[논문]프리스트레스를 받는 중공형 콘크리트 충전 강관말뚝의 휨거동 해석

정흥진; 백규호

doi:10.11112/jksmi.2018.22.2.133

문제 정의

현재 연구/개발되고 있는 대부분의 CFT부재는 강관 내부 전면적에 콘크리트가 충전된 중실형으로, 이런 형태의 부재는 휨하중을 받았을 때 합성효과에 의해 중립축이 압축부로 이동하는 것을 고려하면 휨하중에 대한 저항효율은 떨어진다고 할 수 있다. 본 연구에서는 강관 내부에 콘크리트가 중공형으로 충전되고 콘크리트에 프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT, Hollow prestressed Concrete Filled steel Tube)말뚝에 대한 수치해석 모델을 작성하고 다양한 수치실험을 통해 휨하중에 대한 거동을 규명하였다.
본 연구에서는 중공형의 PHC말뚝과 강관말뚝을 합성한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝의 거동분석을 위한 수치해석 모델을 개발하였고 휨강도시험에 적용하여 모델의 타당성을 검증하였다. 다양한 해석조건별로 거동을 분석하여 합성효과를 규명하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
81 MPa)으로 나누어지며 이에 따라 휨강도도 달라진다. 본 절에서는 프리스트레스의 크기가 HCFT말뚝의 휨강도에 미치는 영향을 분석하기 위해 각 형식 별로 동일한 PC강봉제원에 유효프리스트레스를 달리한 경우와, 유효프리스트레스에 따라 단면적이 증가된 PC강봉을 추가로 고려한 경우에 대한 해석을 수행하였다. PC강봉의 단면 적은 A-type에 비해서 B-type은 2배, C-type은 2.

가설 설정

′ 는 콘크리트의 압축강도를 나타낸다. PC강봉의 인장력을 산정하기 위해 강봉을 강봉의 위치에 환산 두께 t_b로 연속된 띠모양으로 구성된 튜브로 가정하였고 다음 식으로 산정할 수 있다(Fig. 14 참조).
(1974)의 콘크리트 파괴규준모델을 적용하였다. 강관 내부표면과 중공형 콘크리트의 외부표면의 접촉부는 완전부착 및 마찰접촉 조건을 사용하여 모델링하였고 PC강봉과 콘크리트는 완전부착으로 가정하였다.
일반 CFT 또는 철근이나 PC강봉으로 보강된 CFT에 적용할 수 있는 휨강도 산정식들은 있지만 중앙이 비어 있는 경우는 이를 고려한 새로운 산정식이 필요하다. 본 장에서는 강관, 일부 충전콘크리트, PC강봉을 소성상태로 가정하여 축력을 산정하였고 중립축은 다음과 같이 인장부와 압축부의 평형조건으로 결정하였다.

