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문제 정의
- 지진하중으로 대표되는 비선형 영역의 수평저항 거동을 고려한 말뚝설계 역시 수행되고 있지만 그것을 검증하기 위한현장시험은 항복점 이내의 거동만 분석되는 것이 대부분이다. 본 연구에서는 현장시험 특성이 그대로 반영된 수치모델을 이용하여 pushover 해석을 수행하고 그 결과를 분석하여 설계검증에 반영하는 과정을 소개하고 말뚝구조체별(재료별) 비선형 수평저항 거동을 분석하고자 한다. pushover 해석에 관한 개요는 2.
- 본 연구에서는 현장에서 수행한 기성말뚝의 수평재하 시험결과와 해석결과를 본 연구에서 구성한 수치모델과 비교조사한 후 항복점 이후의 말뚝의 횡방향 거동에 대해 분석하였다. 사용한 해석기법은 pushover analysis로서, pushover해석이란 구조물의 항복 이후의 거동과 한계상태를 효과적으로 파악하기 위해 수행하는 해석단계로서 성능기초기반 설계에서 구조물의 비탄성 보유능력을 평가하는데 가장 많이 적용되는 해석방법 중 하나이다.
가설 설정
- 8). 본 해석에서 수평변위 한계기준은 0.1D=50mm로 설정하였다.
제안 방법
- PHC 말뚝을 대상으로 완료된 수평재하 시험결과를 이용하여 pushover 해석을 수행하였다. 그 결과 PHC 말뚝은 항복점 이후 응력경화현상 또는 완전소성상태와 유사한 거동을 보였으며 이는 동일한 하중증분에 대하여 수평변위 증분이 급격히 감소되는 것을 의미한다(Fig.
- 강관말뚝(Φ 508, 12t)을 대상으로 완료된 수평재하 시험결과를 이용하여 pushover 해석을 수행하였다.
- 기성말뚝(PHC, steel pipe)에 대한 현장 수평재하 시험결과를 분석하고, 현장시험에서 재현하기 어려운 항복점 이후 거동을 분석하기 위하여 말뚝 수평저항력 해석에 특화된 프로그램으로 수치모델을 구성하였다(Table 3). 수치모델은Ensoft사의 L-pile 2016 프로그램을 이용하여 구성하였다.
- 1). 본 연구는 단일말뚝의 수평재하 시험결과와 수치해석을 비교하여 항복점 이후의 수평거동에 대한 분석을 말뚝 구조특성별로 분석하였고, 그 해석방법으로서 pushover analysis를 적용하였다. pushover 해석 시 수평저항력 산정기준은 AASHTO 2007 기준을 참조하였다.
- 본 연구는 단일말뚝이 시공된 현장지반정보 및 말뚝구조체 정보를 이용하여 수치모델을 구성하였고, p-y curve를이용한 수평저항력에 관한 해석을 수행한 결과를 현장 수평재하시험 결과와 비교하였다. 현장시험결과와 구성된 수치모델은 약 4% 이내의 결과 차이로 매우 유사한 경향을 보였고 이 모델을 기본으로 현장시험에서 확인하기 어려웠던 항복점 이후의 거동을 조사하기 위해 pushover analysis를 수행하였다.
- 4). 본 연구에서는 실무 및 연구에서 보편적으로 많이 사용하는 p-y곡선이 데이터베이스화되어있고 해석 알고리즘 또한 유한요소법이나 유한차분법 기반의 범용 솔루션이 아닌 말뚝-지반 비선형 해석에 특화된 해석코딩(상용 프로그램)을 사용하여 현장실험결과와 해석모델을 비교분석하였다. 현장실험결과와 비교분석하여 검증된 해석모델을 사용하여 현장실험에서 확인되지 못한 항복점 이후 파괴까지의 거동(응력 및 변형 거동)에 관한 분석을 수행하였다.
- 현장시험 말뚝은 PHC 및 강관말뚝이고 17～23m 범위에서 최종적으로 관입되어 있는 상태이다. 수직 및 수평하중 시험방식과 동일하게 단계별로 하중을 재하하여 모델을 검증하였고, 검증된 모델은 pushover 해석을 통하여 현장시험에서 볼 수 없었던 항복점 이후의 거동을 분석하였다
- 수평하중을 받는 말뚝해석의 기본 방정식은 말뚝을 보요소로, 지반을 탄소성 스프링으로 모델화하였는데 말뚝길이 방향으로의 지반강성 변화를 고려한 지반반력 해석법을 적용하여 말뚝의 수평거동을 예측하였다.
- 본 연구는 단일말뚝이 시공된 현장지반정보 및 말뚝구조체 정보를 이용하여 수치모델을 구성하였고, p-y curve를이용한 수평저항력에 관한 해석을 수행한 결과를 현장 수평재하시험 결과와 비교하였다. 현장시험결과와 구성된 수치모델은 약 4% 이내의 결과 차이로 매우 유사한 경향을 보였고 이 모델을 기본으로 현장시험에서 확인하기 어려웠던 항복점 이후의 거동을 조사하기 위해 pushover analysis를 수행하였다. pushover 해석결과 말뚝 구조체별로 거동의 차이가 나타났는데 세부 내용은 아래와 같다.
