토목, 건축 현장에서 굴착부 배면의 지반 및 각종 구조물의 안정을 유지하기 위하여 다양한 공법이 개발 및 적용되고 있다. 특히 인접한 건물 및 도로 등으로 인해 배면에 여유 공간이 없는 경우, 지중 연속벽 공법, 주열식 흙막이 공법이 사용되고 있다. 이러한 공법들은 콘크리트를 현장타설로 시공하여 품질관리의 어려움이 있고 양생기간으로 인한 시공기간의 길어지는 단점이 있다. 또한 위의 공법들은 대부분 임시시설로 사용되고 영구 구조체인 옹벽은 별도로 시공된다. 이 연구에서는 위에서 지적한 문제점을 해결하기 위하여 프리캐스트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공 프리스트레스트 콘크리트 파일을 제안하였다. 제안된 파일의 휨에 대한 구조적 거동을 평가하기 위하여 긴장력 도입 실험과, 휨실험을 실시하였다. 실험결과, 설계에 따른 충분한 긴장력이 도입되었음을 확인하였고, 차수용 옹벽 또는 안벽 구조물로서 사용한계로 판단되는 균열모멘트 또한 설계시 계산된 균열모멘트에 비하여 약 34% 정도의 여유를 가짐을 확인하였다. 극한한계상태인 최대모멘트는 실험을 통해 얻은 균열모멘트에 대해 59.2%의 추가적이 사용성를 확보하고 있음을 확인하였다.
토목, 건축 현장에서 굴착부 배면의 지반 및 각종 구조물의 안정을 유지하기 위하여 다양한 공법이 개발 및 적용되고 있다. 특히 인접한 건물 및 도로 등으로 인해 배면에 여유 공간이 없는 경우, 지중 연속벽 공법, 주열식 흙막이 공법이 사용되고 있다. 이러한 공법들은 콘크리트를 현장타설로 시공하여 품질관리의 어려움이 있고 양생기간으로 인한 시공기간의 길어지는 단점이 있다. 또한 위의 공법들은 대부분 임시시설로 사용되고 영구 구조체인 옹벽은 별도로 시공된다. 이 연구에서는 위에서 지적한 문제점을 해결하기 위하여 프리캐스트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공 프리스트레스트 콘크리트 파일을 제안하였다. 제안된 파일의 휨에 대한 구조적 거동을 평가하기 위하여 긴장력 도입 실험과, 휨실험을 실시하였다. 실험결과, 설계에 따른 충분한 긴장력이 도입되었음을 확인하였고, 차수용 옹벽 또는 안벽 구조물로서 사용한계로 판단되는 균열모멘트 또한 설계시 계산된 균열모멘트에 비하여 약 34% 정도의 여유를 가짐을 확인하였다. 극한한계상태인 최대모멘트는 실험을 통해 얻은 균열모멘트에 대해 59.2%의 추가적이 사용성를 확보하고 있음을 확인하였다.
In the construction site, various earth retaining systems are developed and applied to maintain stability of excavated area and structures. Among the methods, the underground continuous wall and the column-type diaphragm wall methods are especially used in construction site nearby buildings or roads...
In the construction site, various earth retaining systems are developed and applied to maintain stability of excavated area and structures. Among the methods, the underground continuous wall and the column-type diaphragm wall methods are especially used in construction site nearby buildings or roads. However, these methods have some disadvantages such as the difficulty of quality control and long curing time because these methods need to cast fresh concrete at the construction site. In addition, these methods are usually applied to the site for the temporary purpose. In this paper, we suggest precast hollow prestressed concrete pile for continuous pile wall system. To investigate the structural behavior of suggested pile, which is the main member of the suggested system, tests pertaining to the structural behavior and prestressing force applied in the pile are conducted. From the test results, it was found that the prestressing force measured is sufficient compared with the value obtained by the design equation and the cracking moment measured is 34% higher than the design value. In addition to the above, this precast hollow prestressed concrete pile has an additional safety margin that the maximum moment is 59.2% higher than the cracking moment which is one of the serviceability limits for the design of the system.
