PHC 말뚝에서 강선을 노출시켜 건축물의 기초판과 연결시키는 기존 강선남김 방식은 강결합과 힌지결합의 중간형태로 공동주택(아파트)과 같은 건축구조물에 흔히 사용되는 방법이다. 그러나 이 방법은 역학적인 성능이 검증되지 않았으며 시공과정도 복잡하다. 이에 본 연구는 기존 관련 연구의 결과를 분석하고, PHC 말뚝의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.3%를 말뚝 접합부의 최소 철근보강량으로 선정하여 PHC 말뚝과 기초판과의 최적의 철근보강 방법을 말뚝 규격별(PHC 450, PHC 500, 및 PHC 600)로 제시하였다. PHC 말뚝과 기초판 접합부의 역학적 성능(인장강도와 전단강도)을 평가하기 위해 실물크기의 실험을 실시하였다. 그 결과, 모든 경우에 대해 요구강도를 만족하였으며 실제 적용되어도 문제가 없음을 확인하였다. 본 결과는 기존 연구에서 제시되었던 접합부의 철근 보강량보다 그 양이 대폭 감소하는 것으로 나타나 PHC 말뚝 시공 시 원가 절감에도 기여할 것으로 판단된다.
PHC 말뚝에서 강선을 노출시켜 건축물의 기초판과 연결시키는 기존 강선남김 방식은 강결합과 힌지결합의 중간형태로 공동주택(아파트)과 같은 건축구조물에 흔히 사용되는 방법이다. 그러나 이 방법은 역학적인 성능이 검증되지 않았으며 시공과정도 복잡하다. 이에 본 연구는 기존 관련 연구의 결과를 분석하고, PHC 말뚝의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.3%를 말뚝 접합부의 최소 철근보강량으로 선정하여 PHC 말뚝과 기초판과의 최적의 철근보강 방법을 말뚝 규격별(PHC 450, PHC 500, 및 PHC 600)로 제시하였다. PHC 말뚝과 기초판 접합부의 역학적 성능(인장강도와 전단강도)을 평가하기 위해 실물크기의 실험을 실시하였다. 그 결과, 모든 경우에 대해 요구강도를 만족하였으며 실제 적용되어도 문제가 없음을 확인하였다. 본 결과는 기존 연구에서 제시되었던 접합부의 철근 보강량보다 그 양이 대폭 감소하는 것으로 나타나 PHC 말뚝 시공 시 원가 절감에도 기여할 것으로 판단된다.
Method of protruding steel bar embedded in PHC pile for connecting with foundation plate is an intermediate form of fixed and hinged connection and has often been used in architectural structures such as apartment complex. However, mechanical properties of this method have not been proved and its co...
Method of protruding steel bar embedded in PHC pile for connecting with foundation plate is an intermediate form of fixed and hinged connection and has often been used in architectural structures such as apartment complex. However, mechanical properties of this method have not been proved and its construction process is not simple. In this study, therefore, by analyzing previous research and by considering ratio of steel bar and concrete in PHC pile, which is minimum reinforcement of rebar, the newly optimized method of reinforcing joint of PHC pile and foundation plate is suggested with respect to PHC pile type (PHC 450, PHC 500, and PHC 600). To assess mechanical properties (ultimate tensile and shear strength) of joint of PHC pile and foundation plate, full scale experimental tests are performed. As a result, all cases are satisfied with required design criteria and can be practically applied. Our results indicate that reduction of rebar reinforcement compared to previous method would lead cost saving in PHC pile construction.
Method of protruding steel bar embedded in PHC pile for connecting with foundation plate is an intermediate form of fixed and hinged connection and has often been used in architectural structures such as apartment complex. However, mechanical properties of this method have not been proved and its construction process is not simple. In this study, therefore, by analyzing previous research and by considering ratio of steel bar and concrete in PHC pile, which is minimum reinforcement of rebar, the newly optimized method of reinforcing joint of PHC pile and foundation plate is suggested with respect to PHC pile type (PHC 450, PHC 500, and PHC 600). To assess mechanical properties (ultimate tensile and shear strength) of joint of PHC pile and foundation plate, full scale experimental tests are performed. As a result, all cases are satisfied with required design criteria and can be practically applied. Our results indicate that reduction of rebar reinforcement compared to previous method would lead cost saving in PHC pile construction.
