[논문]현장타설말뚝을 적용한 다주식 기초에서 말뚝과 캡의 강결합에 대한 분석

조성민

doi:10.7843/kgs.2008.24.7.61

현장타설말뚝을 적용한 다주식 기초에서 말뚝과 캡의 강결합에 대한 분석
Analysis on the Rigid Connections of the Drilled Shaft with the Cap for Multiple Pile Foundations 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.24 no.7, 2008년, pp.61 - 73

초록
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다수의 말뚝을 캡(확대기초)으로 연결하여 하중을 지지하는 다주식 기초에 대하여 캡의 연결부를 강결합 조건과 힌지결합 조건으로 구분하여 말뚝 반력 해석의 합리성을 분석하였으며, 널리 사용 중인 탄성변위법과 라멘식 프레임 해석에 기반한 비선형 해석기법을 비교하여 검토하였다. 특히 실제 해상 장대교량의 조건을 대상으로 상부구조와 기초를 연계한 전체 구조계 해석 결과를 분석하여 말뚝머리 구속 조건에 대한 기초 부재 단면력 산정의 적정성을 파악하였다. 이를 위해 캡과 연결된 각 말뚝에서 발생하는 휨모멘트, 전단력, 압축력 등 반력을 산정하고 PM상관도 분석과 지지력 산정을 통해 말뚝 부재의 안정성을 검토하였다. 일반적인 규모의 교량, 또는 강성이 크지 않은 말뚝을 적용한 기초에서는 말뚝-캡 결합 조건에 따른 말뚝 단면 설계의 차이가 현저하지 않으나, 말뚝이 지면 위로 일정 길이 이상 돌출되는 다주식 기초의 해상교량에서는 말뚝머리를 힌지로 고려할 경우 지중부에서 매우 큰 휨모멘트와 전단력이 유발되며, 말뚝머리의 수평변위량이 극단적으로 증가하였다. 해상 장대교량에 대해서는 비현실적 가정조건에 기반한 탄성변위법 보다는 말뚝머리를 캡에 강결합하고 말뚝이 탄성판에 지지된 보로 간주하는 라멘(rahmen) 모델링을 통해 상부구조와 연계한 전체 구조계 해석을 수행하는 것이 바람직하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Piles of a bridge pier are connected with the column through the pile cap (footing). Behavior of the pile foundation can be different according to the connection method between piles and the pile cap. Connection methods between pile heads and the pile cap are divided into two groups : rigid connections and hinge connections. Domestic design code has been specified to use rigid connection method for the highway bridge. In the rigid connection method, maximum bending moment of a pile occurs at the pile head and this helps the pile to prevent the excessive displacement. Rigid methods are also good to improve the seismic performance. However, some specifications prescribe that conservative results through investigations of both the fixed-head condition and the free-head condition should be reflected in the design. This statement may induce an over-estimated design for the bridge which has high-quality structures with casing covered drilled shafts and the PC-house contained pile cap. Because the assumption of free-head conditions (hinge connections) is unreal for the elevated pile cap system with multiple piles of the long span sea-crossing bridges. On the other hand, elastic displacement method to evaluate the pile reactions under the pile cap is not suitable for this type of bridges due to impractical assumptions. So, full modeling techniques which analyze the superstructure and the substructure simultaneously should be performed. Loads and stress state of the large diameter drilled shaft and the pile cap for Incheon Bridge which will be the longest bridge of Korea were investigated through the full modeling for rigid connection conditions.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

몇가지 가정 조건을 필요로 한다. 먼저, 하나의 캡에 연결되는 모든 말뚝의 길이와 강성이 일정하며, 지층은 경사를 가지고 있지 않다고 전제한다. 이에 따라 말뚝의 축직각방향 스프링정수(Ki, Kj, K3, U)는 말뚝 길이가 모두 동일하다고 가정하여 하나의 값을 갖는다.
즉, 강 결합으로 말뚝머리가 고정된 경우 말뚝머리의 휨모멘트가 설계 휨모멘트가 되는데, 이 조건에서 변위법으로 산정한 말뚝머리의 휨모멘트와 말뚝머리의 결합을 힌지로 고려한 지중부의 최대 휨모멘트 값을 비교하여 큰 값을 적용하도록 하는 것이다. 이에 따라 말뚝의 중간부는 말뚝머리가 강결합이라 하더라도 힌지결합으로 가정하고 계산한 휨모멘트와 비교하여 큰 값을 기준으로 설계하게 된다.

