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수직증축시 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분담율 및 축강성 분석
A Study on the Load Distribution Ratio and Axial Stiffness on Existing and Reinforcing-Pile in Vertical Extension Remodeling 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.1, 2019년, pp.17 - 30  

정상섬 (연세대학교 토목환경공학과) ,  조현철 (연세대학교 토목환경공학과)

초록
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본 연구는 3차원 수치해석을 통해 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분담율(Load Distribution Ratio)과 근사적 해석 기법으로 보강말뚝의 축방향 강성(Axial Stiffness)을 산정하였다. 시공단계를 고려하여 말뚝기초의 LDR에 영향을 미치는 인자를 파악하기 위해서 1) 말뚝기초의 강성, 2) 말뚝기초의 선단지지조건, 3) 기초판 접촉효과, 4) 보강말뚝의 설치위치에 따라 해석을 수행하여 기존말뚝과 신설말뚝의 하중분담율 거동을 확인하였다. 또한 5) 기존말뚝의 축방향 강성($K_{ve}$)를 사용하여 말뚝지지 전면기초의 3차원 근사적 해석기법(YSPR)으로 보강말뚝의 직경에 따른 강성($K_{vr}$)을 산정하고, 장기간 사용으로 인한 경화를 고려하여 $K_{ve}$를 3단계로 나누어 감소시켜 보강말뚝의 강성 변화의 경향을 살펴보고, 신설 말뚝의 강성 산정방법을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents the application of the numerical and analytical technique to simulate the Load Distribution Ratio (LDR) and to define axial stiffness on reinforcing pile foundation ($K_{vr}$) in vertical extension remodeling structure. The main objective of this study was to investiga...

주제어

표/그림 (17)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 수직증축 리모델링 시공시 기존말뚝기초는 최초 설치시기에 최적위치에 시공되었기 때문에 신설말뚝의 설치위치는 제한적이다. 그러나 보강말뚝이 전면기초의 어떠한 위치에 설치되느냐에 따라 하중분담율의 차이가 발생할 것을 예상하고 확인하기 위하여 본 해석을 수행하였다.
  • 그러므로 기존말뚝을 고려한 Kve을 도출하기 위해서는 본 YSPR을 통한 강성 산정 방법을 사용하는 것이 기초보강 설계시에 유용할 수 있다. 본 연구에서 제안하는 방법은 기존말뚝의 길이, 직경 및 제원에 대한 자료가 없어도 Kve를 이용해 신설 보강말뚝이 설치되기 전 보강말뚝이 어느 정도의 강성을 발현할 수 있을지에 대해 제시 할 수 있다. 또한 시공 당시 보강말뚝의 목표 강성에 맞게 해석을 수행할 수 있어 보강말뚝의 제원을 상대적으로 간편하게 결정할 수 있다.
  • 본 연구에서는 3차원 유한요소해석을 통하여 수직증축시 말뚝기초 구조물의 하중분담율을 분석하여 보았다. 기존말뚝과 보강말뚝의 현장 시공 상황을 최대한 모사하기 위하여 국토교통부에서 고시한 시공단계에 따른 해석방법을 통하여 해석을 수행하였고, 모델링 기법은 실제 현장 재하시험 결과와의 비교를 통해 검증하였으며 검증된 해석기법을 바탕으로 하중분담율을 분석하여 보았다.
  • 2)을 사용하였다. 본 프로그램은 연약지반의 압밀거동 분만 아니라 과압밀 점토 그리고 사질토에도 적용이 가능한 다양한 재료 모형을 갖고 있을 뿐만 아니라 복잡한 비선형 거동을 고려한 재료 모형과 수렴을 돕는 알고리즘을 보유하였다. 또한 각 단계별로 모델링이 가능하여 수직증축 리모델링시의 일련의 과정들에 대한 세부적인 모델링을 각각 수행할 수 있다는 장점이 있다(Plaxis, 2005).
  • 본 해석은 기초판과 지반을 1m 이격시켜 말뚝의 지지효과만 고려했던 앞선 해석과는 달리 지반과 접촉한 기초판이 하중분담율을 파악하기 위해 해석을 수행하였다. 본 해석에서는 기초판 즉, 전면기초의 지지력 효과를 극명하게 확인하기 위하여 기존의 해석조건과는 다르게 철거단계는 고려하지 않았으나 이를 제외한 다른 조건은 Table 2의 값을 동일하게 적용하였다.
  • 기존말뚝과 신설말뚝이 암반에 지지된 선단지지말뚝(End Bearing Pile)과 사질토 지반에 관입된 마찰말뚝(Friction Pile)인 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 본 해석은 암반관입 여부에 따라 하중분담율의 차이를 확인하고 침하량의 차이를 분석하는 것에 목적이 있다. 선 단지지말뚝과 마찰말뚝의 지반조건을 변경하기 위하여 앞선 Fig.