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문제 정의
1. 본 연구에서는 철근보강 방식의 말뚝머리 보강법에 대하여 최소철근비를 적용한 최적 철근보강상세를 PHC 450, PHC 500, 그리고 PHC 600에 대해 제시하였다. 기존의 강선남김 방식에 의한 철근량만으로도 말뚝의 압축 및 수평전단 내력을 충분히 견딜 수 있는 것으로 확인되어 강선남김 방식의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.
8% 철근량이 기존 대비 감소하는 것으로 나타났다. PHC 450의 경우 동일한 철근비에서 철근 4개보다는 6개로 보강하는 것이 역학적으로 더 유리할 것으로 판단하였으며, 본 연구에서는 실험을 통하여 그 역학적 성능을 규명하고자 한다.
본 논문은 전술된 문제점을 해결하기 위한 철근보강 방법의 일환으로 PHC 말뚝머리와 기초판과의 접합상세와 관련된 기존 연구결과들을 분석하고, 기존의 강선남김방식에서 사용된 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비와 현장타설 말뚝에 사용되는 철근보강량을 기준으로 말뚝규격별로 실물실험을 실시하여 최적화된 철근보강 방식을 새롭게 제안하고자 한다.
표 8에서 나타난 바와 같이 해석결과로서는 말뚝머리에 모멘트와 인발력이 작용하지 않는 것으로 나타났으나, 지하층이 있는 공동주택의 저층공사 또는 지하주차장 공사 중에 지하수위 상승에 의한 부력이 발생하는 경우 말뚝머리에 인발력이 작용할 가능성이 있음으로 본 연구에서는 이에 대한 검토를 목적으로 인발내력도 검토하였다.
제안 방법
계측은 실험과정에서 말뚝을 중심으로 상·하부에 설치된 기초부의 상대적 변위를 측정하였으며, 상하, 좌우 대칭으로 변위계를 설치하여 편심으로 인한 오차를 최소화하였다.
수평전단실험은 그림 6과 같이 PHC 말뚝규격별로 상부에서 설계압축력을 가력한 상태에서 측면 전단력을 작용시켜 실험을 실시하였다. 이 때 수평전단력은 가능한 한 기초판 가까이에 위치한 말뚝 부위에 가력될 수 있도록 오일 잭을 기초판에 최대한 밀착시켜 하중을 재하하였으며, 실험이 진행 되는 동안 작용 수평력과 하중점 변위를 계측하였다.
실험항목은 압축, 전단, 인발 및 휨인발 성능에 관한 것이며, 기존의 강선남김 방식(그림 1) 및 무보강방식과 비교하였다. 표 1은 말뚝머리 보강상세별 역학성능 실험결과를 나타낸 것으로 제안된 방법이 기존의 강선남김 방법과 비교하여 실험된 모든 항목에 대하여 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
수평전단실험은 그림 6과 같이 PHC 말뚝규격별로 상부에서 설계압축력을 가력한 상태에서 측면 전단력을 작용시켜 실험을 실시하였다. 이 때 수평전단력은 가능한 한 기초판 가까이에 위치한 말뚝 부위에 가력될 수 있도록 오일 잭을 기초판에 최대한 밀착시켜 하중을 재하하였으며, 실험이 진행 되는 동안 작용 수평력과 하중점 변위를 계측하였다.
그림 5와 그림 6에 인발실험과 수평전단실험의 실험체 설치전경을 나타내었다. 인발실험은 실험체에 중심 축하중으로써 인발하중이 작용하도록 그림 5와 같이 말뚝과 연결된 하부 기초를 반력바닥에 단단히 고정하고, 상부기초에 인장력을 가하여 말뚝머리와 상부기초 사이에 인발하중이 작용하도록 실험을 실시하였다. 계측은 실험과정에서 말뚝을 중심으로 상·하부에 설치된 기초부의 상대적 변위를 측정하였으며, 상하, 좌우 대칭으로 변위계를 설치하여 편심으로 인한 오차를 최소화하였다.
