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문제 정의
- 여기서, 탄성해석법과 지반반력해석법은 말뚝기초공학 관련 서적들에서 흔히 볼 수 있는 방법이고 말뚝정재하시험방법은말뚝수평재하시험시 두부의 고정조건 등의 재현이 어려워 적용이 쉽지 않은 방법이다. 본 연구에서는 수식적정해, 해석코드방법 등에 의한 해석을 수행하였으므로이들 방법들에 관하여 설명하였다.
- 본 연구에서는 일반적인 수평말뚝 해석코드를 이용하여 실무에서 간편하게 적용할 수 있는 내진 설계법을 제안하였으며, 설계 사례에 적용하여 분석하였다. 이때, 지진 시 실제구조물에 대한 실측자료를 구할 수 있다면 그 값을 기준값으로 설정하는 것이 바람직하다고 생각되었으나, 실측 자료를 구하는 것이 어려웠으므로수식적 정해에 의한 값을 기준으로 하였다.
- 수평하중에 대한 말뚝해석 코드는 많이 제안되어 있으나, 본 연구에서는 LPILE^lus와 par을 이용한 해석을수행하였으므로 이 코드들을 소개하였다. 그러나, 다른해석코드들도 비슷한 결과를 줄 것으로 예상된다.
제안 방법
- 말뚝기초를 선정하였다. 교축직각 방향으로 등가지진하중이 작용할 경우 제 1열에 있는 4개의 말뚝이최대의 하중을 부담하였으며, 말뚝두부에 작용하는 최대 하중(수직력, 수평력, 모멘트)을 표 2에 요약하였다. 여기서, 수평하중에 대한 해석코드인 PAR에 의한 지반 - 말뚝 - 상부구조물(SPS)의 상호작용을 고려한 해석에서는 상부구조물의 자중은 각 말뚝에 분배하여 집중질량화하였으며, 기둥과 확대기초의 자중은 군말뚝해석 결
- 군말뚝 해석코드인 3DPILE에 의하여 교축 및 교축직각 방향으로 해석을 수행하여 지진 시 최대하중을 부담하는 말뚝기초를 선정하였다. 교축직각 방향으로 등가지진하중이 작용할 경우 제 1열에 있는 4개의 말뚝이최대의 하중을 부담하였으며, 말뚝두부에 작용하는 최대 하중(수직력, 수평력, 모멘트)을 표 2에 요약하였다.
- 그러나, 해석조건 BC2는 상부 구조물까지 시공되어 연직하중이 작용되고 말뚝 머리가 고정된 경우이며, 해석조건 BC3는 상부구조물까지 시공된 상태에서 지진에 의하여 말뚝머리가 힌지된 경우로 구분할 수 있다. 그리고, 각 해석조건에서 PAR을 이용한 해석시 지진진동을 입력시켜 해석을 수행흐}는 경우(GM)와 지반 - 말뚝 - 상부구조물의 상호작용을 고려하여 해석하는 경우<SPS)를 추가하였다.
- 도로교 설계기준(건설교통부, 2000)에 채택된 허용응력설계법에 따라 계산된 수평변위, 전단력, 그리고 모멘트를 만족시킬 수 있도록 말뚝기초의 구성부재에 대한응력 검토를 실시한다.
- 도로교의각기 다른 형식의 말뚝기초에 대하여 해석을 수행하였으며 그 결과는 비슷한 양상을 나타내어(서정혀], 2000), 대표적인 사례에 대하여 설명하였다.
- 동일한 확대기초아래에서 하중을 지지하는 말뚝들이라도 개별말뚝의 하중분담은 다를 수 있으므로 교축 방향과 교축 직각 방향에 대한 군말뚝해석을 통하여 개별말뚝이 부담하는 하중을 계산하고, 이중 가장 큰 하중을받는 말뚝을 선정한다. 이 때, 군말뚝해석용 코드를 사용할 수 있다.