In the construction site, various earth retaining systems are developed and applied to maintain stability of excavated area and structures. Among the methods, the underground continuous wall and the column-type diaphragm wall methods are especially used in construction site nearby buildings or roads. However, these methods have some disadvantages such as the difficulty of quality control and long curing time because these methods need to cast fresh concrete at the construction site. In addition, these methods are usually applied to the site for the temporary purpose. In this paper, we suggest precast hollow prestressed concrete pile for continuous pile wall system. To investigate the structural behavior of suggested pile, which is the main member of the suggested system, tests pertaining to the structural behavior and prestressing force applied in the pile are conducted. From the test results, it was found that the prestressing force measured is sufficient compared with the value obtained by the design equation and the cracking moment measured is 34% higher than the design value. In addition to the above, this precast hollow prestressed concrete pile has an additional safety margin that the maximum moment is 59.2% higher than the cracking moment which is one of the serviceability limits for the design of the system.
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문제 정의
이 연구는 위에서 지적한 문제점을 극복하기 위하여 품질관리가 용이하면서 시공기간을 단축시킬 수 있는 프리캐스트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공 프리스트레스콘크리트 파일의 개발과 관련된 것이다. 이 파일은 자립식 영구옹벽 혹은 물양장 및 안벽의 차수벽으로 사용하기 위하여 개발되었다.
이 연구는 위에서 지적한 문제점을 극복하기 위하여 품질관리가 용이하면서 시공기간을 단축시킬 수 있는 프리캐스트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공 프리스트레스콘크리트 파일의 개발과 관련된 것이다. 이 파일은 자립식 영구옹벽 혹은 물양장 및 안벽의 차수벽으로 사용하기 위하여 개발되었다. 일반적으로 옹벽구조물은 배면의 토압을 받기 때문에 휨거동에 대한 검증을 필요로 한다.
이 연구에서는 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 구조적 거동에 대한 연구를 수행하였고, 연구결과를 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.
가설 설정
(1) 공장 제작으로 제품의 치수 정밀도와 품질이 우수한 프리캐스트 부재로 제작된다. (2) 자중 대비 성능 향상과 운반시의 균열 방지를 위하여 중앙부에 자중감소재 (스티로폼) 를 삽입한 중공 단면으로 제작하였다.
제안 방법
일반적으로 옹벽구조물은 배면의 토압을 받기 때문에 휨거동에 대한 검증을 필요로 한다. 이 연구에서는 주열식 벽체용 중공 PSC 콘크리트 파일의 휨거동을 확인하기 위해 실험체를 제작하였고, 제작공정 중에 긴장력 도입 실험을 실시하였으며, 휨실험을 실시하여 휨에 대한 구조적 거동을 분석하였다.
(1) 공장 제작으로 제품의 치수 정밀도와 품질이 우수한 프리캐스트 부재로 제작된다. (2) 자중 대비 성능 향상과 운반시의 균열 방지를 위하여 중앙부에 자중감소재 (스티로폼) 를 삽입한 중공 단면으로 제작하였다. (3) 인장력에 취약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 프리텐션 방식의 일종인 롱라인공법 (long-line method)을 이용하여 콘크리트 전단면에 압축력을 도입하였다.
(4) Cap beam과의 연결을 원활히 하기 위하여 상부에 I형 강재를 배치하였다. (5) 영구옹벽 또는 안벽 시공에 있어서 효과적인 파일간의 횡방향 연결과 차수성능 향상을 위하여 단면의 양측면에 연결홈을 설치 하였다. 파일의 형태를 Fig.
롱라인 방식으로 제작된 실험체의 프리스트레스 도입량을 확인하기 위하여 프리스트레스 도입 실험을 실시하였다. Fig.
4에 나타낸 바와 같이 변형률게이지를 부착하였다. PS강연선의 형상에 의하여 직접적으로 게이지를 부착할 수 없으므로 주변에 변형률게이지를 설치한 D13 철근을 매입하여 측정하였다. 실험은 프리캐스트 콘크리트 부재 내에 위치한 16개의 PS강연선에 총 2589.
