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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 두부보강공법의 대표적인 공법 즉, + 자 보강 덮개판을 이용한 볼트식 말뚝두부 보강방법에 대하여 내력시험을 수행하고 새로운 훅타입의 말뚝 두부보강공법을 적용하여 동일한 시험을 수행하고자 한다. 특히, 기존에 사용되고 있는 두부보강 방법의 경우 미끌림 방지를 위한 절곡철근을 사용하고 있으나 이 경우 철근가공 등의 번거로운 단점이 있으므로 취급이 용이하고 경제적이며 공정을 최소화할 수 있는 방안을 제안하여 안정성을 평가하고자 한다.
- 따라서 본 논문에서는 두부보강공법의 대표적인 공법 즉, + 자 보강 덮개판을 이용한 볼트식 말뚝두부 보강방법에 대하여 내력시험을 수행하고 새로운 훅타입의 말뚝 두부보강공법을 적용하여 동일한 시험을 수행하고자 한다. 특히, 기존에 사용되고 있는 두부보강 방법의 경우 미끌림 방지를 위한 절곡철근을 사용하고 있으나 이 경우 철근가공 등의 번거로운 단점이 있으므로 취급이 용이하고 경제적이며 공정을 최소화할 수 있는 방안을 제안하여 안정성을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 각 하중단계에서의 강관, 철근 그리고 콘크리트에 발생하는 변형률을 측정하기 위해서 그림 1과 2에 나타낸 것과 같이 변형률게이지를 부착하였다. 강관에는 높이에 따른 거동과 대칭성을 평가할 수 있도록 총 4개의 철근게이지를 부착하였고 철근에는 2개의 보강철근에 절곡부와 압축부에 2개씩 총 4개의 철근게이지를 부착하였다.
- 실험결과는 하중과 변위를 UTM으로부터 전송받아 데이터로그에 저장하였으며, 변형률게이지를 이용하여 각 구조체에 발생한 변형률을 실시간으로 데이터로그에 저장하였다. 또한 각 하중단계에서 발생한 균열 및 파일의 변형상태를 눈으로 확인하여 기록하였다.
- 또한 강관말뚝과 콘크리트, 지지철근이 분담하는 응력을 비교하고 강관과 콘크리트 기초 결합면의 응력을 분석하기 위하여 내부 응력분포를 관찰하였다.
- 본 연구에서는 모형실험에 사용했던 제원과 동일한 치수를 적용하였으며, 말뚝의 최상단면을 xy 평면으로 지정하고 z방향으로 투영하여 3차원으로 모델링하였다. 연직하중 재하의 경우 콘크리트 후팅부 밑면의 경계조건을 고정으로 하여 파일의 상부에서 연직하중을 재하하였다.
- 수평재하는 기초콘크리트를 바닥에 완전히 고정시킨 뒤 말뚝머리 부분에 축방향에 수평방향으로 일정하게 하중재하를 실시하였다. 그림 9는 볼트타입과 훅타입 두부보강장치에 대한 하중변위 곡선을 보여주고 있으며, 그림에서 보여주듯이 하중증가에 따른 하중변위 거동은 유사하게 나타났다.
- 수평하중의 작용으로 인한 말뚝두부와 콘크리트 기초의 거동 및 응력분포를 분석하기 위하여 경계조건에서 하부 말뚝을 고정하고 상부 기초콘크리트에 하중을 단계적으로 50tonf에서 200tonf까지 재하하였다.
- 실험은 700tonf 용량의 UTM을 사용하여 하중제어방식으로 재하실험을 수행하였으며, 그림 5는 재하시험과정을 보여주고 있다. 실험결과는 하중과 변위를 UTM으로부터 전송받아 데이터로그에 저장하였으며, 변형률게이지를 이용하여 각 구조체에 발생한 변형률을 실시간으로 데이터로그에 저장하였다. 또한 각 하중단계에서 발생한 균열 및 파일의 변형상태를 눈으로 확인하여 기록하였다.
- 실험은 700tonf 용량의 UTM을 사용하여 하중제어방식으로 재하실험을 수행하였으며, 그림 5는 재하시험과정을 보여주고 있다. 실험결과는 하중과 변위를 UTM으로부터 전송받아 데이터로그에 저장하였으며, 변형률게이지를 이용하여 각 구조체에 발생한 변형률을 실시간으로 데이터로그에 저장하였다.
- 본 연구에서는 모형실험에 사용했던 제원과 동일한 치수를 적용하였으며, 말뚝의 최상단면을 xy 평면으로 지정하고 z방향으로 투영하여 3차원으로 모델링하였다. 연직하중 재하의 경우 콘크리트 후팅부 밑면의 경계조건을 고정으로 하여 파일의 상부에서 연직하중을 재하하였다. 한편, 수평하중 재하의 경우 파일에 걸리는 지반지지력을 산정하여 파일의 각 절점에 스프링으로 모델링하고 후팅부 측면에서 하중을 재하 하였다.
