[논문]수직증축 공동주택 하부 기존말뚝의 열화를 고려한 축강성 제안

정상섬; 김도현; 조현철

doi:10.7843/kgs.2019.35.12.25

수직증축 공동주택 하부 기존말뚝의 열화를 고려한 축강성 제안
Proposed Deterioration-induced Axial Stiffness of Existing Piles in Vertical Extension Structures 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.12, 2019년, pp.25 - 33

정상섬 (연세대학교 건설환경공학과) , 김도현 (매사추세츠 공과대학 토목환경공학과) , 조현철 (현대엔지니어링)

초록
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본 연구에서는 수직증축 구조물의 기존말뚝의 축강성(K_ve)을 이론적인 접근과 현장 계측 결과를 바탕으로 추정하였다. 이론적인 접근에는 Randolph와 Wroth(1978)가 제안한 축강성 공식을 적용하여, 지중에 설치된 강성 및 연성말뚝의 세장비(L/D)에 따른 축강성의 범위를 도출하였다. 여기에, 1995 - 1997년 사이에 설치된 38본 말뚝의 계측된 시공 당시 축강성을 이론적으로 도출한 축강성 범위에 중첩해서 고려하였다. 이를 통하여, 노후화와 열화에 의하여 감소한 기존말뚝의 축강성의 최대값을 세장비에 따라 제안하였고, 도출된 값을 통계적인 기법을 통하여 상위 95% 값을 제안하여 신설 보강말뚝 설계 시 필요한 최소 축강성(K_vr)을 산정하는 데에 활용할 수 있도록 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the axial stiffness of existing piles (Kve) of vertical extension remodeled building was quantified through theoretical and experimental approaches. Theoretically induced upper and lower boundary of the pile axial stiffness was estimated by using the formula proposed by Randolph and Wroth (1978), which can estimate the axial stiffness of rigid and flexible pile subjected under soil confinement. In addition, 38 cases of field measurement data on deteriorated piles with various diameters constructed in the period between 1995 - 1997 were taken in to account by overlapping the field data with the theoretical boundary of the axial stiffness. Through this the maximum axial stiffness of existing pile due to deterioration and long service time was presented for various slenderness ratio (L/D), which can be used in estimating the necessary axial stiffness of reinforcing piles(Kvr) for the vertical extension remodeling. The lower 95% value of the estimated axial stiffness of existing pile will be induced through statistical processing.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic of structural load during vertical extension remodeling process
그림 Fig. 2. Various types of load-settlement curves of identical piles (Kim, 2018)
그림 Fig. 3. Load-settlement curves of different types of piles (Fellenius et al., 2017)
그림 Fig. 4. Stiffness-based design concept
표 Table 1. Summary of α value (KHS, 2008)
그림 Fig. 5. Concept of axial stiffness of an embedded pile surrounded by soils
그림 Fig. 6. Axial stiffness of piles (theoretical and 38 field cases)
표 Table 2. Pile static load test data of SIP (1995 – 1997) (Choi et al., 2017)
표 Table 3. Proposed axial stiffness of existing piles considering deterioration

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 품질과 성능이 불확실한 기존말뚝의 설계 기준을 축강성으로 설정하고, 이를 이론적, 실험적인 방법으로 산정하여 그 상･하한 범위를 설정하였다. 그 결과를 활용하여 수직증축 리모델링 구조물의 신설 보강말뚝의 필요 축강성을 산정한 후, 이를 통하여 기존의 허용지지력 설계(capacity-based design)의 한계를 극복할 수 있는 축강성을 기초로 하는 설계(stiffness-based design)의 기초를 마련하고자 한다.
이러한 상황에서, 지반과 말뚝의 시공법의 영향으로부터 비교적 자유로운 말뚝의 축강성을 통한 신설 보강말뚝의 설계에 대한 연구가 중요하다. 본 연구는 수직증축 리모델링 구조물 말뚝지지 전면기초의 기존말뚝 축강성을 이론적, 실험적 방법을 통하여 분석하고 그 범위를 산정하였다. 이를 통하여, 수직증축으로 인하여 증가한 구조물의 하중을 안정적으로 지지하기 위하여 기존말뚝의 열화가 고려된 신설 보강말뚝의 설계 축강성(K_vr)을 산정할 수 있는 기초를 마련하고자 하였다.
본 연구에서는, 이러한 상황에 대응하기 위하여 침하량을 고려하여 말뚝기초의 축강성을 이용한 설계(stiffnessbased design)를 제안하였다. 신설 보강말뚝의 최소 요구 축강성을 제안하기 위하여, 1) 축강성 산정 공식을 통하여 실제 말뚝의 이론적인 상･하한 범위를 산정하고, 2) 38본의 실제 말뚝의 축강성 계측 결과를 이론적인 값과 비교하여 노후화와 열화가 고려된 기존 말뚝의 축강성 상한 값을 제안하였다.
국내 주택과 구조물의 노후화가 진행되고, 특히 도심지의 인구 밀도가 증가함에 따라 주거 및 활동 공간 부족에 대응하고자 국토교통부에서는 2013년 최대 3개 층까지 공동주택을 수직증축 리모델링을 허용하는 방침을 발표하였다(MOLIT, 2013). 이를 통하여 노후화된 주택의 가치를 상승시킴과 동시에 상권의 활성화까지 유도하여 사회 전반의 경제성과 안정성 확보를 도모하고자 하였다.
본 연구는 수직증축 리모델링 구조물 말뚝지지 전면기초의 기존말뚝 축강성을 이론적, 실험적 방법을 통하여 분석하고 그 범위를 산정하였다. 이를 통하여, 수직증축으로 인하여 증가한 구조물의 하중을 안정적으로 지지하기 위하여 기존말뚝의 열화가 고려된 신설 보강말뚝의 설계 축강성(K_vr)을 산정할 수 있는 기초를 마련하고자 하였다. 이론적, 실험적 접근을 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

