Technical Note

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association. March 2021. 77-92
https://doi.org/10.9711/KTAJ.2021.23.2.077

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하대공간 지지하중 해석

  •   2.1 지하복합플랜트 실증 부지 지반 조건 및 해석 대상

  •   2.2 해석조건

  •   2.3 상부하중 및 수평토압 고려 지하벽체 해석

  •   2.4 지하대공간 상부형태에 따른 기초 지반 해석

  •   2.5 해석 결과

  • 3. 지하 복합플랜트 모듈화 안정 해석

  •   3.1 해석 조건

  •   3.2 복합플랜트 파이프랙 모듈 해석 수행 및 결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

도시화, 경제성장 등에 따라 환경기초시설(예를 들어, 매립지, 폐기물 처리시설 등)의 포화로 지하화 건설 수요가 증가하고 있다. 환경기초시설 및 에너지생산시설의 경우 지상 건설에 대한 다양한 사례는 있으나, 지하공간을 활용하여 플랜트 시설을 설치하는 사례는 극히 드물다. 그러나 지역 혐오시설에 대한 NIMBY (Not in My Back Yard) 문제로 인한 지상 설치가 어려운 환경기초 시설을 지하에 설치하고, 상부 지상 공간을 공원화하여 주민 수용성을 제고할 수 있는 지하 복합플랜트의 도입을 지자체별로 고민 중인 실정이다. 따라서 성공적인 지하 복합플랜트 건설(Fig. 1)을 위해서는 지하공간에 플랜트를 고집적으로 배치하기 위한 지하 대공간 건설 핵심 기술 확보가 필요하며, 복합플랜트 지하 최적배치 설계 시공법, 복합플랜트 지하공간 상부 지지하중에 대한 최적의 분배 기술 등이 필요한 실정이다.

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Fig. 1

Image of the large underground space installed complex plant

기존의 연구 사례를 보면 도심지 지하구조물 설치를 위해 국내 지반 조건을 고려한 지중 연속벽체(D-wall) 설계에 관한 연구(Lee et al., 2002; Kim et al., 2006; Hong and Kang, 2010; Seo et al., 2012; Park et al., 2015; Park et al., 2016)가 활발히 수행되어 왔다. 또한 지하 굴착을 위한 흙막이 거동 분석을 위한 다양한 수치해석 연구가 수행되었다(Do et al., 2010; Jung et al., 2016; Choi et al., 2017; Hwang and Lee, 2017; Yoo et al., 2018; Park and Joung, 2020). 그러나 본 연구에서는 연속벽체 해석 뿐만 아니라 지하 공간 활용도를 극대화하기 위하여 상세 설계 이전에 복합플랜트가 설치될 지하대공간 개념설계에 활용할 수 있는 기초 해석을 수행하였다. 복합플랜트 지하화에 따른 다양한 형태의 상부하중 및 수평토압을 고려한 지하연속벽체 해석과 복합플랜트 하중에 따른 기초 지반 해석을 수행하여 지하대공간 시공을 위한 설계인자를 도출하여 상세설계 및 시공단계에서 고려해야 할 다양한 요소들을 검토하였다.

또한, 본 연구에서는 지하공간 활용도를 극대화하고, 복합플랜트 외부 구조프레임이 지하의 다양한 하중을 분산시키고 지지할 수 있는 파이프랙 모듈 구조 해석을 수행하였다. 파이프랙 모듈은 Fig. 2와 같이 조립식 구조물을 사용하여 구조 변경이 쉽고, 견고하며 플랜트 배관 및 설비 등의 안전성을 확보를 위한 하중지지 구조물이다. 모듈러 공법은 표준화된 실내 공간을 모듈 형태로 제작하여 건설 현장에서 설치 ‧ 조립하는 건축 공법으로 토목 공사와 플랜트 기계 설비 설치 일정이 중첩되어 발생하는 간섭을 차단할 수 있다. 기계 구조물 공사는 외부에서 제작 및 조립작업을 실시하여 토목 건설 현장에서 기초 구조물 등 간섭을 최소화할 수 있어 공기 단축 및 작업 안전성을 확보할 수 있는 공법(Gjepali, 2015; Wrigley et al., 2019)이다. 본 연구에서는 지하공간에 복합플랜트를 고집적으로 배치하기 위하여 기둥의 최소화 등 공간 제약의 한계를 극복하고자 상부 하중 분산 및 지하공간의 안정성 확보를 위해 파이프랙 모듈 공법의 적용성을 검토하였다.

