[논문]PHC 항타말뚝의 하중저항계수 산정

박종배; 박용부; 이범식; 김상연

doi:10.5804/lhij.2013.4.3.279

PHC 항타말뚝의 하중저항계수 산정
Assesment of Load and Resistance Factored Design Value for PHC Driven Pile 원문보기

LHI journal of land, housing, and urban affairs, v.4 no.3, 2013년, pp.279 - 286

박종배 (한국토지주택공사 토지주택연구원) , 박용부 (한국토지주택공사 토지주택연구원) , 이범식 (한국토지주택공사 토지주택연구원) , 김상연 (한국토지주택공사 토지주택연구원)

초록
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기성 말뚝을 항타시공하는 방법은 시공비가 적게 들면서도 우수한 지지력을 얻을 수 있는 효율적인 시공방법이다. 하지만 국내와 같이 매립층이 많고 다양한 지반조건에서는 예상치 못한 문제로 인하여 기계적 굴착이 수반되는 매입공법으로 변경되기도 한다. 따라서, 항타공법이 매입말뚝에 비하여 불확실성이 더 높을 수 있다. 본 논문에서는 국내에서 건축물의 기초로 사용되고 있는 PHC 항타말뚝의 불확실성 요인을 줄여주고 보다 신뢰성 있는 설계가 가능하도록 하기 위하여 한계상태설계법의 일종인 하중저항계수법(LRFD) 설계정수를 산정하였다. PHC 항타말뚝의 LRFD 설계정수를 제안하기 위해 총 221회(초기동재하 : 93회, 재항타동재하 : 128회)의 동재하시험자료와 이들 말뚝에 대한 지지력 설계(Meyerhof 설계법, SPT-CPT 전환 설계법) 자료를 분석하고 목표 신뢰도 지수 2.33과 3.0에 대해 하중저항계수를 제시하였다. PHC 항타말뚝의 저항계수는 목표 신뢰도 지수에 따라 Meyerhof 방법, SPT-CPT 전환법은 각각 0.43~0.55 및 0.40~0.49를 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Driving a prefabricated pile is the efficient construction method with low cost and excellent bearing capacity charateristics. But pile drinving method has often been changed to bored pile method with mechanical boring due to the unexpected problems occurred in the various domestic ground condition with landfill. So, pile driving method has more uncertainty than the Bored Pile method. This paper proposed LRFD design value which is one of limit states design method for the PHC driven pile used as building foundation to guarantee the reliable design with reduced uncertainty. This paper analysed 221 dynamic load test results(E.O.I.D : 93, Resrike : 128) and the different methods of estimating bearing design(Meyerhof method & SPT-CPT conversion method), and proposed LRFD value for each design reliability Index 2.33 and 3.0 for PHC driven pile. LRFD value of PHC driven pile represents 0.43~0.55 for Meyerhof method and 0.40~0.49 for SPT-CPT conversion method according to the deign reliability index.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 LH에서 2011년에 “말뚝기초의 설계법 선진화 및 시공법 다양화” 연구를 통하여 PHC 항타말뚝에 대한 현장재하시험결과와 각종 설계법과의 신뢰성 분석을 실시하여 LRFD 저항계수를 산정한 것을 정리한 것이다.
시공물량이 무시할 수 없을 정도로 많은 PHC 항타말뚝에 대해서 보다 합리적이고 신뢰성이 있는 설계를 위해서는 한계상태이론에 근거한 LRFD 설계법을 도입할 필요가 있으며 본 논문에서는 LRFD 설계에 필요한 PHC 항타말뚝의 저항계수를 제시하고자 한다. 국제표준화기구인 ISO(International Organization for Standardization) 기준 중에서 건설 설계분야와 직접적으로 관련 있는 ISO 2394(구조물 신뢰성에 관한 일반 원리)에서는 기본적으로 공용성(Serviceability) 및 신뢰성(Reliability)을 기준으로 하는 한계상태설계법(Limit States Design, LSD)을 채택하고 있어 해외시장을 진출하기 위해서도 PHC 항타말뚝에 대한 한계상태설계법의 일종인 LRFD 설계법을 정립하는 것은 필요하다고 판단된다.

