최근 국내에 발생된 지진으로 인해 더 이상 한반도가 지진으로부터 안전지대가 아니라는 것이 많은 사람들에게 각인되었다. 경주와 포항에서 발생된 지진은 그 동안 국내에서 내진설계에 기준으로 고려한 지진의 특성과 상이하게 나타났고, 그에 따른 내진설계 방법에 대한 연구 또한 많은 연구자들에 의해 수행되어 지고 있다. 이러한 지진하중에 대한 고려는 주로 기존 상부 구조물에 초점이 맞춰져 있으며, 그에 따른 연구 또한 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 하지만, 지반의 구조적 안정성을 확보하기 위해 시공된 네일, 록볼트, 그라운드 앵커 등과 같은 지중구조물에 대한 지진하중으로부터의 구조적 안정성에 대한 고려는 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 풍화암에 정착된 그라운드 앵커에 대해 정하중이 작용할 때와 지진하중이 앵커에 미치는 영향을 분석하였다. 정하중에 의한 영향은 현장 인장시험 결과로, 지진하중 영향은 수치해석을 통해 파악하였다. 그 결과, 앵커에 긴장력 도입으로 인한 반력판의 침하가 발생하는 것으로 나타났으며, 그로 인한 앵커의 축력 감소가 발생하였다. 또한 지진하중에 의해 앵커 정착부의 변위가 증가하였으며, 정착부 길이가 길수록 장주기 지진에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.
최근 국내에 발생된 지진으로 인해 더 이상 한반도가 지진으로부터 안전지대가 아니라는 것이 많은 사람들에게 각인되었다. 경주와 포항에서 발생된 지진은 그 동안 국내에서 내진설계에 기준으로 고려한 지진의 특성과 상이하게 나타났고, 그에 따른 내진설계 방법에 대한 연구 또한 많은 연구자들에 의해 수행되어 지고 있다. 이러한 지진하중에 대한 고려는 주로 기존 상부 구조물에 초점이 맞춰져 있으며, 그에 따른 연구 또한 활발히 이루어지고 있는 실정이다. 하지만, 지반의 구조적 안정성을 확보하기 위해 시공된 네일, 록볼트, 그라운드 앵커 등과 같은 지중구조물에 대한 지진하중으로부터의 구조적 안정성에 대한 고려는 많이 이루어지지 않고 있는 실정이다. 본 연구에서는 풍화암에 정착된 그라운드 앵커에 대해 정하중이 작용할 때와 지진하중이 앵커에 미치는 영향을 분석하였다. 정하중에 의한 영향은 현장 인장시험 결과로, 지진하중 영향은 수치해석을 통해 파악하였다. 그 결과, 앵커에 긴장력 도입으로 인한 반력판의 침하가 발생하는 것으로 나타났으며, 그로 인한 앵커의 축력 감소가 발생하였다. 또한 지진하중에 의해 앵커 정착부의 변위가 증가하였으며, 정착부 길이가 길수록 장주기 지진에 의한 영향이 큰 것으로 나타났다.
Many people have been recognized that the Korean Peninsula is no longer safe area from the earthquake by the recent earthquakes occurred in the country. The earthquakes that occurred at Pohang and Gyeongju appeared differently from them considered in the seismic design and researches on the seismic ...
Many people have been recognized that the Korean Peninsula is no longer safe area from the earthquake by the recent earthquakes occurred in the country. The earthquakes that occurred at Pohang and Gyeongju appeared differently from them considered in the seismic design and researches on the seismic design method have been also conducted by many researchers. Studies on seismic loads are mainly focused on existing superstructures, and research involving them has been actively carried out in reality. However, paper regarding structural stability of reinforcement from seismic load such as soil-nails, rock-bolts, ground anchors which were constructed to ensure stability of serviced structure have been published rarely. In this study, ground anchor been effected by static load and seismic load which is settled in the weathered rock is analyzed. Results for static load are obtained from field test and seismic load is from numerical analysis. In this study, the behavioral characteristics of the ground anchor were analyzed by numerical analysis in case of seismic loading based on the result of the in-situ tensile test of the ground anchor settled weathered rock. As a result, settlement of concrete block due to application of tension force for ground anchor occurred as well as following loss of axial force for ground anchor. Also, as bond length and period of seismic load are longer, increasement of displacement is greater.
