광양지역에 적합한 항타강관말뚝의 목표신뢰성지수 및 저항계수 산정 Resistance Factor and Target Reliability Index Calculation of Static Design Methods for Driven Steel Pipe Pile in Gwangyang원문보기
최근 구조물 기초 분야에 대한 한계상태설계법이 국제적인 기술표준으로 요구됨에 따라 연구기반이 미약한 연약지반 개량공법에 대한 하중저항계수설계법 개발의 필요성이 대두되었다. 본 연구는 신뢰성 분석을 통해 항타강관말뚝의 목표신뢰성지수 및 저항계수를 산정하여 기초 구조물에 대한 LRFD code를 개발하고자 하였다. 프로그램의 검증을 위해 광양지역 16개의 항타말뚝 재하시험 결과와 2008년 한국건설기술연구원에서 이용된 57개의 항타말뚝 재하시험 결과를 취합하였다. 구조물기초설계기준에서 제안하고 있는 두가지 정역학적 설계공식에 대해서 대표 측정지지력과 설계지지력을 비교함으로써 저항편향계수를 평가하였고, 저항편향계수의 통계특성을 이용하여 일차신뢰도법 및 몬테카를로 실뮬레이션에 의한 신뢰성 분석을 실시하였다. 그 결과, 항타강관말뚝의 목표 신뢰성지수 2.0, 2.33, 2.5에 대해서 선단부 N치 50이하인 경우 두 지지력 공식의 저항계수는 각각 0.611~0.684, 0.821~0.537, 선단부 N치 50이상인 경우 각각 0.608~0.545, 0.749~0.643으로 제안되었다. 본 연구결과는 향후 다양한 기초구조물 및 지반구조물의 하중저항계수설계법 개발을 위한 자료로서 그 활용성이 있을 것이다.
최근 구조물 기초 분야에 대한 한계상태설계법이 국제적인 기술표준으로 요구됨에 따라 연구기반이 미약한 연약지반 개량공법에 대한 하중저항계수설계법 개발의 필요성이 대두되었다. 본 연구는 신뢰성 분석을 통해 항타강관말뚝의 목표신뢰성지수 및 저항계수를 산정하여 기초 구조물에 대한 LRFD code를 개발하고자 하였다. 프로그램의 검증을 위해 광양지역 16개의 항타말뚝 재하시험 결과와 2008년 한국건설기술연구원에서 이용된 57개의 항타말뚝 재하시험 결과를 취합하였다. 구조물기초설계기준에서 제안하고 있는 두가지 정역학적 설계공식에 대해서 대표 측정지지력과 설계지지력을 비교함으로써 저항편향계수를 평가하였고, 저항편향계수의 통계특성을 이용하여 일차신뢰도법 및 몬테카를로 실뮬레이션에 의한 신뢰성 분석을 실시하였다. 그 결과, 항타강관말뚝의 목표 신뢰성지수 2.0, 2.33, 2.5에 대해서 선단부 N치 50이하인 경우 두 지지력 공식의 저항계수는 각각 0.611~0.684, 0.821~0.537, 선단부 N치 50이상인 경우 각각 0.608~0.545, 0.749~0.643으로 제안되었다. 본 연구결과는 향후 다양한 기초구조물 및 지반구조물의 하중저항계수설계법 개발을 위한 자료로서 그 활용성이 있을 것이다.
Recently, the necessity of developing the load and resistance factor design(LRFD) for soft ground improvement method has been raised, since the limit state design is requested as international technical standard for the foundation of structures. In this study, to develop LRFD codes for foundation st...
Recently, the necessity of developing the load and resistance factor design(LRFD) for soft ground improvement method has been raised, since the limit state design is requested as international technical standard for the foundation of structures. In this study, to develop LRFD codes for foundation structures in Korea, target reliability index and resistance factor for static bearing capacity of driven steel pipe piles were calibrated in the framework of reliability theory. The 16 data(in Gwangyang) and the 57 data(Korea Institute of Construction Technology, 2008) sets of static load test and soil property tests conducted in the whole domestic area were collected along with available subsurface investigation results. The resistance bias factors were evaluated for the tow static design methods by comparing the representative measured bearing capacities with the expected design values. Reliability analysis was performed by two types of advanced methods : the First Order Reliability Method (FORM), and the Monte Carlo Simulation (MCS) method using resistance bias factor statistics. As a result, when target reliability indices of the driven pipe pile were selected as 2.0, 2.33, 2.5, resistance factor of two design methods for SPT N at pile tip less than 50 were evaluated as 0.611~0.684, 0.537~0.821 respectively, and STP N at pile tip more than 50 were evaluated as 0.545~0.608, 0.643~0.749 respectively. The result from this research will be useful for developing various foundations and soil structures under LRFD.