가설 설정

가) 상재하중, 타격에너지 등에 의해 보정된 N값을 각종 q_c/N 관계에 의하여 CPT 수치(q_c) 로 전환한다.

제안 방법

초기 동재하시험값은 주면마찰력이 충분히 발현되지 않은 값이고 정재하 시험값은 극한이 확인되지 않는 거의 탄성상태의 지지력이기 때문에 재항타 동재하시험값과 이론식에 의해 산정한 지지력의 신뢰성해석을 통하여 저항계수를 산정하도록 하였다.
하중저항계수를 산정하기 위해 재하시험을 실시한 말뚝에 대해 설계식을 이용하여 지지력을 계산하였다(표 3 참조). 계산에 이용한 설계식은 Meyerhof(1976) 방법과 SPT-CPT 전환법이다.

이론/모형

하중저항계수를 산정하기 위해 재하시험을 실시한 말뚝에 대해 설계식을 이용하여 지지력을 계산하였다(표 3 참조). 계산에 이용한 설계식은 Meyerhof(1976) 방법과 SPT-CPT 전환법이다.
1%) 일 때 저항계수를 산정하였다. 이것은 미국의 AASHTO 교량설계 시방서(2007)에서 타입말뚝과 현장타설 콘크리트 말뚝에 대한 저항계수를 산정할 때 목표 신뢰도 지수는 타입말뚝은 2.33(파괴확률 1%), 현장타설 콘크리트말뚝에 대해서는 3.0(파괴확률 0.1%)를 적용한다는 구조물기초설계기준(2008)의 해설을 참고하였다.
재하시험결과(동재하 Rut)와 설계지지력(Meyerhof 및 SPT-CPT 전환법)을 이용하여 PHC 항타말뚝의 저항계수를 구한 결과를 정리하면 표 5와 같다. PHC 항타말뚝은 국내에서 주로 아파트와 같은 건축물에 많이 사용되고 있으며 아파트의 사하중과 활하중의 비(Q_D/Q_L)인 3.