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Fig. 2

Schematic image of pipe rack module layout considering underground condition

2. 복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하대공간 지지하중 해석

복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하대공간 시공을 위하여 본 논문에서는 설계 및 시공단계에서의 주요인자를 도출하고자 상부하중 및 수평토압 고려 지하 연속벽체(D-wall) 해석, 복합플랜트 하중에 따른 기초지반 해석을 수행하였다. 지하공간 조성을 위한 연속벽체(D-wall) 원형배치와 사각배치 조건으로 안정해석을 수행하였고, 연속벽체(D-wall) 및 바닥 슬래브의 두께 변화에 따른 Parameter Study를 통해 변위 발생 경향을 분석하였다. 또한 복합플랜트 상부 활용도(공원화) 등을 고려하여 상부 슬래브의 형태 변화(돔 지붕 구조, 평면 지붕 구조)에 대하여 상부하중을 고려한 기초지반의 단계별 안정해석을 수행하여 지하대공간 시공을 위한 설계인자를 도출하였다.

2.1 지하복합플랜트 실증 부지 지반 조건 및 해석 대상

본 연구에서 지하복합플랜트 설치를 위한 지하대공간 건설 실증 예상 부지는 경상남도 양산시 ○○산업단지 내 공원부지로 인공위성 사진 및 지질도는 Fig. 3에 도시하였다. 실증예정 부지는 양산단층이 지나는 양산천 동측 약 400 m 내외의 거리에 위치하며, 지반의 지질 조건은 중생대 백악기에 심성관입암체인 불국사화강암으로 불리는 각섬석화강암으로 구성되어 있다. 실증 예상 부지는 한반도에 발달하는 대규모 단층인 양산단층 영향권에 있기 때문에 단층의 코어부분에서 그 손상대(Damage zone)가 500 m 이상의 폭을 가져 단층 손상대 내에 속할 것으로 판단되어, 실제 설계 및 시공 시에는 불연속면에 관한 상세 조사가 필요할 것으로 분석된다.

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Fig. 3

Site to be demonstrated for underground complex plant

Fig. 4는 본 연구의 해석 대상인 지하에 설치하고자 하는 복합플랜트의 공간 크기(가로 40 m, 세로 40 m, 높이 10 m)를 보여주고 있다. 복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하공간 조성은 원형배치(Fig. 4(c))와 사각배치(Fig. 4(d)) 두 가지 조건으로 안정해석을 수행하여 변형특성 및 응력발생 경향 등을 검토하였다. 제한된 지하공간에 복합플랜트를 고집적으로 배치하는 경우 공정을 고려한 플랜트 설비의 무게는 5~50 ton으로 지하공간 복합플랜트가 설치된 저판 슬래브에 하중이 부분적으로 과도하게 적용될 것으로 판단된다.

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Fig. 4

Drawing of underground for complex plant structure

2.2 해석조건

본 논문에서는 복합플랜트 고집적 배치를 위한 지하대공간 연속벽체(D-wall) 배치 구성안 수립을 위해 지하공간 조성 원형배치와 사각배치의 조건에 대해 2차원 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS 2D를 사용하여 유한요소 해석을 수행하였다. Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 실증예정부지 지반 조건은 국가지반정보 포털사이트(MOLIT)의 시추 주상도를 검토하여 Table 1에 제시하였다. 토사층은 매립층, 퇴적층(붕적층 포함), 포화층으로 구성되어 있으며, 매립층은 자갈섞인 실트질모래로 구성되어 있고, 퇴적층은 실트질 점토, 점토질 모래 등이 점이적으로 분포되어 있다고 가정하였다. 연속벽체(D-wall)는 Elastic 모델을 적용하였으며 매개변수 분석을 위해 다양한 벽체의 두께 조건(Table 2)으로 변위와 응력의 발생 경향을 검토하였다. 지하 바닥 슬래브는 지하공간에 설치되는 플랜트 설비의 무게를 가정하여 10 kN/m의 등분포 하중으로 가정하였으며, 주변 지반에는 차량 통행 등으로 인한 DB-24의 공용 하중이 재하되는 것으로 가정하였다.

Table 1.

Soil properties for analysis

Classification Unit weight
(kN/m3)
Cohesion, c
(kPa)
Friction angle, Φ
(degree)
Elastic modulus, E
(kPa)
Poisson's ratio, ν
Sand clay 18.0 20.0 0 5,000 0.30
Gravel sand 19.0 5.0 30 43,000 0.30
Weathered rock 20.0 30.0 35 150,000 0.28
Bed rock 22.0 60.0 38 300,000 0.28
Table 2.

