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.
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.
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...
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 in this study. Three large drilled shafts with 1.8, 2.4, 3.0m diameter respectively were selected, and 3-D finite element analysis has been undertaken on the following three models: 1) drilled shafts without steel casing, 2) drilled shafts with steel casing, 3) steel-concrete composite drilled shafts. Interface element between concrete core and steel casing was taken into account, and ground conditions and load combinations were applied which had been considered in the fields. Detailed characteristics of the stress and displacement distributions were evaluated to understand the characteristics of the behavior of the drilled shafts. Based on the study performed, the steel casing used as load-carrying materials in the drilled shafts can reduce the horizontal and vertical displacement of drilled shafts by 32~37% and 15~19% respectively compared with drilled shafts without steel casing.
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 in this study. Three large drilled shafts with 1.8, 2.4, 3.0m diameter respectively were selected, and 3-D finite element analysis has been undertaken on the following three models: 1) drilled shafts without steel casing, 2) drilled shafts with steel casing, 3) steel-concrete composite drilled shafts. Interface element between concrete core and steel casing was taken into account, and ground conditions and load combinations were applied which had been considered in the fields. Detailed characteristics of the stress and displacement distributions were evaluated to understand the characteristics of the behavior of the drilled shafts. Based on the study performed, the steel casing used as load-carrying materials in the drilled shafts can reduce the horizontal and vertical displacement of drilled shafts by 32~37% and 15~19% respectively compared with drilled shafts without steel casing.
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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.
제안 방법
따라서 말뚝의 주면마찰력은 무시하였으며, 수직하중은 말뚝선단의 수직방향 스프링 요소가 지지하는 것으로, 수평하중은 연악지반층과 풍화암층의 수평방향 스프링 요소가 지지하는 것으로 단순화 하였다. 그리고 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하지 않는 모델 2에서 강관과 콘크리트 접촉면의 전단변형(슬립효과)를 모사하기 위하여 강관과 콘크리트의 접촉면을 8개의 절점과 4개의 선으로 구성된 2차원 고차 plane 요소(Quadrilateral)로 모델링하였다. 본 해석에서 사용된 말뚝체의 요소 및 물성은 표 2와 같다.
먼저 수직력에 대한 강성(수직강성: Kn)은 슬립 발생 시 강관과 콘크리트 접촉면에서 콘크리트의 수직방향 변위가 발생하지 않도록 하기 위하여 강관의 탄성계수 정도의 큰 값을 사용하였다. 그리고 전단마찰력에 대한 강성(전단강성: Kt)을 결정하기 위하여 사전 수치해석을 통하여 강관과 콘크리트 접촉면의 전단강성을 다양하게 변화시켜 가며 슬립 발생 시 콘크리트 요소의 변형이 발생하지 않는 최대의 전단강성(Kt=0.01Kn)을 구하였다(그림 4).
0m의 현장타설말뚝은 현재 국내에서 시공된 현장타설말뚝 중 가장 대구경이다. 다층으로 구성된 대상지반을 2개의 층으로 단순화시켜 해석을 수행하였으며, 해성퇴적층과 풍화토층으로 구성된 상부층을 연약지반층(soft soil)으로 풍화암, 연암 등으로 구성된 하부층을 풍화암층(weathered rock)으로 구분하였다. 본 해석에서는 무리말뚝에 의한 효과는 고려하지 않았으며, 단말뚝 해석을 통한 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다.
콘크리트와 강관의 합성거동은 콘크리트와 강관의 경계면에서 수직 또는 수평방향으로 미끄러짐이 발생하지 않는 완전한 일체화 거동이다. 따라서 강관합성 현장타설말뚝에 사용된 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 강관합성 현장타설말뚝의 지지력 증진효과에 미치는 영향을 각각 분석하기 위하여 다음과 같이 3가지의 해석모델을 선정하였다. 모델 1은 외부강관이 없는 일반적인 현장타설말뚝이며, 모델 2는 콘크리트의 부착력에 의해 강관과 콘크리트가 부착된 외부강관이 있는 현장타설말뚝으로 강관-콘크리트 접촉면의 전단강도 이상에서는 경계면(interface)에서의 미끌림이 발생할 수 있도록 모델링 된다.