Many people have been recognized that the Korean Peninsula is no longer safe area from the earthquake by the recent earthquakes occurred in the country. The earthquakes that occurred at Pohang and Gyeongju appeared differently from them considered in the seismic design and researches on the seismic design method have been also conducted by many researchers. Studies on seismic loads are mainly focused on existing superstructures, and research involving them has been actively carried out in reality. However, paper regarding structural stability of reinforcement from seismic load such as soil-nails, rock-bolts, ground anchors which were constructed to ensure stability of serviced structure have been published rarely. In this study, ground anchor been effected by static load and seismic load which is settled in the weathered rock is analyzed. Results for static load are obtained from field test and seismic load is from numerical analysis. In this study, the behavioral characteristics of the ground anchor were analyzed by numerical analysis in case of seismic loading based on the result of the in-situ tensile test of the ground anchor settled weathered rock. As a result, settlement of concrete block due to application of tension force for ground anchor occurred as well as following loss of axial force for ground anchor. Also, as bond length and period of seismic load are longer, increasement of displacement is greater.
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문제 정의
그라운드 앵커의 현장시험은 크게 3가지로 구분할 수 있는데, ① 극한인발시험, ② 인장시험, ③ 확인시험으로 구분할 수 있다. 극한인발시험은 실제 보강이 필요한 현장에 앵커를 시공하기 전 앵커의 설계인장력을 산정하기 위해 지반의 주면마찰저항을 측정하는데 그 목적이 있다. 따라서, 극한인발시험은 그라운드의 정착부가 설치될 지반까지 천공한 후 앵커체를 삽입하고 그라우트를 양생하여 긴장력을 도입한다.
본 연구는 실제 현장에서 사용되는 그라운드 앵커에 긴장력을 도입한 후 지진하중 적용에 따른 지반 및 앵커 정착장의 거동 특성을 분석하는데 그 목적이 있다. 따라서, 현장시험의 과정을 수치해석에서 동일하게 모사한 후, 지진파를 입력하였다.
본 연구에서는 그라운드 앵커의 현장시험을 수행하였으며, 이를 수치해석으로 모사하여 지진이 발생되었을 때 앵커의 거동 특성을 분석하였다. 수치해석에 고려된 지진하중은 단주기 지진과 장주기 지진으로 구분하여 적용하였으며, 그에 따른 반력판의 침하정착부의 수직 및 수평변위, 축력의 변화 등을 분석하였다.
본 연구에서는 수치해석을 통해 실제 현장에 적용된 반력판의 size와 동일하게 모사하여, 긴장력 도입시 뿐만 아니라 지진하중이 고려될 때 발생할 수 있는 반력판의 침하에 대해 분석하였다.
가설 설정
는 지반의 고유주기, f는 지반의 고유주파수를 의미한다. D는 기반암까지의 심도이며, 본 연구에서는 기반암까지 시추조사를 수행하지 않은 관계로 30 m로 가정하였다.
제안 방법
2) 정착부의 변위는 긴장력 도입 단계, 단주기 지진하중, 장주기 지진하중 발생 각각의 단계에서 발생한 수직변위(δV)와 수평변위(δH)로 구분하여 분석하였다.
이러한 보강재의 안정성은 사용구조물의 안정성과 직결되지만, 보강길이 및 수량 등을 산정할 때 단순한 수식을 통해 설계를 수행하고 있어, 지진의 영향에 대한 연구가 필요한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 실제 현장에서 그라운드 앵커의 인장시험을 수행하고, 수치해석을 통해 지진하중을 고려하여 그라운드 앵커의 축력을 변화를 분석하였다. 지진하중은 주기특성을 고려하여 장주기와 단주기로 구분하여 적용하여 주기 특성에 따른 그라운드 앵커의 거동 특성을 분석하였다.
(2010)에 따르면, 앞서 말한 두 가지 방법에 따른 지반의 동적거동 특성은 크게 차이가 없는 것으로 나타났다. 따라서, 본 연구에서는 지진파를 deconvolution 하지 않고 하부 경계조건을 compliant base로 설정하여 감쇠효과를 고려하였다.
