선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 PHC말뚝을 이용한 기존의 복합 또는 합성말뚝에 비해 보다 경제적으로 전단력을 향상시킬 수 있도록 전단철근과 내부충전 콘크리트로 보강된 PHC말뚝(concrete-infilled composite PHC pile, 이하 ICP말뚝) 개발을 위한 연구를 수행하였다. ICP말뚝은 기성 PHC말 뚝의 부족한 전단력을 증진시키기 위하여 Fig.
- 이 연구에서는 기존 PHC말뚝의 전단 저항력을 향상시키기 위하여 전단철근 및 내부충전 콘크리트로 보강한 ICP말뚝을 제안하였다. ICP말뚝의 전단보강 효과를 평가하기 위하여 KS F 4306의 전단강도 시험 방법에 따라 a/d를 1.
가설 설정
- 이며, 유효깊이(d)는 내부충전 콘크리트 계산시 적용한 값과 동일하다. 특히, 전단철근 단면적(Av) 산정시 배근간격 s내에서 단면높이에 따라 전단철근의 다리수(단면적)가 2~4개로 변하게 되므로 가장 불리한 조건인 2개를 전단철근의 다리수로 가정하여 면적 계산에 적용하였다.
제안 방법
- 3(a)와 같이 말뚝 중공부 단면에 진동다짐기를 이용하여 콘크리트만 충전한 Type A 시험체 3개와 Fig. 3(b)와 같이 축방향 철근을 삽입한 후 말뚝 내부에 콘크리트를 충전한 Type B 시험체 3개 등 총 6개의 시험체를 제작하였으며, 콘크리트 타설 시 트레미관과 진동다짐기를 이용하여 재료분리 발생 가능성을 최소화하였다. 이후 콘크리트를 현장에서 타설 후 28일 동안 기건양생을 실시한 후 시험을 수행하였다.
- 1) 허용응력설계법에 따라 말뚝직경 450 mm, 두께 70 mm의 원심성형 말뚝 본체에 D10의 이형철근을 200 mm 간격으로 배근하고, 설계기준압축강도가 40 MPa인 내부충전 콘크리트를 현장 타설하여 ICP말뚝을 제작하였다. ICP말뚝을 설계할 때에 목표 허용 전단력은 상시 120 kN, 지진시 160 kN 이었으며, 그 값은 기존의 교대 기초 설계자료를 토대로 결정한 것이다.
- 2.2절에서 수행한 허용응력 설계를 통해 내부충전 콘크리트, 전단철근의 설계조건을 이용하여 제작된 ICP말뚝 시험의 최대 전단력과 비교하기 위하여 강도설계법에 따라 전단강도를 계산하였다. 강도설계법을 이용할 경우, ICP말뚝이 저항할 수 있는 최대 전단강도를 간단한 계산식을 이용하여 예측할 수 있어 말뚝의 최대 성능을 평가하는 데에 효과적이라고 판단된다.
- 에서 제시하는 시험방법에 따라 측정하였다. Fig. 6에 나타낸 바와 같이 말뚝 총 길이 3,000 mm에 대해 1,900 mm를 지간으로 하여 축력의 도입 없이 최대용량 1,000 kN의 말뚝 전용시험기를 사용하여 변위 제어 방법으로 연직하중(P)을 가하였다. 하중 가력시 재하점에서 국부파괴가 일어나지 않도록 고무판 받침을 설치하였으며, 하중과 처짐은 시험기에 부착된 로드셀과 말뚝중앙부에 설치된 100 mm LVDT를 이용하여 측정하였다.
- PHC말뚝을 제작하는 기존의 공정에 전단철근을 배근하는 공정을 삽입하여 내부충전 콘크리트를 현장 타설하기 전의 ICP말뚝 본체를 제작하였다. ICP말뚝 시험체는 현장에서 적용하고 있는 허용응력설계법에 기초하여 설계하였으며, 이에 대한 내용은 2.2절에 기술한 바와 같다.