Recently, the necessity of developing the load and resistance factor design(LRFD) for soft ground improvement method has been raised, since the limit state design is requested as international technical standard for the foundation of structures. In this study, to develop LRFD codes for foundation structures in Korea, target reliability index and resistance factor for static bearing capacity of driven steel pipe piles were calibrated in the framework of reliability theory. The 16 data(in Gwangyang) and the 57 data(Korea Institute of Construction Technology, 2008) sets of static load test and soil property tests conducted in the whole domestic area were collected along with available subsurface investigation results. The resistance bias factors were evaluated for the tow static design methods by comparing the representative measured bearing capacities with the expected design values. Reliability analysis was performed by two types of advanced methods : the First Order Reliability Method (FORM), and the Monte Carlo Simulation (MCS) method using resistance bias factor statistics. As a result, when target reliability indices of the driven pipe pile were selected as 2.0, 2.33, 2.5, resistance factor of two design methods for SPT N at pile tip less than 50 were evaluated as 0.611~0.684, 0.537~0.821 respectively, and STP N at pile tip more than 50 were evaluated as 0.545~0.608, 0.643~0.749 respectively. The result from this research will be useful for developing various foundations and soil structures under LRFD.
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문제 정의
T)에서 작성한 “LRFD 기초구조물 설계를 위한 저항계수 결정 연구”에서 이용된 57개의 항타말뚝 재하시험 결과를 취합하여 하중저항계수설계법에 따른 목표신뢰성지수 및 저항계수 해석결과를 비교하였다. 이를 통해 강관말뚝 기초에 대한 LRFD의 적용성을 검토하고 광양지역에 적합한 강관말뚝 기초의 하중저항계수설계법에 의한 설계기준을 제시하고자 한다.
제안 방법
1. 구축된 자료를 바탕으로 신뢰성 분석을 위해 선정된 재하시험 자료에 대해서 측정 극한지지력을 산정하였다. 산정결과 객관적인 수치를 얻을 수 있고 적용성이 높으며, 편차가 작은 Davisson 방법이 말뚝의 측정 극한지지력을 결정하기 위한 대표 방법으로 선정되었다.
2. 국내 설계 실무에 주로 적용되는 정역학적 지지력공식과 Meyerhof경험식을 적용하여 설계 지지력을 산정하여 두 지지력의 비교 · 분석을 통해 저항편향계수를 산정하였다.
Fig. 5와 Fig. 6은 K.I.C.T 보고서의 57개 항타강관말뚝 신뢰성 분석자료에 대해서 측정 극한지지력과 설계극한지지력을 비교하여 저항편향계수 분석을 실시하였다.
신뢰성 해석을 하기위한 말뚝 직경, 지질, 길이에 대한 분류는 Table 1과 같으며, 광양지역의 말뚝은 재하시험의 대부분이 설계지지력의 2배 하중만 가해지고 말뚝변위량은 탄성압축량 정도의 크기만 발생하여 대부분의 항복지지력을 확인 할 수 없었다. K.I.C.T에서는 신뢰도가 높은 자료 63개만 산정하였고, 직접 수행한 광양지역의 16개의 자료를 취합하여 신뢰성 분석 및 저항계수 산정을 실시하였다.
국제적 기술표준으로 정립되고 있는 신뢰성 기반의 하중저항계수 설계법에 대비하여 본 연구를 통해 국내특성을 고려한 항타강관말뚝의 저항계수가 제안되었다. 본 연구 결과는 향후 다양한 기초구조물 및 지반구조물의 하중저항계수설계법 개발을 위한 자료로서 그 활용성이 있을 것이다.