- 본 연구에서는 실무 및 연구에서 보편적으로 많이 사용하는 p-y곡선이 데이터베이스화되어있고 해석 알고리즘 또한 유한요소법이나 유한차분법 기반의 범용 솔루션이 아닌 말뚝-지반 비선형 해석에 특화된 해석코딩(상용 프로그램)을 사용하여 현장실험결과와 해석모델을 비교분석하였다. 현장실험결과와 비교분석하여 검증된 해석모델을 사용하여 현장실험에서 확인되지 못한 항복점 이후 파괴까지의 거동(응력 및 변형 거동)에 관한 분석을 수행하였다. 모델검증 후말뚝의 항복점 이후 거동분석에 사용된 해석기법은 Pushover analysis를 적용하였다.
대상 데이터
- 1D(D는 말뚝의 직경)로 정의한다. 본 해석에 사용된 PHC 말뚝의 경우 직경이 500mm이므로 수평거동에 대한 변위한계기준은 50mm를 적용하였다. PHC말뚝의 수평변위 한계에 상응하는 말뚝 두부의 공칭전단력(nominal shear force)는 2배 이상의 차이를 보였으며, 이는 수평저항에 대한 극한한계상태를 고려할 경우, 기성말뚝인 PHC 말뚝을 동일하게 적용하는 경우, 특정 부분에서는 상당한 과다설계가 이루어질 수도 있다는 것을 의미한다.
-
2.1 현장시험 데이터 수집
수치모델 구성을 통한 비교분석을 수행하기 위해 현장에서 수행된 말뚝의 수평재하 시험 데이터를 수집하였다. 직경은 중소형으로 구분되는 Φ 500(PHC), 508-12t(steel) 및 재질도 두 가지 경우(PHC 및 steel)에 대한 자료 위주로 수집하였다.
- 직경은 중소형으로 구분되는 Φ 500(PHC), 508-12t(steel) 및 재질도 두 가지 경우(PHC 및 steel)에 대한 자료 위주로 수집하였다.
- 본 연구에서 수집된 현장시험 데이터는 모두 사질지반에서 시험한 결과이고, 지하수위는 관입깊이 아래에 위치하고 있다. 현장시험 말뚝은 PHC 및 강관말뚝이고 17～23m 범위에서 최종적으로 관입되어 있는 상태이다. 수직 및 수평하중 시험방식과 동일하게 단계별로 하중을 재하하여 모델을 검증하였고, 검증된 모델은 pushover 해석을 통하여 현장시험에서 볼 수 없었던 항복점 이후의 거동을 분석하였다
데이터처리
- 단일말뚝이 시공된 현장지반정보 및 말뚝구조체 정보를 이용하여 수치모델을 구성하였고, p-y curve를 이용한 수평저항력에 관한 해석을 수행한 결과를 현장 수평재하 시험결과와 비교하였다(Fig. 6, 7, Table 4). 비교결과 수평변위의 경우 현장시험결과와 해석결과의 차이가 4% 이내인 것을 확인하였다.
이론/모형
- 본 연구는 단일말뚝의 수평재하 시험결과와 수치해석을 비교하여 항복점 이후의 수평거동에 대한 분석을 말뚝 구조특성별로 분석하였고, 그 해석방법으로서 pushover analysis를 적용하였다. pushover 해석 시 수평저항력 산정기준은 AASHTO 2007 기준을 참조하였다.
- 말뚝의 수평재하시험을 수치모델로 구성하기 위해 말뚝수평거동 전용 프로그램을 본 연구에 사용하였다. 말뚝 수평거동 전용 프로그램을 사용하여 해석을 수행하기 이전에말뚝 수평거동 해석이론을 간략히 소개한다.
- 말뚝의 수평저항에 대한 현장시험 결과는 시험규정에 따라 수행되었으며, 항복점 이하에서 시험이 종료되었다. 기성말뚝 대부분이 수직정적하중에 대한 설계가 주를 이뤘으며, 수평방향에 대한 저항력 계산 및 설계 또한 교각 또는 교대와 같은 구조물이 저항하는 수준으로 설계가 진행되어 왔다.
- 현장실험결과와 비교분석하여 검증된 해석모델을 사용하여 현장실험에서 확인되지 못한 항복점 이후 파괴까지의 거동(응력 및 변형 거동)에 관한 분석을 수행하였다. 모델검증 후말뚝의 항복점 이후 거동분석에 사용된 해석기법은 Pushover analysis를 적용하였다.
- 상기와 같이 검증된 수치모델을 이용하여 현장시험에서는 확인하기 어려웠던 항복점 이후의 거동을 pushvoer 해석기법을 통해 수평거동을 분석하였다.
- 기성말뚝(PHC, steel pipe)에 대한 현장 수평재하 시험결과를 분석하고, 현장시험에서 재현하기 어려운 항복점 이후 거동을 분석하기 위하여 말뚝 수평저항력 해석에 특화된 프로그램으로 수치모델을 구성하였다(Table 3). 수치모델은Ensoft사의 L-pile 2016 프로그램을 이용하여 구성하였다.