- 또한, 동적해석법은 이론적으로 모든 경우에적용할 수 있고 보다 정확한 해석을 수행할 수 있다고알려져 있으나, 그림 1에 나타낸 교량기초인 직경 1, 000 nun의 현장타설말뚝에 대한 전단력 해석결과를 살펴보면 동적 해석 결과는 등가정적 해석결과와 큰 차이를 나타내고 있는 것을 알 수 있었다(김 명모와 최용규, 2001). 본 연구에서는 정적해석법을 이용한 도로교 기초 말뚝에 대한 간편한 내진설계절차를 구체적으로 제안하였으며, 문헌에 보고된 사례에 적용하였다. 또한 내진해석방법들의 적용성을 검토하기 위하여 해석코드를 이용한 해석결과들을 수식적 정해에 의한 결과와 비교 .
- 상부구조, 교각부, 확대기초 등의 자중을 계산하고, 액상화의 우려가 있는 지반은 안전성을 평가하여 불안정한 경우 대책을 수립한다. 설계수평지진계수를 고려하여 등가 수평지진력을 계산한다.
- 3에 요약하였다. 여기서, 본 해석사례의 경우 확대기초가 지중에 관입되어 있어 해석조건 1에 의한 해석은크게 중요하지 않을 것으로 예상되었으므로 해석조건 2와 3에 의한 해석만을 수행하였다. 해석결과를 토대로 말뚝에 발생되는 수평변위, 전단력, 모멘트를 말뚝의 관입길이에 따라 도시할 수 있었다.
- 이때, 지진 시 실제구조물에 대한 실측자료를 구할 수 있다면 그 값을 기준값으로 설정하는 것이 바람직하다고 생각되었으나, 실측 자료를 구하는 것이 어려웠으므로수식적 정해에 의한 값을 기준으로 하였다. 본 연구의결론들은 다음과 같다.
- 최대 하중이 작용하는 말뚝에 대하여 해석 코드에 의하여 단일 말뚝해석을 수행한다. 여기서, 각 말뚝에 발생되는 수평 변위, 전단려 휨 모멘트 등을 계산하여야 하며, 현장여건 및 시공조건 등을 감안하여 말뚝 머리의 고정조건도 다양하게 변화시켜 해석할 수 있다.
- 설계수평지진계수를 고려하여 등가 수평지진력을 계산한다. 확대기초의 중심에서 평형조건을 만족하도록 지진하중(연직반력, 수평 반력, 모멘트)을 구한다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 말뚝기초의 내진설계를 위한 해석을수행하기 위하여 3개의 사례를 선정하였다. 도로교의각기 다른 형식의 말뚝기초에 대하여 해석을 수행하였으며 그 결과는 비슷한 양상을 나타내어(서정혀], 2000), 대표적인 사례에 대하여 설명하였다.
- 말뚝의 허용수평변위량은 보통 말뚝지름의 1%이며, 최소값은 15 皿로 규정하고 있다. 사례는 소구경 군말뚝의 경우로 긴 말뚝(Long pile)의거동을 하는 것으로 나타났다. 말뚝머리로부터 0.
- 해석대상으로 그림 4에 나타낸 단순합성형교의 교각을 지지하는 군말뚝기초를 선정하였으며, 그림 5와 그림 6은 각각 내진해석을 수행한 말뚝기초의 제원과 지층 구성을 보여준다.
데이터처리
- 본 연구에서는 정적해석법을 이용한 도로교 기초 말뚝에 대한 간편한 내진설계절차를 구체적으로 제안하였으며, 문헌에 보고된 사례에 적용하였다. 또한 내진해석방법들의 적용성을 검토하기 위하여 해석코드를 이용한 해석결과들을 수식적 정해에 의한 결과와 비교 . 분석하였다.
이론/모형
- 또한, 말뚝체에 작용된 하중 뿐만 아니라 변위를 외력으로 하더라도 해석할 수 있다. 말뚝구조체는 유한요소기법 (FEM)에 의하여 모델링한다. 그리고, 인접지반은 스프링과 감쇄기 요소를 이용하여 모델링하며 말뚝에 인접한 흙의 응답(즉, 하중 - 변위 관계)은 개별적 인 비선형선요소(discrete nonlinear line element)에 의해 모델링할수 있는데, 이들 요소들은 다음과 같은 내용들을 포함하고 있다.