본 연구에서는 지반과 말뚝의 상호작용을 무시하고 외부 강관에 의한 말뚝재료의 성능향상 및 거동특성에 초점을 두었으며, 강관의 유무에 따른 말뚝재료의 상대적인 변위분석을 통하여 강관의 지지효과를 평가하였다. 또한 강관과 콘크리트의 응력분석을 통하여 외부강관이 말뚝의 거동특성 및 변형특성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 해석에서는 무리말뚝에 의한 효과는 고려하지 않았으며, 단말뚝 해석을 통한 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 말뚝의 재원 및 지반조건은 각 케이스별로 실제 현장에서 시공되거나 측정된 대표값을 적용하였다.
본 해석에서 사용한 강관 콘크리트 접촉면 요소(plane 요소)의 강성을 결정하기 위하여 사전 수치해석을 실시하였다. 먼저 수직력에 대한 강성(수직강성: Kn)은 슬립 발생 시 강관과 콘크리트 접촉면에서 콘크리트의 수직방향 변위가 발생하지 않도록 하기 위하여 강관의 탄성계수 정도의 큰 값을 사용하였다. 그리고 전단마찰력에 대한 강성(전단강성: Kt)을 결정하기 위하여 사전 수치해석을 통하여 강관과 콘크리트 접촉면의 전단강성을 다양하게 변화시켜 가며 슬립 발생 시 콘크리트 요소의 변형이 발생하지 않는 최대의 전단강성(Kt=0.
실제 국내 해상 장대교량의 대구경 현장타설말뚝에서 설계 시 무시되고 있는 희생강관의 지지력을 설계에 반영할 경우 말뚝재료의 저항력 증가효과를 3차원 수치해석을 통하여 분석하였다. 본 연구에서는 지반과 말뚝의 상호작용을 무시하고 외부 강관에 의한 말뚝재료의 성능향상 및 거동특성에 초점을 두었으며, 강관의 유무에 따른 말뚝재료의 상대적인 변위분석을 통하여 강관의 지지효과를 평가하였다. 또한 강관과 콘크리트의 응력분석을 통하여 외부강관이 말뚝의 거동특성 및 변형특성에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구에서는 현재 국내에서 시공중인 대형 해상교량의 인천대교의 기초로 사용된 직경 1.8m, 2.4m, 3.0m의 대구경 현장타설말뚝에 대하여 3차원 유한요소해석을 수행하여 다음과 같은 결론들을 도출하였다.
본 해석에서 사용한 강관 콘크리트 접촉면 요소(plane 요소)의 강성을 결정하기 위하여 사전 수치해석을 실시하였다. 먼저 수직력에 대한 강성(수직강성: Kn)은 슬립 발생 시 강관과 콘크리트 접촉면에서 콘크리트의 수직방향 변위가 발생하지 않도록 하기 위하여 강관의 탄성계수 정도의 큰 값을 사용하였다.
다층으로 구성된 대상지반을 2개의 층으로 단순화시켜 해석을 수행하였으며, 해성퇴적층과 풍화토층으로 구성된 상부층을 연약지반층(soft soil)으로 풍화암, 연암 등으로 구성된 하부층을 풍화암층(weathered rock)으로 구분하였다. 본 해석에서는 무리말뚝에 의한 효과는 고려하지 않았으며, 단말뚝 해석을 통한 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 말뚝의 재원 및 지반조건은 각 케이스별로 실제 현장에서 시공되거나 측정된 대표값을 적용하였다.