가설 설정

또한, 말뚝 시공에 따른 지반 내의 영향범위까지 고려 가능하다는 특징이 있다. 본 연구에서는 이를 바탕으로 기존말뚝의 축강성을 세장비에 따라 강성말뚝(K_v,R)과 연성말뚝(K_vF)으로 가정하여 산정하였다. 이 과정에서 말뚝은 선단지지 말뚝으로, 지반은 균질한 지반으로, 말뚝의 구속압은 깊이에 따라 비례하여 증가하는 것으로 가정하여 산정하였다.
본 연구에서는 이를 바탕으로 기존말뚝의 축강성을 세장비에 따라 강성말뚝(K_v,R)과 연성말뚝(K_vF)으로 가정하여 산정하였다. 이 과정에서 말뚝은 선단지지 말뚝으로, 지반은 균질한 지반으로, 말뚝의 구속압은 깊이에 따라 비례하여 증가하는 것으로 가정하여 산정하였다.

제안 방법

(2) 가장 널리 사용되는 두 가지 이론적인 산정식을 통한 결과와 38본의 시험말뚝에 대한 현장계측 값을 함께 분석하여 세장비에 따른 기존말뚝의 축강성분포 범위를 도출하였다. 또한, 계측결과에 대한 통계 분석을 수행하였다.
Choi et al.(2017)이 수행한 38본의 시험말뚝에 수행한 재하시험을 통하여 도출된 하중-침하곡선으로부터 축강성을 산정된 결과를 이론적인 축강성 범위와 비교하였다. 38본의 시험말뚝은 SIP공법(Soil-cement InjectedPreast piles)을 이용하여 설치된 말뚝이며, 시공 시기는 1995년과 1997년 사이이다.
(3) 이론적인 접근과 실험적인 접근을 통하여 도출된 기존말뚝의 축강성 범위의 하한선과 통계적인 기법을 통하여 노후화와 열화에 의하여 감소된 기존말뚝축강성의 상한 값(K_ve)을 제안하였다. 이는 38본의 시험말뚝 축강성 값의 하위 2.
본 연구에서는, 이러한 상황에 대응하기 위하여 침하량을 고려하여 말뚝기초의 축강성을 이용한 설계(stiffnessbased design)를 제안하였다. 신설 보강말뚝의 최소 요구 축강성을 제안하기 위하여, 1) 축강성 산정 공식을 통하여 실제 말뚝의 이론적인 상･하한 범위를 산정하고, 2) 38본의 실제 말뚝의 축강성 계측 결과를 이론적인 값과 비교하여 노후화와 열화가 고려된 기존 말뚝의 축강성 상한 값을 제안하였다.
)의 축강성을 세장비에 따라 제안하였다. Fig. 6를 바탕으로 노후화와 열화에 의하여 성능이 저하된 기존말뚝 축강성의 상한 값을 제안하고, 이를 신설 보강말뚝 설계 시 요구되는 최소 축강성 값을 산정하는데 활용할 수 있도록 하였다. 기존말뚝 축강성의 상한 값은 이론적인 방법과 현장에서 계측된 결과로 도출된 기존말뚝 축강성 분포 영역의 하한선인 “KHS 350”과 “Flexible pile” 추세선을 기준으로 제안하였다.
계산에서 지반은 단일지반, 말뚝은 선단확대말뚝이 아닌 일반적인 말뚝(η = 1.0), 말뚝과 지반의 강성비(λ)는 480으로 일정하고, 말뚝의 압축성(μl)은 연성말뚝인 경우에만 직경 0.35m, 0.40m, 그리고 0.50m에 0.0032,0.0028, 그리고 0.0023으로 설정해서 계산하였다.
기존말뚝 축강성의 상한 값은 이론적인 방법과 현장에서 계측된 결과로 도출된 기존말뚝 축강성 분포 영역의 하한선인 “KHS 350”과 “Flexible pile” 추세선을 기준으로 제안하였다.
4에서 제시한 바와 같이 말뚝 공법과 지반조건에 따라 상이한 결과를 보이지만, 실제 말뚝의 성능이 발현되는 초기 하중-침하거동 범위 내에서는 지반조건 및 말뚝 시공법에 크게 영향을 받지 않고 그 거동이 비교적 일정한 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 품질과 성능이 불확실한 기존말뚝의 설계 기준을 축강성으로 설정하고, 이를 이론적, 실험적인 방법으로 산정하여 그 상･하한 범위를 설정하였다. 그 결과를 활용하여 수직증축 리모델링 구조물의 신설 보강말뚝의 필요 축강성을 산정한 후, 이를 통하여 기존의 허용지지력 설계(capacity-based design)의 한계를 극복할 수 있는 축강성을 기초로 하는 설계(stiffness-based design)의 기초를 마련하고자 한다.
이론적인 말뚝 축강성 산정과 38개의 현장 계측결과를 바탕으로 사용연한이 긴 노후화와 열화가 발생한 수직증축 리모델링 구조물 기존말뚝(K_ve)의 축강성을 세장비에 따라 제안하였다. Fig.