D-wall and floor slab properties for analysis

Classification Thickness
(m)
Elastic modulus
(kPa)
Geometrical
moment of inertia
(m4)
Cross sectional
area
(m2)
Poisson's ratio, ν
D-wall
Floor slab
0.8 2.49E+07 4.27E-02 0.8 0.17
1.0 8.33E-02 1.0 0.17
1.2 1.44E-01 1.2 0.17

2.3 상부하중 및 수평토압 고려 지하벽체 해석

상부하중 및 수평토압을 고려한 지하벽체의 안정해석을 위해 바닥 슬래브의 두께는 1,000 mm로 고정하고, 연속벽체(D-wall) 두께를 변화(800 mm, 1,000 mm, 1,200 mm) 시켜 수평변위 및 토압의 발생경향을 검토하였다. 또한, 본 연구에서는 연속벽체 개념설계를 위해 설치 높이를 15 m (근입깊이 5 m)로 일정하다고 가정하여 해석을 수행하였다. 원형배치의 경우 Axisymmetry 조건으로 사각배치의 경우 Plain strain 조건을 적용하여 해석을 수행하였으며, 원형과 사각 배치 모두 40 m × 40 m 내부 공간에만 플랜트 설비가 설치되어 있는 것으로 가정하였다. Fig. 5는 연속벽체(D-wall)의 두께 변화를 적용하였을 때, 지하공간 배치안에 따른 수평변위 변화를 Fig. 6은 응력 변화를 도식화하여 보여주고 있다. 응력 변화 검토 결과 최대전단력은 연속벽체의 풍화암 관입부 및 굴착부 하단 모서리에 나타나는 경향을 보였으며, 토사층에서 주된 소성영역이 발생하였다.

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Fig. 5

Displacement analysis results according to the D-wall type

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Fig. 6

Stress analysis results according to the D-wall type

2.4 지하대공간 상부형태에 따른 기초 지반 해석

전술한 수치해석과 동일한 지반 조건을 적용하여 복합플랜트 설치를 위한 지하공간 배치안(원형배치, 사각배치)에 따른 각각의 상부 형태(돔 지붕 구조, 평면 지붕 구조) 조건으로 기초지반 해석을 수행하였다. 본 해석에서는 연속벽체(D-wall), 바닥기초 슬래브, 상부 구조물, 중앙벽체 모두 1,000 mm 두께 조건의 선형탄성부재로 가정하여 거동특성을 분석하였다. 본 해석에서는 지하 공간에 플랜트 설비가 설치되어 있는 공용하중 및 플랜트 설비 하중 재하 조건으로 가정하였다. Fig. 7Fig. 8은 각각 해석 조건에 따른 지반의 수직, 수평 변위, 구조물(상부, 바닥) 수직 변위, 최대전단응력 분포를 보여주고 있다.

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Fig. 7

Analysis results according to the roof shape of round type D-wall

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Fig. 8

Analysis results according to the roof shape of square type D-wall

2.5 해석 결과

본 논문에서는 상부하중 및 수평토압을 고려한 지하연속벽체의 안정해석을 수행하였다. Fig. 9는 복합플랜트 설치를 위한 지하공간 연속벽체(D-wall) 원형배치와 사각배치에 따른 변위 및 응력 해석결과를 요약하여 보여주고 있다. Fig. 9(a)에서 연속벽체 두께에 따른 수평변위 해석 결과 원형배치의 경우 Axisymmetry 조건을 적용한 변위가 Ring Beam을 고려하지 않았음에도 변위가 매우 적게 산정되었고, 2차원 해석의 한계상 Plane Strain 조건이 적용된 사각배치의 변위가 원형배치 보다 상대적으로 크게 산정되었는데, 이는 경계조건 설정에 의한 영향으로 분석된다.

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Fig. 9

Analysis results according to the roof shape of round and square type D-wall

복합플랜트 하중에 따른 기초지반의 안정해석을 위해 모든 구조부재의 선형탄성의 두께 1,000 mm로 가정하여 지하공간 상부 형태(돔 지붕 구조, 평면 지붕 구조)에 따른 변위 및 전단응력 발생 경향을 검토하였다. 해석 결과 돔 지붕 구조 형태의 경우 상부 슬래브의 최대수직변위와 최대수직변위(침하량) 측면에서 평면 지붕 구조 형태보다 안정된 것으로 분석되고, 연속벽체에 작용하는 수평토압에 영향을 주는 수평변위의 경우 상부 지붕 형태 및 하중 크기의 영향에 의해 주동상태와 수동상태가 바뀌는 것으로 나타났으며, 그 결과는 Table 3에 요약 정리하였다.