- ICP말뚝 전단력에 기여하는 내부충전 콘크리트의 전단력을 파악하기 위하여 설계기준압축강도 24 MPa, 27 MPa, 40 MPa 등 3종류의 내부충전 콘크리트에 대한 허용 전단력(Vca)을 계산하였다. 식 (4)를 이용하여 Vca를 계산하였고, 그 결과는 Table 2에 나타낸 바와 같다.
- 따라서 이 연구에서는 PHC말뚝을 이용한 기존의 복합 또는 합성말뚝에 비해 보다 경제적으로 전단력을 향상시킬 수 있도록 전단철근과 내부충전 콘크리트로 보강된 PHC말뚝(concrete-infilled composite PHC pile, 이하 ICP말뚝) 개발을 위한 연구를 수행하였다. ICP말뚝은 기성 PHC말 뚝의 부족한 전단력을 증진시키기 위하여 Fig. 1과 같이 PHC말뚝의 축방향으로 일정 간격의 전단철근을 배근하고 말뚝 중공부에 내부충전 콘크리트를 타설한다는 간단한 개념으로 계획하였다.
- ICP말뚝의 적용성을 평가하기 위해 기존의 교대 설계 사례를 조사하여 ICP말뚝의 목표 허용전단력을 설정하였다. 국내 설계기준10,11)에 따라 허용응력 설계법을 바탕으로 목표 허용전단력을 계산하고, 이를 만족하도록 전단철근과 내부충전 콘크리트를 사용변수로 결정하여 시험체를 제작하였으며, 전단강도 시험 결과를 강도설계법을 활용한 전단강도 예측 결과와 비교함으로써 ICP말뚝 설계법의 안전율을 평가하였다.
- PHC말뚝을 제작하는 기존의 공정에 전단철근을 배근하는 공정을 삽입하여 내부충전 콘크리트를 현장 타설하기 전의 ICP말뚝 본체를 제작하였다. ICP말뚝 시험체는 현장에서 적용하고 있는 허용응력설계법에 기초하여 설계하였으며, 이에 대한 내용은 2.
- ICP말뚝의 적용성을 평가하기 위해 기존의 교대 설계 사례를 조사하여 ICP말뚝의 목표 허용전단력을 설정하였다. 국내 설계기준10,11)에 따라 허용응력 설계법을 바탕으로 목표 허용전단력을 계산하고, 이를 만족하도록 전단철근과 내부충전 콘크리트를 사용변수로 결정하여 시험체를 제작하였으며, 전단강도 시험 결과를 강도설계법을 활용한 전단강도 예측 결과와 비교함으로써 ICP말뚝 설계법의 안전율을 평가하였다.
- 내부충전 콘크리트를 타설할 때, 말뚝의 시공 현장 조건을 반영하고 내부충전 콘크리트의 충전성능을 평가하기 위해 오거를 이용하여 지반을 굴착하였다. 그 후 말뚝을 수직으로 배치하고 Fig.
- 따라서 이 연구에서는 ICP말뚝을 교대 기초에 적용할 수 있는 상시 120 kN, 지진시 160 kN 이상의 목표 허용전단력을 확보할 수 있도록 계획하였으며, 전단철근의 직경과 배근간격 및 내부충전 콘크리트의 강도 등을 변수로 두고 설계하였다. ICP말뚝의 허용 전단력(Va)은 콘크리트 구조 설계기준11)을 근거로 산정하였고, 식 (1)에 나타낸 바와 같이 PHC말뚝의 허용 전단력(Vpa), 내부충전 콘크리트의 허용 전단력(Vca) 그리고 전단철근의 허용 전단력(Vsa)을 각각 합산하여 구할 수 있다.
- 또한 내부 공간을 확보함으로써 원심성형 시 콘크리트의 충전성도 확보할 수 있다. 원심성형이 끝난 몰드는 양생실로 이동하여 11시간 동안 Fig. 5와 같이 3단계 순서에 따라 증기양생을 실시하였고, 최고 양생온도는 65oC로 조절하였다.16)
- 2는 교대 설계 시 반영된 말뚝 1본당의 작용력과 기존 허용응력설계법에 따라 직경 450 mm, 두께 70 mm인 기성 PHC말뚝(φ450-70t)에 대해 계산한 상시 및 지진시 허용 전단력을 비교한 것이다. 이때 지진시 전단력은 도로교설계기준해설12)에 근거하여 상시 허용응력의 1.33배를 취하여 허용 전단력을 산정하였다. 검토 결과 PHC말뚝의 상시 및 지진시 허용 전단력은 교대 기초 설계에서 반영된 말뚝의 작용력에 비해 크게 부족함을 알 수 있다.