PS강연선의 형상에 의하여 직접적으로 게이지를 부착할 수 없으므로 주변에 변형률게이지를 설치한 D13 철근을 매입하여 측정하였다. 실험은 프리캐스트 콘크리트 부재 내에 위치한 16개의 PS강연선에 총 2589.3kN의 긴장력을 도입하고 정착시키는 동안 철근에 발생한 변형률을 측정하는 방법으로 수행하였으며, 측정된 변형률은 자료수집장치 (Data logger, TDS-302)를 통하여 컴퓨터에 자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.
실험은 총 1,053초간 진행되었으며, 프리스트레스 도입 전과정에 걸쳐 지속적으로 측정하였고, 도입 후 변형률이 안정화 되도록 시간을 두어 즉시손실을 반영한 긴장력을 측정하였다. 계측은 유압잭 릴리즈 (0초~130초), 강연선 절단 (131초~190초), 안정화 구간 (201초~1,053초)의 순서로 이루어졌으며 시간에 따른 변형률을 Fig.
6에 나타내었고 Photo 2에 휨실험 전경을 나타내었다. 휨실험의 지점간의 거리는 한쪽 단부에 삽입된 H형강의 영향이 없도록 중공단면의 양쪽이 같은 길이가 되도록 결정하였다. Fig.
(1) 주열식 벽체용 중공 PSC 파일에 대한 구조적 거동 평가 실험을 수행하였다. 실험체에 작용한 최대하중은 1,351.
(2) 수밀성을 보장해야하는 차수용 흙막이공의 특성을 고려하여 균열모멘트를 사용한계상태로 규정하였으며, 구조적 거동 평가 실험 결과에서 도출된 균열모멘트와 이론적으로 구한 균열모멘트를 비교하였다. 비교 결과 균열모멘트의 실험값이 설계값에 비하여 약 34%의 여유가 있음을 확인하였으며, 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 설계는 충분한 사용성을 확보하고 있음을 알수 있었다.
대상 데이터
주열식 벽체용 중공 PSC 콘크리트 파일 실험체 제작에 사용된 재료는 설계기준압축강도 45MPa의 콘크리트와 KS D 7002 (2011)에 적합한 15.2mm의 7연선 B종 SWPC7B 강연선, KS D 3504 (2011)에 적합한 SD400 강종의 D16 이형철근으로 구성되어 있다. 콘크리트는 KS F 2405 (2010)를 참고하여 콘크리트의 압축강도시험을 실시하였으며, 그 결과를 종합하여 Table 1에 나타내었다.
주열식 벽체용 중공 PSC 파일 실험체는 충청남도 당진에 위치한 제조사의 공장에서 제작하였으며, 실험체의 총 길이는 7,200mm로 제작되었다. PS강연선 (SWPC7B -Φ15.
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 휨에 대한 구조적 거동을 파악하기 위하여 4점 재하휨실험 (4-point bending test)을 실시하였다. 실험은 한국건설기술연구원 구조실험동에서 실시하였으며, 하중은 3,500kN용량의 엑츄에이터 (Actuator)를 사용하여 2mm/min의 속도로 재하하였다. 휨실험의 형태를 Fig.
이 연구에서는 1개의 시편만으로 실험을 수행하였다. 따라서 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 향후 추가적인 실험 또는 유한요소해석을 통한 연구가 수행되어야 할 것이다.
이론/모형
(2) 자중 대비 성능 향상과 운반시의 균열 방지를 위하여 중앙부에 자중감소재 (스티로폼) 를 삽입한 중공 단면으로 제작하였다. (3) 인장력에 취약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 프리텐션 방식의 일종인 롱라인공법 (long-line method)을 이용하여 콘크리트 전단면에 압축력을 도입하였다. (4) Cap beam과의 연결을 원활히 하기 위하여 상부에 I형 강재를 배치하였다.
2mm의 7연선 B종 SWPC7B 강연선, KS D 3504 (2011)에 적합한 SD400 강종의 D16 이형철근으로 구성되어 있다. 콘크리트는 KS F 2405 (2010)를 참고하여 콘크리트의 압축강도시험을 실시하였으며, 그 결과를 종합하여 Table 1에 나타내었다. 압축강도시험 결과 28일 강도가 설계기준압축강도를 만족하는 것을 확인하였다.
