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문제 정의
- 따라서, 본 연구는 새로운 기초형상을 개발하기 위하여 스파이럴 기초의 피치 각도와 길이에 변화를 주어 제작한 후 축소모형실험을 통해 하중 재하실험을 하였으며 이론적 검증을 실시하여 향후 기초 압입 시 소음, 진동 억제와 구조물의 안전성 확보에 적용하고자 한다.
- 본 연구에서는 스파이럴 기초의 피치 각도 및 길이에 대한 극한 지지력을 분석하고자 실제크기의 1/3.9 스케일로 축소한 모형 기초를 이용하여 하중재하실험을 수행하였다. 또한 모형실험의 극한 지지력을 검증하기 위해 실제 기초에 적용되는 이론식을 도입하여 극한 지지력 및 허용지지력을 산정하고 비교 분석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 인접 구조물이나 도심지에 기초공사를 할 경우 소음과 진동 등의 문제를 해결하기 위하여 새로운 기초형상의 스파이럴 기초에 관하여 연구를 진행 하였다. 스파이럴 기초의 지지력 평가를 위하여 피치 각도와 길이에 변화를 주어 실제 기초의 1/3.
가설 설정
- 파괴 메커니즘은 Terzaghi의 가정과 비슷하지만 탄성 영역인 흙 쐐기에서 ac와 bc의 수평면과 이루는 각이 45° + ∅/2로 Terzaghi와 다르며, Terzaghi는 기초저면 위쪽의 흙을 상재 하중으로 간주해 전단저항을 무시한 반면에 Meyerof는 Fig. 1과 같이 파괴면이 대수나선과 직선으로 지표면까지 연장된다고 가정하여 전단저항을 고려하였다.
제안 방법
- Fig.3.은 L=54.0cm(∅ =32°, 45°, 50°)이며, 동일 각도를 유지하여 L=18cm, L=27cm, L=38cm의 다양한 Case를 제작하여 하중재하실험을 수행하였다.
- 스파이럴 기초 제작은 얇고 긴 강판의 양 단면을 고정시킨 후 축 회전시켜 만든 나선형태의 기초로써 금속재료인 연강을 사용하여 쉽게 가공할 수 있으며 가공 특성상 강판의 축 방향에 압축력이 작용하므로 축 중심 부근의 두께가 두꺼워지는 반면, 축 중심에서 가장 멀리 떨어진 양쪽 가장자리 부분에서는 인장력의 작용으로 인하여 두께가 얇아지는 경향이 있다. 그러므로 동일한 단면 내에 함께 작용하는 압축력과 인장력을 완화시키기 위하여 축 방향에 일정한 인장력을 가하면서 비틀림 가공을 수행하였다. 또한 비틀림 가공중 가해지는 인장력을 조절하여 각각의 길이별 피치 각도를 변화시켜 스파이럴 기초를 제작하였다.
- 실험은 각 Case별로 3회씩 실시하였으며, 재하하중에 대하여 측정된 침하량을 평균 하여 그래프로 나타내었다. 극한 지지력에 대한 분석은 기초 재하하중에 따라 나타나는 침하거동이 급격해 지는 부분을 선정하여 극한 지지력으로 측정하였다.
- 9 스케일로 축소한 모형 기초를 이용하여 하중재하실험을 수행하였다. 또한 모형실험의 극한 지지력을 검증하기 위해 실제 기초에 적용되는 이론식을 도입하여 극한 지지력 및 허용지지력을 산정하고 비교 분석을 수행하였다.
- 그러므로 동일한 단면 내에 함께 작용하는 압축력과 인장력을 완화시키기 위하여 축 방향에 일정한 인장력을 가하면서 비틀림 가공을 수행하였다. 또한 비틀림 가공중 가해지는 인장력을 조절하여 각각의 길이별 피치 각도를 변화시켜 스파이럴 기초를 제작하였다.