저자에 의해 수행된 기존 실험결과[박종배 등, 2009]에 의해 기존의 강선남김 방식에 의한 철근량만으로도 말뚝의 압축 및 수평전단 내력을 충분히 확보할 수 있는 것으로 확인된 점에 착안하여 PHC 말뚝의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.3%를 최적 철근보강량으로 선정하였다. 표 3은 현장타설 말뚝에서 일반적으로 사용되고 있는 최대․최소 철근량을 나타낸 것으로 0.
표 4에서 제시된 말뚝규격별 철근보강 상세의 적합성을 검증하기 위하여 표 5와 같이 실물크기 실험체를 제작하여 수평전단 및 인발 실험을 실시하였다. 그림 3과 그림 4는 각각 인발실험과 수평전단실험을 위해 제작한 PHC 450 실험체의 배근상세를 예로서 나타낸 것이다.
현행 설계조건 하에서 제안된 말뚝머리 보강상세의 안전성을 검토하기 위하여 그림 11~그림 13과 같이 최근 널리 사용되고 있는 고층 공동주택의 말뚝기초를 대상으로 말뚝머리에 작용하는 설계하중을 산정하여 표 8에 제시하였다. 산정된 하중은 KBC2005 기준에 의한 하중조합에 따라 지진하중과 연직하중을 건물에 작용시켜 얻은 값이며, 해석 시 MIDAS 프로그램을 사용하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 철근보강 방식의 말뚝머리 보강법에 대하여 최소철근비를 적용한 최적 철근보강상세를 PHC 450, PHC 500, 그리고 PHC 600에 대해 제시하였다. 기존의 강선남김 방식에 의한 철근량만으로도 말뚝의 압축 및 수평전단 내력을 충분히 견딜 수 있는 것으로 확인되어 강선남김 방식의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.3%를 최적 철근보강량으로 선정하였다.
그림 3과 그림 4는 각각 인발실험과 수평전단실험을 위해 제작한 PHC 450 실험체의 배근상세를 예로서 나타낸 것이다. 실험체 제작 시 보강근으로 사용된 HD10과 HD13 철근의 항복강도는 각각 535.2 MPa과 441.1 MPa, 인장강도는 654.6 MPa와 661.4 MPa이며, 콘크리트의 재령 28일 압축강도는 22.5 MPa이다.
데이터처리
현행 설계조건 하에서 제안된 말뚝머리 보강상세의 안전성을 검토하기 위하여 그림 11~그림 13과 같이 최근 널리 사용되고 있는 고층 공동주택의 말뚝기초를 대상으로 말뚝머리에 작용하는 설계하중을 산정하여 표 8에 제시하였다. 산정된 하중은 KBC2005 기준에 의한 하중조합에 따라 지진하중과 연직하중을 건물에 작용시켜 얻은 값이며, 해석 시 MIDAS 프로그램을 사용하였다.
성능/효과
2. 최적 철근보강량(0.3%)을 바탕으로 제안된 말뚝규격별 철근보강상세에 대하여 실대형 역학성능실험을 실시하고 그 결과를 공동주택의 말뚝머리에 작용하는 설계하중과 비교한 결과, 인발과 수평전단에 대하여 2배 이상의 안전율을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.
3. 본 연구에서 제시한 말뚝머리 철근보강량은 기존 연구에서 제시한 PHC 450에 대한 철근보강량보다 최고 40.8% 감소하는 것으로 나타나 원가절감에도 기여할 것으로 기대된다.
그림 10으로부터 수평전단에 의한 말뚝머리와 기초판 접합부는 충분히 안정적이고 연성적인 거동을 보이는 것으로 나타났으며, 철근보강량의 차이가 적은 PHC 450과 PHC 500 은 유사한 거동을 보인 반면 PHC 450 대비 철근보강량의 차이가 큰 PHC 600은 큰 내력의 차이를 나타내어 철근보강량의 차이에 따른 효과를 분명하게 보여주었다.
