도심지의 제한된 공간에서 대형 건축 지하구조물을 축조하기 위한 지하 굴토공사는 주변지반의 안정이 최우선 되어야 하며, 이를 위해서 흙막이 공사가 필수적으로 검토되어야 한다. 가설 흙막이 구조에서 응력부담재로 주로 사용되고 있는 H-Pile은 주열식 흙막이 벽체에서 지하외벽의 시공 이후에는 방치되므로 재료의 낭비를 초래하게 된다. 이를 개선하기 위하여 가설재인 H-Pile과 지하벽을 합성한 합성지하벽 공법이 개발되어 현재 많은 국내의 현장에 활용되고 있다. 본 연구에서는 지하합성벽의 전단내력을 평가하기 위하여 총 5개의 실험체를 제작하였다. 실험변수로는 전단연결재에 따른 합성율과 벽체 두께를 변수로 하여 실험을 실시하였으며, 기준식에서 제시하는 콘크리트 전단강도와 H-Pile의 전단강도를 실험값과 비교 분석하였다. 실험결과 합성율이 증가함에 따라 전단강도는 상승하지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 합성지하벽의 전단강도 산정시, 콘크리트 강재의 웨브 뿐만아니라, 강재플랜지의 기여도를 고려한 새로운 식을 제시하고 이를 이용한 계산결과와 실험결과를 비교한 결과 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
도심지의 제한된 공간에서 대형 건축 지하구조물을 축조하기 위한 지하 굴토공사는 주변지반의 안정이 최우선 되어야 하며, 이를 위해서 흙막이 공사가 필수적으로 검토되어야 한다. 가설 흙막이 구조에서 응력부담재로 주로 사용되고 있는 H-Pile은 주열식 흙막이 벽체에서 지하외벽의 시공 이후에는 방치되므로 재료의 낭비를 초래하게 된다. 이를 개선하기 위하여 가설재인 H-Pile과 지하벽을 합성한 합성지하벽 공법이 개발되어 현재 많은 국내의 현장에 활용되고 있다. 본 연구에서는 지하합성벽의 전단내력을 평가하기 위하여 총 5개의 실험체를 제작하였다. 실험변수로는 전단연결재에 따른 합성율과 벽체 두께를 변수로 하여 실험을 실시하였으며, 기준식에서 제시하는 콘크리트 전단강도와 H-Pile의 전단강도를 실험값과 비교 분석하였다. 실험결과 합성율이 증가함에 따라 전단강도는 상승하지만 그 차이는 크지 않은 것으로 나타났다. 합성지하벽의 전단강도 산정시, 콘크리트 강재의 웨브 뿐만아니라, 강재플랜지의 기여도를 고려한 새로운 식을 제시하고 이를 이용한 계산결과와 실험결과를 비교한 결과 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
When doing underground excavation works for the purpose of constructing large underground structures for a building in the limited space in downtown area, the stability of the adjacent ground must be top priority, and to accomplish this, it is essential to review the retaining wall construction care...
When doing underground excavation works for the purpose of constructing large underground structures for a building in the limited space in downtown area, the stability of the adjacent ground must be top priority, and to accomplish this, it is essential to review the retaining wall construction carefully. H-Pile, which has been mainly used as a stress-carrying material in temporary earth-retaining structures, is most likely to be abandoned after completion of the works for the basement exterior wall in relation to contiguous bored piles, so it will result in a waste of material. To improve this situation, Basement Composite Wall where H-Pile and basement wall are compounded, has been developed. This wall is being used most frequently in many local construction sites. In this study, five specimens are made in order to evaluate the shear resistance of the basement composite wall and tested. Test parameter is the composition ratio and wall thickness according to shear connectors. Test result shows that the shear strength is improved when the composite ratio is increased but the magnitude is not much. A formula, which considers the contribution of concrete, web of H-pile as well as flange' effect in calculation of shear strength of composite basement wall, is suggested and used to calculation of the strength of specimens. It is found that there is a good co-relation between test result and the calculated one by the formula.