성능/효과

1. 목표 신뢰도 지수 2.33과 3.0 일 때 Meyerhof 방법에 대한 PHC 항타말뚝의 저항계수는 Q_D/Q_L의 변화에 따라, 0.54～0.55 및 0.43을 나타내었다. SPT-CPT 전환법은 또한, 목표 신뢰도 지수 2.
2. PHC 항타말뚝의 편향계수(재하시험값/설계지지력)는 Meyerhof 방법은 1보다 큰 1.16을 나타내어 재하시험값보다 작게 설계하는 경향이 있고, SPT-CPT 전환법은 편향계수가 1보다 작은 0.78을 나타내어 재하시험결과보다 더 큰 경향을 나타내었다. 선단과 마찰지지력에 대한 편향계수를 분석해 본 결과 Meyerhof 방법은 마찰지지력을 재하시험보다 작게, SPT-CPT 전환법은 마찰지지력을 크게 해석하는 경향이 두드러졌기 때문에 전체 설계지지력에도 이 경향이 반영되었기 때문인 것으로 분석되었다.
3. 편향계수에 대한 편차 및 변동계수는 SPT-CPT 방법이 각각 0.17 및 0.22으로 Meyerhof 방법의 편향계수에 대한 편차 및 변동계수인 0.70 및 0.59보다 작았으며 편향계수에 대한 확률밀도 그래프도 정규분포형태를 나타내어 SPT-CPT 전환법의 상관성이 우수한 것으로 나타났다.
4. 안전율과 저항계수의 관계에서 안전율 3일 때 LRFD 저항계수는 0.43 정도로 추정되었다. 항타말뚝의 목표 신뢰도 지수 2.
초기 동재하시험(EOID)은 항타직후에 실시하며 이때는 주면마찰력이 안정화가 안된 상태이다. 4개 현장에서 초기 동재하시험을 93회 실시한 결과, 평균 극한지지력은 223.4tonf을 나타내었다. 시간경과효과(Set up)에 의하여 마찰지지력이 증가되는 것을 확인하기 위하여 시공 후 1～2일 경과한 후에 재항타 동재하시험을 실시한 결과 평균극한지지력은 278.
Meyerhof 방법으로 구한 마찰지지력의 편향계수는 1.26로 동재하시험으로 구한 마찰지지력 보다 작게 산정하는 경향이 나타났고, 반면에 SPT-CPT 전환법의 마찰지지력의 편향계수는 0.68로 동재하시험으로 구한 마찰지지력 보다 더 크게 산정하는 경향을 나타내었다.
SPT-CPT 전환법은 목표 신뢰도 지수 2.33일 때, 저항계수는 0.48～0.49를 나타내었고 안전율 3일 때의 저항계수인 0.42～0.43 보다 약 14% 더 큰 것으로 나타났다. 이는 SPT-CPT 전환법에 대해 LRFD 방법으로 설계하면 허용응력설계법(ASD)에 비하여 약 14% 더 경제적인 설계가 가능함을 나타낸다.
본 연구에서 다룬 PHC 항타말뚝은 파손방지를 위해 주로 선단부 평균 N치 50 미만에 시공되는 조건이라 할 수 있다. 동일한 목표신뢰도지수와 유사한 선단부 조건 일 때, PHC 항타말뚝의 저항계수는 0.54를 나타내었고, 항타강관 말뚝은 0.38을 나타내어 PHC 항타말뚝이 항타강관 말뚝보다 LRFD법으로 설계할 때 효율적인 설계가 되는 것으로 판단된다.
목표신뢰도 지수가 3.0(파괴확률 0.1%)일 때는 Meyerhof 방법의 저항계수는 0.43으로 안전율 3.0일 때의 저항계수와 일치하여 허용응력법으로 설계한 결과와 같고, SPT-CPT 전환법의 저항계수는 0.40로 안전율 3.0일 때의 저항계수(0.43)보다 작기 때문에 작은 차이긴 하지만 허용응력법 보다 보수적인 설계결과가 도출될 것으로 판단된다.
78을 나타내어 재하시험결과보다 더 큰 경향을 나타내었다. 선단과 마찰지지력에 대한 편향계수를 분석해 본 결과 Meyerhof 방법은 마찰지지력을 재하시험보다 작게, SPT-CPT 전환법은 마찰지지력을 크게 해석하는 경향이 두드러졌기 때문에 전체 설계지지력에도 이 경향이 반영되었기 때문인 것으로 분석되었다.
4tonf을 나타내었다. 시간경과효과(Set up)에 의하여 마찰지지력이 증가되는 것을 확인하기 위하여 시공 후 1～2일 경과한 후에 재항타 동재하시험을 실시한 결과 평균극한지지력은 278.9tonf를 나타내어 초기동재하에 비하여 재항타 동재하시험의 지지력이 약 25% 증가하는 것으로 나타났다. 정재하시험은 총 23회 실시되었으나 설계하중의 2배 또는 2.
43 보다 약 14% 더 큰 것으로 나타났다. 이는 SPT-CPT 전환법에 대해 LRFD 방법으로 설계하면 허용응력설계법(ASD)에 비하여 약 14% 더 경제적인 설계가 가능함을 나타낸다.
즉, AASHO LRFD 교량 설계시방서(2007)에서 제안하고 있는 항타말뚝의 목표신뢰도 지수인 2.33을 적용하면 PHC항타말뚝을 본 연구에서 제안한 저항계수로 설계하면 허용응력법에 비해 13～29% 경제적인 설계가 가능하고 목표신뢰도 지수를 높이면 허용응력법과 거의 비슷한 수준의 설계가 이루어짐을 알 수 있었다.
43에 비하여 약 29% 더 큰 값이다. 즉, PHC 항타말뚝을 목표진뢰도 지수 2.33으로 하여 본 연구에서 제안한 저항계수로 LRFD 방법으로 설계를 할 경우, 허용응력설계법(ASD)로 할 때 보다 약 29% 더 경제적인 설계가 가능함을 나타낸다.