극한지지력에 대하여 50% 큰 지지력을 나타내는 경계선과 50% 작은 지지력을 나타내는 경계선을 함께 도시하여 정역학적 지지력공식과 Meyerhof 경험식에 의한 설계 극한지지력의 경향성을 비교하였다.
T 보고서 자료는 선단부 N치 50미만(N<50)자료는 26개(Table 4참조), 50이상(N≥50) 자료는 31개(Table 5참조)로 분석되었다. 또한, 광양지역의 목표신뢰성지수 및 저항계수를 구하기 위해 건기원 보고서의 57개 자료만을 비교하기엔 부족하다고 판단되어, 광양지역의 자료와 건기원이 자료를 취합하여 분석하였다.
본 연구에서 직접수행한 광양지역의 16개 시료와 적용성이 높고, 객관적, 정량적 기준을 제시 할 수 있는 K.I.C.T 보고서의 63개의 자료 중 57개 자료를 통하여 선단부 N치를 재분류 하였다. 표준관입시험의 N치 50은 지반조사 및 말뚝설계 시공 실무에서 경질 지반의 기준 조건으로서 인식되고 있으므로 N치 50을 기준으로 자료를 두 가지로 분류하였다.
본 연구에서는 광양지역 16개의 항타말뚝 재하시험 결과와 2008년 한국건설기술연구원(Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, 이하 K.I.C.T)에서 작성한 “LRFD 기초구조물 설계를 위한 저항계수 결정 연구”에서 이용된 57개의 항타말뚝 재하시험 결과를 취합하여 하중저항계수설계법에 따른 목표신뢰성지수 및 저항계수 해석결과를 비교하였다.
본 연구에서는 광양지역에서 실시한 재하시험 16개의 자료는 신뢰성 해석을 위한 자료로서 충분하지 않다고 판단되어 K.I.C.T(2008)에서 신뢰성 해석 후 작성한 “LRFD 기초구조물 설계를 위한 저항계수 결정 연구”에 사용된 신뢰성이 우수한 자료를 취합하여 신뢰성 해석으로 사용하였다.
분석된 측정지지력과 설계신뢰성분석에 적용되는 통계분석의 신뢰성 있는 결과도출을 위하여 일반적인 저항편향계수 범위 [평균±(2x표준편차)]를 벗어난 값은 통계해석에서 제외하는 것이 합리적이므로, 이를 고려하여 저항편향계수의 통계 특성치를 산정하였다[16].
본 연구에서는 불특정 변수들이 대수정규분포를 따르고 한계상태함수가 비선형이라는 점을 고려하여 반복알고리즘을 Form의 해석 기법으로 채택하였다. 이 알고리즘의 반복계산 수행을 원활하게 하기 위해 MATLAB에서 실행 가능한 신뢰성 해석 프로그램을 개발하였다.
T 보고서의 63개의 자료 중 57개 자료를 통하여 선단부 N치를 재분류 하였다. 표준관입시험의 N치 50은 지반조사 및 말뚝설계 시공 실무에서 경질 지반의 기준 조건으로서 인식되고 있으므로 N치 50을 기준으로 자료를 두 가지로 분류하였다. 광양지역 자료는 선단부 N치 50미만(N<50)자료는 3개, 50이상(N≥50) 자료는 13개(Table 3참조), K.
대상 데이터
광양지역 자료는 선단부 N치 50미만(N<50)자료는 3개, 50이상(N≥50) 자료는 13개(Table 3참조), K.I.C.T 보고서 자료는 선단부 N치 50미만(N<50)자료는 26개(Table 4참조), 50이상(N≥50) 자료는 31개(Table 5참조)로 분석되었다.
데이터처리
이는 Huh et al.(2007)과 마찬가지로 57개의 자료에 대해서 선단부 N치 50을 기준으로 두 그룹으로 분류하였고, 저항편향계수의 통계특성을 이용하여 일차신뢰도법 및 몬테카를로 실뮬레이션에 의한 신뢰성 분석을 실시하였다. 신뢰성 분석 결과, 국내 말뚝 기초의 설계, 시공, 실무 특성을 고려하여 무리말뚝의 여용성을 적용할 수 있는 경우 2.
3. 저항편향계수의 통계 특성을 이용하여 일계신뢰성 해석기법 및 몬테카를로 시뮬레이션에 의한 신뢰성 분석을 수행하였다. 통상적인 구조물기초 안전율 수준인 3.