수평방향 지반반력계수는 각 케이스별로 현장의 지층구성을 고려하여 각 지층에 대한 각각의 수평방향 지반반력계수를 산정하고 연약지반층(soft soil)과 풍화암층(weathered rock)으로 구분하여 각 지층의 두께를 고려하여 평균한 값을 해석모델에 적용하였다. 수직방향 지반반력계수는 대상말뚝의 선단이 모두 연암에 위치하고 있는 것으로 나타나 연암의 지반탄성계수를 사용하여 산정하였다. 각 케이스별 수평방향 및 수직방향 지반반력계수 산정결과는 표 4와 같다.
표 3의 지층별 지반탄성계수 값을 바탕으로 현장의 지층 구성 및 말뚝의 근입심도 등을 고려하여 지반반력계수를 산정하였다. 수평방향 지반반력계수는 각 케이스별로 현장의 지층구성을 고려하여 각 지층에 대한 각각의 수평방향 지반반력계수를 산정하고 연약지반층(soft soil)과 풍화암층(weathered rock)으로 구분하여 각 지층의 두께를 고려하여 평균한 값을 해석모델에 적용하였다. 수직방향 지반반력계수는 대상말뚝의 선단이 모두 연암에 위치하고 있는 것으로 나타나 연암의 지반탄성계수를 사용하여 산정하였다.
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. 본 연구에서는 지반과 말뚝의 상호작용을 무시하고 외부 강관에 의한 말뚝재료의 성능향상 및 거동특성에 초점을 두었으며, 강관의 유무에 따른 말뚝재료의 상대적인 변위분석을 통하여 강관의 지지효과를 평가하였다.
해석에서 사용된 각 모델별 유한요소 요소망(mesh) 및 경계조건은 그림 3과 같다. 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.
그림 6은 말뚝의 인장측 즉, 수평하중이 작용하는 쪽의 강관-콘크리트 접촉면에서의 결과이다. 앞서 언급한 바와 같이 본 해석에서는 각 직경별 지반조건 및 작용하중이 서로 상이하므로 정량적인 응력분석보다는 정성적인 응력분석에 초점을 맞추었다. 대부분의 말뚝에서 연약지반층 상부에 전단응력이 집중되어 있는 것으로 나타났다.
본 해석에 적용된 각 케이스별 하중조건은 표 5와 같다. 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.
지반을 모사한 스프링 요소의 입력치를 결정하기 위하여 실내토질시험(3축압축시험)과 현장의 원위치시험(CPT, PMT, SPT 등) 결과를 바탕으로 지반반력계수를 결정하였다. 대상 현장의 경우 상부로부터 모래, 점토, 풍화토, 풍화암, 연암 순으로 지층이 형성되어 있으며, 말뚝의 직경에 따라 지반조건이 조금씩 차이를 보이나 대부분의 지반에서 측정된 지반탄성계수는 표 3과 같다(코다개발 주식회사, 2005).
콘크리트의 경우 압축파괴보다는 인장파괴가 주 관심사 이므로 수평하중 작용시 말뚝의 인장측 콘크리트 내부응력 분포를 고찰하고자 그림 7와 같이 수평하중이 작용하는 쪽 콘크리트의 최대주응력 분포를 분석하였다. 여기서 최대주응력은 수평하중 작용시 콘크리트 요소가 받는 최대응력을 의미하는 것으로 양(+)의 값이 인장을 나타낸다.
표 3의 지층별 지반탄성계수 값을 바탕으로 현장의 지층 구성 및 말뚝의 근입심도 등을 고려하여 지반반력계수를 산정하였다. 수평방향 지반반력계수는 각 케이스별로 현장의 지층구성을 고려하여 각 지층에 대한 각각의 수평방향 지반반력계수를 산정하고 연약지반층(soft soil)과 풍화암층(weathered rock)으로 구분하여 각 지층의 두께를 고려하여 평균한 값을 해석모델에 적용하였다.
