[논문]원심성형 고성능 철근콘크리트 말뚝의 휨 성능 연구

황훈희; 배재현; 주상훈; 권의성

doi:10.14346/jkosos.2018.33.3.52

원심성형 고성능 철근콘크리트 말뚝의 휨 성능 연구
Flexural Performance of Enhanced Spun High Strength RC Piles 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.33 no.3, 2018년, pp.52 - 57

황훈희 (한국도로협회 기술연구센터) , 배재현 (한국도로협회 기술연구센터) , 주상훈 (정진이엔씨) , 권의성 (한국도로공사)

Abstract ▼ AI-Helper

The pile construction method is changing from the pile driving operation to the injected precast pile method. It is to prevent environmental damage and to minimize complaints caused by noise. Therefore, economic alternatives optimized for the injected precast pile method are required. In this study, the enhanced spun reinforced concrete piles manufactured by high strength materials were proposed. Experimental tests were conducted to evaluate their structural safety and nonlinear finite element analysis was performed to improve the reliability of experimental results. The experimental results and the analytical results were in good agreement with each other and the proposed enhanced spun reinforced concrete pile has better performance than that required by the design. However, the performance of the joint using the existing method used in the PHC pile was considered to be insufficient.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이러한 이유로 본 연구에서는 PHC 말뚝의 효율적인 생산시스템을 적용하여, Fig. 1과 같이 PHC 말뚝과 단면 형상, 크기, 콘크리트 기준압축강도 등은 동일하고 강봉과 철선을 모두 고강도 철근으로 대체한 원심성형 고성능 철근콘크리트 말뚝(enhanced spun RC(reinforced concrete) pile, 이하 고성능 RC 말뚝) 시험체를 제작하고, 기본적 구조 거동인 휨에 대한 성능을 평가하였다. 이때 말뚝은 긴장력이 도입되지 않으므로 두부정리에 의한 긴장력 손실이 없으며, 고강도 나선철근의 기여로 인해 전단 및 내진 성능의 향상을 기대할 수 있다.

가설 설정

12). 철근의 탄성계수는 200 GPa, 주철근과 나선철근의 항복강도는 각각 600 MPa, 500 MPa를 적용하여 완전탄소성으로 가정하였다(Fig. 13).
콘크리트는 8절점 솔리드(solid) 요소, 철근은 트러스(truss) 요소를 사용하였고, 콘크리트 재료는 콘크리트 손상 소성(concrete damaged plasticity) 모델을 사용하였다. 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad(1951)가 제안한 관계 곡선을 적용하였으며⁸⁾, 압축강도의 30%까지 선형 탄성구간으로 가정하였다(Fig. 12). 철근의 탄성계수는 200 GPa, 주철근과 나선철근의 항복강도는 각각 600 MPa, 500 MPa를 적용하여 완전탄소성으로 가정하였다(Fig.

제안 방법

PHC 말뚝의 효율적인 생산시스템을 활용하고, PHC 말뚝의 강봉과 철선을 모두 고강도 철근으로 대체하는 원심성형 고성능 철근콘크리트 말뚝을 제작하였다. 이 고성능 RC 말뚝의 휨 성능을 평가하였으며, 비선형 유한요소해석으로 실험결과를 검증하였다.
한편, 실험변수는 이음부의 유무에 따라 단순하게 구성되었으며, 실험체 수의 부족에 따른 결과의 신뢰성을 보완하기 위해 비선형 유한요소해석을 수행하여 실험결과와 비교하였다. 이음부는 PHC 말뚝에 적용되는 용접이음방법을 적용하였다.
한편, 실험변수는 이음부의 유무에 따라 단순하게 구성되었으며, 실험체 수의 부족에 따른 결과의 신뢰성을 보완하기 위해 비선형 유한요소해석을 수행하여 실험결과와 비교하였다. 이음부는 PHC 말뚝에 적용되는 용접이음방법을 적용하였다.

대상 데이터

기존 PHC 말뚝의 효율적인 생산시스템과 정착판 (anchor plate) 등을 활용하기 위해 Fig. 2와 같이 외측 직경 500 mm, 두께 80 mm 크기의 고성능 RC 말뚝 실험체를 제작하였다. 이때 콘크리트 기준압축강도(f_ck)는 80 MPa이 적용되었다.
단, 축방향으로 긴장력은 적용되지 않았다. 실험체는 이음부가 있는 경우와 없는 경우를 고려하여 길이 12m 말뚝을 제작하였다. 이 때 이음부가 있는 말뚝의 경우, 길이 6 m 말뚝 간 접합은 용접이음으로 하였으며, 각 말뚝이 접합되는 부분, 즉 이음부의 정착판(이음판)은 판의 좌굴문제가 우려 되어 말뚝 단부의 정착판 두께 9 mm보다 큰 14 mm 두께가 사용되었다.
해석모델은 실험체와 동일한 형상과 조건을 적용하였으며, ABAQUS(2009)를 사용하여 해석을 수행하였다⁷⁾. 콘크리트는 8절점 솔리드(solid) 요소, 철근은 트러스(truss) 요소를 사용하였고, 콘크리트 재료는 콘크리트 손상 소성(concrete damaged plasticity) 모델을 사용하였다. 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad(1951)가 제안한 관계 곡선을 적용하였으며⁸⁾, 압축강도의 30%까지 선형 탄성구간으로 가정하였다(Fig.