- 8kN의 하중을 단계적으로 적용하여 실험을 실시하였다. 또한 실험에서 측정한 극한 지지력을 검증하기 위해 실제 스파이럴 기초와 축소 제작한 스파이럴 기초를 이론 해에 적용하여 극한 지지력을 비교 분석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 실험에서는 지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사를 이용하였으며 표준사의 기본 물성치는 Table 3과 같다. 또한, 실험 토조내에 심도별 균질한 상대밀도(Dr) 의 지반을 형성시키기 위하여 높이조절이 가능한 강사장치를 이용하였다.
- 본 연구에서는 실제 구조물의 기초로 사용되고 있는 스파이럴 기초의 폭(0.065m)과 길이(0.7m, 1.0m, 1.5m, 2.0m)를 1/3.9로 축소하여 폭 0.016m와 길이 0.18m, 0.27m, 0.38m, 0.54m로 축소제작하고 모형실험을 실시하여 극한 지지력을 측정하였다. 실험에서 측정된 극한 지지력을 검증하기 위해 이론적 해를 도입하여 실제 스파이럴 기초와 축소모형 기초의 극한 지지력을 산정하였으며, 허용지지력을 산정하여 비교 분석하였다.
- 스파이럴 기초 Case는 Fig.3과 같이 D=1.6cm, t=0.15cm를 공통적으로 확보한 상태에서 길이 및 나선 각도를 변화시켰다. Fig.
- 4(a)와 같다. 스파이럴 기초에 대한 하중재하는 일정한 무게의 추를 9.8N씩 단계별로 각 하중에 대한 침하가 일어나지 않는 범위시간인 15분 이상을 최소 시간으로 설정하여 재하실험을 실시하였다. 또한, 모형 기초의 설치위치는 토조의 중앙으로 하여 기초를 완전히 지반에 압입 한 후 기초 바로 위에 다이얼게이지(1/0.
- 본 연구에서는 인접 구조물이나 도심지에 기초공사를 할 경우 소음과 진동 등의 문제를 해결하기 위하여 새로운 기초형상의 스파이럴 기초에 관하여 연구를 진행 하였다. 스파이럴 기초의 지지력 평가를 위하여 피치 각도와 길이에 변화를 주어 실제 기초의 1/3.9로 축소제작 하였으며 평판재하실험을 실시하였다. 평판재하실험은 주문진 표준사를 이용하여 지반을 조성하였으며 기초를 완전히 지반에 압입한 후 9.
- 스파이럴 기초의 피치 각도 32°, 45°, 50°와 길이 18.0cm, 27.0cm, 38.0cm, 54.0cm의 지지력 변화를 단계 적으로 측정하기 위하여 재하하중을 일정하게 단계별로 주어 침하량을 측정하였다.
- 54m로 축소제작하고 모형실험을 실시하여 극한 지지력을 측정하였다. 실험에서 측정된 극한 지지력을 검증하기 위해 이론적 해를 도입하여 실제 스파이럴 기초와 축소모형 기초의 극한 지지력을 산정하였으며, 허용지지력을 산정하여 비교 분석하였다.
- 0cm의 지지력 변화를 단계 적으로 측정하기 위하여 재하하중을 일정하게 단계별로 주어 침하량을 측정하였다. 실험은 각 Case별로 3회씩 실시하였으며, 재하하중에 대하여 측정된 침하량을 평균 하여 그래프로 나타내었다. 극한 지지력에 대한 분석은 기초 재하하중에 따라 나타나는 침하거동이 급격해 지는 부분을 선정하여 극한 지지력으로 측정하였다.
- 세 가지 기본 차원을 길이 [L], 질량[M], 시간[T]이라고 할 때 축소율을 산정하는 순서는 우선 길이에 대한 축소율을 결정한 후 이를 이용하여 시간, 밀도, 질량 등을 차례로 산정하게 된다[7]. 축소율은 작을수록 현실과 근사하며, 실제 스파이럴 기초의 길이(18cm, 27cm, 38cm, 54cm)에 대해 실내 작업환경을 고려하여 1/3.9로 결정하였다. 다음으로 시간 [T]에 대한 축소율을 결정하는데 여기에는 중력가속도 일정개념이 사용된다.
