2D 모델을 사용하여 다양한 철근 터널 라이닝의 구조를 별도로 분석했습니다. 응답. 이를 위해 기준 터널 프로젝트(토피 깊이 20m, 모래 기초, 측면 토압 계수 0.5)를 정의했으며, 라이닝에 대한 하중은 다음 프로세스에 의해 결정되었습니다. 방향성 터널 시뮬레이션(섹션 6.4.1의 세부 사항 참조)(정상 상태에서). 분석은 내구성에 중점을 두었으며, 허용 폭인 0.2mm를 초과하는 최대 균열 개방으로 정량화되었습니다. 최소한의 보강이 포함된 철근 콘크리트 라이닝 세그먼트(고응력 영역에 추가 10-10C의 강철 막대), 60kg/m3 60mm의 기존 강도 후크 엔드 섬유가 포함된 강철 섬유 강화 콘크리트 라이닝 세그먼트, 및 하이브리드 보강재를 라이닝 세그먼트(125mm 강철 섬유 콘크리트 스트립 및 200mm 길이 강철 섬유 콘크리트 상단 캡)로 분석했습니다. SFRC 및 RC 라이닝 세그먼트의 총 강철 질량은 비슷하지만(약 260kg/세그먼트), 하이브리드 라이닝 세그먼트는 65% 더 적은 강철(92kg/세그먼트)을 사용합니다. 시뮬레이션은 설계 인장 강도가 2.5 N/mm2인 C40/{21}}등급 콘크리트를 사용하여 수행되었습니다. SFRC를 포함하는 설계의 경우 섬유가 등방성 방향성을 갖는다고 가정합니다. 섬유 및 기존 보강 세그먼트의 다양한 안전 개념 비교와 비선형 유한 요소 분석은 문헌에서 찾을 수 있습니다.
일반적인 하중 하에서 일반 콘크리트 분할 라이닝에는 큰 균열이 발생하지 않습니다. 그러나 두 가지 잠재적인 파손 모드가 있습니다. 볼트 섹션에서는 최소 수직력(1375kN/m)과 최대 굽힘 모멘트(329kNm/m)가 관찰되어 굽힘 균열이 발생할 수 있습니다. 최대 인장 응력은 1943kN/m의 수직력과 217kNm/m의 굽힘 모멘트로 인해 종방향 조인트에서 78도 부근에서 발생합니다. 이로 인해 분할된 모서리가 파손될 수 있습니다. 이러한 관찰 결과를 바탕으로 설계 목적으로 두 가지 로드 케이스가 생성되었습니다. 굽힘을 받는 볼트 단면 설계의 경우 굽힘 모멘트가 1.5배 증가하고 수직항력이 0.5배 감소하도록 하중을 수정합니다. 파쇄가 발생할 가능성이 있는 종방향 접합 주변 설계의 경우 응력 전달을 증가시키고 접합 회전을 유지하기 위해 수직력과 굽힘 모멘트를 1.5배 증가시킵니다.
로드 케이스: 굽힘
굽힘 하중 조건에 대한 모든 라이닝 설계 또는 보강 계획의 반응. 가장 큰 균열이 관찰되는 영역인 볼트 세그먼트의 굴곡 응답만 표시됩니다. 또한 균열 폭만 표시됩니다. 라이닝 시스템은 손상되지 않았으며 계속해서 하중 지지 구조로 기능했습니다. 따라서 이러한 경우의 선택을 제한하는 유일한 요소는 내구성 한계 상태(약 0.2mm)에 대한 특정 프로젝트 요구 사항을 초과할 수 없는 예측 균열 폭입니다.
예상대로 일반콘크리트 라이닝 링(PC)에서 가장 큰 휨균열이 나타났으며, 최대 휨모멘트가 예상되는 터널 라이닝 상부 내측 가장자리에서 주균열이 발생하였다. PC 방식은 세그먼트 실패로 이어지는 단일 글로벌 균열보다는 다중 균열 동작(압축 수직력으로 인해)을 나타낸다는 점은 주목할 가치가 있습니다. 철근 콘크리트 세그먼트는 철근 콘크리트 세그먼트와 유사한 반응을 보였으며, 주요 차이점은 균열 패턴이 더 규칙적이라는 것입니다. PC 세그먼트에서와 같이 특정 지점에 가해지는 굽힘 모멘트와 어느 정도 일치하는 균열 크기를 예측하는 대신 R 세그먼트에서 관찰되는 균열 크기가 다소 유사하여 철근이 균열 반응을 따라 효과적으로 이동할 것임을 나타냅니다. 막대 길이에 대한 제약. 철근콘크리트 단면의 예상 최대균열폭은 0.158mm로 사용가능한도에서 규정한 0.2mm 미만의 허용범위 내에 있다. 다행스럽게도 SFRC 세그먼트는 균열 폭을 줄이는 데 가장 효과적이었습니다. 두 가지 보강 옵션 모두 사용 한계보다 훨씬 낮은 균열이 발생하므로 효과적인 보강 설계입니다. 하이브리드 강화 방식에서는 SFRC의 전체 단면 굽힘 성능이 약간 더 좋습니다(0.112mm 대 0.142mm). 이는 균열 폭이 약 25% 증가한 반면 SFRC의 총 감소는 75%에 해당합니다.
로드 케이스: 종방향 조인트의 파손
박리 하중 하에서 모든 라이닝 설계 또는 보강 계획의 반응이 그림 5.28에 나와 있습니다. 가장 큰 치핑 균열은 링 상단에서 시계 방향으로 측정한 터널 상단에서 78도 길이 방향 조인트에서 발생했습니다. 전반적으로 최대 균열 폭의 예측 경향은 굽힘 변형의 경향과 유사합니다. 그러나 스폴링의 경우 SFRC가 균열 폭을 줄이는 데 더 효과적인 것으로 나타났습니다.
철근 콘크리트 설계에서 제공되는 최소 강철 균열 저항은 허용 오차를 초과하는 균열 형성을 억제하기에 충분하지 않다는 점에 유의하는 것이 중요합니다. 이는 박리 균열 저항에 SFRC가 RC보다 더 적합하다는 것을 나타냅니다. 하이브리드 보강 계획의 효율성은 기존 철근 콘크리트 설계보다 더 나은 성능을 발휘하고 정상 사용 한계보다 낮은 더 높은 철근 콘크리트 캡 길이를 사용하여 증가할 수 있습니다. 균열은 강철 섬유층 외부에서 시작되며 강철 섬유층 캡은 균열의 추가 진행을 제한할 수만 있습니다. 최적의 SFRC 캡 길이를 추정하기 위해 최적화 알고리즘을 사용할 수 있습니다.