이론/모형

이 때 이음부가 있는 말뚝의 경우, 길이 6 m 말뚝 간 접합은 용접이음으로 하였으며, 각 말뚝이 접합되는 부분, 즉 이음부의 정착판(이음판)은 판의 좌굴문제가 우려 되어 말뚝 단부의 정착판 두께 9 mm보다 큰 14 mm 두께가 사용되었다. 구조실험은 Fig. 6과 같이 KS F 4306의 휨 강도시험방법에 따라 수행되었다⁶⁾.
실험결과에 대한 해석적 검증을 위해 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석모델은 실험체와 동일한 형상과 조건을 적용하였으며, ABAQUS(2009)를 사용하여 해석을 수행하였다⁷⁾. 콘크리트는 8절점 솔리드(solid) 요소, 철근은 트러스(truss) 요소를 사용하였고, 콘크리트 재료는 콘크리트 손상 소성(concrete damaged plasticity) 모델을 사용하였다.

성능/효과

그러나, 이음부가 있는 실험체는 이음부가 없는 일체형의 경우보다 상대적으로 구조성능이 부족하며, 말뚝 본체의 공칭강도와 비교하여도 93% 수준으로 평가 되었다. 이는 PHC 말뚝과 달리, 고성능 RC 말뚝은 축 방향으로 긴장력이 도입되지 않으므로, 이음부의 정착판(이음판)과 콘크리트 사이의 계면이 휨 인장에 저항 하지 못했기 때문으로 예상된다.
그러나, 이음부가 있는 실험체는 이음부가 없는 일체형의 경우보다 상대적으로 구조성능이 부족하며, 말뚝 본체의 공칭강도와 비교하여도 93% 수준으로 평가 되었다. 이는 PHC 말뚝과 달리, 고성능 RC 말뚝은 축 방향으로 긴장력이 도입되지 않으므로, 이음부의 정착판(이음판)과 콘크리트 사이의 계면이 휨 인장에 저항 하지 못했기 때문으로 예상된다.
휨 성능은 이음부가 없는(일체형) 경우, 공칭수준의 휨강도 이상으로 평가되어 구조적 안전성을 충분히 확보할 수 있는 것으로 판단된다. 특히, 실험장비의 한계로 인하여 파괴시까지 하중을 증가시키지 못하고 중단한 점을 감안한다면 2.

후속연구

결과적으로, 해석모델은 고성능 RC 말뚝의 구조적 거동과 성능을 평가하는데 적합한 것으로 판단되며, 향후, 고성능 RC 말뚝의 이음부 보강방법에 대한 연구에 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
따라서, 기존 용접이음방법을 고성능 RC 말뚝에 적용하여 현장에 사용하기 위해서는 이음부의 정착판(이음판)과 콘크리트 간의 벌어짐을 억제할 수 있는 보강방법이 요구 되며, 이에 대한 추가적인 연구가 수행되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	육상건설공사에 대한 현대적 흐름은?	육상건설공사에서는 환경훼손, 민원 등을 최소화하기 위하여 말뚝의 시공방법이 항타공법에서 저소음, 저진동에 유리한 매입공법 위주로 변화하고 있으며, 매입공법에 최적화된 경제적인 말뚝이 요구되고 있다.
	강관말뚝의 단점은?	현재 현장에서 많이 사용되고 있는 강관말뚝과 PHC (pretensioned spun high strength concrete) 말뚝은 우수한 품질과 성능으로 항타공법에서도 충분한 성능을 확보하고 있다. 그러나 강관말뚝의 사용은 강재의 불안정한 가격 상승으로 인해 공사비의 증가로 이어질 수 있으므로 이에 대한 대안으로 강관 및 PHC 말뚝을 조합한 복합말뚝이 연구 및 개발 되었다1,2). PHC 말뚝은 효율적 구조와 높은 경제성에도 불구하고 전단성능의 부족으로 인해 고속도로 교량기초로는 많이 사용되고 있지 않는데, 이를 보완하기 위해 PHC 말뚝의 축방향으로 일정 간격의 전단철근을 배근하고 말뚝 중공부에 내부 충전 콘크리트를 타설하는 방법으로 전단을 보강 하는 효과에 대한 연구가 진행된 바 있다3).
	이음부가 있는 실험체가 이음부가 없는 일체형에 비해 성능이 부족한 이유는?	그러나, 이음부가 있는 실험체는 이음부가 없는 일체형의 경우보다 상대적으로 구조성능이 부족하며, 말뚝 본체의 공칭강도와 비교하여도 93% 수준으로 평가 되었다. 이는 PHC 말뚝과 달리, 고성능 RC 말뚝은 축 방향으로 긴장력이 도입되지 않으므로, 이음부의 정착판(이음판)과 콘크리트 사이의 계면이 휨 인장에 저항 하지 못했기 때문으로 예상된다.

참고문헌 (8)

http://www.pre-cast.co.kr/
S. H. Lee and D. M. Kim, "An Experimental Study on Behavior of Composite Pile", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 11, No. 2, pp. 23-32, 2010.
J. H. Hyun, J. W. Bang, S. S. Lee and Y. Y. Kim, "Shear Strength Enhancement of Hollow PHC Pile Reinforced with Infilled Concrete and Shear Reinforcement", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 24, No. 1, pp. 71-78, 2012.

원문보기 상세보기
J. H. Kim, Y. S. Park and C. S. Min, "Shear Experiment on Concrete Filled PHC Pile with Composite Shear Connectors with Rebar Holes", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 29, No. 3, pp. 259-266, 2017.

원문보기 상세보기
KHBDC, Korea Highway Bridge Design Code: Limit states design method, 2015.
Korean Industrial Standards, Pretensioned spun high strength concrete piles, KS F 4306.
ABAQUS, Abaqus analysis user's manual version 6.9, Dassault Systemes Simulia Corp., 2009.
E. Hognestad, A Study of Combined Bending and Axial Load in Reinforced Concrete Members, Bulletin 399, University of Illinois Engineering Experiment Station, Urbana, Ill., 1951.

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