대상 데이터
그림 2와 표 1은 본 연구에서 해석을 수행한 해석모델 및 말뚝의 재원이다. 대상말뚝은 고가교, 접속교, 사장교 구간에 사용된 현장타설말뚝들 중 각각 한 가지 케이스씩 선정되었으며, 사장교 구간의 주탑부 기초로 사용된 직경 3.0m의 현장타설말뚝은 현재 국내에서 시공된 현장타설말뚝 중 가장 대구경이다. 다층으로 구성된 대상지반을 2개의 층으로 단순화시켜 해석을 수행하였으며, 해성퇴적층과 풍화토층으로 구성된 상부층을 연약지반층(soft soil)으로 풍화암, 연암 등으로 구성된 하부층을 풍화암층(weathered rock)으로 구분하였다.
따라서 강관합성 현장타설말뚝에 사용된 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 강관합성 현장타설말뚝의 지지력 증진효과에 미치는 영향을 각각 분석하기 위하여 다음과 같이 3가지의 해석모델을 선정하였다. 모델 1은 외부강관이 없는 일반적인 현장타설말뚝이며, 모델 2는 콘크리트의 부착력에 의해 강관과 콘크리트가 부착된 외부강관이 있는 현장타설말뚝으로 강관-콘크리트 접촉면의 전단강도 이상에서는 경계면(interface)에서의 미끌림이 발생할 수 있도록 모델링 된다. 모델 3은 전단연결재나 폐합효과 등에 의해 콘크리트와 강관을 완전히 일체화시켜 구조적으로 합성거동을 하는 강관합성 현장타설말뚝이다.
본 연구에서는 현행 국내 설계 및 시공기준에 부합하는 대구경 현장타설말뚝에 대하여 외부 강관케이싱을 구조재로 사용할 경우 말뚝의 거동특성 및 지지력 증진효과를 규명하고자 현재 국내에서 시공중인 해상 장대교량인 인천대교의 현장타설말뚝 기초를 해석대상으로 선정하였다. 인천대교는 인천 송도신도시에서부터 인천항로를 건너 영종도 인천국제공항 접속도로의 북동쪽을 잇는 왕복 6차로, 총연장 12.
이론/모형
수치해석에 사용된 프로그램은 유한요소법에 기초한 MIDAS GTS이다. 강관과 콘크리트는 탄성체로 가정하고 3차원 선형탄성해석을 수행하였다.
성능/효과
8m 말뚝의 수평변위분포를 살펴보면 외부강관이 없는 모델 1이 상대적으로 크게 변형되었고, 외부강관이 있는 모델 2와 3이 상대적으로 작은 변형을 보이는 것을 확인할 수 있다(그림 5(a)). 그림 5(b)의 수직변위분포에서는 세 가지 모델 모두 말뚝 두부에서 선단까지 거의 직선적으로 변화는 것으로 나타났으며, 외부강관이 없는 모델 1이 외부강관이 있는 모델 2와 3에 비해 풍화암층 이상에서 상대적으로 더 큰 수직변위를 보이는 것으로 나타났다. 직경 2.
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.
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.
수직 및 수평하중에 대한 강관의 지지력과 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위감소 효과는 이들에 의한 말뚝의 지지성능 향상효과와 일맥상통하다고 볼 때, 현장타설말뚝에 사용되는 외부 강관케이싱은 말뚝의 수평 및 수직지지력 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 대부분의 말뚝에서 수평 및 수직방향 모두 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위감소 효과는 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 이는 본 해석에 적용된 하중의 크기가 외부강관을 구조재로 고려하지 않은 일반 현장타설말뚝의 설계하중 정도인 점을 감안할 때 향후 더 큰 재하하중 및 다양한 해석 기법을 통한 추가적인 분석을 실시하여 명확하게 규명되어야 할 것으로 판단된다.