- 3(b)와 같이 축방향 철근을 삽입한 후 말뚝 내부에 콘크리트를 충전한 Type B 시험체 3개 등 총 6개의 시험체를 제작하였으며, 콘크리트 타설 시 트레미관과 진동다짐기를 이용하여 재료분리 발생 가능성을 최소화하였다. 이후 콘크리트를 현장에서 타설 후 28일 동안 기건양생을 실시한 후 시험을 수행하였다.
- ICP말뚝에 사용된 전단철근의 형상은 내부충전 콘크리트의 충전성, 제작과정에서 배근 및 결속의 용이함, 원심성형으로 인한 탈락의 방지, 사인장 균열과 전단철근의 배치 방향 등을 고려하였다. 최종적으로 Fig. 3에 나타난 바와같이 폐쇄된 직사각형 형태로 제작된 철근 2개를 서로 교차하도록 배치한 후 주위의 PC강재 및 나선철근에 결속하여 고정하였다. 말뚝 총 길이 3,000 mm에 대해 200 mm 간격으로 전단철근을 배근하였으며(Fig.
- 6에 나타낸 바와 같이 말뚝 총 길이 3,000 mm에 대해 1,900 mm를 지간으로 하여 축력의 도입 없이 최대용량 1,000 kN의 말뚝 전용시험기를 사용하여 변위 제어 방법으로 연직하중(P)을 가하였다. 하중 가력시 재하점에서 국부파괴가 일어나지 않도록 고무판 받침을 설치하였으며, 하중과 처짐은 시험기에 부착된 로드셀과 말뚝중앙부에 설치된 100 mm LVDT를 이용하여 측정하였다. 측정된 하중을 바탕으로 다음 식 (6)을 이용하여 말뚝의 전단강도를 산출하였다.
- 허용응력 설계법을 통해 원심성형 말뚝 본체, 변수에 따른 내부충전 콘크리트 및 전단철근의 허용 전단력을 산정하였다. 그 결과 내부충전 콘크리트의 압축강도가 증가되고, 전단철근의 직경 증가 및 배근간격이 줄어들수록 ICP말뚝의 허용 전단력이 향상됨을 알 수 있어 다양한 조건에 부합하는 ICP말뚝을 설계할 수 있을 것으로 판단된다.
대상 데이터
- 2) ICP말뚝의 전단균열강도를 측정하기 위하여 Type A, Type B 등 2종류의 시험체에 대하여 시험을 실시하였다. Type A 시험체의 경우, 초기 경사균열 하중이 기존 PHC말뚝에 비해 평균 210%로 향상되었으며, 최고하중은 평균 206% 이상 향상되었다.
- ICP말뚝을 제작하기 위해 국내 I사에서 KS F 430615) 기준에 따라 기성품으로 제작되고 있는 φ 450-70t 규격의 PHC말뚝을 이용하였으며 PHC말뚝에는 인장강도 1,450 MPa 이상의 9.2 mm PC강재를 8개 사용하였다.
- 2 mm PC강재를 8개 사용하였다. 내부충전 콘크리트는 다양한 조건의 물성을 검토하였으며 콘크리트의 충전성 향상과 강도 확보를 위하여 슬럼프 120 mm, 굵은 골재의 최대치수 20 mm, 설계기준 압축강도 40 MPa의 일반 콘크리트를 사용하였다. 한편 보강된 전단철근으로 설계기준항복강도 400 MPa의 D10 이형철근을, 축방향 철근으로는 설계기준항복강도 400 MPa의 D22 이형철근을 사용하였다.