본 연구는 실제 현장에서 사용되는 그라운드 앵커에 긴장력을 도입한 후 지진하중 적용에 따른 지반 및 앵커 정착장의 거동 특성을 분석하는데 그 목적이 있다. 따라서, 현장시험의 과정을 수치해석에서 동일하게 모사한 후, 지진파를 입력하였다.
본 연구에서는 극한인발시험은 수행되지 않았으며, 인장시험 수행 후 확인시험을 통해 현장시험이 이루어졌다. 인장시험을 통해 당초 계획되었던 설계앵커력 400 kN을 350 kN으로 수정하였다.
본 연구에서는 그라운드 앵커의 현장시험을 수행하였으며, 이를 수치해석으로 모사하여 지진이 발생되었을 때 앵커의 거동 특성을 분석하였다. 수치해석에 고려된 지진하중은 단주기 지진과 장주기 지진으로 구분하여 적용하였으며, 그에 따른 반력판의 침하정착부의 수직 및 수평변위, 축력의 변화 등을 분석하였다.
이를 결정하는 방법은 탄성파 시험으로 측정된 Vs와 Poisson’s ratio, 지층별 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선을 이용한 1차원 비선형 지반응답해석을 수행하여 유효 전단변형률 주상도를 도출한 후, 이에 상응하는 깊이별 전단탄성계수와 감쇠비를 추출하여 해석에 적용하는 것이다.
정착부의 변위는 긴장력 도입 단계, 단주기 지진하중, 장주기 지진하중 발생 각각의 단계에서 발생한 수직변위(δV)와 수평변위(δH)로 구분하여 분석하였다.
지반조사를 통해 추정한 지반의 물성치를 이용하여 그라운드 앵커의 정착길이를 산정하였다. 풍화암에 정착하는 것을 목표로 자유장은 약 7.
따라서, 본 연구에서는 실제 현장에서 그라운드 앵커의 인장시험을 수행하고, 수치해석을 통해 지진하중을 고려하여 그라운드 앵커의 축력을 변화를 분석하였다. 지진하중은 주기특성을 고려하여 장주기와 단주기로 구분하여 적용하여 주기 특성에 따른 그라운드 앵커의 거동 특성을 분석하였다.
지진하중을 고려한 그라운드 앵커의 정착부 축력에 대해 분석하였다(Fig. 13). 그라운드 앵커의 축력은 각각의 case에 도입된 긴 장력에 따라 크기가 측정되었다.
0 m두께로 나타났고, 하부는 풍화암이 존재하는 것으로 나타났다. 풍화토와 풍화암의 대표 N치는 각각 30회/30cm, 50회/10cm로 파악되었다. 지반조사로부터 얻은 깊이에 따른 N치를 Fig.
현장시험은 동양대학교에서 수행되었다. 현장시험을 위한 그라운드 앵커를 시공하기 전에 앵커의 정착길이와 설계력을 산정하기 위해 지반조사를 수행하였다. 지반조사 결과 풍화토가 약 7.
확인시험은 실제 현장에서 앵커의 보강력을 확보하는 단계이다. 확인시험은 설계앵커력을 약 4~5단계로 구분하여 긴장력을 도입하여 수행된다. 확인시험을 통해 긴장력이 도입된 앵커의 시공상태 여부를 확인할 수 있는 방법은 크게 2가지로 구분할 수 있다.
α와 β는 식 (4), (5)를 통해 산정되는데, 이를 위해 지반 및 구조물의 고유주기와 감쇠비가 결정되어야 한다. 흙 지반과 암반지반의 감쇠비는 일반적으로 5%, 1% 로 각각 고려하는데 본 대상 현장의 경우 풍화토와 풍화암으로 판정되어 5%의 감쇠비를 적용하였다.
대상 데이터
수치해석에 지진하중을 입력하기 위해 지진파를 산정하였다. 지진파는 장주기 지진(Hachinohe), 단주기 지진(Pohang, 2017)을 산정하였다. 지진파 가속도는 재현주기 1000년 기준 0.
현장시험은 동양대학교에서 수행되었다. 현장시험을 위한 그라운드 앵커를 시공하기 전에 앵커의 정착길이와 설계력을 산정하기 위해 지반조사를 수행하였다.