이론/모형
0에 근접하기 때문에 다른 재하시험에 의한 극한지지력 산정 방법들에 비해서 전체적으로 평균적인 값을 나타내는 것을 알 수 있다[12, 13]. 따라서 본 연구에서 직접 수행한 광양지역 자료의 측정 극한 지지력을 결정하기 위한 대표적인 기준으로 Davisson(1972) 방법을 선정하였다. 다음 Fig.
본 연구에서는 불특정 변수들이 대수정규분포를 따르고 한계상태함수가 비선형이라는 점을 고려하여 반복알고리즘을 Form의 해석 기법으로 채택하였다. 이 알고리즘의 반복계산 수행을 원활하게 하기 위해 MATLAB에서 실행 가능한 신뢰성 해석 프로그램을 개발하였다.
분석대상 자료에 대한 설계 지지력을 산정하기 위해서 구조물기초설계기준에서 제안하고 두 가지 정역학적 설계법인 정역학적 지지력공식과 N치를 이용한 Meyerhof 경험식을 적용하였다. 말뚝 제원과 지반 조건 등은 정재하시험과 동일하게 적용하였다.
구축된 자료를 바탕으로 신뢰성 분석을 위해 선정된 재하시험 자료에 대해서 측정 극한지지력을 산정하였다. 산정결과 객관적인 수치를 얻을 수 있고 적용성이 높으며, 편차가 작은 Davisson 방법이 말뚝의 측정 극한지지력을 결정하기 위한 대표 방법으로 선정되었다.
성능/효과
4. 항타강관말뚝의 목표 신뢰성지수를 분석한 결과 광양지역에서 기초설계 정역학적 지지력 공식의 신뢰성지수인 2.5값을 목표 신뢰성지수로 제안함이 타당할 것으로 판단된다.
5. 직접 수행한 광양지역의 자료와 K.I.C.T 자료를 취합한 전체자료의 저항계수는 선단부 N치 50미만인 경우 정역학적 지지력공식과 Meyerhof 경험식의 저항계수는 목표 신뢰성지수 2.0, 2.33, 2.5에 대해서 0.611∼0.684, 0.821∼0.537, 선단부 N치 50이상인 경우 두 지지력 공식의 저항계수는 각각 0.608∼0.545, 0.749∼0.643으로 산정되었다.
Davisson 방법의 분석결과, 총 63개의 자료 중 60개 자료에 대해서 극한지지력을 확인할 수 있었으며, ksx(평균 측정지지력/Davisson 방법에 의한 극한지지력)의 평균은 1.012 표준편차는 0.130으로 나타났고, 평균값이 1.0에 근접하기 때문에 다른 재하시험에 의한 극한지지력 산정 방법들에 비해서 전체적으로 평균적인 값을 나타내는 것을 알 수 있다[12, 13]. 따라서 본 연구에서 직접 수행한 광양지역 자료의 측정 극한 지지력을 결정하기 위한 대표적인 기준으로 Davisson(1972) 방법을 선정하였다.
N<50 자료의 경우 정역학적 지지력공식이 Meyerhof 식에 비해 더 많은 자료 수가 측정 극한 지지력의 -50%∼+50% 범위 내에 분포하는 것을 확인할 수 있으며 Meyerhof 경험식은 정역학적 지지력공식에 비해 지지력을 보수적으로 평가하는 자료 수가 많은 것을 알 수 있다.
692이었다. 광양지역 자료의 신뢰성지수는 K.I.C.T 자료에 비해 23%이상 크게 나타났고, 전체 자료의 신뢰성지수에 비해 약 35% 이상 크게 나타났다.
(2006)은 항타강관말뚝의 저항편향계수를 산정하기 위하여 재하시험에 의한 Davisson 방법과 지지력 공식에 의한 설계지지력을 비교 분석하여 저항편향계수를 산정하였다. 그 결과, 정역학적 지지력 공식은 0.98, N치를 이용한 경험식은 1.46의 저항편향계수값을 나타냄으로써 N치를 이용한 경험식은 지지력을 과소평가하는 경향이 있음을 확인하였다[12].