압축강도시험 결과 28일 강도가 설계기준압축강도를 만족하는 것을 확인하였다. 강연선 및 철근은 KS 기준에 부합되는 제품을 사용하여 개별적인 테스트를 실시하지 않았다. KS 기준과 도로교설계기준 (2012), 기존연구문헌 (Ha, 2008)에서 제시하고 있는 철근 PS강연선의 역학적 성질을 참고하여 각각의 역학적 성질을 Table 2와 Table 3에 정리하여 나타내었다.
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 휨에 대한 구조적 거동을 파악하기 위하여 4점 재하휨실험 (4-point bending test)을 실시하였다. 실험은 한국건설기술연구원 구조실험동에서 실시하였으며, 하중은 3,500kN용량의 엑츄에이터 (Actuator)를 사용하여 2mm/min의 속도로 재하하였다.
성능/효과
콘크리트는 KS F 2405 (2010)를 참고하여 콘크리트의 압축강도시험을 실시하였으며, 그 결과를 종합하여 Table 1에 나타내었다. 압축강도시험 결과 28일 강도가 설계기준압축강도를 만족하는 것을 확인하였다. 강연선 및 철근은 KS 기준에 부합되는 제품을 사용하여 개별적인 테스트를 실시하지 않았다.
이 파일처럼 단면이 대칭으로 구성되어 있고 편심거리가 없는 경우에는 이론적으로는 전단면이 동일한 압축을 받는 것으로 가정할 수 있으나, 실제에서는 긴장력의 전달거리에 따라 다른 값을 보일 수 있다. 실험 결과 각 위치에 따라 최대 10.937MPa에서 최소 6.497MPa의 응력이 분포됨을 알 수 있었다. 대체로 단면의 상부에서 측정된 결과에 비하여 단면의 하부의 값이 작게 나타났으며, 이것은 프리스트레스 도입 과정에서 상부의 거푸집만을 제거하고 하부는 남겨둔 채로 프리스트레스를 도입하여 하부의 거푸집과 콘크리트의 부착 및 마찰에 따른 영향으로 생각된다.
실험결과를 종합해보면 단면내에서의 각 지점에 따른 응력의 차이가 존재하지만, 하부 거푸집을 제거한 후에는 마찰과 부착의 영향이 없어지므로, 전단면의 응력이 거의 유사해질 것이라고 생각된다. 따라서 실험결과에서 중앙부 콘크리트 상부 표면에서 측정된 응력인 7.
실험결과를 종합해보면 단면내에서의 각 지점에 따른 응력의 차이가 존재하지만, 하부 거푸집을 제거한 후에는 마찰과 부착의 영향이 없어지므로, 전단면의 응력이 거의 유사해질 것이라고 생각된다. 따라서 실험결과에서 중앙부 콘크리트 상부 표면에서 측정된 응력인 7.659MPa을 전단면에 분포된 것으로 판단하였으며, 이 응력은 콘크리트에서 직접 측정된 값이며, 측정된 응력 중에서 2번째로 작은 값을 나타내고 있으므로 안전측이라고 판단하였다.
따라서 최대모멘트 또는 균열모멘트를 계산할 때는 자중에 의한 모멘트를 추가로 포함시켜야 한다. 실험결과에서 최대모멘트는 사용한계상태로 규정한 균열모멘트에 비하여 59.2% 큰것을 확인 할 수 있다.
8에 나타내었다. 단면의 상부에 부착된 변형률게이지는 CT-1, 2, 3으로 휨압축을 받는 구간으로 균열하중 이후 기울기가 감소하면서 계속적으로 변형률이 증가하다가 평균적으로 0.002의 변형률에서 실험이 종료되었다. CC-1, 2는 단면의 중앙에 변형률게이지가 부착되었으며 균열하중 전까지는 변형률이 거의 0이었으나 균열하중 이후 변형률이 변화하여 인장변형률을 나타내게 되었다.
5kN의 하중까지는 휨인장으로 인한 인장변형률이 선형으로 증가하였으나, 이후 변형률이 감소하였다. 이 현상은 육안으로 검사된 균열 하중과 다소 차이가 있는 것으로 보아 변형률게이지의 부착에 문제가 생긴 것으로 판단하였으며, 이 경우에는 인장부의 변형률게이지의 데이터는 408.5kN의 하중에 대한 것까지만 유효한 것으로 판단하였다.