When doing underground excavation works for the purpose of constructing large underground structures for a building in the limited space in downtown area, the stability of the adjacent ground must be top priority, and to accomplish this, it is essential to review the retaining wall construction carefully. H-Pile, which has been mainly used as a stress-carrying material in temporary earth-retaining structures, is most likely to be abandoned after completion of the works for the basement exterior wall in relation to contiguous bored piles, so it will result in a waste of material. To improve this situation, Basement Composite Wall where H-Pile and basement wall are compounded, has been developed. This wall is being used most frequently in many local construction sites. In this study, five specimens are made in order to evaluate the shear resistance of the basement composite wall and tested. Test parameter is the composition ratio and wall thickness according to shear connectors. Test result shows that the shear strength is improved when the composite ratio is increased but the magnitude is not much. A formula, which considers the contribution of concrete, web of H-pile as well as flange' effect in calculation of shear strength of composite basement wall, is suggested and used to calculation of the strength of specimens. It is found that there is a good co-relation between test result and the calculated one by the formula.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 합성율에 따른 무지주 합성지하벽의 전단내력을 평가하기 위해 벽체 두께, 합성율에 따른 전단성능규명과 전단내력산정식과의 비교․ 분석을 통해 무지주합성지하벽의 설계자료를 제시하고자 한다.
본 연구에서 합성율에 따른 무지주 합성지하벽의 전단 내력을 평가하기 위해 벽체 두께, 합성율에 따른 전단성능규명과 전단내력 산정식과의 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
또한 모든 실험체의 콘크리트 표면에 균열발생 및 균열 진행상태를 관찰하기 위하여 격자선을 표시하였다. Fig. 3과 같이 실험체의 수직처짐을 측정하기 위하여 철골 중앙하부와 콘크리트 중앙부에 변위계를 설치하였으며 Fig. 4와 같이 합성율에 따른 헤드스터드의 변형도를 측정하기 위하여 Strain Gage를 설치하였다.
각 실험체의 거동을 비교․ 분석하기 위하여 Park(1989)이 제시한 항복 하중정의를 기준으로 하여 Fig. 10과 같이 하중-횡변형도 곡선을 일반화 하였다.
3과 같이 2000kN 용량의 오일잭을 이용하여 단조재하하였다. 또한 모든 실험체의 콘크리트 표면에 균열발생 및 균열 진행상태를 관찰하기 위하여 격자선을 표시하였다. Fig.
대상 데이터
2는 실험체 상세를 나타낸다. 벽체 두께가 150mm인 W15 실험체는 합성율에 따른 전단실험이며, C60 실험체는 벽체 두께에 대한 전단실험체이다.
실험체 설계를 위한 대상건물은 합성지하벽 공법이 적용된 지하 3층을 대상으로 총 5개의 실험체를 제작하였으며 실험체는 실제 구조물의 합성지하벽을 1/3로 축소한 크기이다. 실험에서 고려한 주요변수는 합성율과 벽체의 두께에 따라 전단경간비(a/d) 1인 실험체를 제작하였다.
실험체 설계를 위한 대상건물은 합성지하벽 공법이 적용된 지하 3층을 대상으로 총 5개의 실험체를 제작하였으며 실험체는 실제 구조물의 합성지하벽을 1/3로 축소한 크기이다. 실험에서 고려한 주요변수는 합성율과 벽체의 두께에 따라 전단경간비(a/d) 1인 실험체를 제작하였다.
실험체는 실제의 합성지하벽의 연속 스팬의 부모멘트 구간을 채택하여 Fig. 3과 같이 2000kN 용량의 오일잭을 이용하여 단조재하하였다. 또한 모든 실험체의 콘크리트 표면에 균열발생 및 균열 진행상태를 관찰하기 위하여 격자선을 표시하였다.
콘크리트는 레디믹스트 콘크리트를 사용하였으며, KSF 2404에 따라 직경 100, 높이 200의 몰드를 사용하여 제작하였다. 평균압축강도는 19MPa로 나타났다.