- 연직하중의 작용으로 인한 말뚝두부와 콘크리트 기초의 거동 및 응력분포를 분석하기 위하여 콘크리트로 채워진 말뚝의 상부에 등분포하중을 가할 수 있는 강성이 매우 큰 판을 모델링하여 단계적으로 하중을 50tonf에서 200tonf까지 재하 하였다.
- 유한요소모델링은 강관말뚝과 지지철근, 그리고 내부에 채워진 콘크리트로 나누어서 모델링하였다. 강관말뚝의 경우 8절점 shell요소를 적용하였고 지지철근은 truss요소를 사용하였으며, 콘크리트의 경우 4절점 고체요소(quad4 solid element)를 사용하였다.
- 일반적으로 콘크리트의 펀칭전단균열은 45도 이하의 각도로 발생하기 때문에 본 실험에서는 펀칭전단균열이 실험체의 측면으로 진전되지 않도록 단면의 크기를 설정하였다.
- 강관말뚝의 경우 8절점 shell요소를 적용하였고 지지철근은 truss요소를 사용하였으며, 콘크리트의 경우 4절점 고체요소(quad4 solid element)를 사용하였다. 하중의 재하는 쉘 요소(shell element)를 이용한 절점재하방식(point load)을 채택하여 소정의 재하하중을 단계적으로 재하 하였다.
- 연직하중 재하의 경우 콘크리트 후팅부 밑면의 경계조건을 고정으로 하여 파일의 상부에서 연직하중을 재하하였다. 한편, 수평하중 재하의 경우 파일에 걸리는 지반지지력을 산정하여 파일의 각 절점에 스프링으로 모델링하고 후팅부 측면에서 하중을 재하 하였다.
- 그리고 원형덮개판의 볼트공에는 보강철근에 나사선을 만들어 직접 체결하였다. 훅타입 실험체는 강관말뚝의 표면에 구멍을 내고, 8개의 절곡철근을 그림 4에 나타낸 것과 같이 강관말뚝의 측면 홀에 설치하고 원형 철근으로 고정시키는 방법으로 시공되었으며, 채움콘크리트를 타설할 수 있도록 원형판을 설치하였다. 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 목표강도를 300kgf/cm2로 설정하였으나 φ100×200 크기의 공시체에 대한 압축실험결과 평균 152kgf/cm2의 압축강도를 나타내었다.
- 훅타입으로 보강된 강관말뚝 구조체의 각 부분에 전달되는 최대하중의 크기 및 위치를 분석하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 유한요소모델링은 강관말뚝과 지지철근, 그리고 내부에 채워진 콘크리트로 나누어서 모델링하였다. 강관말뚝의 경우 8절점 shell요소를 적용하였고 지지철근은 truss요소를 사용하였으며, 콘크리트의 경우 4절점 고체요소(quad4 solid element)를 사용하였다. 하중의 재하는 쉘 요소(shell element)를 이용한 절점재하방식(point load)을 채택하여 소정의 재하하중을 단계적으로 재하 하였다.
- 또한, 강관파일은 모든 실험체에서 동일하게 φ406mm를 사용하였으며, 후팅부의 주철근은 SD30을 사용하였다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 목표강도를 300kgf/cm2로 설정하였으나 φ100×200 크기의 공시체에 대한 압축실험결과 평균 152kgf/cm2의 압축강도를 나타내었다. 또한, 실험체 제작에 사용된 철근은 모두 SD30을 사용하였다.
- 실험변수로는 두부보강공법에 따른 거동특성을 분석하기 위해서 기존의 볼트타입과 신공법인 훅타입 보강공법을 고려하였으며, 연직재하시험과 수평재하시험을 위한 총 4개 (볼트타입 2개, 훅타입 2개)의 실험체를 제작하였다.
- 실험변수로는 두부보강공법에 따른 거동특성을 분석하기 위해서 기존의 볼트타입과 신공법인 훅타입 보강공법을 고려하였으며, 연직재하시험과 수평재하시험을 위한 총 4개 (볼트타입 2개, 훅타입 2개)의 실험체를 제작하였다. 실험체의 단면은 그림 1과 2에 나타낸 것과 같이 실험체의 후팅부는 1.2m의 정방향 단면을 가지며, 높이는 0.8m로 하였다. 일반적으로 콘크리트의 펀칭전단균열은 45도 이하의 각도로 발생하기 때문에 본 실험에서는 펀칭전단균열이 실험체의 측면으로 진전되지 않도록 단면의 크기를 설정하였다.
성능/효과
- (1) 볼트타입의 경우 훅타입에 비해 초기 변형량은 작게 나타나지만 파괴까지의 거동은 훅타입이 연성적인 거동을 보이고 있다. 이는 큰 하중의 재하시 기초의 소성파괴를 방지하는데 유리하게 작용할 것으로 기대된다.
- (2) 연직재하시험 결과 하중증가에 따른 말뚝두부의 변형률은 말뚝과 기초콘크리트 결합부 부근에서 최대 변형률을 보이는 것으로 나타나 말뚝두부의 결합방법이 기초의 안정성에 많은 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
- (3) 연직재하시험 결과 볼트타입과 훅타입으로 두부보강된 실험체의 압축내력이 강관말뚝 재료의 항복내력 270ton을 8.5~21% 초과하는 것으로 나타나 볼트타입 및 훅타입 두부보강방법은 압축력에 대해 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 확인되었다.