제안 방법

다수의 말뚝을 캡(확대기초)으로 연결하여 하중을 지지하는 다주식 기초에 대하여 캡의 연결부를 강결합 조건과 힌지결합 조건으로 구분하여 말뚝 반력 해석의 합리성을 분석하였으며, 널리 사용 중인 탄성변위법과 라멘식 프레임 해석에 기반한 비선형 해석기법을 비교하여 검토하였다 특히 실제 해상 장대교량의 조건을 대상으로 상부구조와 기초를 연계한 전체 구조계 해석 결과를 분석하여 말뚝머리 구속 조건에 대한 기초 부재 단면력 산정의 적정성을 파악하였다. 결론을 정리하면 다음과 같다.
단면력에 대해서는 동일한 조건을 기준으로 말뚝 머리를 힌지로 간주하여 해석한 결과를 함께 도시하였다. 그림 15에서 강결합 연결시 말뚝 머리부에서, 힌지 연결 시 지중부에서 최대의 모멘트가 발생하는 것을 알 수 있다.
점성토층, 사질토층, 암반층에 관입된 대구경 현장 타설 말뚝을 적용한 실제 조건의 해상 장대교량 기초 시스템을 모델링하여 상부에서 전달되는 하중과 파랑하중 등 수중부에서 가해지는 하중에 의하여 파일캡과 연결된 각 말뚝에서 발생하는 휨모멘트 전단력, 압축력 등 반력을 산정하고 PM 상관도 분석과 지지력 산정을 통해 말뚝 부재의 안정성을 검토하였다. 또한 힌지조건에 대해서도 각 부재력을 산정하여 강결합 조건에 대한 결과와 비교하였다.
산정된 지반면의 반력을 FB-PIER의 하중으로 입력하여 말뚝-지반 비선형 해석을 실시해서 6x6 강성행렬을 통해 스프링정수(Ki)를 구한다. 다음으로 전체계 모델 지반면의 경계조건을 이 스프링정수(Ki)로 하고, 지 반면의 반력(R2)을 다시 산정한다.
이 논문에서는 대구경 현장타설말뚝 그룹을 연결하는 지면 돌출형 파일캡을 가진 해상 다주식 기초 시스템에서 말뚝과 확대기초의 결합조건에 대한 해석 결과와 적용 실례를 분석하였으며 특히 말뚝이 파일캡에 강결된 라멘구조 모델로 간주한 엄밀해석을 통해 말뚝과 파일 캡의 하중 및 응력 상태를 평가하였다. 이를 위해 사례 구조물에 대하여 하중조합에 따라 결정한 상부하중 (사하중, 활하중, 온도하중, 지점 침하, 크리프, 건조 수 죽, 풍흐)중, 지진하중 등)을 기준으로 전체계 해석을 통해 파일캡에 전달되는 연직력, 수평력, 모멘트를 산정하고 강결합 모델링을 통해 말뚝별 하중과 본체 응력 조건을 평가하였다.
이러한 라멘식 모델링을 바탕으로 그림 10과 같이 직경 3.0m의 현장타설말뚝 24본을 3x8 배열로 연결하는 파일 캡 구조의 대형 다주식 기초를 가진 교량에서 말뚝기초와 파일캡, 상부구조(기둥)를 포함하는 전체계 해석을 수행하였다. 수심 20m 아래의 해저면에는 해성퇴적층인실트질 점성토층과 풍화잔류토층인 사질토층, 그리고 기반암이 순차적으로 분포한다.
이러한 해석을 통해 다주식 파일캡 구조에서 상부에서 전달되는 하중과 파랑하중 등 수중부에서 가해지는 하중에 의하여 파일캡과 연결된 각 말뚝의 반력, 즉 휨모멘트, 전단력, 압축력 등 부재력을 산정하였다. 그 결과 파일 캡의 최외측 말뚝(그림 12에서 1, 9, 17번)의 하중 조건이 단면 설계를 지배하는 것으로 나타났는데, 표 3은 평상시 조건, 지진시 조건을 각각 지배하는 말뚝에서 부재의 작용 전단력과 내력을 산정한 것이다.
하중 및 응력 상태를 평가하였다. 이를 위해 사례 구조물에 대하여 하중조합에 따라 결정한 상부하중 (사하중, 활하중, 온도하중, 지점 침하, 크리프, 건조 수 죽, 풍흐)중, 지진하중 등)을 기준으로 전체계 해석을 통해 파일캡에 전달되는 연직력, 수평력, 모멘트를 산정하고 강결합 모델링을 통해 말뚝별 하중과 본체 응력 조건을 평가하였다.
또한 파일 캡과 말뚝의 강성 변화, 2방향 이상의 동시 재하에대한 3차원 비선형 해석이 필요하므로, 말뚝 머리를 캡에 강결합하고 말뚝이 탄성판에 지지된 보로 간주하는 라멘(rahinen) 모델링을 통해 상부구조와 연계한 전체 구조계 해석을 수행하는 것이 바람직하다. 점성토층, 사질토층, 암반층에 관입된 대구경 현장 타설 말뚝을 적용한 실제 조건의 해상 장대교량 기초 시스템을 모델링하여 상부에서 전달되는 하중과 파랑하중 등 수중부에서 가해지는 하중에 의하여 파일캡과 연결된 각 말뚝에서 발생하는 휨모멘트 전단력, 압축력 등 반력을 산정하고 PM 상관도 분석과 지지력 산정을 통해 말뚝 부재의 안정성을 검토하였다. 또한 힌지조건에 대해서도 각 부재력을 산정하여 강결합 조건에 대한 결과와 비교하였다.
교축직각방향으로 지진력 작용 시의 관성력이 교축방향에 비해 약 3배가 크기 때문에 두 방향의 값은 결과적으로 유사하다. 파일캡은 강체로 간주하며, 이와 강결된 직경 3.0m의 현장타설말뚝 24본은 각각 길이방향으로 배근 조건을 4종류로 달리하여 강성이 변화하는 부재로 고려하였다 또한 말뚝의 길이는 일정하지 않으며, p-y 해석법을 적용하여 비선형 스프링으로 모델링하였다. 말뚝체의 측면에서는 연직방향 전단지반저항(ksv), 수평방향 전단지반저항(ksH)이 발생하며, 스프링지점으로 고려되는 하단부에서는 연직 방향 지반저항(kv)이 발휘되어 하중을 지지한다.

