본 연구에서는 말뚝-지반의 상호작용을 고려한 Pile-Bent 구조물의 수평하중 해석기법을 제안하였다. 특히, 수평하중이 작용하는 Pile-Bent 구조물의 특성을 고려한 재료의 항복거동과 기하학적 비선형 거동인 $P-{\Delta}$ 효과를 해석기법에 도입하였다. 개발한 해석기법상의 현장타설 말뚝은 보-기둥 모델을 적용하였으며 지반은 비선형 하중전이 함수를 이용하였다. 본 연구결과, 강하부 일체형인 Pile-Bent 구조물의 경우 해석방법(재료의 탄성 또는 비탄성)에 따라 수평변위의 차가 크게 발생하였다. 재료의 항복거동만 고려할 경우 최대 휨 모멘트($M_{max}$)는 지표 아래의 약 3.5D(D는 말뚝직경) 깊이에서 발생되었으며, 재료의 항복거동과 $P-{\Delta}$ 효과를 모두 고려할 경우 $M_{max}$의 지점이 다소 상승하여 지표 아래 약 1.5D 깊이에서 발생하였다. 세장비에 따른 재료의 항복 및 $P-{\Delta}$ 효과는 단주일 경우에는 재료의 항복거동이, 장주일 경우에는 $P-{\Delta}$ 효과에 의한 기하학적 비선형 거동이 수평변위의 주요 영향인자임을 확인하였다.
본 연구에서는 말뚝-지반의 상호작용을 고려한 Pile-Bent 구조물의 수평하중 해석기법을 제안하였다. 특히, 수평하중이 작용하는 Pile-Bent 구조물의 특성을 고려한 재료의 항복거동과 기하학적 비선형 거동인 $P-{\Delta}$ 효과를 해석기법에 도입하였다. 개발한 해석기법상의 현장타설 말뚝은 보-기둥 모델을 적용하였으며 지반은 비선형 하중전이 함수를 이용하였다. 본 연구결과, 강하부 일체형인 Pile-Bent 구조물의 경우 해석방법(재료의 탄성 또는 비탄성)에 따라 수평변위의 차가 크게 발생하였다. 재료의 항복거동만 고려할 경우 최대 휨 모멘트($M_{max}$)는 지표 아래의 약 3.5D(D는 말뚝직경) 깊이에서 발생되었으며, 재료의 항복거동과 $P-{\Delta}$ 효과를 모두 고려할 경우 $M_{max}$의 지점이 다소 상승하여 지표 아래 약 1.5D 깊이에서 발생하였다. 세장비에 따른 재료의 항복 및 $P-{\Delta}$ 효과는 단주일 경우에는 재료의 항복거동이, 장주일 경우에는 $P-{\Delta}$ 효과에 의한 기하학적 비선형 거동이 수평변위의 주요 영향인자임을 확인하였다.
In this study, the lateral behavior of Pile-Bent structures subjected to lateral loading was evaluated by a load-transfer approach. An analytical method based on the Beam-Column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic and yielding) and ...
In this study, the lateral behavior of Pile-Bent structures subjected to lateral loading was evaluated by a load-transfer approach. An analytical method based on the Beam-Column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic and yielding) and $P-{\Delta}$ effect. Special attention was given to the lateral deflection of Pile-Bent structures depending on different soil properties, lateral load, slenderness ratio based on pier length and reinforcing effect of casing. From the results of the parametric study, it is shown that the increase of lateral displacement in a pile is much less favorable for an inelastic analysis than for an elastic analysis. It is found that for inelastic analysis, the maximum bending moment is located within a depth approximately 3.5D(D: pile diameter) below ground surface, but within 1.5D when $P-{\Delta}$ effect is considered. It is also found that the magnitude and distribution of the lateral deflections and bending moments on a pile are highly influenced by the inelastic analysis and $P-{\Delta}$ effect, let alone soil properties around an embedded pile.
In this study, the lateral behavior of Pile-Bent structures subjected to lateral loading was evaluated by a load-transfer approach. An analytical method based on the Beam-Column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic and yielding) and $P-{\Delta}$ effect. Special attention was given to the lateral deflection of Pile-Bent structures depending on different soil properties, lateral load, slenderness ratio based on pier length and reinforcing effect of casing. From the results of the parametric study, it is shown that the increase of lateral displacement in a pile is much less favorable for an inelastic analysis than for an elastic analysis. It is found that for inelastic analysis, the maximum bending moment is located within a depth approximately 3.5D(D: pile diameter) below ground surface, but within 1.5D when $P-{\Delta}$ effect is considered. It is also found that the magnitude and distribution of the lateral deflections and bending moments on a pile are highly influenced by the inelastic analysis and $P-{\Delta}$ effect, let alone soil properties around an embedded pile.