제안 방법

1) HCFT말뚝의 거동을 분석하기 위해 비선형 유한요소해석 모델을 작성하였고 모델의 적정성을 파악하기 위해 실물 시험결과와 비교하였다. HCFT를 구성하는 PHC 말뚝 및 강관말뚝을 각각 해석하여 합성작용에 의한 휨강도 증가를 확인하였다.
5) AISC(2009)에서 제시하는 소성응력분배법(Plastic Stress Distribution Method)을 적용하여 HCFT말뚝의 휨강도 산정식을 제안하였다. 제안된 HCFT말뚝 휨강도 산정식을 이용하여 다양한 PC강봉 조건에 따른 중립축 및 극한휨강도를 계산하였고 이를 시험결과 및 수치해석결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.
본 논문에서는 HCFT말뚝의 거동을 분석하기 위해 비선형 유한요소해석 모델을 작성하였고 모델의 적정성을 검증하기 위해 실물 시험결과와 비교하였다. HCFT말뚝은 PHC말뚝과 강관의 합성구조로 되어있어 Fig. 6과 같이 강관부, PC강봉부, 중공형 콘크리트부로 나누어 모델링 하였다.
본 연구에서는 중공형의 PHC말뚝과 강관말뚝을 합성한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝의 거동분석을 위한 수치해석 모델을 개발하였고 휨강도시험에 적용하여 모델의 타당성을 검증하였다. 다양한 해석조건별로 거동을 분석하여 합성효과를 규명하였고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 논문에서는 HCFT말뚝의 거동을 분석하기 위해 비선형 유한요소해석 모델을 작성하였고 모델의 적정성을 검증하기 위해 실물 시험결과와 비교하였다. HCFT말뚝은 PHC말뚝과 강관의 합성구조로 되어있어 Fig.
본 연구에서는 HCFT말뚝과 그 구성요소인 PHC말뚝 및 강관말뚝, 그리고 두께가 12 mm인 강관말뚝에 대한 휨강도시험을 수행하였고, 시험 결과를 이용하여 수치해석 모델의 정확도를 검증하였다. Table 1은 휨강도시험이 진행된 말뚝 부재 중 수치해석에 필요한 사항등을 정리한 것이고, Fig.
본 절에서는 HCFT말뚝의 구성요소인 PHC말뚝의 콘크리트 두께에 따른 거동을 분석하기 위해 일반적으로 사용되는 두께인 80 mm와 완전히 채운 경우(250 mm), 및 그 중간두께인 경우(160 mm)로 나누어 해석을 수행하였다.
HCFT말뚝은 일반적인 CFT 구조가 갖는 구조적 장점을 가지고 있으므로 수치해석 모델에서 강관과 콘크리트간의 부착 거동의 반영방법에 따라 거동의 차이가 있을 수 있다. 본 절에서는 HCFT말뚝의 수치해석 모델에서 접촉조건을 달리하면서 해석을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 접촉조건은 두 재료가 완전히 부착(Bonded)된 경우, 미끄러지지 않지만 분리는 허용(Rough)하는 경우, 마찰이 있는/없는 미끄러짐을 허용 (Frictional/Frictionless)하는 경우의 4가지로 나누어 해석하였다.
본 절에서는 HCFT말뚝의 수치해석 모델에서 접촉조건을 달리하면서 해석을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 접촉조건은 두 재료가 완전히 부착(Bonded)된 경우, 미끄러지지 않지만 분리는 허용(Rough)하는 경우, 마찰이 있는/없는 미끄러짐을 허용 (Frictional/Frictionless)하는 경우의 4가지로 나누어 해석하였다. 특히 마찰이 있는 경우의 마찰계수는 Baltay et al.
해석모델의 적정성을 검증하기 위해 Table 2와 같이 직경이 500 mm인 HCFT말뚝과 이 말뚝을 구성하는 PHC말뚝, 강관말뚝을 각각 해석하였고, 해석결과를 시험결과와 각각 비교하였다. HCFT말뚝의 경우 해석결과가 실제 거동과 유사한 해석결과를 보이고 있으며, 극한휨강도는 시험결과 990.
휨해석을 위해 대칭을 고려해서 경계조건을 포함하는 1/4 모델로 구성하였으며, 콘크리트에는 3방향 인장 및 압축파괴를 고려할 수 있는 콘크리트용 입체요소를 사용하였고, 강관과 PC강봉에는 각각 쉘요소와 일반 입체요소를 적용하였다(Fig. 7참조).

대상 데이터

프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT) 말뚝은 두께가 5~6 mm인 얇은 강관 내부에 프리스트레스를 도입한 PC강봉을 설치하고 콘크리트를 타설한 후 원심성형을 통해 강관말뚝 내에 프리스트레스를 도입한 중공형의 PHC말뚝을 합성한 것으로, Fig. 1과 같이 강관 내부에 PHC말뚝이 결합된 합성부와 강관 없이 PHC말뚝으로만 구성되고 0.5~1.0 m의 길이를 갖는 절단부로 구성된다. 합성부는 하부 PHC말뚝의 두부에 연결되어 수평하중이나 휨하중을 지지하는 역할을 하고, 절단부는 지표면 상부에 노출되어 말뚝의 항타 및 경타에 사용되고 말뚝 시공이 완료되면 구조물 기초와 말뚝의 연결을 위해 절단 및 제거되는 부분이다.

데이터처리

5) AISC(2009)에서 제시하는 소성응력분배법(Plastic Stress Distribution Method)을 적용하여 HCFT말뚝의 휨강도 산정식을 제안하였다. 제안된 HCFT말뚝 휨강도 산정식을 이용하여 다양한 PC강봉 조건에 따른 중립축 및 극한휨강도를 계산하였고 이를 시험결과 및 수치해석결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.