실험체의 파괴는 그림 9에서 보듯이 모든 실험체가 공통적으로 PHC말뚝의 압괴가 아닌 철근콘크리트 기초부 연단에 서의 파괴에 의해 최종파괴에 도달하였다. 기초부는 설계기준에 의한 최소 연단길이 규정을 만족하도록 제작되었으나 최종파괴가 기초부에서 발생함에 따라 말뚝의 최대 수평내력은 본 실험에서 결정된 강도보다 훨씬 큰 내력을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 한 가지 주목되는 점은 실험결과 나타난 PHC 450말뚝의 최대 수평전단강도(1,040 kN)가 기존연구[박종배 등, 2009]에서 PHC 450을 6-HD13으로 보강했을 때의 최대 수평전단강도(300.
또한 표 2로부터 말뚝머리에는 수동토압이 작용하지 않을 경우 39.0∼62.0 kN 정도의 수평하중이 작용하나 실험으로부터 확인된 전단내력은 제안된 철근보강 방법과 기존 강선남김 방법이 각각 300.9 kN과 235.4 kN이므로 수평하중에 대해서도 충분한 안전율을 가지고 저항할 수 있는 것으로 나타났다.
실험체의 파괴형태는 모든 실험체에서 공통적으로 말뚝머리 묻힘부(묻힘깊이 5 cm)의 초기 뽑힘 현상이 발생한 이후 말뚝파단과 말뚝주변 콘크리트의 파괴에 의해 최종파괴에 도달하는 양상을 나타내었다.
실험항목은 압축, 전단, 인발 및 휨인발 성능에 관한 것이며, 기존의 강선남김 방식(그림 1) 및 무보강방식과 비교하였다. 표 1은 말뚝머리 보강상세별 역학성능 실험결과를 나타낸 것으로 제안된 방법이 기존의 강선남김 방법과 비교하여 실험된 모든 항목에 대하여 성능이 우수한 것을 확인할 수 있다.
표 1의 실험결과와 표 2의 요구강도를 비교해 보면, PHC 법연구회, 1992] 적용 6-HD13 796.4 0.28 60주) 보강심도는 말뚝직경과 비교하여 적어도 같거나 커야 하는 기준[토목공 450 말뚝의 압축내력은 보강상세와 무관하게 모두 2,655.7 kN이상 보유하고 있는 반면 실제적으로 말뚝머리에서 요구 되는 압축강도는 1,212.9 kN(표 2)정도로 보유내력이 요구강도보다 2배 이상 크기 때문에 제안된 철근보강 방법과 기존 강선남김 방법 모두 충분한 안전율을 가지고 있는 것을 알 수 있다. 또한 표 2로부터 말뚝머리에는 수동토압이 작용하지 않을 경우 39.
표 2는 일반 공동주택에 대하여 자중과 지진하중을 고려하였을 때 말뚝머리(PHC 450)에 작용하는 연직하중과 수평하 중을 산정한 것으로, 말뚝머리에는 실제적으로 모멘트와 인발력은 작용하지 않고 연직하중과 수평하중만이 작용하는 것으로 나타났다. 하지만 지하층이 있는 공동주택의 저층공사나 지하주차장 공사 중에 지하수위 상승에 의한 부력이 발생 하는 경우 말뚝머리에 인발력이 작용할 가능성이 있음으로 이에 대한 고려를 할 필요가 있다
3%를 최적 철근보강량으로 선정하였다. 표 3은 현장타설 말뚝에서 일반적으로 사용되고 있는 최대․최소 철근량을 나타낸 것으로 0.3%의 보강량은 일본의 국철기초표준에 의한 최소보강량 0.2%를 상회하는 값이라는 점에서 PHC 말뚝머리와 기초판 접합부의 역학적인 성능을 확보하는데 충분한 양으로 판단하였으며, 표 4와 같이 PHC 450, PHC 500, 그리고 PHC 600의 말뚝머리와 기초판 접합부의 최적 철근보강량을 결정하였다.
