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말뚝지지 전면기초의 3차원 근사해석기법 개발
Development of Three-dimensional Approximate Analysis Method for Piled Raft Foundations 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.28 no.4, 2012년, pp.67 - 78  

조재연 (연세대학교 토목공학과) ,  정상섬 (연세대학교 토목공학과)

초록
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철지반의 비선형성을 고려한 말뚝지지 전면기초3차원 해석기법(YSPR)을 개발하였다. 전면기초는 6개의 자유도를 가진 평면쉘 요소로, 말뚝은 보-기둥 요소로 모델링하여 전면기초와 결합하였다. 또한 말뚝두부 및 지반의 강성은 $6{\times}6$ 강성행렬로 모델링 하였으며, 전면기초-말뚝-지반의 상호작용은 비선형 하중전이함수를 이용하여 선형/비선형거동의 모사가 가능하도록 하였다. 기존의 단순해석기법, 유한요소해석 및 현장계측값과의 비교 분석 결과, 본 해석기법이 대단면 말뚝지지전면기초에서 말뚝의 축하중 분포와 침하량을 비교적 정확히 산정하는 것으로 판단되며, 이러한 검증을 토대로 실제 대단면 기초설계에 대한 적용 가능함을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A three-dimensional approximate computer-based method, YSPR (Yonsei Piled Raft), was developed for analysis of behavior of piled raft foundations. The raft was modeled as a flat shell element having 6 degrees of freedom at each node and the pile was modeled as a beam-column element. The behaviors of...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 기존에 개발되었던 근사해석 프로그램의 간편함을 유지하면서 간편해석기법 이상의 정밀성이 확보된 말뚝지지 전면기초의 근사해석기법을 개발하고자 하였다. 해석기법은 전면기초의 거동을 고려하기 위해 평면 쉘요소를 이용하였고 말뚝-지반 및 전면기초-지반의 비선형 상호작용을 고려하기 위해 비선형 하중전이함수를 적용하였다.

가설 설정

  • 유한요소해석에서 적용한 지반 및 구조물의 물성을 토대로 본 해석기법에서 지반의 비선형을 고려한 해석을 수행하기 위하여 사질토의 p-y 곡선(O'Neil, 1984), t-z곡선(Wang 등, 1993), 점성토의 p-y 곡선(API clay model), t-z 곡선, q-z 곡선(Wang 등, 1993)의 하중전이 함수를 사용하였다(그림 12). 또한 상부하중은 전면기초 전체에 균일하게 전달되는 것으로 가정하여, 466.47kPa의 등분포 하중을 적용하였다.
  • 전면기초의 강성은 식 (11)과 같이 전면기초-지반의 강성비(Krs)를 고려하여 결정하였으며 해석에서는 강성비 값을 23을 사용하였다(Hain 등, 1978). 말뚝과 지반은 선형 탄성 거동을 하는 것으로 가정하였다. 해석에 사용된 말뚝, 지반 및 전면기초의 제원 및 물성은 표 1에 나타내었다.
  • 전면기초는 두 개의 17.5m×24.5m의 대단면기초로 구성되어 있으며, 각각의 기초에 최대 200MN의 상부하중이 작용하는 것으로 가정하였다(Sommer, 1991).
  • 해석대상은 그림 8과 같이 단일지층에 2×2 배열의 말뚝으로 지지되는 말뚝지지전면기초이며, 말뚝 직경(D)은 0.4m, 길이 10m의 마찰말뚝의 형태로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
말뚝지지 전면기초란 무엇인가? 말뚝지지 전면기초(piled raft foudation)는 말뚝과 전면기초가 동시에 상부하중을 분담하고 상부구조물의 사용성을 저해할 수 있는 침하량(부등침하)을 감소시키는 개념의 기초형식이다(Poulos, 2001). 말뚝지지 전면기초는 전면기초의 하중분담을 고려하여 기존의 지지력 측면의 설계(capacity-based design)보다 말뚝의 길이와 수량을 감소시킬 수 있는 설계개념으로 유럽, 호주, 일본 등지에서 연구가 활발히 진행되었다(Burland 등, 977; Randolph, 1994; Katzenbach 등, 2000; Poulos, 2001; Mandolini, 2005; Reul 등, 2003; Katzenbach, 2005).
말뚝지지 전면기초의 해석법들의 각 장단점은 무엇인가? 말뚝지지 전면기초의 해석은 전면기초-지반-말뚝 사이의 복잡한 상호작용을 고려하여야 하며 크게 (1) 간편해석법(simplified method), (2) 근사해석법(approximatecomputer-based method) 그리고 (3) 엄밀해석법(more rigorous computer-based method)이 개발된 바 있다. 간편해석법(Poulos 등, 1994; Randolph, 1983)은 전면기초를 강체로 가정하는 해석방법으로서 등가 raft, 등가 pier법 그리고 raft의 하중분담율을 이용하는 방법 등이 있으며 해석이 간단하고 편리한 반면 전면기초의 휨강성을 고려할 수 없고 선형거동을 가정하는 단점이 있다. 근사해석법(Hain 등, 1978; 이승훈 등, 2007)은 말뚝과 지반을 등가스프링으로 모사하고 전면기초는 판(plate)요소로 모델링하여 해석하는 방법이다. 이 방법은 말뚝-지반 사이의 상호작용이 고려되지 않기 때문에 전면기초의 강성이 매우 크게 산정되는 문제가 있으며 선형해석만 가능한 제한사항이 있다. 엄밀해석법으로는 경계요소법(BEM, Kuwabara, 1989; Poulos, 1994; Poulos, 2001), 복합해석법(Clancy, 1993), 유한요소법(Ottaviani, 1975; Zhang 등, 1991; Lee, 1993)이 있다. 특히 최근에는 Poulos(2001)에의해 3차원 유한요소해석(FEM)이 실제조건과 유사한 기초의 거동을 나타낼 수 있는 방법으로 보고되고 있다(Wang, 1996; de Sanctis 등, 2003; Reul 등, 2003; Lee 등, 2010). 하지만 3차원 유한요소해석은 모델링 및 해석에 많은 시간과 노력이 필요하다는 단점이 있다. 
말뚝지지 전면기초의 해석에는 어떤방법이 있는가? 말뚝지지 전면기초의 해석은 전면기초-지반-말뚝 사이의 복잡한 상호작용을 고려하여야 하며 크게 (1) 간편해석법(simplified method), (2) 근사해석법(approximatecomputer-based method) 그리고 (3) 엄밀해석법(more rigorous computer-based method)이 개발된 바 있다. 간편해석법(Poulos 등, 1994; Randolph, 1983)은 전면기초를 강체로 가정하는 해석방법으로서 등가 raft, 등가 pier법 그리고 raft의 하중분담율을 이용하는 방법 등이 있으며 해석이 간단하고 편리한 반면 전면기초의 휨강성을 고려할 수 없고 선형거동을 가정하는 단점이 있다.
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참고문헌 (36)