이론/모형

수심 20m 아래의 해저면에는 해성퇴적층인실트질 점성토층과 풍화잔류토층인 사질토층, 그리고 기반암이 순차적으로 분포한다. 상부구조 해석에는 범용 유한요소해석 프로그램 인 lMIDAS/CIVL, > 적용하였으며, 하부구조에 대해서는 지반에 대한 비선형 유한요소해석이 가능한 TB-PIER' 프로그램(Hoit 등, 1996)을 사용하였다. 지반의 비선형 하중전이 특성과 말뚝-파일 캡 상호작용을 고려할 수 있는 군말뚝 해석 프로그램인 'Group(Reese & Wang, 2004)'도 적용이 가능하다.

성능/효과

(2) 해상교량과 같이 파일캡이 수면, 또는 수중부에 위치하여 말뚝이 지면 위로 일정 길이 이상 돌출되는 다주식 기초에서는 말뚝머리를 힌지로 고려할 경우지 중부에서 매우 큰 휨모멘트와 전단력이 유발되며, 말뚝머리의 수평변위량이 크게 증가하여 강결합 조건에 비해 단면 설계가 극단적으로 과도해질 수 있다「3.0m 직경의 대구경 현장타설말뚝을 적용한 해상 다주식 기초에 대하여 하중에 대한 내력비를 산정한 결과, 강결합 조건에서는 그 값이 0.88(머리부) 로서 1.0 미만인 기준을 만족하였으나, 힌지 조건에서는 2.6배나 큰 2.26(지중부)이 되어 정상적인 단면설계가 어려운 것으로 나타났다.
(3) 회전스프링정수(Kr)는 말뚝머리와 캡의 구속 조건과 밀접한 관련이 있는데, 직경 2.0m의 현장타설 콘크리트말뚝의 경우에 그 값이 L45xl06tf・m/rad(3.0m 말뚝은 4.90xl06tf・m/rad)으로 산정되었다. 말뚝의 降과 최대휨모멘트 수평변위의 관계에서 女이 LOxloem/rad 이상인 조건에서 말뚝머리의 휨모멘트가 최대 값이 되고, 동시에 지중부 최대휨모멘트와 머리부 수평 변위량은 최소가 되어 말뚝머리 구속 조건과 사실상 동일한 상태가 되므로, 강성이 매우 큰 대구경 현장 타설 말뚝에 대하여 힌지조건을 적용하는 것은 과다설계의 원인이 된다.
(4) 해상 장대 교량은 파일캡의 규모가 커서 각 말뚝 길이가 다르거나, 지층 조건이 상이할 가능성이 많으며, 또한 파압과 유수압 등을 고려해야 하므로 널리 사용 중인 탄성변위법은 적합하지 않다. 또한 파일 캡과 말뚝의 강성 변화, 2방향 이상의 동시 재하에대한 3차원 비선형 해석이 필요하므로, 말뚝 머리를 캡에 강결합하고 말뚝이 탄성판에 지지된 보로 간주하는 라멘(rahinen) 모델링을 통해 상부구조와 연계한 전체 구조계 해석을 수행하는 것이 바람직하다.
(5) 말뚝과 파일캡의 단면 설계 및 연결부 해석은 군 말뚝 시스템을 합리적으로 해석하는 근간이 되며, 장대교량에서 경제적인 설계를 도모할 수 있는 중요한 요소임에도 불구하고, 국내에서는 지반공학 기술자들의 관심이 상대적으로 낮아 신뢰성 높은 엄밀해석 대신 변위법 등 기존의 간편법에 의존하여 보수적인 설계를 실시하는 것이 일반적이다. 이 분야에 대한 참신한 해석기법 연구와 실무 적용-을 위한 시방 규정 정비를 통해 초장대교량 건설을 위한 요소기술을 확보하는 것이 시급하다.
말뚝 머리를 힌지로 해석하여 부재의 내력을 확보하기 위해서는 극단적으로 비경제적인 설계가 불가피하며, 이 경우에도 말뚝 수평변위량이 구조계에서 허용 가능한 값인 지의 여부를 별도로 검토하여야 한다. 결론적으로, 3장에서 언급한 바와 같이 대구경 현장타설말뚝을 이용한 해상의 다주식 기초 시스템의 해석에 힌지조건을 적용하는 것은 공학적으로 합리적이지 못하다.
이를 근거로 각 말뚝 부재에 대하여 AISC(1999), AASHTOQ004)에서 제시하는 압축력과 휨을 받는 조건의 LRFD 검토식 (2)를 적용한 결과, 힌지조건의 경우가 상대적으로 부재응력이 불리한 것으로 나타났으나0.92, B교대: 0.78XJ.76), 동일한 단면에서 큰 차이 없이 안정성을 확보하고 있음을 알 수 있다.

참고문헌 (16)