- 9로 축소제작 하였으며 평판재하실험을 실시하였다. 평판재하실험은 주문진 표준사를 이용하여 지반을 조성하였으며 기초를 완전히 지반에 압입한 후 9.8kN의 하중을 단계적으로 적용하여 실험을 실시하였다. 또한 실험에서 측정한 극한 지지력을 검증하기 위해 실제 스파이럴 기초와 축소 제작한 스파이럴 기초를 이론 해에 적용하여 극한 지지력을 비교 분석하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사를 이용하였으며 표준사의 기본 물성치는 Table 3과 같다. 또한, 실험 토조내에 심도별 균질한 상대밀도(Dr) 의 지반을 형성시키기 위하여 높이조절이 가능한 강사장치를 이용하였다.
이론/모형
- 스파이럴 기초에 관한 연구는 Meyerhof의 지지력이론(1951)[6]에 의하여 모형실험결과의 적정성을 검증하였다. Meyerhof는 기초저면이 거친 얕은 기초와 깊은 기초에 대한 지지력이론을 발표 하였으며, Fig.
- 스파이럴 기초에 사용되는 실제기초와 모형기초의 지지력을 비교하기 위하여 Meyerhof의 말뚝지지력공식[8] 을 이용하였다. 이 공식은 표준관입시험(SPT)을 이용하여 산정한 공식이며, 말뚝지지력에 대한 다음과 같은 이론적 식 2를 적용하였다.
성능/효과
- (1) 축소모형 실험결과 스파이럴 기초에 축 방향 하중을 가했을 때 기초는 점진적으로 하중을 견디면서 침하가 나타났으며 기초의 지지력이상 하중이 가해지면, 급작스런 파괴가 일어나는 것을 알 수 있었다. 또한 기초의 피치 각도를 비교한 결과 극한 지지력이 32° 비해 50°에서 최대 67% 높게 측정되는 것을 나타났다.
- (2) 축소모형 실험 결과 스파이럴 기초의 길이 54.0cm에서 극한 지지력은 가장 높게 측정되었으며 이론 해를 적용하여 실제기초와 모형기초의 지지력을 비교해 본 결과 길이가 길수록 극한 지지력은 증가하는 것으로 나타났다. 이론 해를 통하여 길이 18.
- (3) 연구 결과를 통하여 스파이럴 기초의 극한 지지력을 증가시키기 위해서는 기초의 길이와 피치각도를 증가시키는 것이 타당하다고 판단된다.
- (a) 의 피치각도 32°에 경우 극한 지지력은 36.3N이며 극한 지지력 일 때 침하량은 0.4mm로 측정되었다.
- (a)의 피치 각도 32° 경우 극한 지지력은 200.9N으로 나타났으며 극한 지지력일 때 발생한 침하량은 2.0mm로 측정되었다.
- (a)의 피치 각도 32° 경우 극한 지지력은 92.1N이며 극한 지지력일 때 발생한 침하 량은 4.2mm로 측정되었다.
- (a)의 피치 각도 32°에 경우 극한 지지력은 113.7N로 측정되었으며 극한 지지력을 때 발생한 침하량은 2.3mm로 나타났다.
- (b)의 피치 각도 45°일 경우 극한 지지력은 181.3N로 측정되었으며 극한 지지력일 때 발생 침하량은 1.0mm로 측정되었다.
- (c)의 피치 각도 50° 경우에는 극한 지지력 331.2N으로 측정되었으며 극한 지지력일 때 발생한 침하량은 1.8mm로 나타났다.
- 가장 낮게 측정된 32°를 기준으로 45°와 비교 하였을 때 45°에서 최대 41% 높게 극한 지지력이 측정되었으며 50°와 비교하였을 50°에서 최대 67% 높게 측정되었다.
- 길이별로 가장 높게 측정된 50°의 피치 각도를 길이 별로 비교한 결과 길이 27cm에서 170%증가하였으며 길이 38cm에서는 241%증가하였다.
- 따라서 피치 각도 50°의 스파이럴 기초가 구조물을 가장 안전하게 지지할 수 있을 것으로 판단되어진다.