편향계수에 대한 편차 및 변동계수는 SPT-CPT 방법이 각각 0.17 및 0.22로 Meyerhof 방법의 0.70 및 0.59 보다 훨씬 작아 SPT-CPT 전환법의 상관성이 더 좋은 것으로 나타났다.
표 5에서 Q_D/Q_L 값의 변화에 따라 저항계수의 차이가 없으며 목표 신뢰도 지수 2.33과 3.0일 때 SPT-CPT 전환법에 대한 PHC 항타말뚝의 저항계수는 각각 0.48～049 및 0.40인 것으로 나타났다. 그림 9에서는 신뢰도 지수와 저항계수의 관계를 나타내었으며 신뢰도 지수가 2.
표 5에서 보면 Q_D/Q_L 값의 변화에 따른 저항계수의 거의 차이가 없으며 목표 신뢰도 지수 2.33과 3.0일 때 Meyerhof 방법에 대한 PHC 항타말뚝의 저항계수는 각각 0.54～0.55 및 0.43인 것으로 나타났다. 그림 8은 신뢰도 지수와 저항계수의 관계를 나타낸 것으로 신뢰도 지수가 2.
항타말뚝 설계식에 의한 지지력을 산정한 결과, Meyerhof 방법은 평균 277.1tonf, SPT-CPT 전환법은 365.1tonf으로 SPT-CPT 전환법이 Meyerhof 방법보다 약 32% 더 컸다. 이것은 SPT-CPT 전환법이 Meyerhof 방법보다 주면마찰력을 86% 크게 산정하였기 때문이다.
43 정도로 추정되었다. 항타말뚝의 목표 신뢰도 지수 2.33(AASHOTO LRFD 교량 설계시방서에서 제안)일 때 Meyerhof 방법의 저항계수는 0.54～0.55을, SPT-CPT 전환법은 0.48～0.49을 나타내어 안전율 3일 때의 추정 저항값 보다 크므로 LRFD 방법으로 PHC 항타말뚝을 설계하면 허용응력법 보다 더 경제적인 설계결과를 도출하는 것으로 판단되었다. 그러나 목표신뢰도 지수 3.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기성 말뚝을 항타시공하는 방법은 어떤 장점을 가진 시공방법인가?	기성 말뚝을 항타시공하는 방법은 시공비가 적게 들면서도 우수한 지지력을 얻을 수 있는 효율적인 시공방법이다. 하지만 국내와 같이 매립층이 많고 다양한 지반조건에서는 예상치 못한 문제로 인하여 기계적 굴착이 수반되는 매입공법으로 변경되기도 한다.
	공동주택을 비롯한 건축공사에서는 주로 무엇을 이용하여 건물을 시공하는가?	일구조물 기초로서 기성말뚝을 항타시공하는 방법은 저렴한 공사비 및 짧은 공기로 우수한 지지력을 얻을 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 공동주택을 비롯한 건축공사에서는 주로 고강도 프리스트레스트 콘크리트 파일(이하 PHC 말뚝)을 이용하여 항타 또는 매입공법으로 기초로 시공하고 있다. PHC 말뚝을 항타시공하는 방법이 가장 효율적인 방법이긴하지만 요즘은 소음·진동에 대한 민원문제로 도심지 뿐만 아니라 소규모라도 건물·축사 인근에서는 시공이 불가능하다.
	국내에서 항타 공법이 매입 말뚝에 비하여 불확실성이 더 높을 수 있는 이유는?	기성 말뚝을 항타시공하는 방법은 시공비가 적게 들면서도 우수한 지지력을 얻을 수 있는 효율적인 시공방법이다. 하지만 국내와 같이 매립층이 많고 다양한 지반조건에서는 예상치 못한 문제로 인하여 기계적 굴착이 수반되는 매입공법으로 변경되기도 한다. 따라서, 항타공법이 매입말뚝에 비하여 불확실성이 더 높을 수 있다.

참고문헌 (13)

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박종배, 김상연, 이범식, 박용부, 임해식, 최경륜, 김동수, 김범주 (2011), "말뚝기초의 설계법 선진화 및 시공법 다양화", LH 토지주택연구원, 90-173.
KBC (2009), 건축구조기준 및 해설(강구조편), 대한건축학회, 28-30.
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상세보기
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Withiam, J. L., E. P. Voytko, R. M. Barker, J. M. Duncan, B. C. Kelly, S. C. Musser and V. Elias (2001), Load and Resistance Factor Design (LRFD) for Highway Bridge Substructures, Publication No FHWA HI-98-032, NHI Course No.13068, Federal Highway Administration, Washington D. C.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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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