대상 데이터

(2017)이 수행한 38본의 시험말뚝에 수행한 재하시험을 통하여 도출된 하중-침하곡선으로부터 축강성을 산정된 결과를 이론적인 축강성 범위와 비교하였다. 38본의 시험말뚝은 SIP공법(Soil-cement InjectedPreast piles)을 이용하여 설치된 말뚝이며, 시공 시기는 1995년과 1997년 사이이다. Table 2는 38본의 시험말뚝 정보와 계측 결과를 나타낸 것이다.

데이터처리

(2) 가장 널리 사용되는 두 가지 이론적인 산정식을 통한 결과와 38본의 시험말뚝에 대한 현장계측 값을 함께 분석하여 세장비에 따른 기존말뚝의 축강성분포 범위를 도출하였다. 또한, 계측결과에 대한 통계 분석을 수행하였다.

이론/모형

상부구조물과 지반 사이에 매입이 되어 있는 수직증축 대상 구조물 기존말뚝의 경우 재하시험을 통한 하중침하곡선의 도출이 어렵고, 오래된 사용연한으로 인하여 노후화와 열화로 인하여 말뚝의 품질 및 성능이 저하되었으며, 예전 자료의 신뢰도 또한 불확실하여 일반적인 방법으로는 축강성을 산정하기 어렵다. 이러한 한계를 극복하기 위하여 본 연구에서는 Randolph와 Wroth(1978)에 의해 제안된 지중에 매입된 기둥 축강성 산정 식을 사용하여 기존말뚝 축강성의 이론적인 상･하한선을 산정하였다.