성능/효과
- (1) PHC 말뚝의 경우 항복점이 선명하게 나타났으며 항복점 이후 거동이 응력경화거동 또는 완전소성상태와 유사한 경향을 보였다.
- (3) 강관말뚝의 경우, 일부 시험결과 및 해석결과에서는 뚜렷한 항복점을 찾기 어려웠고 해석 시 지정한 한계 변위(100mm) 계속 선형탄성거동을 보이는 결과도 있었으며, 항복점 이후 완전소성상태와 유사한 거동을 보이는 경우도 확인되었다. 이와 같은 거동에 대해서 PHC말뚝은 지반 및 구조체에 대한 탄소성 특성으로 추정되지만 강관말뚝의 경우 지반의 비선형 탄소성 특성에 의존되는 것으로 사료된다.
- (4) 본 해석결과 PHC 말뚝은 수평저항에 대한 극한한계 상태에서 상부하중조건 및 지반조건에 따라 단면설계의 격차가 매우 클 것으로 예상된다.
- PHC 말뚝 및 강관말뚝에 대한 현장 수평재하 시험결과, 모든 경우에 대해서 설계 허용 수평변위(15mm) 이내에서 최종하중재하가 종료되었고, 그 하중의 범위는 대체로 설계하중의 200% 내외로 확인되었다. 상기의 시험조건 및 결과를 살펴보았을 때 최대하중재하 단계에서도 항복･극한하중은 확인되지 않았다(Table 2, Fig.
- 본 해석에 사용된 PHC 말뚝의 경우 직경이 500mm이므로 수평거동에 대한 변위한계기준은 50mm를 적용하였다. PHC말뚝의 수평변위 한계에 상응하는 말뚝 두부의 공칭전단력(nominal shear force)는 2배 이상의 차이를 보였으며, 이는 수평저항에 대한 극한한계상태를 고려할 경우, 기성말뚝인 PHC 말뚝을 동일하게 적용하는 경우, 특정 부분에서는 상당한 과다설계가 이루어질 수도 있다는 것을 의미한다.
- PHC 말뚝을 대상으로 완료된 수평재하 시험결과를 이용하여 pushover 해석을 수행하였다. 그 결과 PHC 말뚝은 항복점 이후 응력경화현상 또는 완전소성상태와 유사한 거동을 보였으며 이는 동일한 하중증분에 대하여 수평변위 증분이 급격히 감소되는 것을 의미한다(Fig. 8). 본 해석에서 수평변위 한계기준은 0.
- 강관말뚝(Φ 508, 12t)을 대상으로 완료된 수평재하 시험결과를 이용하여 pushover 해석을 수행하였다. 그 결과 강관말뚝은 PHC 말뚝과 동일한 수평변위 한계기준(0.1D=50.8mm)을 적용하였고, 그 결과 Nominal shear force 도달 전까진 전반적으로 선형탄성 거동을 보였고, 그 이후 항복점이 확실히 드러나는 경우(site #4)와 지속적으로 선형탄성 거동을 보이는 경우(site #3)를 확인할 수 있었다(Fig. 9).
- 6, 7, Table 4). 비교결과 수평변위의 경우 현장시험결과와 해석결과의 차이가 4% 이내인 것을 확인하였다.
- PHC 말뚝 및 강관말뚝에 대한 현장 수평재하 시험결과, 모든 경우에 대해서 설계 허용 수평변위(15mm) 이내에서 최종하중재하가 종료되었고, 그 하중의 범위는 대체로 설계하중의 200% 내외로 확인되었다. 상기의 시험조건 및 결과를 살펴보았을 때 최대하중재하 단계에서도 항복･극한하중은 확인되지 않았다(Table 2, Fig. 3).
- (2) 이는 항복점 이후 PHC 말뚝은 수평저항력이 완전 상쇄되거나 급격히 저하될 수도 있다는 것을 의미한다. 즉, 본 해석결과에서 PHC 말뚝은 항복점 이하에서의 설계만이 유효하다는 것을 추정할 수 있다.
- 현장시험결과와 해석결과 둘 다 4% 이내 변위 차이에서 거의 유사한 거동을 보이고 있으며, 말뚝의 수평거동은 항복점 이내에 존재하고 있는 것으로 판단된다. 다만 #3 site의 경우, 초반에 항복점과 유사한 변곡점이 보이고 있으나 후에 응력연화 또는 응력경화 거동 없이 선형적 거동을 보이고 있다.
후속연구
- 이와 같은 거동에 대해서 PHC말뚝은 지반 및 구조체에 대한 탄소성 특성으로 추정되지만 강관말뚝의 경우 지반의 비선형 탄소성 특성에 의존되는 것으로 사료된다. 향후 말뚝 단면 및 지반의 소성 특성을 고려한 하중전이 분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 직경은 중소형으로 구분되는 Φ 500(PHC), 508-12t(steel) 및 재질도 두 가지 경우(PHC 및 steel)에 대한 자료 위주로 수집하였다. 향후 해석의 신뢰성을 높이기 위해 보다 많은 자료 보강이 필요할 것으로 판단된다(Fig. 2, Table 1).
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