Table 3.

Analysis results of ground and roof structure displacement according to roof type

Classification Roof shape Maximum horizontal ground
displacement (mm)
Maximum vertical ground
displacement (mm)
Maximum vertical roof
structure displacement (mm)
Round type
D-wall
Dome type 4.38 (active) 16.50 52.23
Plane type 2.89 (active) 16.14 58.47
Square type
D-wall
Dome type 1.61 (active) 13.32 17.70
Plane type 1.56 (passive) 13.30 20.34

3. 지하 복합플랜트 모듈화 안정 해석

복합플랜트가 설치된 지하공간 상부 활용도 및 지반 하중 조건에 따른 안정 해석을 위해 형강만으로 구성된 플랜트 모듈화 분석을 수행하였다. 지하공간과 배치된 플랜트 장치들을 고려하여 가로 세로 10 m로 구성된 플랜트 모듈화 구조해석을 통해 형강 재료의 자체하중 분산 효과를 분석하였다. 경계조건으로 장치하중, 자체하중, 토압, 지진하중을 적용하여 기준 적합성을 검토하였다.

3.1 해석 조건

지하 복합플랜트 구조물의 공간 크기로 가로 40 m, 세로 40 m, 높이 10 m로 구조 프레임의 기둥 간격과 위치는 배치된 장치들을 고려하여 모델링하였다. 형강의 소재는 향후 유지 보수를 용이하도록 국내에서 활용 빈도가 높은 압연강재 SM460 (KS 규격), 단면사이즈는 H 200 × 200 × 8/12로 선정하여 건축구조 설계기준 KBC 2016에 제시되어 있는 국내 코드와 강재 규격을 적용하였다.

Table 4는 본 연구에서 수행한 해석에 적용한 소재, 하중조건을 보여주고 있고, 적용하중은 Table 5에 정리하였다. 또한, 지하에 설치된 복합플랜트 구조 프레임 해석 형상은 건축 구조에서 구조적 안정성과 유지 보수측면을 고려하여 V 형상을 선정하여 하중 안전성을 검토하기 위해 Case 1의 Brace (가새) 없는 경우와 Case 2의 Brace 역V자형(C-Type), Case 3의 V의 경우 총 3가지를 구조해석을 진행하였다. 토압하중에서 마찰각은 30°, ν는 0.43 kN/m3, 단면적은 3 m2, 길이는 10 m를 적용하였으며, 지진하중에서 가속도계수는 0.22 g, 중요도계수는 1.00, 반응수정계수는 5, 고유주기는 0.1, 건물중량은 130 ton KBC 2016에 근거하여 해석을 진행하였다.

Table 4.

Condition of structural steels

Classifi-
cation
KS (Korean Industrial Standard)
Tensile strength
(MPa)
Yield strength
(MPa)
Elastic modulus
(GPa)
Chemical composition content (%)
C Si Mn P S
SM460 570 460~570 210 0.20 0.55 1.7 0.03 0.03
Table 5.

Boundary condition for structure simulation

Case Material Flame size Equipment load Earth pressure Earthquake load
Case 1 SM460 40 m (W) × 40 m (L) × 10 m (H) 250 kN 6.4 kN ±X: 0.057 g ±Y: 0.057 g
Case 2
Case 3