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문제 정의
본 연구에서는 Pile-Bent 구조물의 수평방향 거동을 예측할 수 있는 상.하부 일체화 해석기법을 구축하고 재료의 항복거동인 비탄성 거동 및 구조물에 과도한 수평 변위로 인한 기하학적 2차원 거동 특성인 P-A 효과를 파악하였다.
본 연구에서는 그림 12와 같은 Pile-Bent 구조물을 대상으로 지반조건, 세장비조건, 수평하중 조건에 대한 변수연구(parametric study)를 수행하여 재료의 항복 거동과 P-A 효과가 Pile-Bent 구조물의 비선형 수평 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 이에 사용된 Pile-Bent 구조물의 물성값은 표 3, 4와 같다.
본 연구에서는 재료의 항복 거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-A 효과를 고려한 Pile-Bent 구조물의 수평 거동해석기법을 제안하였다. 제안한 해석기법의 검증을 위해 기존 말뚝해석 프로그램의 결과와 비교하여 타당성 및 적용성을 확인하였다 Pile-Bent의 구조적 특성을 파악하기 위하여 지반조건, 상부 교각길이에 따른 세장비조건, 수평 하중 조건에 따른 변수연구(parametric study)를 수행하였다.
가설 설정
본 연구에서는 에너지 개념의 인장 강화 효과(tension stiffening effect)/]- 고려되는 모델을 사용하였다. 이 모델은 응력-변형률 관계에서 균열 발생 이후의 변형연화(strain softening)영역을 선형으로 단순화하였으며 변형률이 &에 도달할 때까지 인장저항력이 감소하긴 하나 지속적으로 발현된다고 가정한다. 철근은 콘크리트와는 달리 압축측과 인장측에서 응력-변형률 관계가 동일한 현상을 보이며 항복점에 도달할 때까지는 선형거동을 보이다 항복이 발생하는 순간에 급격한 변형률의 증가를 보이는 소성상태로 되어 선형 혹은 비선형 거동을 하게 된다.
제안 방법
전단력의 경우 지반이 단단할수록 최대 전단력(, 妇Q가 지표 부근에서 발생하였고 점성토의 경우에는 그 차이가 더욱 컸다. Pile-Bent 구조물의 거동은 지반의 특성에 따라 영향이 크므로 이를 파악하기 위하여 표 4의 지반성층 5와 같이 조밀한 사질토 지반 위에 2m, 6m, 10m 두께의 연약한 점성토 지반을 증가시키며 해석을 수행하였다. 지반성층에 따라 각각 재료의 탄성해석과 P-A 효과를 고려한 비탄성해석으로 분리하여 해석하였고 결과는 그림 19와 같다.
Pile-Bent 구조물의 지반강성에 따른 수평거동의 차이를 파악하기 위하여 서로 다른 지반조건을 대상으로 해석을 수행하였다. 하중조건으로 수평하중 900kN, 수직 하중 1000kN을 적용하였고 지반조건은 표 4의 지반성층 1~4와 같이 점성토(연약, 견고)와 사질토(느슨, 조밀)로 나뉘어 해석하였으며 그 결과는 그림 17 및 그림 18과 같다.
Pile-Bent 구조물의 해석은 말뚝과 지반의 비선형성의 고려가 무엇보다 중요하기 때문에 본 연구에서는 수평하중을 받는 말뚝의 해석에서 실제 지반의 비선형성을 고려할 수 있는 p-y 곡선을 적용하였다.
제시한 장.단주 기준에 의거 교각의 높이를 각각 5m, 15m, 25m로 선정하였으며, 해석에서 수직하중을 1000kN으로 고정하고 수평하중은 1200kN, 600kN, 380kN 하여 수행하였다. 해석 에 사용한 지반 물성값은 표 4의 지반성층 6을 선택하였다.
본 연구에서는 Pile-Bent 구조물을 대상으로 상용해석 프로그램인 'TZ-PILE version 1.0(1997)'과 'L-PILE version 4.0(2000), 을 통한 해석결과와 개발한 해석기법의 결과를 비교하여 연구의 타당성을 검증하였다. 검증에 사용한 지반조건 및 말뚝의 형상은 그림 8이며 이에 사용된 물성값은 표 2와 같다.