이론/모형
첫 번째는 앵커 시공 시 정착구에 load cell을 설치하여 이를 통해 앵커에 작용하는 하중을 측정하는 방법과 두 번째는 긴장력 도입에 따른 단계별 늘음량을 측정하여 앵커 형식에 따른 늘음량 상한선 및 하한선 기준에 부합 여부를 판단하는 방법이다. 늘음량의 상한선 하한선 기준은 Geotechnical Control Office (1997)의 기준이 가장 널리 사용되고 있으며, 본 연구에서 사용된 마찰인장형 앵커의 확인시험시 늘음량 상한선, 하한선 기준을 식 (4)에 나타내었으며, 본 연구에서는 첫 번째 방법인 하중계를 설치하여 앵커에 작용하는 하중을 측정하였다.
동적해석을 위해 지반의 동적물성치를 산정하여야 하며, 지반의 구성모델에 따라 그 물성치는 다르다. 본 연구에서는 수치해석 시 가장 많이 사용되고 있는 Mohr-Coulomb 모델을 사용하였다. MC model을 이용한 동적해석에서 필요한 지반물성치는 지반의 점착력, 전단저항각, 전단탄성계수, 감쇠비 등이 있다.
이를 결정하는 방법은 탄성파 시험으로 측정된 Vs와 Poisson’s ratio, 지층별 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선을 이용한 1차원 비선형 지반응답해석을 수행하여 유효 전단변형률 주상도를 도출한 후, 이에 상응하는 깊이별 전단탄성계수와 감쇠비를 추출하여 해석에 적용하는 것이다. 본 연구에서는 이를 위해 Deepsoil(Hashash et al.,2017)을 이용하여 대상지반의 전단탄성계수를 산정하였으며, 그 결과를 Fig. 6에 나타내었다.
경계조건의 경우 기반암으로부터 전달되는 지진파가 대상구간의 경계에서 반사되지 않도록 하여야 한다. 이를 위해 측면 경계에서는 damper를 모사한 조건을 설정해야하며, 본 연구에서 사용된 Plaxis (2018)의 경우 Free-field 조건이다. 하부 경계조건 또한, 기반암으로부터 전달되는 지진파가 반사되어 지반의 동적거동에 영향을 미치는 것을 방지하여야 하며, 이를 위해 지진파를 디콘볼루션(deconvolution)하여 하부 경계조건을 rigid로 설정하는 방법과 deconvolution하지 않고 damper를 설치한 경계조건을 설정할 수 있다.
성능/효과
1) 지진하중으로 인해 발생하는 반력판의 침하는 주기가 클수록 추가 침하가 크게 발생하지만 정착장이 짧을 경우 그 차이는 거의 없으며, 정착장이 6m 이상이 되면 그 차이가 점점 커지는 것을 알 수 있었다.
2016년과 2017년 경주와 포항에서 발생한 강도 5.8, 5.4의 지진으로 우리나라도 더 이상 지진으로부터 안전지대가 아님을 확인하였다. 이후 내진설계 기준에 관한 연구가 지속적으로 수행되어지고 있으며, 구조물 설계시 지진에 대한 고려를 필히 수행하게 되어 있는 실정이다.
3) 긴장력 도입 단계에서 발생된 정착부의 최대수직변위와 최소수직변위의 차이는 정착장이 클수록증가하였으며, 지진하중으로 인해 그 차이는 증가하지만 그 증가량은 단주기 지진 보다 장주기 지진이 고려되었을 경우 더 크게 나타났다.
6% 감소하는 것으로 나타났다. 4 m의 앵커 정착부 길이(Lb)를 기준으로 1.25Lb, 1.5Lb, 1.75Lb로 증가함에 따라 축력은 약 43%, 71%, 100% 증가하였으며, 이는 단주기 지진하중 및 장주기 지진하중을 고려한 경우에도 유사하게 나타났다. 따라서 정착부의 축력은 지진하중의 주기 특성보다는 길이에 민감한 것으로 판단되었다.
