Dynamic response of segment lining due to train-induced vibration

세그먼트 라이닝의 열차 진동하중에 대한 동적 응답특성

Unlike NATM tunnels, Shield TBM tunnels have split linings. Therefore, the stress distribution of the lining is different even if the lining is under the same load. Representative methods for analyzing the stress generated in lining in Shield TBM tunnels include Non-joint Mode that does not consider connections and a 2-ring beam-spring model that considers ring-to-ring joints and segment connections. This study is an analysis method by Break-joint Mode. However, we do not consider the structural role of segment lining connections. The effectiveness of the modeling is verified by analyzing behavioral characteristics against vibration loads by modeling with segment connection interfaces to which vertical stiffness and shear stiffness, which are friction components, are applied. Unlike the Non-joint mode, where the greatest stress occurs on the crown for static loads such as earth pressure, the stress distribution caused by contact between segment lining and friction stiffness produced the smallest stress in the crown key segment where segment connections were concentrated. The stress distribution was clearly distinguished based on segment connections. The results of static analysis by earth pressure, etc., produced up to seven times the stress generated in Non-joint mode compared to the stress generated by Break-joint Mode. This result is consistent with the stress distribution pattern of the 2-ring beam-spring model. However, as for the stress value for the train vibration load, the stress of Break-joint Mode was greater than that of Non-joint mode. This is a different result from the static mechanics concept that a segment ring consisting of a combination of short members is integrated in the circumferential direction, resulting in a smaller stress than Non-joint mode with a relatively longer member length.

쉴드TBM 터널은 NATM 터널과 달리 라이닝이 세그먼트로 분절되어 있다. 따라서 라이닝에 동일 하중이 발생되어도 NATM 터널 라이닝과 쉴드TBM 터널 라이닝의 응력 분포가 다르게 발생된다. 쉴드TBM 터널에서 라이닝에 발생되는 응력을 분석하는 대표적 방법은 연결부를 고려하지 않는 강성일체법과 링간 이음 및 세그먼트 연결을 고려하는 2링 빔스프링 모델이 있다. 본 연구는 라이닝 분절 Segmentaion을 고려한 Break-joint Mode 해석 방법이지만 세그먼트 라이닝 연결부의 구조적 역할을 고려하지 않고 마찰력 성분인 수직강성과 전단강성 만 도입된 쉘 인터페이스 요소를 이용한 모델링을 적용하여 진동하중 발생 시 라이닝의 응력 및 변위에 대한 응답결과를 분석했다. 토압 등 정적 하중에 대해 천 정부에서 가장 큰 응력이 발생되는 강성일체법과 달리 본 연구의 해석방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝 응력 분포는 세그먼트 연결부가 집중된 천정부 Key 세그먼트에서 가장 작은 응력이 발생하였고 연결부를 경계로 응력의 분포가 뚜렷이 구분되었다. 그리고 정적 해석 결과는 강성일체법에 발생된 라이닝 응력이 본 연구 방법에 의해 발생된 세그먼트 라이닝의 응력에 비해 최대 7배의 큰 응력이 발생되었다. 이러한 결과는 세그먼트 연결부를 고려한 기존의 2링 빔-스프링 모델의 응력분포 양상과 일치하는 결과다. 그러나 열차 진동하중에 대한 응력값은 Break-joint Mode로 해석한 본 연구방법의 응력이 강성일체법에 비해 더 큰 응력을 발생되었다. 이는 짧은 부재들의 조합으로 이루어진 세그먼트 Ring이 원주방향으로 일체로 되어 부재의 길이가 상대적으로 더 긴 강성일체법 결과에 비해 더 작은 응력이 발생되는 정역학적 개념과 상이한 결과다. 진동하중에 대해 Break-joint Mode에서 세그먼트 라이닝에 응력이 더 크게 발생된 원인은 부재의 고유주기, 감쇠비 등 동역학적 요인의 차이보다는 열차 진동하중에 대해 라이닝에 발생되는 변위의 차이에 기인하는 것으로 판단되지만 이에 대한 증명은 추후의 과제로 남겨두었다. 본 연구 방법의 Break-joint Mode를 이용하면 정지상태의 열차 하중에 의해 발생되는 라이닝의 응력과 변위값을 비교하여 쉴드TBM 터널의 충격계수(DIF)를 비교적 간단하게 추정할 수 있다. 본 연구는 쉴드TBM 터널의 Segmentaion을 고려한 3차원 모델링으로 추후 지진파 등 다양한 하중조건의 검토를 통해 기존 해석방법 결과와 비교하여 모델링의 추가적 신뢰성을 확보할 필요가 있다.