본 연구에서는 휨 모멘트로 인한 일정한 곡률(町를갖는 보 요소에 Hooke 법칙으로 유도된 zx=fjE, 식과 보 이론에서 유도된 弓 = 徧, 〃식을 조합하여 얻은 M/EI= k 식을 통해 Moment-EI의 상관관계를 산정하였다. 여기에 각각 콘크리트, 철근의 응력-변형률 관계곡선을 적용하여 재료의 비선형거동을 반영하였다.
수평 하중에 따른 Pile-Bent 구조물의 수평거동을 파악하기 위해 수직하중을 lOOOkN으로 고정하고 각 세장비별 수평하중을 표 5와 같이 증가시키면서 해석을 수행하였다. 해석에 사용한 지반 물성값은 표 4의 지반성층 6을 선택하였다.
산정하였다. 여기에 각각 콘크리트, 철근의 응력-변형률 관계곡선을 적용하여 재료의 비선형거동을 반영하였다. 그림 4는 본 연구에서 고려한 재료의 항복 거동 해석 순서도이다.
이에 본 연구에서는 P-A 효과를 실제 거동과 유사한 형태의 기하학적인 비선형 거동을 수행할 수 있는 기하 강성 행렬을 이용하여 P-A 효과를 반영하였다 일반적인 유한 요소법을 이용한 보-기등의 수치해석 시에는 그림 6의 보-기둥 요소의 자유도의 부재력과 변위관계로부터 6X6 강성행렬을 구한다. 여기서, Ke는 탄성 강성행렬이고, K*는 P-A 효과를 나타내는 기하강성행렬이다.
제안하였다. 제안한 해석기법의 검증을 위해 기존 말뚝해석 프로그램의 결과와 비교하여 타당성 및 적용성을 확인하였다 Pile-Bent의 구조적 특성을 파악하기 위하여 지반조건, 상부 교각길이에 따른 세장비조건, 수평 하중 조건에 따른 변수연구(parametric study)를 수행하였다. 변수연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
수 있는 상.하부 일체화 해석기법을 구축하고 재료의 항복거동인 비탄성 거동 및 구조물에 과도한 수평 변위로 인한 기하학적 2차원 거동 특성인 P-A 효과를 파악하였다.
수행하였다. 하중조건으로 수평하중 900kN, 수직 하중 1000kN을 적용하였고 지반조건은 표 4의 지반성층 1~4와 같이 점성토(연약, 견고)와 사질토(느슨, 조밀)로 나뉘어 해석하였으며 그 결과는 그림 17 및 그림 18과 같다. 수평변위의 경우, 지반의 강성이 작을수록 상대적으로 큰 수평변위가 발생하며 점성토에서 그 차이가 더 컸으며 P-A 효과도 더욱 뚜렷이 나타났다.
데이터처리
개발한 해석기법의 수직거동 검증을 위해 말뚝의 수직방향 해석프로그램인 'TZ-PILE, 과 비교하였으며 그 결과는 그림 9와 같다. 본 연구의 해석기법에서 주 면에 입력된 t-z 곡선은 점성토와 사질토의 경우 Vijayvergiya 가 제안한 함수식을, 암반의 경우 O'Neill & Hassan이제안한 함수식을 사용하였으며, 선단에 입력된 q-z 곡선은 Bi-linear 곡선을 사용하였다.
개발한 해석기법의 수평거동 검증을 위해 말뚝의 수평 방향 해석프로그램인 丄-PILE, 과 비교하였으며 그 결과는 그림 10, 11과 같다. 본 연구의 해석기법에서 사용한 p-y 곡선은 점성토에는 Matlock이 제안한 함수식을 사질토에는 Reese가 제안한 함수식을, 암반에는 Reese가 제안한 함수식을 사용하였다.
이론/모형
Pile-Bent 구조물의 해석시 재료의 항복거동은 Moment-EI 상관도를 통해 추정한다. 수직하중에 따른 Moment-EI 상관도는 그림 13과 같고 수직하중이 증가할수록 EI가 점점 증가하여 일직선을 이루게 된다.
인장측 콘크리트의 저항능력을 고려하는 방법에는 콘크리트가 균열 발생 후 인장력에 저항하지 못한다고 보는 강도개념의 접근방법과 균열 후에도 어느 정도의 인장력에 저항할 수 있다고 보는 에너지 개념의 접근방법이 있다. 본 연구에서는 에너지 개념의 인장 강화 효과(tension stiffening effect)/]- 고려되는 모델을 사용하였다. 이 모델은 응력-변형률 관계에서 균열 발생 이후의 변형연화(strain softening)영역을 선형으로 단순화하였으며 변형률이 &에 도달할 때까지 인장저항력이 감소하긴 하나 지속적으로 발현된다고 가정한다.