이론/모형

강관은 SKK400강재를 사용하여 PC강봉과 함께 탄소성모델을 적용하였고, 중공형 콘크리트는 압축강도 80 MPa, 탄성 계수 4700 fc′ (MPa)를 갖는 William et al. (1974)의 콘크리트 파괴규준모델을 적용하였다.
말뚝에 대한 휨강도시험은 KSF 4306(2003)에 규정된 방법에 준해서 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝의 휨강도를 추정하기 위해 AISC(2009)에서 제시하는 소성응력분배법(Plastic Stress Distribution Method)을 적용하였다(Fig. 12 참조).

성능/효과

2) HCFT말뚝을 구성하는 PHC말뚝과 강관말뚝의 접촉면에 다양한 접촉조건을 적용하여 수치해석을 수행하였고 미끄러짐을 허용하지 않는 접촉조건이 실물시험의 결과를 반영하는 것으로 나타났다. 이는 원심성형으로 제작되는 HCFT말뚝의 특성상 접촉면의 부착강도가 강해서 특별한 전단연결재가 없어도 미끄러짐이 발생하지 않기 때문이라고 판단된다.
3) 해석모델을 활용하여 수치해석을 한 결과, HCFT말뚝에 적용되는 PC강봉에 의한 프리스트레스는 휨강도 증가에 크게 기여하지 못하는 것으로 나타났으며, 이는 프리스트레스에 의한 콘크리트의 초기 인장균열을 막아주는 역할만을 하기 때문인 것으로 판단된다. 하지만 PC강봉 자체의 인장저항능력 때문에 극한휨강도를 일정부분 증가시키는 것으로 나타났다
1) HCFT말뚝의 거동을 분석하기 위해 비선형 유한요소해석 모델을 작성하였고 모델의 적정성을 파악하기 위해 실물 시험결과와 비교하였다. HCFT를 구성하는 PHC 말뚝 및 강관말뚝을 각각 해석하여 합성작용에 의한 휨강도 증가를 확인하였다.
그림에서 보듯이 휨하중 재하 초기단계인 탄성구간은 물론 항복점 이후의 극한구간에서도 강관 내벽에 전단연결재를 설치한 말뚝과 설치하지 않은 말뚝의 휨거동은 거의 동일한 것으로 나타났다. 또한 휨강도시험이 종료될 때 HCFT말뚝의 합성부와 절단부의 경계에서 강관과 강관 내부에 합성된 PHC말뚝간에 미끄러짐 발생 여부를 육안으로 확인한 결과 강관 내부에 전단연결재를 설치한 말뚝과 설치하지 않은 말뚝 모두 합성부에서 강관과 PHC말뚝 사이에서 미끄러짐 현상이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 이러한 결과는 원형 CFT부재에 휨하중 작용 시 강관과 내부 충전 콘크리트 사이에 미끄러짐 현상이 발생한다는 Chin et al.
따라서 HCTF말뚝에 대한 해석 모델에서는 완전접촉이나 미끄러짐을 허용하지 않는 접촉조건을 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다. 마찰 없는 접촉조건으로 해석한 경우는 실제 시험에서 관찰되지 않는 강관의 국부적 좌굴과 단부에서 두 재료간의 단차가 발생하여 실제 거동과는 차이를 보였다.
9는 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 충전 콘크리트 사이에 적용한 경계조건에 따른 해석결과와 시험결과를 비교한 것이다. 미끄러짐을 허용하지 않는 경우에는 경계조건과 무관하게 해석결과가 거의 동일하였고, 이러한 해석결과는 실물시험에서 관찰된 결과에 매우 근접한 것으로 나타났다. 이런 현상은 원심성형방식으로 제작되고 고강도 콘크리트를 사용하는 HCFT말뚝의 특성상 콘크리트와 강관의 접촉면에 작용하는 부착강도가 두 재료사이에 작용하는 전단응력보다 크기 때문인 것으로 판단된다.
유효프리스트레스만을 증가시킨 경우에는 유효프리스트레스의 증가에도 불구하고 휨강도의 증가에 미치는 영향을 상대적으로 작았다(Fig. 10(a) 참조).
직경 500 mm HCFT말뚝의 극한휨강도는 990.5~1030.7 kN·m로 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 내부 합성 PHC말뚝 각각의 극한휨강도를 단순 합산한 것(636.2 kN·m) 보다 큰 것으로 나타났다(Table 2 참조).