AASHTO (2004), LRFD Bridge Design Specifications : 3rd Ed., AASHTO, Washington DC, pp.(5)136, (5)166-170, (10)55
AISC (1999), Load and Resistance Factor Design : LRFD Specification for Structural Steel Buildings and Commentary, American Institute of Steel Construction, Chicago, IL
FHWA (1999), "Drilled Shaft ; Construction Procedures and Design Method"
Hoit, M.I., McVay, M., Hays, C., and Andrade, P.W. (1996), "Nonlinear Pile Foundation Analysis using Florida-Pier", Journal of Bridge Engineering, Vol.1, No.4, pp.135-142

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Reese, L.C. and Wang, S.T. (2004), "Analysis of a Group Piles Subjected to Axial and Lateral Loading", Group6.0, Ensoft Inc
Yang, Zhaohui and Jeremi, BorisZ (2003), "Numerical study of group effects for pile groups in sands", International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, Vol.27, Issue 15, pp.1255-1276

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Zhang H.H, and Small, J.C. (2000), "Analysis of Capped Pile Groups Subjected to Horizontal and Vertical Loads", Computers and Geomechanics, Vol.26, pp.1-21

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대한토목학회 (2001), 도로교설계기준 해설 : 하부구조편
원진오, 정상섬 (2005), 교량 말뚝기초 해석기법의 적용성 분석, 한국지반공학회 논문집, 제21권 4호, pp.123-134.

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원진오, 정상섬 (2005), 교량 말뚝기초의 캡 강성을 고려한 비선 형 3차원 해석, 한국지반공학회 논문집, 제21권 6호, pp.19-30

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정상섬, 정상훈, 원진오 (2001), "Analysis of Pile Cap Interaction by Load Transfer Approach", 한국지반공학회 논문집, 제17권 3 호, pp.95-102
玉野治光, 變位が制限される基礎の設計について, 第6回日本道路會議論文集
日本道路協會(1992), 杭基礎設計便覽.
日本道路協會(2002), 道路橋示方書.同解說.
鐵道綜合技術硏究所(2000), 鐵道構造物等設計標準.同解說:基礎構造物.抗土壓構造物, 運輸省鐵道局監修
？間達雄外(1981), 杭頭部べ초および合理的水平變位量を考慮した杭基礎設計法, 土木硏究所資料第1715？

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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