- 내부충전 콘크리트는 다양한 조건의 물성을 검토하였으며 콘크리트의 충전성 향상과 강도 확보를 위하여 슬럼프 120 mm, 굵은 골재의 최대치수 20 mm, 설계기준 압축강도 40 MPa의 일반 콘크리트를 사용하였다. 한편 보강된 전단철근으로 설계기준항복강도 400 MPa의 D10 이형철근을, 축방향 철근으로는 설계기준항복강도 400 MPa의 D22 이형철근을 사용하였다. 사용된 PHC말뚝, 내부충전 콘크리트, 전단철근 및 축방향 철근의 종류 및 물리적 특성은 Tables 5~7에 나타낸 바와 같다.
데이터처리
- 0으로 계획하여 ICP말뚝의 전단시험을 수행하였다. 시험 결과는 허용응력설계법으로 설계된 허용 전단력 및 강도설계법에 의하여 예측된 전단강도 계산값과 비교 검토하였다. 이 연구를 통하여 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.
이론/모형
- ICP말뚝은 I사의 기성 PHC말뚝에 전단철근을 배근하여 제작한 것으로서 PHC말뚝의 허용 전단력은 현업에서 적용하고 있는 방법13,14)을 이용하여 계산하였다. 이 방법은 허용응력설계법을 기초로 하고 있으므로 현행 콘크리트 구조설계기준과 부합하지 않는다는 단점이 있으나, 현업에서 적용하고 있다는 점을 감안하여 ICP말뚝 설계에 그대로 반영하였다.
- ICP말뚝의 전단강도는 KS F 430615)에서 제시하는 시험방법에 따라 측정하였다. Fig.
- 이 연구에서는 기존 PHC말뚝의 전단 저항력을 향상시키기 위하여 전단철근 및 내부충전 콘크리트로 보강한 ICP말뚝을 제안하였다. ICP말뚝의 전단보강 효과를 평가하기 위하여 KS F 4306의 전단강도 시험 방법에 따라 a/d를 1.0으로 계획하여 ICP말뚝의 전단시험을 수행하였다. 시험 결과는 허용응력설계법으로 설계된 허용 전단력 및 강도설계법에 의하여 예측된 전단강도 계산값과 비교 검토하였다.
- 말뚝 본체의 전단강도 Vp를 계산하기 위해 KS F 430615) 에서 제시하고 있는 아래 식 (8)을 이용하여 계산하였고, 그 결과 Vp는 186.4 kN 이다.
성능/효과
- 3) 전단 시험 결과 ICP말뚝 Type A와 Type B 시험체의 최대 전단력의 평균값은 각각 372.4 kN, 458.6 kN으로 측정되었다. 이 값은 강도설계법에 의하여 계산된 강도에 비하여 약 5% 및 30%에 해당되는 값이다.
- 4) 허용응력설계법에 따라 설계된 ICP말뚝의 허용 전단력은 128.4 kN으로서 시험에 의하여 측정된 최대 전단력(Type A: 372.4 kN, Type B: 458.6 kN)에 비하여 Type A는 약 2.9 이상, Type B는 약 3.6 이상의 안전율을 나타내었다.
- 3 kN을 얻었다. I사에서 제공한 동일한 직경의 기존 PHC말뚝 시험 성적서17)에서 제시한 전단균열강도 106.9 kN과 비교하였을 때, Type A는 평균 210%, Type B 시험체의 경우 평균 255%에 해당하는 결과를 나타내어 기존 PHC말뚝의 전단균열강도를 약 2배 이상 증진시킬 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 최고하중의 경우 Type A 시험체는 평균 744.
- 2) ICP말뚝의 전단균열강도를 측정하기 위하여 Type A, Type B 등 2종류의 시험체에 대하여 시험을 실시하였다. Type A 시험체의 경우, 초기 경사균열 하중이 기존 PHC말뚝에 비해 평균 210%로 향상되었으며, 최고하중은 평균 206% 이상 향상되었다. 또한 축방향 철근이 보강된 Type B의 경우 초기 경사균열 하중 및 최고하중이 PHC말뚝에 비해 평균 255%, 254% 이상 향상되었다.
- 33배를 취하여 허용 전단력을 산정하였다. 검토 결과 PHC말뚝의 상시 및 지진시 허용 전단력은 교대 기초 설계에서 반영된 말뚝의 작용력에 비해 크게 부족함을 알 수 있다.