(2007)은 항타강관말뚝의 저항편향계수를 산정하기 위하여 말뚝의 선단부 평균 N치 50을 기준으로 자료를 두 그룹으로 분류하여 정역학적 지지력 공식과 Meyerhof 경험식에 의한 설계 극한지지력을 이용하였다. 그 결과, 정역학적지 지력공식은 자료의 변동성이 낮게 평가되었으며, Meyerhof 경험식은 내재적 보수성이 크게 평가되었다. 저항편향계수의 확률밀도함수는 두 가지 지지력 공식 모두 대수정규분포에 적합한 것으로 확인되었다[13].
845이었다. 두 가지 지지력 공식 모두 선단부 N치 50 미만의 자료가 선단부 N치 50 이상의 자료보다 신뢰성수준이 높게 평가되었다.
T에서 분석한 저항편향계수대비 선단부 N치 50미만의 정역학공식에서는 85%, Meyerhof식은 61%로 모두 과소평가되었으며, 선단부 N치 50이상의 정역학공식에서는 105%, Meyerhof식은 76%로 정역학공식은 과대평가되었으나, Meyerhof식은 과소평가되었다. 또한 광양지역과 K.I.C.T의 자료를 취합한 전체자료의 저향편항계수에서도 선단부 N치 50이상에서 정역학적 공식을 제외하고는 광양지역의 저향편항계수가 과소평가 된 것을 알수 있었다. K.
또한 본 연구에서 개발한 신뢰성해석 기법으로 산정한 정역학적 지지력공식의 신뢰성지수(1.75∼2.97)는 Barker 등 및 미국의 깊은 기초에 대한 LRFD의 신뢰성수준과 유사하게 나타났다.
본 연구를 통해 광양지역 강관말뚝기초의 정재하시험 및 지반조사 자료를 대상으로 일계신뢰성해석기법과 몬테카를로 시뮬레이션기법을 적용하여 분석한 신뢰성지수는 앞서 설명한 바와 같이 통상적으로 적용되는 안전율의 범위에서 정역학적 지지력공식의 경우 1.75∼2.97, Meyerhof 경험식의 경우 2.99∼4.41를 나타냈으며, Meyerhof 경험식의 신뢰성지수가 높게 나타남은 저항편향계수의 변동계수의 값이 정역학적 지지력공식의 변동계수의 값 보다 작기 때문이다.
본 연구에서 직접 수행한 광양지역의 지반특성은 생성, 풍화, 운반, 퇴적 과정과 생성 후 구성 광물의 변화, 응력, 함수비 등 지역 특성과 위치에 따른 변화를 보이며, 연직방향과 수평방향에 따른 물성의 변화를 보인다. Fig.
본 연구에서 직접 실시한 광양지역의 저평편항계수는 K.I.C.T에서 분석한 저항편향계수대비 선단부 N치 50미만의 정역학공식에서는 85%, Meyerhof식은 61%로 모두 과소평가되었으며, 선단부 N치 50이상의 정역학공식에서는 105%, Meyerhof식은 76%로 정역학공식은 과대평가되었으나, Meyerhof식은 과소평가되었다. 또한 광양지역과 K.
선단부 N치 50 미만의 자료에 대하여 정역학적 지지려 공식 및 Meyerhof의 MCS 기반 신뢰성 해석을 수행한 결과(Table 7참조), 정역학적 지지력공식의 경우 안전율 3.0∼5.0에 대하여 광양지역 자료의 신뢰성지수는 2.376∼3.651, K.I.C.T 자료의 신뢰성지수는 1.785∼2.817, 광양지역 자료와 K.I.C.T 자료를 취합한 전체 자료는 1.745∼2.692이었다.
선단부 N치 50 이상의 자료에 대하여 정역학적 지지려 공식 및 Meyerhof의 MCS 기반 신뢰성 해석을 수행한 결과(Table 8참조), 정역학적 지지력공식의 경우 안전율 3.0∼5.0에 대하여 광양지역자료의 신뢰성지수는 1.889∼3.190, K.I.C.T 자료의 신뢰성지수는 1.528∼2.777, 광양지역과 K.I.C.T 자료를 취합한 전체 자료의 신뢰성지수는 2.228∼3.774이었다.
