1. 서 론

세그먼트 라이닝(segment lining)은 공장이나 현장에서 미리 제작된 프리캐스트(precast) 세그먼트를 조립하여 설치되는 터널 라이닝으로서, 쉴드터널에서 필수적으로 사용되는 구조체이다. 특히, 쉴드터널 세그먼트는 쉴드TBM의 추진을 위한 반력지지 구조물로서의 역할과 공사 중의 안정성 확보는 물론이고 영구적인 터널 라이닝의 역할도 하게 된다(Lee et al., 2012).

세그먼트 라이닝 제작은 물론 전통적인 건설재료로 널리 사용되고 있는 콘크리트는 인장이나 동적하중 하에서 급작스런 파괴를 일으키는 취성을 띄고, 균열의 생성 및 성장을 억제하기 힘든 단점이 있다. 이러한 콘크리트의 제반 역학적 성질을 개선하는 방법으로써 철근으로 보강한 철근콘크리트가 일반적으로 이용되고 있다(Oh, 1991).

최근에는 강(steel), 유리(glass), 나일론(nylon), 폴리프로필렌(polypropylene), 탄소(carbon) 등과 같은 섬유 보강재를 콘크리트 내부에서 균일하게 삼차원적으로 분포시킴으로써 구조적 성능 보강, 내화성능 향상 및 피로파괴 제어는 물론 철근 조립에 걸리는 시간을 줄여 세그먼트 라이닝의 생산성 및 시공성 향상을 도모하고 있다(Seo et al., 2011).

Jeon at el. (2006)은 콘크리트 라이닝 천단부 일부에 강섬유 0.5% 혼입한 콘크리트 사용시 콘크리트 라이닝의 두께를 감소시킬 수 있다고 제안하였으며, 최근 유럽 및 일본에서는 세그먼트 라이닝 제작시 철근을 생략하거나 최소화하기 위한 기술적 대안으로 강섬유 보강 콘크리트 세그먼트(Steel-Fiber Reinforced Concrete Segment)를 활용한 세그먼트 라이닝 개발 및 적용사례가 증가하고 있다(Angelo et al., 2011, Bernardino et al., 2009).

그러나 아직까지 우리나라에서는 세그먼트 라이닝의 수치해석적 연구와 세그먼트 배열방법에 대한 연구(Shin et al., 2009) 및 세그먼트의 제작비용 절감 및 성능 향상과 관련된 재료적․구조적 연구(Kim et al., 2011, Moon et al., 2011) 등이 제한적으로 수행되고 있으며, 세그먼트 라이닝 설계시 섬유 보강에 따른 구조적 성능 보강을 고려하여 철근 보강을 생략 또는 저감할 수 있는 관련 기준은 마련되어 있지 않고 있다.

따라서 본 연구에서는 세그먼트 라이닝 제작시 사용되는 철근 생략 또는 최소화를 통한 세그먼트 라이닝의 생산성 및 경제성 향상 도모, 세그먼트 라이닝 시공시 발생하는 균열 및 부분 파손 등을 예방하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위하여 철근만으로 보강된 세그먼트와 철근과 강섬유로 보강된 세그먼트를 제작 및 하중재하 실험을 통하여 세그먼트 라이닝의 강섬유 보강 효과를 분석하였다.

2. 실험체 제작 및 실험방법

2.1 세그먼트 실험체 제작

본 연구에서는 ○○현장에서 사용된 외경 4.2 m, 길이 2,403 mm, 폭 900 mm, 두께 200 mm인 세그먼트 라이닝의 A타입 세그먼트를 실물 재하실험 위한 실험체로 제작하였다(Fig. 1).

철근만으로 보강된 세그먼트(이하 RC세그먼트)와 철근과 강섬유로 보강된 세그먼트(이하 hybrid세그먼트)를 제작 및 하중재하 실험을 통하여 세그먼트 라이닝의 강섬유 보강 효과를 분석하였다.

○○현장에서 사용된 세그먼트에는 설계강도가 45 MPa인 콘크리트와 설계 항복강도가 400 MPa인 공칭직경 16 mm철근을 총 6개 배근하여 제작하였으나, 본 연구에서는 설계 항복강도가 500 MPa인 철근(SD500)을 이용하였으며, 사용 철근 변화에 따른 검토를 통하여 사용 철근은 공칭직경 10 mm 주철근을 155 mm 간격으로 총 6개를 배근하였으며, 이때 사용 철근량(As)은 428 mm2이다.

hybrid 세그먼트는 RC 세그먼트와 동일한 철근 사용 조건에 콘크리트에 강섬유 20 kg/m3을 혼입하였으며(Table 1), 강섬유 형상비는 64(길이 35 mm, 직경 0.55 mm)이다.