이론/모형
기존 전단내력식을 보면 강재와 콘크리트의 전단내력식, 강재+콘크리트 전단내력식으로 나누어지는데 강재의 전단내력식은 AISC(American Institute of Steel Construction)식으로 산정하고, 콘크리트 전단내력식으로는 콘크리트 설계기준과 실험식인 Zsutty 식, Bazant 식으로 산정하였다. 또한 강재+콘크리트 전단내력식은 일본토목학회(JSCE) 식으로 산정하였다.
기존 전단내력식을 보면 강재와 콘크리트의 전단내력식, 강재+콘크리트 전단내력식으로 나누어지는데 강재의 전단내력식은 AISC(American Institute of Steel Construction)식으로 산정하고, 콘크리트 전단내력식으로는 콘크리트 설계기준과 실험식인 Zsutty 식, Bazant 식으로 산정하였다. 또한 강재+콘크리트 전단내력식은 일본토목학회(JSCE) 식으로 산정하였다.
성능/효과
1) 합성지하벽의 전단강도는 벽체 두께에 따라 증가하였고, 벽체 두께가 증가할수록 항복하중이후 바로 최대하중에 도달하여 취성적인 거동을 나타내었다.
2) 본 연구에서의 대상으로 한 합성율 범위내에서 전단강도는 합성율이 증가할수록 다소 상승하는 것으로 나타났으나, 전반적으로 강도의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
3) 콘크리트의 전단성능을 고려하기 위하여 기존식으로 콘크리트강도를 산정하고, 강재웨브의 전단강도와 합산한 결과 전체적으로 기존 식이 실험결과를 매우 과소평가하는 것으로 나타났다.
3) 헤드스터드로 합성된 합성벽의 전단강도 산정시 일반적인 합성보의 전단강도에서와 같이 강재의 전단강도만으로 산정할 경우 실험값과 큰 차이가 나타났다. 이는 합성보에서의 콘크리트와 달리 본 연구에서의 합성벽은 단부에서 콘크리트가 압축응력상태로서 충분히 전단에 저항할 수 있기 때문으로 사료된다.
4) 이에 따라 기존의 콘크리트 전단강도식에 강재의 웨브에 의한 전단강도를 고려할 뿐만 아니라 강재 플랜지에 의한 영향을 고려한 새로운 식을 제시하고 또한 이 식에 합성율의 영향을 반영하여 합성벽의 전단강도를 산정한 결과, 실험결과와 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
Fig. 11에 나타낸 하중-변위 곡선을 바탕으로 실험체별 거동을 비교하여 보면 합성율이 60%인 실험체 C60-W15 실험체는 최대하중이 1143kN로 나타났고, 40%인 C40-W15 실험체는 최대하중이 1059kN, 30%인 C30-W15 실험체는 1119kN으로 거의 유사하게 나타난 반면 최대하중시의 변위를 살펴보면 C60-W15 실험체는 24.48 mm, C40-W15 실험체는 12.20mm, C30-15 실험체는 12.78mm로 나타나 최대하중 시 변위가 C60-W15실험체가 가장 크게 나타났다. 하지만 합성율에 따라서 C30-W15 실험체가 C40-W15 실험체보다 최대 하중이 크게 나타난 것은 실험상 발생하는 오차범위로 판단되며, 기본적으로 합성율 30%와 40%의 경우에는 내력상의 차이가 없는 것으로 사료된다.
기존 전단내력에 의한 계산값과 실험값를 비교해보면 전단내력산정 시 강재의 전단강도를 유효한 전단강도로 사용할 경우 강재의 크기가 동일하기 때문에 전단강도 역시 동일하게 나타났다. 또한 콘크리트의 전단강도(Vc) 산정시 콘크리트의 유효깊이만을 전단강도로 산정한 경우 Vexp.