10, 11과 같다. 본 연구의 해석기법에서 사용한 p-y 곡선은 점성토에는 Matlock이 제안한 함수식을 사질토에는 Reese가 제안한 함수식을, 암반에는 Reese가 제안한 함수식을 사용하였다. 수평하중은 각각 300, 600, 900kN 순으로 증가시켰으며 수평하중에 따라 말뚝재료의 탄성해석 결과와 L-pile의 해석결과가 거의 일치하였다
그림 9와 같다. 본 연구의 해석기법에서 주 면에 입력된 t-z 곡선은 점성토와 사질토의 경우 Vijayvergiya 가 제안한 함수식을, 암반의 경우 O'Neill & Hassan이제안한 함수식을 사용하였으며, 선단에 입력된 q-z 곡선은 Bi-linear 곡선을 사용하였다. 수직하중은 각각 200, 1000, 2000, 4000, 8000, lOOOOkN 순으로 증가시켰으며 그 해석결과를 비교해보면 두 프로그램의 결과가 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.
성능/효과
(1) Pile-Bent 구조물은 수평하중이 증가함에 따라 재료의 휨 거동으로 인해 수평변위가 비교적 크게 발생하며 재료가 항복거동한 후에는 구조물의 기하학적 변형으로 인한 P-A 효과로 추가적인 수평변위가 발생한다. 동일하중의 조건에서 재료의 항복 거동만을 고려하면 최대 휨 모멘트(也即)는 지표 아래 2.
(3) 세장비에 따른 재료의 항복 및 P-A 효과는 단주일 경우 재료의 항복거동이, 장주의 경우에는 P-A 효과에 의한 기하학적 비선형 거동이 수평변위에 큰 영향을 미쳤다. 또한 수평변위는 세장비가 클수록 큰 수평 변위를 보였다.
즉 P-A 효과로 인해 珞林의 위치가 상승함을 확인하였다. (2) 탄성해석시의 수평변위는 연약 점성토 지반의 두께가 증가할수록 선형적으로 증가하며 비탄성해석 시의 수평변위는 지표 아래。깊이에 연약지반이 위치할 때까지는 점진적으로 증가하며 3D 깊이에 가까워질수록 확연히 커짐을 알 수 있었다.
본 연구의 해석기법에서 주 면에 입력된 t-z 곡선은 점성토와 사질토의 경우 Vijayvergiya 가 제안한 함수식을, 암반의 경우 O'Neill & Hassan이제안한 함수식을 사용하였으며, 선단에 입력된 q-z 곡선은 Bi-linear 곡선을 사용하였다. 수직하중은 각각 200, 1000, 2000, 4000, 8000, lOOOOkN 순으로 증가시켰으며 그 해석결과를 비교해보면 두 프로그램의 결과가 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.
하중조건으로 수평하중 900kN, 수직 하중 1000kN을 적용하였고 지반조건은 표 4의 지반성층 1~4와 같이 점성토(연약, 견고)와 사질토(느슨, 조밀)로 나뉘어 해석하였으며 그 결과는 그림 17 및 그림 18과 같다. 수평변위의 경우, 지반의 강성이 작을수록 상대적으로 큰 수평변위가 발생하며 점성토에서 그 차이가 더 컸으며 P-A 효과도 더욱 뚜렷이 나타났다. 휨모멘트의 경우, 지반이 단단할수록 최대 휨 모멘트 (的成)의 위치가 지표의 부근에 위치하며 대부분 지표 아래 3D(D는 말뚝의 직경) 깊이 내에 위치했다.
본 연구의 해석기법에서 사용한 p-y 곡선은 점성토에는 Matlock이 제안한 함수식을 사질토에는 Reese가 제안한 함수식을, 암반에는 Reese가 제안한 함수식을 사용하였다. 수평하중은 각각 300, 600, 900kN 순으로 증가시켰으며 수평하중에 따라 말뚝재료의 탄성해석 결과와 L-pile의 해석결과가 거의 일치하였다
气佚는 지표 부근 D-3D 깊이 사이에 발생하며 지반강성이 클수록 지표 아래 D 깊이 부근에서, 지반강성이 작을수록 지표 아래 3D 깊이 부근에서 발생하였다. 전단력의 경우 지반이 단단할수록 최대 전단력(, 妇Q가 지표 부근에서 발생하였고 점성토의 경우에는 그 차이가 더욱 컸다. Pile-Bent 구조물의 거동은 지반의 특성에 따라 영향이 크므로 이를 파악하기 위하여 표 4의 지반성층 5와 같이 조밀한 사질토 지반 위에 2m, 6m, 10m 두께의 연약한 점성토 지반을 증가시키며 해석을 수행하였다.