(2) 수밀성을 보장해야하는 차수용 흙막이공의 특성을 고려하여 균열모멘트를 사용한계상태로 규정하였으며, 구조적 거동 평가 실험 결과에서 도출된 균열모멘트와 이론적으로 구한 균열모멘트를 비교하였다. 비교 결과 균열모멘트의 실험값이 설계값에 비하여 약 34%의 여유가 있음을 확인하였으며, 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 설계는 충분한 사용성을 확보하고 있음을 알수 있었다.
(3) 결론적으로 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 구조적 거동 실험결과, 설계상에 적용되는 계수에 의한 안전율을 제외하고도 사용한계상태인 균열모멘트에 대하여 충분한 사용성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 또한 극한한계상태인 최대모멘트는 실험시의 균열모멘트에 대하여 59.
(3) 결론적으로 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 구조적 거동 실험결과, 설계상에 적용되는 계수에 의한 안전율을 제외하고도 사용한계상태인 균열모멘트에 대하여 충분한 사용성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 또한 극한한계상태인 최대모멘트는 실험시의 균열모멘트에 대하여 59.2%의 추가적인 안전여유를 확보하고 있음을 알 수 있었다.
실험체는 하중이 재하됨에 따라 중앙 하부의 휨균열이 발생한 후, 상부로 균열이 진전되었으며, 이후 중앙에서 양측 지점방향으로 새로운 균열이 계속적으로 발생하였다. 실험은 최대하중 1,351.4kN, 최대하중시의 변위 32.4mm에 도달하며 휨에 의한 최종적인 파괴가 발생하였다. 실험이 종료될 때, 실험체의 형태를 Photo 3에 나타내었다.
후속연구
이 연구에서는 1개의 시편만으로 실험을 수행하였다. 따라서 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 향후 추가적인 실험 또는 유한요소해석을 통한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 안정적인 차수벽으로 사용하기 위해서는 말뚝과 말뚝 사이의 연결구조물을 포함한 추가적인 연구가 필요하다.
따라서 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 향후 추가적인 실험 또는 유한요소해석을 통한 연구가 수행되어야 할 것이다. 또한 안정적인 차수벽으로 사용하기 위해서는 말뚝과 말뚝 사이의 연결구조물을 포함한 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 주요 부재 구성은?
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 주요 부재는 철근콘크리트와 긴장력을 도입하기 위한 PS강연선으로 구성되며, 특징을 정리하여 아래에 나타내었다.
프리스트레스콘크리트 파일은 어떤 목적으로 개발되었는가?
이 연구는 위에서 지적한 문제점을 극복하기 위하여 품질관리가 용이하면서 시공기간을 단축시킬 수 있는 프리캐스트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공 프리스트레스콘크리트 파일의 개발과 관련된 것이다. 이 파일은 자립식 영구옹벽 혹은 물양장 및 안벽의 차수벽으로 사용하기 위하여 개발되었다. 일반적으로 옹벽구조물은 배면의 토압을 받기 때문에 휨거동에 대한 검증을 필요로 한다.
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 특징은?
(1) 공장 제작으로 제품의 치수 정밀도와 품질이 우수한 프리캐스트 부재로 제작된다. (2) 자중 대비 성능 향상과 운반시의 균열 방지를 위하여 중앙부에 자중감소재 (스티로폼) 를 삽입한 중공 단면으로 제작하였다. (3) 인장력에 취약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 프리텐션 방식의 일종인 롱라인공법 (long-line method)을 이용하여 콘크리트 전단면에 압축력을 도입하였다. (4) Cap beam과의 연결을 원활히 하기 위하여 상부에 I형 강재를 배치하였다. (5) 영구옹벽 또는 안벽 시공에 있어서 효과적인 파일간의 횡방향 연결과 차수성능 향상을 위하여 단면의 양측면에 연결홈을 설치 하였다. 파일의 형태를 Fig.
참고문헌 (11)
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Yoon, S. J. (2012), A study on the Structural Behavior Estimation of SPC Pile, Research Report, Hongik University Research Institute of Science and Technology, Seoul (in Korean).
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