4) 앵커의 정착부의 축력은 지진의 주기특성에 관계 없이 감소하는 것으로 나타났다. 지진하중으로 인한 축력의 감소율은 다소 차이가 있었으며 단주기 지진에 비해 장주기 지진일 경우 축력이 감소하는 경향이 다소 크게 나타났다.
11에서 알 수 있듯이, x축은 정착부 길이가 1 m씩 증가하는 것을 4 m기준으로 정규화하였며, y축은 4 m일 때의 수직변위를 기준으로 정규화하였다. 그 결과 길이가 길어질수록 정착부 천단에서 발생하는 변위 증가가 큰 것으로 발생하였는데 이는 정착부길이가 길수록 도입된 긴장력이 크기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 정착부의 선단의 경우, 정착부 길이가 길수록 변화율이 감소하는 것을 알 수 있었다.
단주기 지진과 장주기 지진에 의한 정착부 천단 수직변위 증가율을 비교하였을 때, 정착부 길이가 4 m이 경우 장주기 지진으로 인해 발생된 수직변위가 단주기 지진에 비해 약 9.1% 크게 나타났으며, 5 m 일 때 52.9%, 6 m 일 때 50.0%, 7 m 일 때 약 61.9%로 나타나 정착부 길이가 길수록 지진의 주기가 길수록 정착부에서 발생하는 수직변위의 증가는 커지는 것으로 나타났다. 이는 정착부 선단에서도 유사한 경향으로 나타났다 (Fig.
지진하중으로 인해 축력의 감소율은 다소 차이가 있었으며 단주기 지진에 비해 장주기 지진일 경우 축력이 감소하는 경향이 다소 크게 나타났다. 단주기 지진이 발생하였을 때 정착부의 길이가 4m인 경우 약 0.1%가 감소하였으며, 5 m 일 때 0.3%, 6 m일 때 0.4%, 7 m 일 때 0.5%가량 감소하는 것으로 나타났다. 장주기 지진이 고려되었을 경우 정착부의 길이가 4 m일 때 0.
2 mm로 나타났다. 또한 정착부의 선단부(Bottom)에서는 3.34 mm, 2.83 mm, 2.42 mm, 2.15 mm의 수직변위가 발생하는 것으로 나타나, 정착부의 천단부에 비해 작은 변위가 발생하는 것을 알 수 있었다(Fig. 8).
이는 본 연구에서 고려된 앵커의 정착 방식에 기인한 것으로 판단된다. 본 연구에서 고려된 마찰인장형 앵커의 경우 정착부의 천단부에서 가장 큰 응력이 발생하며, 이로 인해 천단부에서의 변위가 가장 크게 발생하며, 축력 또한 천단부에서 가장 큰 것으로 판단된다.
하지만 정착부의 선단의 경우, 정착부 길이가 길수록 변화율이 감소하는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라 지진하중에 따라 발생되는 정착부의 수직변위는 선단에 비해 천단에서 크게 발생되는 것을 알 수 있었다.
16 mm가 발생하였다. 이를 통해 지진하중으로 인해 발생하는 반력판의 침하는 주기가 클수록 추가 침하가 크게 발생하지만 정착장이 짧을 경우 그 차이는 거의 없으며, 정착장이 6 m 이상이 되면 그 차이가 점점 커지는 것을 알 수 있었다.
정착부 내에서 발생하는 최소/최대 변위의 비율(ςV - Min/ ςV - Max )은 긴장력 도입단계(T)에서 정착부의 길이가 4 m일 경우 59.1%, 5 m일 때 62%, 6 m 일 때65.5%, 7 m일 때 73.8%로 정착부 길이가 증가할수록 그 비율이 큰 것을 알 수 있었으며, 장주기 지진이 발생할 때 그 차이가 가장 큰 것으로 나타났다.
현장시험을 위한 그라운드 앵커를 시공하기 전에 앵커의 정착길이와 설계력을 산정하기 위해 지반조사를 수행하였다. 지반조사 결과 풍화토가 약 7.0 m두께로 나타났고, 하부는 풍화암이 존재하는 것으로 나타났다. 풍화토와 풍화암의 대표 N치는 각각 30회/30cm, 50회/10cm로 파악되었다.