3.2 복합플랜트 파이프랙 모듈 해석 수행 및 결과

복합플랜트가 설치된 지하공간 상부 활용도 및 지반 하중 조건에 따른 파이프랙 모듈 구조해석 결과(Fig. 10), 최대 응력 분포는 Case 1, 3에서는 구조 프레임 하단 쪽의 장치에 하중이 집중되어있는 위치에 모여 있는 위치에 최대 응력이 나타났으며, Case 2의 경우, Brace의 상단부분에서 최대 응력이 나타났다. Case 1, 3의 경우 상단 Beam부분에 대한 변위 값이 가장 큰 수치로 나타났으며, Case 3의 경우 Brace의 하단 부분의 변위 값이 가장 큰 수치로 나타났다. 해석 결과 Case 1,3의 최대 변위 값은 0.365 mm와 0.0957 mm이고, Case 2은 8.559 mm으로 나타났다. 각 Case 별 구조 해석 결과를 통해 Beam과 Brace의 영향을 많이 받는 위치를 확인할 수 있었다. 반면에 토압이나 지진하중으로 인한 Beam의 뒤틀림 혹은 휘어짐, 좌굴의 현상은 나타나지 않는 것을 볼 수 있다. Case 2의 경우에는 Case 1과 비교하였을 때, 상부 빔의 하중을 분산시키려는 Brace의 영향이 미비하다는 것을 볼 수 있다. Case 2의 경우에는 Brace로 상부 하중이 분산되어서 구조물의 상부의 변위 값이 거의 없는 반면 Brace의 하단부의 변위 값이 큰 것으로 나타났다. 해석 결과는 Brace 역V자형(C-Type)형상인 Case 2의 경우에는 상부에 중력 하중 방향이 Brace에 전달되지 않는 구조여서 Case 1과 같은 반면 Case 3의 V의 경우에는 상단 프레임에서의 Brace 위치 길이만큼 중력 하중이 분산 되어 안전성 높은 것으로 확인 되었다.

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Fig. 10

Analysis results of stress and displacement distribution

4. 결 론

본 논문에서는 유한요소해석프로그램 PLAXIS 2D를 이용하여 복합플랜트 지하화에 따른 다양한 형태의 상부하중 및 수평토압을 고려한 지하연속벽체 해석과 복합플랜트 하중에 따른 기초 지반 해석을 수행하여 지하대공간 시공을 위한 설계인자를 도출하여 상세설계 및 시공단계에서 고려해야 할 다양한 요소들을 검토하였다. 본 논문의 주요 결과는 다음과 같다.

1. 복합플랜트 설치를 위한 지하대공간 상부하중 및 수평토압을 고려한 지하 연속벽체(D-wall) 안정해석을 위해 바닥 슬래브 두께(1,000 mm) 조건에서 연속벽체(D-wall)의 두께 변화에 따른 수평변위 및 토압의 발생 경향을 분석하였다. 유한요소해석을 수행한 결과, 지하 연속벽체(D-wall) 원형배치의 경우 사각배치의 경우보다 수평변위가 작게 산정되었으나, 이는 경계조건 설정에 의한 영향으로 분석된다.

2. 지하 상부 천장 구조 형태(돔 지붕 구조, 평면 지붕 구조)에 따른 안정해석을 수행하여 변위 및 전단응력 발생 경향을 검토한 결과, 돔 지붕 구조 형태가 최대수직변위 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 또한, 연속벽체에 작용하는 수평토압에 영향을 주는 수평변위의 경우 천장 구조 형태 및 하중의 크기 등에 의해 주동상태와 수동상태가 바뀔 수 있음을 확인하였다.

3. 지하공간에 설치되는 복합플랜트 외부 프레임을 통한 하중지지 구조해석을 수행하여 설계 안전성에 관한 시사점을 도출하였다. 하중 지지 외부 프레임 구조 설계 시 지반조건 및 기자재 형상에 따라 집중하중을 고려하여 Beam 사이즈 결정이 중요하며, 이러한 분석 결과를 통해서 연속벽체의 토압 및 상부 하중조건을 고려하여 파이프랙 모듈 외부 형상 설계 시 기초데이터로 활용 가능할 것으로 판단된다.

본 논문에서 수행한 해석 결과를 기초 데이터로 활용하여 실증부지의 지층 구성을 고려한 가시설의 안정해석 뿐 아니라, 영구 구조물의 부등침하 등에 대한 영향 검토가 필요할 것으로 사료된다. 또한, 복합플랜트 설치를 위한 지하공간 건설을 위해서는 향후 지반보강이 필요한 지층에 대한 사전 파악의 목적뿐 아니라, 암반구간에서도 일정 두께의 매트기초 설치 필요 여부 및 지하수위 위치의 정확한 분석을 통해 부력 가능성 검토도 필요할 것으로 판단된다.

Acknowledgements

본 연구는 국토교통부 국토교통과학기술진흥원 ‘지하공간 활용 도시기반 복합플랜트 실증연구 사업’의 “환경기초 복합플랜트 지하공간 활용 기술(과제번호 21UGCP-B157962-02)” 과제에 의해 수행 되었으며 이에 감사드립니다.

저자 기여도

김세원은 데이터 해석 및 원고작성을, 김영석은 연구개념 수립, 설계 및 원고 검토를, 박준경과 이상준은 수치해석 모델링, 데이터 수집 및 분석을 하였다.

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