Albert 등(2012)에 따르면 스페인 바르셀로나 지하철 9호선 시공시 철근을 생략하고 강섬유(사용량 60 kg/m3) 만으로 보강한 세그먼트를 시공하였으며, 철근과 강섬유로 보강된 세그먼트에 대한 연구수행시 강섬유 사용량 10 kg/m3, 20 kg/m3, 30 kg/m3, 40 kg/m3 변화조건에 대한 연구를 수행하였다.

본 연구에서는 상기 연구결과 및 Moon 등(2011)의 연구결과를 토대로 실험체의 제원 및 사용 철근의 항복강도 등을 고려하여 강섬유 혼입량을 20 kg/m3로 결정하였다.

실물 재하실험시 세그먼트 내부에 위치한 철근의 거동 계측 및 강섬유 보강효과 분석을 위하여, 1개 인장철근에 5개소(설치간격 165 mm)씩 총 20개소에 변형률 게이지를 설치하였다(Fig. 2～3).

2.2 세그먼트 실물 휨 실험 방법

쉴드TBM에 의한 지반 굴착 시에는 쉴드TBM의 구조적 특성 때문에 굴착면과 세그먼트 사이에 테일보이드(tail void)가 필연적으로 발생하게 되며, 세그먼트 라이닝과 굴착된 지반을 일체화하기 위하여 굴착 직후에 테일보이드를 신속하게 밀실하게 충전하기 위한 뒤채움 그라우팅을 실시한다.

그러나 그라우팅이 잘 이루어지지 못하여 세그먼트 외부에 테일보이드가 그대로 존재하게 되면, Fig. 4와 같이 세그먼트에 큰 집중응력이 발생하여 세그먼트의 구조적 안정성을 저해할 수 있다. 이상과 같은 불리한 시공조건을 모사하기 위한 휨실험은 세그먼트의 성능평가를 위한 가장 대표적이고 일반적인 실험이며, 본 연구에서는 세그먼트에 대한 휨실험을 실시하였다.

세그먼트의 실물 휨실험을 위해 사용된 실험장비는 최대 500톤 용량의 재하 시스템으로서, 최대 17개의 유압 엑츄에이터에 대해 변위제어, 하중제어 및 강성제어를 할 수 있는 유압 서보제어기가 포함되어 있다. 재하시스템의 하부는 대형 실험체를 이송할 수 있도록 레일 형태의 대차로 구성되어 있다. 특히, 재하실험 시에는 대차 하부에 장착된 유압 엑츄에이터에 의해 대차가 재하 시스템 하부의 철재 블록에 거치되기 때문에, 대차에 실험체를 탑재한 상태에서 재하 실험이 가능하다(Fig. 5).

본 연구에서는 세그먼트의 실물 휨실험 시에 실험체 상부의 재하를 위하여 재하 시스템의 중앙부에 설치된 유압 서보제어 엑츄에이터(최대 재하용량: 100톤, 최대 스트로크: 300 mm)를 사용하였다. 엑츄에이터 하부에는 지간이 800 mm인 2개의 선하중 재하판을 부착하였고 실험체 하부에는 Fig. 1의 세그먼트 치수에 적합하도록 지간을 2,403 mm로 설정한 롤러 베이스를 설치하여, 세그먼트 실물 실험체에 대해 4점 휨실험을 실시하였다(Fig. 5).

실험체 지점부 경계조건은 Fig. 5에서 보이는 바와 같이 횡방향 방향성을 유지하기 위한 가이드 베이스와 실험체 및 재하하중 지지를 위한 롤러베이스로 구성하였으며, 힌지 및 롤러 조건으로 각각 경계조건을 설정하였다.

모든 실험시에는 서보제어에 의한 변위제어 실험을 실시하였으며, 변위속도는 재하점을 기준으로 하여 2 mm/min으로 설정하였다. 또한 앞선 2.1절에서 설명한 세그먼트 내부의 철근에 설치된 총 20개의 변형률게이지들로부터 얻어지는 변형률 자료는 0.1초당 1개의 속도로 획득하였으며, 본 연구에서는 세그먼트의 중심선(center line)에 설치된 변형률게이지 계측결과를 토대로 실험결과를 분석하였다(Fig. 2).