(2007)과 마찬가지로 57개의 자료에 대해서 선단부 N치 50을 기준으로 두 그룹으로 분류하였고, 저항편향계수의 통계특성을 이용하여 일차신뢰도법 및 몬테카를로 실뮬레이션에 의한 신뢰성 분석을 실시하였다. 신뢰성 분석 결과, 국내 말뚝 기초의 설계, 시공, 실무 특성을 고려하여 무리말뚝의 여용성을 적용할 수 있는 경우 2.0, 2.33, 무리말뚝의 여용성을 적용할 수 없는 경우 2.5의 목표신뢰도지수를 결정하였고, 선단부 N치 50미만인 정역학적 지지력공식과 Meyerhof 경험식의 저항계수는 각각 0.34~0.43, N치 50이상인 경우 두 지지력 공식의 저항계수는 각각 0.32~0.39, 0.27~0.37로 나타났다[14].
전체 신뢰성지수에 따른 저항계수 산정결과, 목표신뢰성지수 2.0, 2.33, 2.5에 대해서 저항계수는 선단부 N치 50미만인 경우가 N치 50이상인 경우보다 정역학 공식에서 크게 산정되었다. 선단부 N치 50미만에서는 Meyerhof식이 크거나 작게 산정되었으나, 선단부 N치 50이상에서는 Meyerhof식이 크게 산정 되었다.
표준관입시험 분석결과, 실트질 모래층은 부지조성 당시 인위적으로 매립·성토된 층으로 모든 시추공에서 확인되었으며 전 지역에 분포한다.
후속연구
Meyerhof식의 신뢰성지수 분석결과 광양지역의 신뢰성지수는 2.943∼4.264, K.I.C.T 자료의 신뢰성지수는 1.992∼2.743, 전체자료의 신뢰성지수는 1.161∼1.566로 산정되었으며, 정역학공식에 대한 신뢰성지수와 전반적으로 유사한 경향을 나타내고 있으나, 광양지역 자료를 제외한 자료의 신뢰성지수 값이 가장 낮게 산정되어 저항편향계수의 산정에 핵심적인 재하시험, 현장조사 및 실내시험의 합리적 수행, 정확한 지지력 평가 및 엄격한 자료의 관리가 필요한 것으로 사료된다.
국제적 기술표준으로 정립되고 있는 신뢰성 기반의 하중저항계수 설계법에 대비하여 본 연구를 통해 국내특성을 고려한 항타강관말뚝의 저항계수가 제안되었다. 본 연구 결과는 향후 다양한 기초구조물 및 지반구조물의 하중저항계수설계법 개발을 위한 자료로서 그 활용성이 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축 시 지반의 지지력이 약한 경우 무엇을 설치해야 하는가?
지반의 지지력이 충분하지 못하거나 침하가 과도하게 일어나는 경우에는 깊은 기초를 설치하여 지지력이 충분히 큰 하부의 토층이나 암반층에 구조물의 하중을 전달하게 하며, 깊은기초 중에서 가장 일반적인 방법이 강관 말뚝기초이다.
구조물의 기초를 설계 할 때 하중저항계수설계법을 이용하는 것이 세계적인 추세가 되고 있는 이유는?
현행 구조물의 대형화와 복잡화 경향에 따라 경제적이고 합리적인 최적 설계방안에 대한 요구가 증가하면서 신뢰성 분석을 기반으로 하는 하중저항계수설계법(LRFD:Load and Resistance Factor Design)이 세계적인 추세가 되어가고 있다.
본 연구의 하중저항계수설계법에 따른 목표신뢰성지수 및 저항계수 해석결과를 비교하기 위해서 정역학적 지지력공식과 Meyerhof경험식을 적용하여 설계 지지력을 산정한 결과는 어떠한가?
국내 설계 실무에 주로 적용되는 정역학적 지지력공식과 Meyerhof경험식을 적용하여 설계 지지력을 산정하여 두 지지력의 비교 · 분석을 통해 저항편향계수를 산정하였다. 선단부 N치 50 미만, N치 50 이상에서 정역학적 지지력공식의 저항편향계수는 평균 0.829, 0.760이며, Meyerhof 경험식은 평균 1.066, 1.005이다. Meyerhof 경험식이 자료의 변동성이 낮고, 보수성이 크게 평가되었다.
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