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[국내논문] 수치해석을 이용한 국내 해상교량 현장타설말뚝의 강관지지효과
A Numerical Study on the Effect of Steel Casing on Bearing Capacity of Drilled Shafts for Marine Bridges 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, C. 지반공학, 터널공학, v.28 no.3C, 2008년, pp.149 - 158  

이주형 (한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실) ,  신휴성 (한국건설기술연구원 지하구조물연구실) ,  박민경 (한국시설안전공단 기술사업단 기술개발실) ,  박재현 (한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실) ,  곽기석 (한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실)

초록
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본 연구에서는 수치해석을 통하여 국내 해상 장대교량의 기초로 사용된 대구경 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하고 외부 강관케이싱에 의한 말뚝의 지지력 증진효과를 검증하고자 한다. 직경이 다른 3종류의 현장타설말뚝에 대하여 1) 외부강관이 없는 경우, 2) 외부강관이 있는 경우 그리고 3) 외부강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하는 경우 등 3가지 모델을 설정하고 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 강관과 콘크리트사이에는 경계면 요소(interface)를 적용하였으며, 지반 및 하중조건은 현장의 조건을 사용하였다. 각 모델에 대한 세부적인 변위 및 응력분석을 통하여 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 파악하였다. 수치해석결과 본 해석에서 선정한 대구경 현장타설말뚝의 경우 외부강관을 구조재로 고려하는 경우 동일 하중조건에 대한 수평변위 및 수직변위가 각각 32~37%와 15~19% 정도 감소되는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study is concerned with the characteristics of the behavior of drilled shafts with steel casing, a material that is used for large bridge foundations in Korea, and especially for weak submerged ground conditions. The effect of steel casing on bearing capacity of drilled shafts was also verified...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구는 합리적이고 경제적인 대형 교량기초 공법을 개발하기 위한 노력의 일환으로 최근 장대교량 기초로 각광받고 있는 대구경 현장타설말뚝을 대상으로 강관합성 말뚝 개념의 필요성 및 당위성을 평가하기 위해 수행되었다. 실제 국내 해상 장대교량의 대구경 현장타설말뚝에서 설계 시 무시되고 있는 희생강관의 지지력을 설계에 반영할 경우 말뚝재료의 저항력 증가효과를 3차원 수치해석을 통하여 분석하였다.
  • 앞서 언급한 3가지의 해석모델에 대하여 말뚝과 콘크리트는 12개의 절점과 5개의 면으로 구성된 3차원 solid 요소(Prism element)로 요소망을 형성하였으며, 말뚝의 주변지반은 수평 및 수직방향의 탄성스프링 요소를 사용하여 단순화하였다. 본 해석에서는 강관합성 말뚝체 개발을 위한 기초연구로써 지반과 말뚝간의 상호 복잡한 메카니즘은 무시하고 외부 강관에 의한 말뚝체 자체의 지지력 증진효과를 정량적으로 분석하는데 목적이 있다. 따라서 말뚝의 주면마찰력은 무시하였으며, 수직하중은 말뚝선단의 수직방향 스프링 요소가 지지하는 것으로, 수평하중은 연악지반층과 풍화암층의 수평방향 스프링 요소가 지지하는 것으로 단순화 하였다.