- (4) 볼트타입 두부보강장치의 수평재하실험 결과 훅타입 두부보강장치의 최대 파괴하중은 41.1tonf으로 볼트타입 두부보강 시험체에 비해 약 33%정도 크게 나타났다. 훅타입 두부보강장치의 경우 수평재하시 기초콘크리트와 말뚝의 결합부에서 최대 변형률을 보이는 것으로 관측되었으나 볼트타입의 경우 기초콘크리트 중간부분에서 최대 변형률이 측정되었다.
- (5) 훅타입 두부보강 기초의 유한요소해석 결과 일반적으로 파일 설계시 고려하는 축하중의 2.5배인 200ton의 압축 하중을 재하하였을 때 콘크리트의 최대응력은 96.6kgf/cm2, 강관의 경우 799.0kgf/cm2, 지지철근의 경우 621.0kgf/cm2로 나타나 각 재료의 허용압축강도보다 작은 값을 나타내 안전한 것으로 판단된다
- 또한 볼트타입(P1) 두부보강장치의 수평재하실험결과 기초는 최대하중 30.9tonf에서 파괴되었으며, 훅타입(P2) 두부보강장치의 최대 파괴하중은 41.1tonf으로 볼트타입 두부보강 시험체에 비해 약 33%정도 크게 나타났다.
- 그림 10은 말뚝두부의 변형률 하중관계 곡선을 보여주는 그림으로 볼트타입의 변형률 거동은 게이지의 위치에 관계없이 비교적 일정한 경향을 보이고 있으나 볼트타입의 경우 하중을 재하 한 부위보다 결합부 약간 상단에서 변형률이 크게 나타났다. 또한 하중증가에 따른 말뚝두부의 변형률은 훅타입 좌측게이지(SL2)를 제외하고 모두 말뚝과 기초콘크리트 결합부 약간 하단부(SL2, SR2)에서 최대 변형률을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 수평하중이 작용하는 말뚝기초에서 결합부의 결합방법이 말뚝기초의 안정성에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있다.
- 또한 하중증가에 따른 말뚝두부의 변형률은 훅타입 좌측게이지를 제외하고 모두 말뚝과 기초콘크리트 결합부 약간 하단부(SL2, SR2)에서 최대 변형 률을 보이는 것으로 나타났다.
- 볼트타입으로 두부보강된 실험체들 모두의 압축내력이 강관말뚝 재료의 항복내력(270tonf)보다 21%이상 큰 것으로 나타나 볼트타입 두부보강방법은 압축력에 대해 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 또한 훅타입으로 두부보강된 실험체의 압축내력이 강관말뚝 재료의 항복내력(270tonf)보다 8.7%이상 상회하는 것으로 나타나 훅타입 두부보강방법은 압축력에 대해 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 보인다.
- 볼트타입으로 두부보강된 실험체들 모두의 압축내력이 강관말뚝 재료의 항복내력(270tonf)보다 21%이상 큰 것으로 나타나 볼트타입 두부보강방법은 압축력에 대해 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 또한 훅타입으로 두부보강된 실험체의 압축내력이 강관말뚝 재료의 항복내력(270tonf)보다 8.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 목표강도를 300kgf/cm2로 설정하였으나 φ100×200 크기의 공시체에 대한 압축실험결과 평균 152kgf/cm2의 압축강도를 나타내었다.
- 또한 그림 6에서 보여주듯이 각 실험체의 하중-변위 거동은 최대하중에서는 차이를 보이나 전체적인 거동은 거의 유사한 거동을 나타내고 있다. 즉, 본 실험에서 고려한 용접타입과 훅타입 두부보강 방법이 파 일두부의 압축거동에 미치는 영향은 매우 미비한 한 것으로 실험결과를 통해서 확인할 수 있다.
- 또한 훅타입의 경우 기초콘크리트와 말뚝의 결합부에서 최대 변형률을 보이는 것으로 관측되었으나 볼트타입의 경우 기초콘크리트 중간부분에서 최대 변형률이 측정되었다. 최대하중에서의 변형량은 훅타입 기초콘크리트가 볼트타입에 비해 약 2배가량 큰 상태에서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다.
- 하중재하 방향과 하중재하 반대방향 말뚝두부의 하중-변형률 곡선은 하중의 증가에 따라 거의 선형에 가까운 경향을 보이고 있으며, 기초콘크리트 하중-변형률 곡선은 훅타입(P2) 시험체에 비해 다소 불규칙한 것으로 나타났다. 그러나 최대 하중에서의 변형량은 훅타입 두부보강 시험체에 비해 약간 작은 것으로 나타났다.
후속연구
- (1) 볼트타입의 경우 훅타입에 비해 초기 변형량은 작게 나타나지만 파괴까지의 거동은 훅타입이 연성적인 거동을 보이고 있다. 이는 큰 하중의 재하시 기초의 소성파괴를 방지하는데 유리하게 작용할 것으로 기대된다.
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