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  2. 이완훈 (1995), 면내 회전자유도를 가진 변이 평면 쉘요소의 개발과 이를 적용한 적응적 체눈 세분화, 박사학위논문, 한국과학기술원 토목공학과. 

  3. 이진형, 정상섬 (2007), "연약지반에 시공된 Piled Raft 기초의 3차원 거동 분석", 한국지반공학회 논문집, 제23권, 제5호, pp. 63-75. 

  4. 원진오, 정상섬(2005), "교량 말뚝기초의 캡강성을 고려한 비선형 3차원 해석", 한국지반공학회 논문집, 제21권, 제6호, pp.19-30. 

  5. 최창근, 이필승, 박용명 (1999), "면내회전자유도를 가지는 4절점 비적합 평면쉘요소의 개발", 대한토목학회 논문집, 제19권 제I-5호, pp.663-673. 

  6. ABAQUS: User's manual. version 6.10. Hibbit, Karlsson & Sorensen, Pawtucket R. I, 2010. 

  7. Burland, J. B., Broms, B. B. and De Mello, V.F.B. (1977), "Behaviour of founadations and structures", Proceedings of 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Tokyo, Vol.2, pp.495-549. 

  8. Brown, P. T. and Weisner, T. J. (1975), "The behaviour of uniformly loaded piled strip footings", Soils and Foundations, Vol.15, No.4, pp.13-21. 

  9. Clancy, P., and Randolph, M. F. (1993), "An approximate analysis procedure for piled raft foundations", International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics, London, Vol.17, No.12, pp.849-869. 

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  32. Wang, A. (1996), "Three dimensional finite element analysis of pile groups and piled -raft", Ph.D. dissertation, University of Manchester, U.K. 

  33. Won, J. O., Jeong, S. S., Lee, J. H. and Jang, S. Y. (2006), "Nonlinear three- dimensional analysis of pile group supported columns considering pile cap flexibility", Computers & Geotechnics, Vol.33, pp.355-370. 

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  35. Zhang, G. M., Lee, I. K. & Zhao, X. H. (1991), "Interactive analysis of behaviour of raft-pile foundations", Proceedings of Geo-Coast' 91, Yokohama2, pp.759-764. 

  36. Zhang, H. H. and Small, J.C. (2000), "Analysis of axially and laterally loaded pile groups embedded in layered soils," Proceedings of 8th Australia NewZealand Conf. on Geomechanics, Hobart, Vol.1, 475-483. 

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