가설 설정

  • 또한 말뚝과 전면기초는 재하되는 하중으로 인하여 재료 자체의 파괴는 일어나지 않는다고 가정하여 LinearElastic 모델을 사용하였고 말뚝과 전면기초는 콘크리트 재료의 일반적인 물성치를 적용하였다(Reul and Randolph, 2003). 또한 신설보강말뚝은 마이크로 파일의 탄성계수를 사용하므로 강봉과 그라우팅 구근의 면적비를 고려한 합성 탄성계수를 산정하여 적용하였다(Wang et al.
  • 10에 정리하였다. 앞선 해석과 동일하게 철거단계를 모사하였고, 지반과 1m 이격하여 말뚝만이 하중을 분담한다고 가정하여 수치해석을 수행하였다. 그러나 앞선 해석에서 기존말뚝에 대해 1본의 하중분담율을 표기한 것과는 달리 이번 해석에서는 전체 기존말뚝과 전체 보강말뚝의 하중분담율을 나타내었다.
  • 그러므로 Table 3과 같이 기초 구조물에 하중재하단계를 산정하였다. 이는 기존의 기초구조물에 신설보강말뚝을 모델링하지 않고 하중을 재하하였을 때, 약 11500kN 하중재하시 전침하량 기준 25mm의 침하가 발생하였을 때를 파괴상태라고 가정하였고 해당 하중을 극한하중으로 선정하였다. 실제 시공현장을 모사하기 위하여 해당 극한 하중에 대하여 안전율 3.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수직증축 리모델링시 준공년수가 오래된 공동주택에서 나타나는 문제점은 무엇인가? 수직증축 리모델링시 준공년수가 오래된 공동주택의 경우, 노출되어 있는 상부구조물과는 달리 지반에 매립되어 있는 말뚝기초 구조물은 말뚝의 제원, 구조도면, 재하시험 및 성능시험 등의 자료가 손・망실되어 시공 당시 및 현재 시점의 정량적인 성능을 파악하기가 어렵다. 그리고 장기간 사용으로 인한 말뚝기초의 경화(Degradation) 역시 고려해야한다는 문제점이 있다.
수직증축형 리모델링 대상 구조물의 말뚝기초의 한계는 무엇인가? 그리고, 일반적으로 국내에서 수직증축형 리모델링 대상 구조물의 말뚝기초는 PC말뚝, PHC말뚝을 사용하고 기초 구조물의 보강말뚝은 마이크로파일(Micropile)을 사용한다. 이종의 말뚝은 재료 물성치와 시공 시점이 달라 하중-침하(P-δ) 거동이 상이하고 일체화된 거동을 보이지 않고 상부 하중에 대해서 하중분담이 이루어지는 메커니즘과 매개변수가 명확하지 않아 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다. 또한 현재 수직증축시 말뚝 기초 보강시 기존말뚝의 지지력이 허용 지지력을 초과하지 않도록 하는 지지력 측면 보강설계(Capacitybased design)를 유도하고 있다.
YSPR은 무엇인가? 본 해석에 사용된 YSPR은 Fig. 11에서 나타낸 것과 같이 철지반의 비선형성을 고려한 말뚝지지 전면기초의 3차원 해석기법으로서 전면기초는 6개의 자유도를 가진 평면쉘(Flat-shell) 요소로, 말뚝은 보-기둥(BeamColumn) 요소로 모델링하여 기존 모델에서 고려하지 못하는 다양한 연성 거동을 모사할 수 있는 장점이 있는 해석 프로그램이다. 말뚝두부 및 지반의 강성은 6×6 강성행렬로 모델링하였으며, 전면기초-말뚝-지반의 상호작용을 비선형 하중전이함수를 사용하여 선형/비선형 거동의 모사가 가능하여 말뚝지지 전면기초에서 말뚝의 침하량 및 축하중 분포를 비교적 정확히 산정하는 것으로 나타났다(Cho et al.
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참고문헌 (22)

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