기초부는 설계기준에 의한 최소 연단길이 규정을 만족하도록 제작되었으나 최종파괴가 기초부에서 발생함에 따라 말뚝의 최대 수평내력은 본 실험에서 결정된 강도보다 훨씬 큰 내력을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 한 가지 주목되는 점은 실험결과 나타난 PHC 450말뚝의 최대 수평전단강도(1,040 kN)가 기존연구[박종배 등, 2009]에서 PHC 450을 6-HD13으로 보강했을 때의 최대 수평전단강도(300.9 kN)보다 3배 이상 큰 값으로 나타난 점으로, 이러한 내력의 증가는 기존연구에서와 달리 이번 실험에서는 실제 상황을 반영하여 말뚝머리에 공동주택의 자중에 해당하는 무게를 재하(在荷)한 상태에서 실험한데 기인한 것으로 판단된다.
후속연구
이상의 분석에 근거하여 보면 제안된 철근보강 방법에 의한 말뚝머리의 내력은 설계 요구 값보다 필요 이상으로 크게 나타나고 있어 철근보강량의 최적화를 통하여 비용을 절감하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 또한 공동주택의 고층화에 대응하기 위하여 향후에는 PHC 450뿐만 아니라 PHC 500 및 PHC 600도 사용하게 될 것으로 기대되는 바 이들 말뚝에 대해서도 최적 보강상세를 제시할 필요가 있다고 사료된다.
이상의 분석에 근거하여 보면 제안된 철근보강 방법에 의한 말뚝머리의 내력은 설계 요구 값보다 필요 이상으로 크게 나타나고 있어 철근보강량의 최적화를 통하여 비용을 절감하는 것이 가능할 것으로 판단된다. 또한 공동주택의 고층화에 대응하기 위하여 향후에는 PHC 450뿐만 아니라 PHC 500 및 PHC 600도 사용하게 될 것으로 기대되는 바 이들 말뚝에 대해서도 최적 보강상세를 제시할 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
말뚝기초를 갖는 건축물에서 말뚝의 머리와 건축물의 기초를 적절히 보강하여 접합하는 이유는 무엇인가?
말뚝기초를 갖는 건축물은 상부구조로부터 말뚝기초까지 하중을 효과적으로 전달하기 위하여 말뚝의 머리(두부)와 건축물의 기초를 적절히 보강하여 접합한다. 그림 1은 중공말뚝의 대표격으로 현재 널리 사용되고 있는 PHC 말뚝의 머리 (두부)를 보강하는 종래의 방법을 나타낸 것이다.
PHC 말뚝이란 무엇인가?
PHC(Pretensioned spun High strength Concrete) 말뚝은 강관말뚝과 함께 매입말뚝 공법에 주로 사용되는 콘크리트 말뚝으로 1991년 국내에 도입된 이후 급속도로 활용이 증가하고 있으며[조천환, 2007], 국내에서는 현재 약 150만 본에 이르는 많은 양이 매년 시공되고 있다.
PHC 말뚝에서 강선을 노출시켜 건축물의 기초판과 연결시키는 기존 강선남김 방식의 단점은 무엇인가?
PHC 말뚝에서 강선을 노출시켜 건축물의 기초판과 연결시키는 기존 강선남김 방식은 강결합과 힌지결합의 중간형태로 공동주택(아파트)과 같은 건축구조물에 흔히 사용되는 방법이다. 그러나 이 방법은 역학적인 성능이 검증되지 않았으며 시공과정도 복잡하다. 이에 본 연구는 기존 관련 연구의 결과를 분석하고, PHC 말뚝의 콘크리트 단면적 대비 강선면적 비인 0.
참고문헌 (7)
대한건축학회(2006), "건설교통부제작-건축공사표준시방서", 기문당, pp. 1474.
대한주택공사(2004), "공사감독 핸드북-건축", pp. 76-78.
대한토목학회(2008), 도로교 설계기준 해설.
박종배, 천영수, 심영종(2009), "건축구조물 PHC 말뚝머리 보강 방법에 대한 연구", 한국지반환경공학회 봄학술발표회 논문집, pp. 361-366.
조천환(2007), "매입말뚝공법", 이엔지북, pp. 331.
토목공법연구회(1992), "토질기초공법", 원기술, pp. 225-308.
한국지반공학회(2006), "PHC 말뚝의 설계 및 시공 요령", Report No. KGS06-075, pp. 359.
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