또한 세그먼트 라이닝의 강섬유 보강 효과를 분석을 위하여 Fig. 5에서 보이는 바와 같이 세그먼트 실험체 하부에 하중-변위관계 분석을 위하여 변위계 및 영상처리기법을 이용한 재하하중 단계별 균열측정을 위하여 사진기를 설치하였다. 영상처리기법에 의한 균열 측정은 0.1 mm 단위의 균열 폭을 측정하였다.

3. 세그먼트 실물 휨실험 결과 분석

3.1 균열발생 하중과 파괴하중 분석

철근만으로 보강된 RC세그먼트(콘크리트 설계강도 45 MPa, 철근 항복강도 500 MPa)에 대한 실물 휨실험결과, 재하하중 63 kN에서 균열이 발생하였으며, 재하하중 101 kN에서 실험체가 파괴되었다(Table 2, Fig. 6).

실험체의 균열발생 하중은 하중-변형률 관계곡선의 기울기 변화 및 실험시 육안관찰로 파악할 수 있다. Fig. 6에서 보이는 바와 같이 RC세그먼트에 초기 균열 발생하중은 62.7 kN이며, 영상처리기법을 이용한 재하하중별 균열 측정결과 재하하중 63 kN에서 Fig. 7(a)에서 보이는 바와 같이 최대 균열 폭 0.2 mm의 균열이 처음으로 발생하는 것으로 나타났다.

또한 실험체 파괴하중 101 kN 조건에서는 최대 균열 폭 2.8 mm의 균열이 발생하는 것으로 나타났다(Table 2, Fig. 7(a)).

철근과 강섬유로 보강된 hybrid 세그먼트에 대한 실물 휨실험결과 재하하중 126 kN에서 실험체가 파괴되었다(Table 2, Fig. 6).

hybrid세그먼트에 초기 균열 발생하중은 Fig. 6의 하중-변형률 관계곡선에서 68.5 kN인 것으로 판단되나, 영상처리기법을 이용한 재하하중별 균열 측정결과 재하하중 96 kN에서 최대 균열 폭 0.2 mm의 균열이 처음으로 발생하였으며, 실험체 파괴하중 126 kN 조건에서는 최대 균열 폭 2.2 mm의 균열이 발생하는 것으로 나타났다(Table 2, Fig. 7(b)).

Fig. 7에서 보이는 바와 같이 영상처리기법으로 확인된 균열하중 조건에서의 균열발생 양상은 RC세그먼트는 최대 균열 폭 0.2 mm 이하의 균열이 1개소에서 발생하였으나, hybrid세그먼트의 경우 최대 균열 폭 0.2 mm 이하의 균열이 3개소에서 발생하는 것으로 나타났다.

따라서 hybrid세그먼트의 하중-변형률 관계곡선에서 예측된 균열하중 68.5 kN부터 영상처리기법으로 균열 발생이 확인된 균열하중 96 kN의 하중범위 내에서는 강섬유 보강효과에 의해서 영상처리기법으로 확인 가능한 균열 폭 0.1 mm이하의 미세균열이 다수 발생하였으며, 이로 인하여 균열발생 하중이 증가한 것으로 판단된다.

Table 2에서 보이는 바와 같이 강섬유 보강 효과로 인하여 파괴하중은 24.8% 증가하였으나, 영상처리기법으로 확인된 균열하중은 52.4% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 세그먼트의 강섬유 보강은 파괴하중의 증가보다는 균열제어효과가 더 높은 것으로 판단된다.

3.2 연성지수(ductility index)

강섬유 보강시 콘크리트의 연성 증가효과로 인하여 균열제어 및 낮은 인장강도 개선과 함께 취성파괴 특성을 개선하는 효과가 있다. 이러한 연성에 대한 정량적인 평가방법은 다음과 같이 변형량으로서 곡률(Ø), 회전(θ), 처짐(Δ) 등의 비(μ)로 나타내며, 연성비(ductility ratio) 또는 연성지수(ductility index)라 한다. 처짐에 의한 연성지수 산정시에는 압축측 콘크리트의 파괴 발생시 처짐으로 산정한다.