후속연구
따라서 본 연구에서의 합성지하벽의 전단강도 산정시에는 강재의 웨브뿐만 아니라 플랜지의 전단에 대한 기여도를 고려할 필요가 있는 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
연구에서 합성율에 따른 무지주 합성지하벽의 전단 내력을 평가하기 위해 벽체 두께, 합성율에 따른 전단성능규명과 전단내력 산정식과의 비교분석한 결론은 무엇인가?
1) 합성지하벽의 전단강도는 벽체 두께에 따라 증가하였고, 벽체 두께가 증가할수록 항복하중이후 바로 최대하중에 도달하여 취성적인 거동을 나타내었다.
2) 본 연구에서의 대상으로 한 합성율 범위내에서 전단강도는 합성율이 증가할수록 다소 상승하는 것으로 나타났으나, 전반적으로 강도의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다.
3) 헤드스터드로 합성된 합성벽의 전단강도 산정시 일반적인 합성보의 전단강도에서와 같이 강재의 전단강도만으로 산정할 경우 실험값과 큰 차이가 나타났다. 이는 합성보에서의 콘크리트와 달리 본 연구에서의 합성벽은 단부에서 콘크리트가 압축응력상태로서 충분히 전단에 저항할 수 있기 때문으로 사료된다.
4) 콘크리트의 전단성능을 고려하기 위하여 기존식으로 콘크리트강도를 산정하고, 강재웨브의 전단강도와 합산한 결과 전체적으로 기존 식이 실험결과를 매우 과소평가하는 것으로 나타났다.
5) 이에 따라 기존의 콘크리트 전단강도식에 강재의 웨브에 의한 전단강도를 고려할 뿐만 아니라 강재 플랜지에 의한 영향을 고려한 새로운 식을 제시하고 또한 이 식에 합성율의 영향을 반영하여 합성벽의 전단강도를 산정한 결과, 실험결과와 좋은 대응을 보이는 것으로 나타났다.
합성벽이란?
합성벽은 강재와 콘크리트 부재가 하나의 단일부재로 거동을 할 수 있도록 헤드스터드를 통해 합성하는 구조부재이다. 이때 합성율에 따라 완전합성과 불완전합성으로 나누어지며 불완전합성 일 경우 하중이 작용 할 경우 합성단면이 충분히 내력을 발휘하기 전에 헤드스터드가 먼저 파괴된다.
최근 지하공간의 필요성이 대두되어 지는 이유는?
최근 건축물의 대형화, 고층화됨에 따라 지하공간의 필요성이 대두되어 지고 있다. 이러한 지하공간의 지하옹벽 시공 시 도심지에 시공될 경우 작업공간의 확보와 공기단축을 위하여 지주없이 시공할 수 있는 구조시스템 개발이 절실히 요구되어 지고 있다.
이성호, 역T형 합성 지하벽의 구조적 거동에 관한 실험적 연구, 한양대학교 박사학위논문, 2002.
초대형 구조 시스템 연구 센터, 삼성중공업(주), "CBS 공법의 개발 및 성능 평가에 관한 연구", 2001.
AISC Committee on the Code of Standard Practice, Code of Standard Practice for Steel Buildings and Bridges, ASIC 360-05, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, IL, 2005
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI318-08) and Commentary (AC I318R-08), ACI, 2008
Bazant, Zdenek P., and Kim, Jin-Keun, "Size Effect in Shear Failure of Longitudinally Reinforced Beams", ACI Journal, Proceedings V. 81, No. 5, Sept.-Oct., 1984.
JSCE, "Standard Specification for Design and Construction of Concrete Structures", Part I(Design), Japan Society of Civil Engineers, Tokyo, 1991.
R. Park, "Evaluation of Ductility of Structures and Structural Assemblages from Laboratory Testing," Bulletin of The New Zealand National Society for Earthquake Engineering, Vol. 22, No. 3, September, 1989.
Zsutty, Theodore C, "Beam Shear Strength Prediction by Analysis of Existing Data", ACI Journal, Proceedings V. 65, No. 11, Nov., 1968.
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