해석결과 대부분의 말뚝에서 연약지반면 바로 아래지점에서 인장응력 집중현상이 나타났으며, 강관보강을 한 모델 2와 3이 모델 1에 비해 인장응력의 크기와 집중된 영역이 작음을 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.
4m 말뚝의 경우에는 강관이 없는 모델 1에 비해 외부강관을 고려한 모델 2의 경우 최대수평변위가 약 37% 감소되는 것을 알 수 있으며, 최대수직변위의 경우 모델 1에 비해 모델 2의 경우 약 16%의 수직변위감소가 발생하였다. 마지막으로 직경 3.0m 말뚝의 경우에는 강관이 없는 모델 1에 비해 외부강관을 고려한 모델 2의 경우 최대수평변위가 약 32% 감소되는 것을 알 수 있으며, 최대수직변위의 경우 모델 1에 비해 모델 2의 경우 15%의 수직변위감소가 나타난 것을 알 수 있다.
수직 및 수평하중에 대한 강관의 지지력과 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위감소 효과는 이들에 의한 말뚝의 지지성능 향상효과와 일맥상통하다고 볼 때, 현장타설말뚝에 사용되는 외부 강관케이싱은 말뚝의 수평 및 수직지지력 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 대부분의 말뚝에서 수평 및 수직방향 모두 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위감소 효과는 상대적으로 미미한 것으로 나타났다.
수평 및 수직방향 최대변위는 모두 말뚝두부의 중심점에서 측정되었다. 직경 1.8m 말뚝의 경우 각 모델의 최대수평변위를 비교한 결과 강관이 없는 모델 1에 비해 외부강관이 있는 모델 2의 경우 최대 수평변위가 37% 감소되는 것을 알 수 있으며, 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하는 모델 3의 경우 최대수평변위가 약 1% 정도 추가로 감소하는 것으로 나타났다. 또한 각 모델의 최대수직변위를 비교해보면 모델 1에 비해 모델 2의 경우 최대수직변위가 약 18% 감소하였으며, 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하는 모델 3의 경우 추가적인 수직변위의 감소는 거의 발생하지 않았다.
8m 말뚝과 마찬가지로 외부강관이 있는 모델 2와 3에 비해 모델 1의 변위가 상대적으로 크게 나타났으며, 외부강관을 고려한 모델 2와 강관과 콘크리트를 일체화시킨 모델 3의 거동은 말뚝의 전 길이에 걸쳐 유사한 거동을 보였다. 특이한 점은 직경 2.4m 말뚝의 경우 작용하중에 대하여 세 가지 모델 모두 말뚝선단에서 약 0.5cm 정도의 처짐이 발생하는 것으로 나타났다. 직경 3.
후속연구
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.
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.
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.
이는 본 해석에서 적용한 수평 및 수직하중의 수준에서는 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하지 않는 모델 2에서도 강관-콘크리트 경계면에서 전단 미끌림이 거의 발생하지 않는 것을 의미한다. 따라서 본 해석에서는 강관-콘크리트 일체화 효과를 가시적으로 볼 수는 없었으나, 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.
전단응력이 집중된 지점은 강관-콘크리트 경계면에서 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 큰 지점으로 말뚝의 안정성을 위하여 집중된 전단응력을 소산시킬 방안이 필요하다. 따라서 본 해석을 통하여 나타난 각 말뚝 직경별 전단응력 집중 위치 및 영역은 향후 강관합성 말뚝설계시 전단보강을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것이다. 그림 6(a)에서 직경 1.
그러나 대부분의 말뚝에서 수평 및 수직방향 모두 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 변위감소 효과는 상대적으로 미미한 것으로 나타났다. 이는 본 해석에 적용된 하중의 크기가 외부강관을 구조재로 고려하지 않은 일반 현장타설말뚝의 설계하중 정도인 점을 감안할 때 향후 더 큰 재하하중 및 다양한 해석 기법을 통한 추가적인 분석을 실시하여 명확하게 규명되어야 할 것으로 판단된다.
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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