가설 설정

  • D : 하중작용방향에 직교하는 기초의 재하폭(m)으로 저면형상이 원형인 경우에는 지름으로 한다.
  • 수치해석에 사용된 프로그램은 유한요소법에 기초한 MIDAS GTS이다. 강관과 콘크리트는 탄성체로 가정하고 3차원 선형탄성해석을 수행하였다. 해석에서 사용된 각 모델별 유한요소 요소망(mesh) 및 경계조건은 그림 3과 같다.
  • 수평하중은 조석에 의한 유수압, 풍하중, 제동하중, 지진하중, 케이블에 의한 프리스트레스 등으로 구성되며, 말뚝 두부에 전단방향 면하중으로 작용하는 것으로 가정하였다. 본 해석에서는 산정한 수직하중 및 수평하중이 말뚝에 동시에 작용하고 있는 것으로 가정하여 해석을 실시하였다.
  • 앞에서도 언급한 바와 같이 본 해석에서는 무리말뚝에 대한 효과를 고려하지 않았기 때문에, 구조계산서를 토대로 각 케이스별 말뚝 1본당 작용하는 수평 및 수직하중을 계산하고 수평하중이 최대로 작용하는 하중조합을 적용하였다(코다개발(주), 2005). 수직하중은 상부 구조물의 자중, 차량 등에 의한 활하중, 설하중 등으로 구성되며, 말뚝두부에 등분포하중 형태로 작용하는 것으로 가정하였다. 수평하중은 조석에 의한 유수압, 풍하중, 제동하중, 지진하중, 케이블에 의한 프리스트레스 등으로 구성되며, 말뚝 두부에 전단방향 면하중으로 작용하는 것으로 가정하였다.
  • 수직하중은 상부 구조물의 자중, 차량 등에 의한 활하중, 설하중 등으로 구성되며, 말뚝두부에 등분포하중 형태로 작용하는 것으로 가정하였다. 수평하중은 조석에 의한 유수압, 풍하중, 제동하중, 지진하중, 케이블에 의한 프리스트레스 등으로 구성되며, 말뚝 두부에 전단방향 면하중으로 작용하는 것으로 가정하였다. 본 해석에서는 산정한 수직하중 및 수평하중이 말뚝에 동시에 작용하고 있는 것으로 가정하여 해석을 실시하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
강관합성 현장타설말뚝이란? 그러나 미국의 AASHTO LRFD Bridge Specifications(2004)에서는 3mm 이상의 두께를 가진 강관을 영구 케이싱으로 사용할 경우 강관을 구조재로 보고 설계에 반영할 수 있으며 부식에 의한 두께를 공제하여야 한다고 제안하고 있다. 강관합성 현장타설말뚝은 기존의 대구경 현장타설말뚝과 같은 굴착공법을 적용하며, 굴착시 공벽보호를 위해 사용되는 케이싱을 영구부재 즉, 구조재로 보고 강관케이싱의 지지력을 설계에 반영하는 공법이다. 그림 1과 같이 횡방향 구속에 의해 3축 응력 상태에 놓인 콘크리트의 강도는 일반적으로 1축 압축 상태의 콘크리트 보다 상당히 큰 값을 갖는 다는 것은 널리 알려져 있으며, 오래 전부터 이 부분에 대한 많은 연구 진행 및 실제 적용이 되어왔다(Scott et al.
굴착시 공벽보호를 위하여 설치하는 강관케이싱을 영구부재로 사용하는 것의 장점은? 국내 강관합성 말뚝에 관한 연구는 2000년대 이후 대형 해상교량 기초에 현장타설말뚝의 시공시 사용하는 강관케이싱을 임시구조물에서 영구구조물로 활용하는 방안에 그 초점을 두고 진행되고 있다. 케이싱이 있는 현장타설말뚝의 거동에 관한 연구(송병석과 조남준, 2005), 파형 희생강관을 사용한 현장타설말뚝의 주면마찰응력 산정에 관한 연구(서보국 등, 2005) 등의 연구를 통해 굴착시 공벽보호를 위하여 설치하는 강관케이싱을 영구부재로 사용할 경우 시공성, 경제성, 내구성, 그리고 지지력의 측면에서 일반 현장타설말뚝보다 많은 장점이 있음을 확인하였다. 그러나 아직까지 강관합성 또는 하이브리드 구조재에 대한 설계 및 시공에 관한 연구는 구조분야를 중심으로 교량의 교각 또는 구조물 기둥을 대상으로 이루어지고 있는 실정이며, 구조물 기초로 사용되는 강관합성 말뚝의 거동에 관한 연구는 미미한 실정이다.
현재 국내에서 시공중인 대형 해상교량의 인천대교의 기초로 사용된 대구경 현장타설말뚝에 대하여 3차원 유한요소해석을 수행 결과를 바탕으로 한 결론은 어떠한가? 1. 본 해석에서는 각각의 말뚝에 적용된 지반조건 및 하중조건이 서로 독립적이고, 무리말뚝 효과를 고려하지 않았기 때문에 각 직경별 변위감소효과를 단순 비교/평가하는 것은 무리가 있지만 전반적으로 외부강관을 구조재로 고려할 경우 수평변위 및 수직변위가 각각 32~37%와 15~19% 정도 감소되는 것으로 나타났다. 따라서 강관에 의한 변위감소 효과가 말뚝의 지지성능 향상효과와 일맥상통하다고 볼 때, 현장타설말뚝에 사용되는 외부 강관케이싱은 말뚝의 수평 및 수직지지력 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 2. 본 해석에 사용된 현장타설말뚝의 변위분석 및 응력분석 결과 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위 및 콘크리트 내부의 인장응력 감소효과는 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 이는 본 해석에 적용된 하중의 크기가 외부강관을 구조재로 고려하지 않은 일반 현장타설말뚝의 설계하중 정도이기 때문에 본 해석에서 적용한 수평 및 수직하중의 수준에서는 강관과 콘크리트를 일체화 시키지 않은 경우(모델 2)에도 강관-콘크리트 경계면에서 전단 미끌림이 거의 발생하지 않았기 때문이다. 따라서 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 말뚝의 지지력 증진에 미치는 영향을 명확하게 파악하기 위해서는 향후 접촉면 거동해석을 위한 다양한 모델링 기법의 고찰과 파괴수준까지의 하중이 작용하는 말뚝에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 3. 대부분의 말뚝에서 연약지반층 상부에서 강관-콘크리트 경계부의 전단응력이 집중되는 것으로 나타났으며, 전단응력이 집중된 지점은 강관-콘크리트 경계면에서 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 큰 지점임을 감안할 때 본 해석을 통하여 나타난 각 말뚝 직경별 전단응력 집중 위치 및 영역은 향후 강관합성 말뚝설계시 전단보강을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 4. 해석결과 대부분의 말뚝에서 연약지반면 바로 아래지점에서 인장응력 집중현상이 나타났으며, 강관보강을 한 경우(모델 2와 3) 인장응력의 크기와 집중된 영역이 줄어듦을 알 수 있다. 따라서 현장타설말뚝에 사용된 외부강관은 콘크리트에 집중된 인장응력을 소산시키는 효과가 있으며, 콘크리트의 주 파괴원인이 인장파괴인 점을 감안해 볼 때 현장타설말뚝의 안정성 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 본 해석에서는 주응력이 매우 낮은 수준에서의 결과들로 응력집중 현상에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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참고문헌 (15)