- 허용응력 설계법을 통해 원심성형 말뚝 본체, 변수에 따른 내부충전 콘크리트 및 전단철근의 허용 전단력을 산정하였다. 그 결과 내부충전 콘크리트의 압축강도가 증가되고, 전단철근의 직경 증가 및 배근간격이 줄어들수록 ICP말뚝의 허용 전단력이 향상됨을 알 수 있어 다양한 조건에 부합하는 ICP말뚝을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 3가지 허용 전단력을 고려하여 이 연구에서 목표로 하는 ICP말뚝의 허용 전단력(상시 120 kN, 지진 시 160 kN)과 비교한 결과, Table 4에 나타낸 바와 같이 40 MPa의 내부충전 콘크리트를 사용하고, D10의 전단철근을 200 mm로 배근할 경우 상시 128.
- 이러한 결과는 전단강도 간편식과 전단철근의 다리수 등에 포함되어 있는 안전율과 축방향 철근의 다월 효과를 반영하지 않은 안전측의 계산 과정에 기인하는 결과라 사료된다. 그러나 KS F 430615)에서 제시하는 전단강도 시험 방법으로는 ICP말뚝의 전단파괴를 얻을 수 없으므로 정확한 전단강도를 알 수는 없으나, 이 연구에서 얻은 것보다 높은 전단 저항력이 있음을 알 수 있다. 따라서 KS 규격과는 다른 방법으로 전단파괴를 유도한다면 ICP말뚝의 전단 보강 효과를 정량적으로 파악할 수 있으리라 판단되며, 이에 대한 연구는 추후에 보다 면밀히 수행할 계획이다.
- 이 값은 강도설계법에 의하여 계산된 강도에 비하여 약 5% 및 30%에 해당되는 값이다. 다만, 모든 시험체가 휨으로 파괴되는 양상을 보였기 때문에 정확한 전단강도를 알 수는 없으나, 이 연구에서 얻은 것보다 높은 저항력을 갖고 있음을 알 수 있다. ICP 말뚝의 정확한 전단강도를 파악하기 위해서는 다른 시험 방법이 요구되며, 이에 대해서는 후속 연구에서 수행할 계획이다.
- 그 결과 내부충전 콘크리트의 압축강도가 증가되고, 전단철근의 직경 증가 및 배근간격이 줄어들수록 ICP말뚝의 허용 전단력이 향상됨을 알 수 있어 다양한 조건에 부합하는 ICP말뚝을 설계할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 3가지 허용 전단력을 고려하여 이 연구에서 목표로 하는 ICP말뚝의 허용 전단력(상시 120 kN, 지진 시 160 kN)과 비교한 결과, Table 4에 나타낸 바와 같이 40 MPa의 내부충전 콘크리트를 사용하고, D10의 전단철근을 200 mm로 배근할 경우 상시 128.4 kN, 지진시 170.8 kN을 확보할 수 있어 목표 허용 전단력이 만족함을 알 수 있다. 전단철근 배근간격 200 mm를 결정한 이유는 배근간격이 150 mm인 경우에 비하여 철근량이 감소되고 배근 작업성도 우수할 것으로 기대하였기 때문이다.
- 4 kN으로 측정되었다. 따라서 현재 현장에서 적용하고 있는 허용응력설계를 ICP말뚝의 전단 설계에 적용할 경우, 경사균열에 대하여는 약 1.7, 전단강도에 대한 안전율 약 2.9 이상, 축방향 철근을 추가로 보강한 Type B 시험체는 경사균열 및 전단강도에 대한 안전율을 각각 2.1 이상, 3.6 이상을 확보하는 것으로 나타났다.
- 9 이상의 높은 안전율이 확보됨을 알 수 있다. 또한 전단철근과 내부충전 콘크리트를 기성 PHC말뚝에 적용함으로써 PHC말뚝이 갖고 있는 취약점인 전단 저항력을 효과적으로 증진시킬 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 현재 적용하고 있는 허용응력설계법의 안전율이 합리적인가에 대한 문제는 말뚝 설계 전반에 걸친 심도있는 검토를 통하여 논할 수 있으리라 판단된다.