성능/효과

Fig. 2와 Fig. 3의 두 시험 결과를 통해서 말뚝의 극한 지지력은 Fig. 4에서 제시한 바와 같이 말뚝 공법과 지반조건에 따라 상이한 결과를 보이지만, 실제 말뚝의 성능이 발현되는 초기 하중-침하거동 범위 내에서는 지반조건 및 말뚝 시공법에 크게 영향을 받지 않고 그 거동이 비교적 일정한 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구에서는 품질과 성능이 불확실한 기존말뚝의 설계 기준을 축강성으로 설정하고, 이를 이론적, 실험적인 방법으로 산정하여 그 상･하한 범위를 설정하였다.
“KHS 350”, “KHS 400”과 “KHS 500”는 식 (2)를 직경 350mm, 400mm, 그리고 500mm을 적용하여 산정한 결과 추세선이고, “Rigid pile”과 “Flexible pile” 추세선은 식 (3)과 (4)를 직경350mm를 적용하여 산정한 값이다. 산정 결과, 세장비 20이하에서는 말뚝을 연성으로 가정한 축강성 값이 하한선으로 형성되었고, 세장비 20이상에서는 지중 구속압을 받지 않는 직경 350mm인 기둥으로 가정하여 산정한 결과 값(KHS 350)이 하한선인 것으로 나타났다. 따라서, 말뚝 축강성의 이론적인 분포 범위는 식 (3)을 이용하여 산정한 “Rigid pile” 추세선을 상한선으로 하고, 하한선은 “KHS 350”과 “Flexible pile”의 추세선을 하한선으로 하는 음영으로 표시된 영역이라고 결론지을 수 있다.
실제 현장에서 적용의 편의성과 안정적인 설계를 위하여 기존말뚝의 노후화와 열화가 고려된 기존말뚝의 축강성 제안 값을 Table 3과 같이 제안하였다. 시험말뚝 38본의 현장 계측결과를 통계적인 기법을 통해 정규분포화 하여 분석한 결과, 위의 추세선을 기준으로 제안한 값이 전체 계측결과의 하위 2.5%(상위 97.5%)에 해당 값으로 확인되었다. 그러므로 제안 값은 수직증축 리모델링 과정에서 신설 보강말뚝의 안정적인 설계축강성 산정(K_vr)에 활용될 수 있다고 할 수 있다.
일반적으로 재하 초기에는 하중이 말뚝 재료에 의하여 지지되고, 차츰 말뚝 선단, 지반으로 전이되기 때문에 하중-침하곡선의 초기는 말뚝의 강성, 후반으로 갈수록 지반조건(선단지지 조건)에 크게 좌우되는 경향이 강하다. 이로 인하여 여섯 본 시험말뚝의 초기 하중-침하 거동 간의 차이는 미미하고, 뒤로 갈수록 그 차이는 증가하는 것을 확인할 수 있다. 각기 다른 말뚝 시공법이 적용된 시험말뚝의 하중-침하곡선을 나타낸 Fig.
실제로, 38본의 시험말뚝 계측결과 중 33본은 음영으로 나타낸 영역 내에 있는 것을 확인하였고, 다섯 본의 시험 말뚝이 가능 영역 아래에 존재하는 것으로 나왔다. 하한선 아래에 존재하는 시험말뚝의 경우, 20년이 넘는 사용연한 동안 노후화와 열화가 발생하여 축강성이 낮아졌음을 알 수 있었고, 특히 이는 광주 현장의 시험말뚝(직경 : 0.40m)들의 경우에는 그 정도가 상대적으로 더 크다는 것이 말뚝 시험 및 조사결과 보고서를 통해 확인되었다.

후속연구

5%)에 해당 값으로 확인되었다. 그러므로 제안 값은 수직증축 리모델링 과정에서 신설 보강말뚝의 안정적인 설계축강성 산정(K_vr)에 활용될 수 있다고 할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 수직증축 리모델링 대상 구조물은 어떤 말뚝으로 구성되는가?	일반적으로 국내에서 수직증축 리모델링 대상 구조물은 PC말뚝이나 PHC말뚝을 사용한 기존말뚝과 주로 강재로 제작된 마이크로파일(Micropile)로 설치되는 보강말뚝으로 구성된다. 이와 같이 다른 재질의 말뚝은 일반적으로 물성치와 설치시기에 따라 하중-침하 거동이상이하게 나타난다.
	주거 및 활동 공간 부족에 대응하여 국토교통부에서 발표한 방침은?	국내 주택과 구조물의 노후화가 진행되고, 특히 도심지의 인구 밀도가 증가함에 따라 주거 및 활동 공간 부족에 대응하고자 국토교통부에서는 2013년 최대 3개 층까지 공동주택을 수직증축 리모델링을 허용하는 방침을 발표하였다(MOLIT, 2013). 이를 통하여 노후화된 주택의 가치를 상승시킴과 동시에 상권의 활성화까지 유도하여 사회 전반의 경제성과 안정성 확보를 도모하고자 하였다.
	열화된 기존말뚝의 축강성을 현실적으로 산정하고 반영해야하는 이유는?	기초에 신설 보강말뚝이 설치된 후, 기존말뚝과 보강말뚝은 기존 구조물의 하중과 함께 증축된 부분의 하중까지 지지하게 된다. 일반적으로 말뚝기초의 개개의 말뚝은 구조물의 하중을 최대한 균등하게 지지하도록 설계되지만, 기존말뚝의 품질과 지지력은 불확실한 경우가 대부분이다. 그러므로 기존말뚝의 불확실성을 극복하기 위해서 열화된 기존말뚝의 축강성을 현실적으로 산정하고, 이를 반영하여 보강말뚝을 설계하는 것이 중요하다.

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상세보기
MOLIT (2013), Housing Act, Korea Ministry of Land, Infrastructureand Transport, p.2.
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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