- 또한 기초의 피치 각도를 비교한 결과 극한 지지력이 32° 비해 50°에서 최대 67% 높게 측정되는 것을 나타났다.
- 길이별로 가장 높게 측정된 50°의 피치 각도를 길이 별로 비교한 결과 길이 27cm에서 170%증가하였으며 길이 38cm에서는 241%증가하였다. 또한 길이 54cm에서는 437% 최대 증가율이 나타난 것으로 보아 기초의 길이에 따라 극한 지지력에 영향이 큰 것으로 판단되어 진다.
- 따라서 피치 각도 50°의 스파이럴 기초가 구조물을 가장 안전하게 지지할 수 있을 것으로 판단되어진다. 또한 길이별로 극한 지지력을 비교해본 결과 길이 18.0cm에서 가장 낮은 지지력이 측정되었다. 길이별로 가장 높게 측정된 50°의 피치 각도를 길이 별로 비교한 결과 길이 27cm에서 170%증가하였으며 길이 38cm에서는 241%증가하였다.
- 본 연구에서 스파이럴 기초의 극한 지지력 및 침하량을 측정하기 위한 이론해와 축소모형실험을 통하여 각도 50°, 길이 54.0cm가 다른 각도 및 길이의 형상(32°, 38°, 18.0cm, 38.0cm)보다 극한 지지력이 크고, 침하량이 작은 것으로 확인 하였다.
- 본 연구에서는 스파이럴 기초의 피치수가 50° 까지 증가할수록 마찰면적의 증가로 인해 기초 지지력이 증가 하는 것으로 보여주고 있으나, 만약 피치수가 과다하다면 스파이럴 기초 주변의 전단저항력이 저하되어 기초 지지력이 증가되지 않거나, 감소할 것으로 예상 된다.
- 5배의 지지력 증가율을 보이고 있다. 실제기초와 모형기초는 길이가 증가함에 따라 지지력이 증가하였으며, 실제기초와 모형기초의 지지력의 증가율 또한 약 1.5배로 비슷한 양상을 나타내었다. 기초의 길이에 따른 지지력 증가 원인을 분석해보면 우선 제1항의 값인 실제기초 및 모형기초의 N값과 기초폭은 변하지 않으므로 일정하며, 제 3항은 지반조건에 점토층이 존재하지 않으므로 0이 된다.
- 0cm에서 극한 지지력은 가장 높게 측정되었으며 이론 해를 적용하여 실제기초와 모형기초의 지지력을 비교해 본 결과 길이가 길수록 극한 지지력은 증가하는 것으로 나타났다. 이론 해를 통하여 길이 18.0cm에 비해 길이 54.0cm에서 최대 1.5배 높은 극한 지지력이 측정되었다.
- 피치 각도 32°, 45°, 50° 를 비교해 본 결과 각 길이마다 32°에서 가장 낮은 극한 지지력이 측정되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 스파이럴 기초의 피치수가 50° 까지 증가할수록 마찰면적의 증가로 인해 기초 지지력이 증가 하는 것으로 보여주고 있으나, 만약 피치수가 과다하다면 스파이럴 기초 주변의 전단저항력이 저하되어 기초 지지력이 증가되지 않거나, 감소할 것으로 예상 된다. 따라서 향후 스파이럴 기초에 대한 최적의 피치 각도에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 향후 ∅ = 32, 45, 50 °가 고려된 스파이럴 말뚝의 실제 마찰 길이를 적용하여 Meyerhof 지지력 이론식에 의한 평가가 필요하다고 판단되며, 실제 마찰길이가 고려될 경우 지지력 증가분이 모형실험의 증가 비율인 6.5배에 근접될 것으로 판단된다.
- 그러나 본 연구는 실내에서 축소모형 실험을 통하여 진행된 연구이기 때문에 실제 스파이럴 기초와 다소 차이가 있을 것으로 예측 된다. 향후 스파이럴 기초에 관하여 최적의 피치 각도에 관한 연구, 실제 마찰길이에 대한 지지력 증가에 대한 연구 등이 진행 된다면 국내 기초 시공의 기술 발전에 유용한 연구가 될 수 있을 것이라고 판단된다.
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