후속연구

해석결과 및 시험결과와 비교해 보면 HCFT 휨강도 산정식의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 다만 B-type의 경우에 대한 해석결과는 3-4절에서 언급한 바와 같이 해석상의 불안정이 결과에 영향을 미친 것으로 판단되며 추가적인 검증이 필요하다.
다만 B-type의 경우, 극한상태까지 해석이 수행되지 않는 결과를 보이고 있어 수치해석상의 불안정 때문인 것으로 판단되며 추가적인 검증이 필요하다.
본 연구의 결과는 향후 다양한 제원의 HCFT말뚝의 최적 설계 및 거동분석에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 해석모델과 휨강도 산정식의 검증을 위해서는 다양한 조건의 시험 결과가 필요하므로 다수의 추가시험이 필요하며 접촉면의 부착강도를 자세히 모델링할 수 있는 해석모델 및 강관의 구속효과를 고려하는 휨강도산정식이 추가적으로 필요하다고 판단된다.
중립축의 경우 PC강봉이 약할수록 압축측으로 이동하는 것을 알 수 있다. 해석결과 및 시험결과와 비교해 보면 HCFT 휨강도 산정식의 적용이 가능할 것으로 판단된다. 다만 B-type의 경우에 대한 해석결과는 3-4절에서 언급한 바와 같이 해석상의 불안정이 결과에 영향을 미친 것으로 판단되며 추가적인 검증이 필요하다.
본 연구의 결과는 향후 다양한 제원의 HCFT말뚝의 최적 설계 및 거동분석에 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 해석모델과 휨강도 산정식의 검증을 위해서는 다양한 조건의 시험 결과가 필요하므로 다수의 추가시험이 필요하며 접촉면의 부착강도를 자세히 모델링할 수 있는 해석모델 및 강관의 구속효과를 고려하는 휨강도산정식이 추가적으로 필요하다고 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT) 말뚝은 무엇인가?	프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT) 말뚝은 두께가 5~6 mm인 얇은 강관 내부에 프리스트레스를 도입한 PC강봉을 설치하고 콘크리트를 타설한 후 원심성형을 통해 강관말뚝 내에 프리스트레스를 도입한 중공형의 PHC말뚝을 합성한 것으로, Fig. 1과 같이 강관 내부에 PHC말뚝이 결합된 합성부와 강관 없이 PHC말뚝으로만 구성되고 0.
	콘크리트 충전 강관(CFT, Concrete Filled steel Tube)구조란 무엇인가?	콘크리트 충전 강관(CFT, Concrete Filled steel Tube)구조는 강관 내부에 콘크리트를 충전한 것으로, 강관이 내부에 충전된 콘크리트의 변형을 구속해서 콘크리트의 압축강도가 커지고 강도가 커진 콘크리트는 다시 강관의 형상변화나 압축 영역에서 발생하는 국부좌굴을 지연 또는 억제함으로써 강관이나 콘크리트 단일구조에 비해 휨, 전단 및 압축에 대한 저항 성능이 우수하고 뛰어난 연성(ductility)을 갖는 것으로 알려져 있다(Chin et al., 2009; Kang et al.
	HCFT말뚝을 구성하는 PHC말뚝과 강관말뚝의 접촉면에 다양한 접촉조건을 적용하여 분석한 결과, 미끄러짐을 허용하지 않는 접촉조건이 실물시험의 결과를 반영한 것으로 나타난 이유는 무엇인가?	2) HCFT말뚝을 구성하는 PHC말뚝과 강관말뚝의 접촉면에 다양한 접촉조건을 적용하여 수치해석을 수행하였고 미끄러짐을 허용하지 않는 접촉조건이 실물시험의 결과를 반영하는 것으로 나타났다. 이는 원심성형으로 제작되는 HCFT말뚝의 특성상 접촉면의 부착강도가 강해서 특별한 전단연결재가 없어도 미끄러짐이 발생하지 않기 때문이라고 판단된다.

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