,, (1)

여기서, 첨자 u : 극한(파괴)상태첨자 y : 항복상태

처짐에 의한 연성지수 산정시 항복상태의 처짐은 콘크리트구조기준상 철근, 철선의 설계기준항복강도(fy)가 400 MPa을 초과하여 항복마루가 없는 경우, 철근의 항복강도(fy)는 변형률 0.0035에 상응하는 응력의 값으로 사용하는 것으로 규정하고 있다. 따라서 RC 및 hybrid 세그먼트의 항복상태 처짐은 내부에 설치된 철근에 0.0035의 변형률 발생시의 처짐으로 결정할 수 있다. 실험결과 0.0035 변형률 발생조건은 RC 세그먼트의 경우 항복하중 89.5 kN 재하시 18.6 mm의 처짐이 발생하였으며, hybrid 세그먼트는 항복하중 120.1 kN 재하시 12.3 mm의 처짐이 발생하였다(Fig. 8.).

파괴 후 세그먼트의 형상은 RC만으로 보강된 세그먼트의 경우, 양측 하중 재하점 사이의 압축측 콘크리트에 압괴 파괴가 발생하였으며, 이때 발생한 처짐은 32.9 mm이다. RC와 강섬유로 보강된 hybrid세그먼트에서는 이러한 압괴 파괴양상이 발생하지 않았으나(Fig. 9), 연성지수 산정을 위하여 hybrid 세그먼트 실험체 파괴시 발생한 처짐 26 mm로 가정하여 연성지수를 산정하였다(Fig. 8. & Table 3).

Table 3에서 보이는 바와 같이 RC세그먼트의 연성지수는 1.77, hybrid세그먼트의 연성지수는 2.11로 강섬유 보강 효과로 인하여 연성지수가 약 19% 증가하는 것으로 나타났다. 본실험에서 Hybrid 세그먼트의 경우 RC 세그먼트와 동일한 파괴모드인 압괴파괴까지 실험이 수행되었다면 더욱 큰 변위에서 파괴되었을 것이며, 이 경우 강섬유로 인한 연성지수가 더욱 증가할 것으로 판단된다. 따라서 세그먼트 강섬유 보강은 콘크리트의 연성 증가효과로 인하여 균열제어는 물론 세그먼트 조립 시공시 발생하는 세그먼트의 부분파손 예방에 효과적일 것으로 판단된다.

4. 결 론

본 연구에서는 철근만으로 보강된 세그먼트와 철근과 강섬유(형상비 64, 사용량 : 20 kg/m3)로 보강된 세그먼트를 제작 및 하중재하 실험을 통하여 세그먼트 라이닝의 강섬유 보강 효과를 분석하였으며, 이상의 연구로부터 도출된 주요 결과들을 정리하면 다음과 같다.

1.강섬유 보강시 콘크리트의 연성 증가효과로 인하여 균열제어 및 취성파괴 특성을 개선하는 효과가 있다. 이러한 연성에 대한 정량적인 평가를 위하여 연성지수 검토결과 RC세그먼트의 연성지수는 1.77, hybrid세그먼트의 연성지수는 2.11로 강섬유 보강 효과로 인하여 연성지수가 약 19% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 세그먼트 강섬유 보강은 콘크리트의 연성 증가효과로 인하여 균열제어는 물론 세그먼트 조립 시공시 발생하는 세그먼트의 부분파손 예방에 효과적일 것으로 판단된다.

2.철근만으로 보강된 RC세그먼트와 철근과 강섬유로 보강된 hybrid세그먼트에 대한 하중재하 실험결과 강섬유 보강 효과로 인하여 균열하중 52.4%, 항복하중 34.2%, 파괴하중 24.8% 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 세그먼트의 강섬유 보강시 세그먼트의 파괴에 대한 저항력 증가보다는 균열제어효과가 가장 좋은 것으로 판단된다.

3.하중 재하시 초기 균열발생은 RC세그먼트의 경우 최대 균열 폭 0.2 mm 이하의 균열이 1개소에서 발생하였으나, hybrid세그먼트의 경우 최대 균열 폭 0.2 mm 이하의 균열이 3개소에서 발생하는 것으로 나타났다. 이는 강섬유 보강에 따른 균열의 분산 및 제어효과로 기인한 것으로, 영상처리기법으로 확인 가능한 균열 폭 0.1 mm이하의 미세균열이 다수 발생하고 이로 인하여 균열발생 하중이 증가한 것으로 판단된다.

4.파괴 후 세그먼트의 형상은 RC만으로 보강된 세그먼트의 경우 압축측 철근 외측부의 콘크리트가 압축 파괴양상을 보이나, RC와 강섬유가 보강된 hybrid세그먼트에서는 이러한 압축 파괴양상이 발생하지 않았다. 따라서 강섬유 보강은 세그먼트의 역학적 성능 개선은 물론 파괴양상에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.