- 0임을 고려해 볼 때, 전단철근, 내부충전 콘크리트 및 말뚝 본체가 일체로 거동하며 전단 균열을 억제함으로써 전단파괴를 방지하고, 휨 균열의 진전과 압축연단 콘크리트 파쇄에 의한 휨 파괴를 유도한 것으로 판단된다. 또한 축방향 철근을 보강한 경우에는 다월 효과가 추가되어 전단 저항능력이 더욱 향상되는 것으로 나타났다.
- 7(d)~(f)), 하중이 900 kN 전후에 도달하였을 때 시험을 종료하였다. 말뚝 인장부의 균열의 폭이 Type A 시험체에 비해 작게 관찰되었으며, 최고하중은 약 20% 이상 증가된 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 ICP 말뚝의 a/d가 1.
- 말뚝 인장부의 균열의 폭이 Type A 시험체에 비해 작게 관찰되었으며, 최고하중은 약 20% 이상 증가된 결과를 나타내었다. 이러한 결과는 ICP 말뚝의 a/d가 1.0임을 고려해 볼 때, 전단철근, 내부충전 콘크리트 및 말뚝 본체가 일체로 거동하며 전단 균열을 억제함으로써 전단파괴를 방지하고, 휨 균열의 진전과 압축연단 콘크리트 파쇄에 의한 휨 파괴를 유도한 것으로 판단된다. 또한 축방향 철근을 보강한 경우에는 다월 효과가 추가되어 전단 저항능력이 더욱 향상되는 것으로 나타났다.
- 따라서 파괴 시에는 더욱 높은 수준의 값으로 최대 전단력이 측정될 것으로 판단된다. 이러한 결과를 종합하여 볼 때, ICP 말뚝 내부에 배근된 전단철근과 축방향 철근이 경사균열 발생 이후에도 균열 면을 통하여 높은 수준의 전단력을효과적으로 전달한 것으로 판단된다.
- 8 kN이다. 한편, 전단시험 결과 ICP말뚝 Type A와 Type B 시험체의 최대 전단력 평균값은 각각 372.4 kN, 458.6 kN으로 측정되어 계산된 강도에 비하여 약 5% 및 30%를 상회하는 안전측의 값을 나타내었다. 이러한 결과는 전단강도 간편식과 전단철근의 다리수 등에 포함되어 있는 안전율과 축방향 철근의 다월 효과를 반영하지 않은 안전측의 계산 과정에 기인하는 결과라 사료된다.
- 9 kN과 비교하였을 때, Type A는 평균 210%, Type B 시험체의 경우 평균 255%에 해당하는 결과를 나타내어 기존 PHC말뚝의 전단균열강도를 약 2배 이상 증진시킬 수 있는 것으로 나타났다. 한편, 최고하중의 경우 Type A 시험체는 평균 744.7 kN, Type B 시험체가 평균 917.2 kN 이상으로 측정되어 기존 PHC말뚝의 최고하중 361.0 kN에 비해 각각 206%, 254% 이상 향상됨을 알 수 있어 최대 전단력 역시 2배 이상 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 다만, 모든 시험체가 휨으로 파괴되는 양상을 보였기 때문에 정확한 전단강도를 알 수는 없으나, 이 연구에서 얻은 것보다 높은 저항력을 갖고 있음을 알 수 있다. ICP 말뚝의 정확한 전단강도를 파악하기 위해서는 다른 시험 방법이 요구되며, 이에 대해서는 후속 연구에서 수행할 계획이다.
- 그러나 KS F 430615)에서 제시하는 전단강도 시험 방법으로는 ICP말뚝의 전단파괴를 얻을 수 없으므로 정확한 전단강도를 알 수는 없으나, 이 연구에서 얻은 것보다 높은 전단 저항력이 있음을 알 수 있다. 따라서 KS 규격과는 다른 방법으로 전단파괴를 유도한다면 ICP말뚝의 전단 보강 효과를 정량적으로 파악할 수 있으리라 판단되며, 이에 대한 연구는 추후에 보다 면밀히 수행할 계획이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.