성능/효과
- (2) 본 연구에서 제안한 내진설계절차는 실무에 간편하게 적용할 수 있을 뿐만 아니라 등가정적하중법을이용한 해석 결과는 수식적 정해에 의한 값과 가장잘 부합되었다.
- (3) 해석코드에 의한 등가정적 해석의 경우 수식적 정해와는 달리 수직하중을 고려하여 해석이 가능하였으므로 시공단계별 해석이 가능하였다.
- 또한, 지지진동을 고려한 경우의 해석결과도 마찬가지였다. (5) 지반의 力一>곡선을 이용한 해석코드의 경우 지반의 비선형 변형 특성이 고려되어야 하는 도로교 기초말뚝에 대한 해석에 적합한 것으로 판단되었다.
- 경우에 비해 2배를 상회하였다. LPILEPlus에 의한수평변위는 수식적 정해에 의한 수평변위보다 크게 산정 되었으며 말뚝머리가 고정된 경우에 비해 4배를 훨씬 초과하였다. PAR에 의한 수평변위는 최대 13 mm 정도였으며, 등가정적하중은 고려하여 해석한 경우가가장 큰 수평변위를 나타내었다.
- 그림 5에서 알 수 있듯이 지표면에서 20m까지는 사질토이며 N치도 2 ~ 16이고 지하수위도 높은 느슨한 포화 사질토이므로 지진시 액상화 가능성이 우려되어 일본 도로교시방서 방법에 따라 액상화에 대한 검토를 실시한 결과, 본 사례는 액상화에 대하여 안전한 것으로 판단되었고, 자세한 것은 참고문헌(과학기술, 1997)을참조할 수 있을 것이다.
- 4L이내에서 대부분의 휨모멘트가 발생하였다. 수식적 정해에 의한 모멘트를 기준으로 할 때 등가 정적 하중 법에 의한 LPILE^lus와 卩心의 해석 결과가 가장 잘 부합되었다. 등가정적 하중법에 의한 해석 결과의 경우, 말뚝의 지중관입부에서 모멘트는 급격히 감소하였다.
- 수식적 정해에 의한 수평변위를 기준으로 할 때 등가 정적 하중 법에 의한 해석결과(LPILEPws(등가정적), PAR (등가정적))들이 수식적 정해에 의한 해석값에 근접하였으나 지진진동을 고려한 경우와 SPS상호작용을 고려한 경우에는 수식적 정해에 의한 값과 큰 차이를 나타내었다.
- 즉, 지진진동을 고려한 해석에서는 지반의 진동에대한 말뚝의 동적 응답이 제대로 나타나지 않는 것으로보였으며, SPS상호작용을 고려한 경우 그림 2에 있는것과 같이 기둥 위에 집중질량(lumped mass)을 작용시켜 해석을 수행하기 때문에 기초 부분만을 모델링하는등가정적해석방법의 경우와 다소 다른 경향을 나타내는 것으로 보였다.
- 지진진동을 고려한 경우와 SPS상호작용을 고려한 경우 말뚝머리고정조건에 관계없이 PARI 의한 해석 값은 수식적 정해에 의한 값과 다소 상이한 경향을 나타내었다.
- 여기서, 본 해석사례의 경우 확대기초가 지중에 관입되어 있어 해석조건 1에 의한 해석은크게 중요하지 않을 것으로 예상되었으므로 해석조건 2와 3에 의한 해석만을 수행하였다. 해석결과를 토대로 말뚝에 발생되는 수평변위, 전단력, 모멘트를 말뚝의 관입길이에 따라 도시할 수 있었다. 그림 7에는 상부 구조물까지 완성되고 말뚝머리가 고정된 상태에 대한 해석 결과를 도시 하였으며, 그림 8에는 상부구조가 완성되고 말뚝 머리가 힌지된 상태에 대한 해석결과를 도시하였다.
후속연구
- (4) SPS 상호작용을 고려하여 해석한 경우 실제 교량구조물에서 상부구조물까지도 함께 모델링할 수 있었으나 해석결과는 신뢰할 만하지 못하였다. 또한, 지지진동을 고려한 경우의 해석결과도 마찬가지였다.
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