단주의 경우에 수평하중의 증가에 따른 재료의 항복 거동과 P-A 효과의 차이가 거의 없으며, 수평변위는 재료의 항복이 지배적인 인자로 작용하고 있음을 알 수 있다. 중간주의 경우에 단주와 유사한 수평변위의 변화양상을 띠며, 600kN 이상의 수평하중에서 재료의 항복 거동만 고려한 경우와 P-A 효과까지 고려한 경우의 수평 거동 차이가 두드러지게 나타났다. 장주의 경우에 150kN 이상의 수평하중에서 P-A 효과 여부의 차이가 크게 나타났다.
5D 깊이에서 발생함을 알 수 있었다. 즉 P-A 효과로 인해 珞林의 위치가 상승함을 확인하였다. (2) 탄성해석시의 수평변위는 연약 점성토 지반의 두께가 증가할수록 선형적으로 증가하며 비탄성해석 시의 수평변위는 지표 아래。깊이에 연약지반이 위치할 때까지는 점진적으로 증가하며 3D 깊이에 가까워질수록 확연히 커짐을 알 수 있었다.
지반성층에 따라 각각 재료의 탄성해석과 P-A 효과를 고려한 비탄성해석으로 분리하여 해석하였고 결과는 그림 19와 같다. 탄성해석시의 수평변위는 연약 점성토 지반의 두께가 증가할수록 비례적으로 증가하며, 비탄성해석 시의 수평변위는 지표 아래 D 깊이에 연약지반이 위치할 때까지는 점진적으로 증가하고 3D 깊이에 가까워질수록 급격히 증가하였다. 또한 점성토의 깊이가 약 5D인 경우에는 전체지반이 연약한 점성토 지반인 경우와 유사한 경향을 나타내었다.
Broms, B. (1964a), 'Lateral Resistance of Piles in Cohesive Soils', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.90, No.4, pp.27-63
Broms, B. (1964b), 'Lateral Resistance of Piles in Cohesive Soils', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.90, No.4, pp.123-156
California Department of Transportation Division of Engineering Services (2001), CALTRANS SEISMIC DESIGN CRITERIA (VERSION 1.2)
Evans, L, T. and Duncan, J. M. (1982), 'Simplified Analysis of Laterally Loaded Piles', Report No. UCB/GT/82-04, Geotechnical Engineering, Department of Civil Engineering, University of California at Berkeley
FHWA (1987), Drilled Shaft, National Highway Institute
Matlock, H. (1970), 'Correlation for Design of Laterally Loaded Piles in Soft Clay', the Second Annual Offshore Technology Conference, Houston, Texas, April 22-24, OTC 1204, pp.577-607
Poulos, H.G. (1971a), 'Behavior of Laterally Loaded Piles: Part I - Single Piles', Journal of Soil Mechanics and Foundation Div., ASCE, Vol.97, No.5, pp.771-731
Poulos, H.G. (1971b), 'Behavior of Laterally Loaded Piles: Part 2 - Group piles', Journal of Soil Mechanics and Foundation Div., ASCE, Vol.97, No.5, pp.733-751
Reese, L. C. (1997), 'Analysis of Laterally Loaded Piles in Weak Rock', Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, ASCE, Vol.121, No.7, pp.113-127
Reese, L. C., Cox, W. R., and Koop, F. D. (1974), 'Analysis of Laterally Loaded Piles in Sand', Proceeding, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, Vol.2, No.2080, pp.473-484
Reese, L. C., Cox, W. R., and Koop, F. D. (1975), 'Field Testing and Analysis of Laterally Loaded Piles in the Stiff Clay', Proceeding, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, No.2312, pp.671-690
Reese, L. C. and Wang, S. T. (2000), LPILE version 4.0, Analysis of Piles and Drilled Shafts under Lateral Loads, Ensoft Inc., Austin
Reese, L. C. and Wang, S. T. (1997), TZPILE version 1.0, Analysis of Load versus Settlement for an Axially Loaded Deep Foundation, Ensoft Inc., Austin
Reese, L. C. and Welch, R. C. (1975), 'Lateral Loading of Deep Foundations in Stiff Clay', Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.101, No.7, pp.633-649
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