  1. 김태진(2002) CFT 과거.현재 그리고 미래, 한국강구조학회지, 한국강구조학회, 제14권 2호 특집기사 

  2. 송병석, 조남준(2005) 케이싱이 있는 현장타설말뚝의 거동에 관한 연구, 석사학위논문, 국민대학교 대학원 건설시스템공학부 

  3. 서보국, 손창희, 최영수, 김명학(2005) 파형 희생 강관을 사용한 현장 타설 말뚝의 주면마찰응력 산정에 관한 연구, 2005 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 4253-4256 

  4. 신승현, 이양구, 김주철, 김정환, 이현근(2005) 인천대교 대구경현장타설말뚝 Osterberg-cell 시험 적용 사례, 2005 대한토목학회 정기학술대회 논문집, 대한토목학회, pp. 3921-3924 

  5. 코다개발(주) (2005) 인천대교 민간투자사업 구조계산서 

  6. 한국건설기술연구원(2004) 장대교량 건설기술 선진화사업 기획연구 

  7. AASHTO (2004) AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 

  8. Eurocode (2003) Eurocode 4: Design of composite steel and concrete structures, British Standards(BSI) 

  9. Horvath, R. G., and Kenny, T. C. (1979) Shaft resistance of rocksocketed drilled piers, Symposium on Deep Foundation (Fuller, ed.), ASCE, Atlanta, October, pp. 182-214 

  10. Kindmann, R. (1990) Composite girders, composite steel-concrete construction and Eurocode 4, IABSE Short Course Brussel 1990, IVBH Report Volume 61, Zurich 

  11. O'Neill, M. W. and Reese, L.C. (1978) Load transfer in a slender drilled pier in sand, America Society of Civil Engineers, ASCE Spring Convention and Exposition, Pittsburgh, Pennsylvania, Preprint 3141, April, 30 

  12. Shimaoka H., Sawamura K., and Okamoto T. (2003) New construction materials for social infrastructures, NKK TECHNICAL REVIEW, No. 88, pp. 88-99 

  13. Scott, B.D., Park, R., and Priestley, M.J.N. (1982) Stress-strain behavior of concrete confined by overlapping hoops at low and high strain rates, ACI, Title No. 79-2, January-February, pp. 13-27 

  14. Mander, J.B., Priestley, M.J.N., and Park, R. (1988a), Theoretical stress-strain model for confined concrete, ASCE, Journal of Structural Engineering, Vol. 114, No. 7-9, pp. 1804-1826 

  15. Mander, J.B., Priestly, M.J.N., and Park, R. (1988b) Observed stress-strain behavior of confined concrete, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 8, pp. 1827-1849 

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