4) 앵커의 정착부의 축력은 지진의 주기특성에 관계 없이 감소하는 것으로 나타났다. 지진하중으로 인한 축력의 감소율은 다소 차이가 있었으며 단주기 지진에 비해 장주기 지진일 경우 축력이 감소하는 경향이 다소 크게 나타났다.
13 (a), (b)에 나타내었으며, 지진의 주기특성에 관계 없이 앵커의 축력은 감소하는 것으로 나타났다. 지진하중으로 인해 축력의 감소율은 다소 차이가 있었으며 단주기 지진에 비해 장주기 지진일 경우 축력이 감소하는 경향이 다소 크게 나타났다. 단주기 지진이 발생하였을 때 정착부의 길이가 4m인 경우 약 0.
후속연구
이러한 반력판의 경우 시험용 앵커에만 적용되는 구조물로 실제 사용되는 구조물의 경우 구조물의 기초라 할 수 있다. 기초의 크기와 형식에 따라 다르지만, 실제 구조물의 안정성을 확보하기 위해 그라운드 앵커가 적용된 경우 그 구조물의 침하는 반력판의 침하보다 크게 발생될 수 있으므로 추후 실내모형시험 및 수치해석을 통해 앵커가 적용된 실제 구조물의 지진하중에 따른 침하 특성을 검토 및 분석할 예정이다.
앵커의 축력변화는 실제 앵커의 잔존긴장력을 의미하며, 이는 앵커의 상태를 분석하는데 가장 중요한 기준이 된다. 본 연구는 그라운드 앵커 정착부의 지진하중으로 인한 거동 특성에 관한 기초적인 연구이며, 추후 실내모형시험 및 수치해석을 통해 다양한 지진의 주기 특성 및 지반조건에 따른 정착부의 잔존긴장력을 포함한 거동 특성을 정량적으로 평가할 예정이다. 현재 실내모형시험토조가 제작 중에 있으며, 현장시험 또한 계획 중에 있다.
이러한 잔존긴장력의 감소는 정착부의 변위 뿐만 아니라 반력판의 침하, 앵커 두부의 변위 등 다양한 원인에 의해 발생할 수 있는 것으로 알려져 있다. 수치해석을 통해 정착부 변위와 잔존긴장력 감소의 관계를 분석하기 어려우므로, 실내모형시험을 통하여 분석할 예정이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
확인시험이란?
확인시험은 실제 현장에서 앵커의 보강력을 확보하는 단계이다. 확인시험은 설계앵커력을 약 4~5단계로 구분하여 긴장력을 도입하여 수행된다.
확인시험을 통해 긴장력이 도입된 앵커의 시공상태 여부를 확인할 수 있는 방법은 어떻게 구분되나?
확인시험을 통해 긴장력이 도입된 앵커의 시공상태 여부를 확인할 수 있는 방법은 크게 2가지로 구분할 수 있다. 첫 번째는 앵커 시공 시 정착구에 load cell을 설치하여 이를 통해 앵커에 작용하는 하중을 측정하는 방법과 두 번째는 긴장력 도입에 따른 단계별 늘음량을 측정하여 앵커 형식에 따른 늘음량 상한선 및 하한선 기준에 부합 여부를 판단하는 방법이다. 늘음량의 상한선 하한선 기준은 Geotechnical Control Office (1997)의 기준이 가장 널리 사용되고 있으며, 본 연구에서 사용된 마찰인장형 앵커의 확인시험시 늘음량 상한선, 하한선 기준을 식 (4)에 나타내었으며, 본 연구에서는 첫 번째 방법인 하중계를 설치하여 앵커에 작용하는 하중을 측정하였다.
극한인발시험의 목적은?
그라운드 앵커의 현장시험은 크게 3가지로 구분할 수 있는데, ① 극한인발시험, ② 인장시험, ③ 확인시험으로 구분할 수 있다. 극한인발시험은 실제 보강이 필요한 현장에 앵커를 시공하기 전 앵커의 설계인장력을 산정하기 위해 지반의 주면마찰저항을 측정하는데 그 목적이 있다. 따라서, 극한인발시험은 그라운드의 정착부가 설치될 지반까지 천공한 후 앵커체를 삽입하고 그라우트를 양생하여 긴장력을 도입한다.
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