[논문]긴장력이 도입된 중공형 콘크리트 충전 강관말뚝의 휨강도 산정

백규호

doi:10.7843/kgs.2019.35.12.91

긴장력이 도입된 중공형 콘크리트 충전 강관말뚝의 휨강도 산정
Estimation of Flexural Strength of Hollow Prestressed Concrete Filled Steel Tube Piles 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.35 no.12, 2019년, pp.91 - 100

초록
AI-Helper

수평하중에 대한 휨강성을 증대시키기 위해 얇은 두께의 강관 내부에 PHC말뚝을 합성한 중공형 콘크리트 충전강관(HCFT)말뚝을 개발하였고, HCFT말뚝의 현장 적용 시 말뚝의 구조안전성 평가에 필요한 한계상태에서 P-M 상관도를 작도할 수 있는 산정식을 제안하였다. HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉에 대한 강도 값으로 항복응력을 적용할 경우 제안식은 HCFT말뚝의 극한휨내력을 큰 폭으로 과소평가하였고, 축력이 작용하지 않을 때 휨강도시험결과와 달리 HCFT말뚝보다 직경이 동일하고 두께가 12mm인 강관말뚝의 극한휨내력을 더 크게 산정하였다. 그러나 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉에 대해 항복강도인 f_y 대신 극한강도인 f_u를 사용하면 제안식은 휨강도시험 측정결과에 매우 근접한 극한휨내력을 제공하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Hollow prestressed concrete-filled steel tube (HCFT) piles, which combines PHC piles inside thin-wall steel tubes, were developed to increase the flexural strength of the pile with respect to the lateral load. Since P-M curves are needed for evaluating the structural safety of piles when applying HCFT piles to fields, equations for plotting P-M curves of HCFT piles in limit states were proposed. When the yield strength is applied to the steel tube and PC steel bar of HCFT piles, the proposed equations significantly underestimated the flexural strength of HCFT piles. Unlike the flexural strength test results, the proposed equations also provide greater flexural strengths for 12 mm thick steel pipe piles with the same diameter than for HCFT piles. However, when the ultimate strengths are used instead of the yield strengths for the steel tube and PC steel bar, the proposed equations provide the flexural strengths very close to the flexural strength test results.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Structural detail of HCFT piles
그림 Fig. 2. Conversion of real to virtual cross section for PC steel bars of HCFT piles
그림 Fig. 3. Angles α and β defining the position of neutral axis
그림 Fig. 4. Stress-strain model for components of HCFT piles
그림 Fig. 5. Stress distribution acting on steel tube
그림 Fig. 6. Stress distribution acting on PC steel bars
그림 Fig. 7. Calculation of compressive axial force and bending moment on inside composite concrete when neutral axis is on hollow part of HCFT piles
그림 Fig. 8. Stress distribution acting on inside composite concrete
표 Table 1. Strengths and dimensions used in calculation of P-M curve
그림 Fig. 9. Comparison of calculated and measured flexural strengths when using f_y for steel tube and PC steel bars of HCFT piles
그림 Fig. 10. Flexural test results for HCFT and SP piles with the same diameter
그림 Fig. 11. Comparison of calculated and measured flexural strengths when using f_u instead of f_y for steel tube and PC steel bars of HCFT piles

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

이들 두 가지 방법 중 소성응력 분포법이 상대적으로 계산이 더 간단하고 실무에서도 더 많이 사용되고 있다. 따라서 본 연구에서는 소성응력 분포법을 이용해서 HCFT말뚝과 강관말뚝의 P-M 상관도를 작도하였고, 이때 강재와 콘크리트는 Fig. 4와 같이 강소성의 응력-변형률 관계를 갖는다고 가정하였다.

제안 방법

(1) 한계상태에서 HCFT말뚝의 P-M 상관도를 작도할 수 있는 산정식을 제안하였고, HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉의 강도로 항복응력인  를 적용할 경우 제안식은 강관말뚝보다 HCFT말뚝의 극한 휨내력을 더 과소평가하였다.
본 연구에서는 Zhan et al.(2016)의 연구결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 제안식을 사용해서 HCFT말뚝의 극한휨내력을 산정할 때 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉에 대한 강도 값으로  대신  , 즉 각각 400MPa과 1,420MPa을 적용하였다. 그 결과 Fig.
(2016)은 중실형의 콘크리트 충전 사각형 강관부재에 대한 휨강도시험을 통해 강관과 내부 합성 콘크리트의 합성효과로 인해 대변위에서 강관의 단면 찌그러짐이 발생하지 않고 동시에 극한휨내력이 유지되거나 변형경화로 인해 다소 증가한다는 결과를 보고 하였다. 그리고 이러한 시험결과에 근거해서 한계상태에 놓인 중실형 콘크리트 충전 사각형 강관부재의 극한 휨내력을 산정할 때 부재를 구성하는 사각형 강관에 대해 항복응력인  대신 극한응력인  를 사용할 것을 제안하였다.
따라서 본 연구에서는 대부분의 토목구조물들이 한계상태설계법(limit state design)으로 설계되는 점을 고려하여 한계상태에서 HCFT말뚝의 축력 P에 대한 휨내력 M의 변화를 나타낸 P-M 상관도를 산정할 수 있는 수식들을 제안하였다. 그리고 제안 식으로부터 산정된 P-M 상관도의 결과를 특정조건에서 수행한 휨강도시험의 결과와 비교함으로써 제안식의 정확도를 평가하였다.
이러한 구속효과에 의한 HCFT 말뚝의 휨내력 증가를 고려하기 위해 WDOT(2012)에 서는 강관 내부에 합성된 콘크리트의 설계강도로   를 사용할 것을 제안하였다. 따라서 기존의 연구결과를 반영하여 HCFT말뚝의 압축력과 휨내력 산정 시 콘크리트의 설계강도로  를 사용하였고, HCFT말뚝에 사용되는 콘크리트가 고강도임을 고려하여 에 80MPa을 적용하였다. 그리고 콘크리트의 인장강도는 0으로 처리 하였다.
그러나 현재까지 강관 내부에 중공형의 PHC말뚝이 합성되고 동시에 선행 응력이 도입된 HCFT말뚝의 P-M 상관도를 산정할 수 있는 산정식은 제시되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 대부분의 토목구조물들이 한계상태설계법(limit state design)으로 설계되는 점을 고려하여 한계상태에서 HCFT말뚝의 축력 P에 대한 휨내력 M의 변화를 나타낸 P-M 상관도를 산정할 수 있는 수식들을 제안하였다. 그리고 제안 식으로부터 산정된 P-M 상관도의 결과를 특정조건에서 수행한 휨강도시험의 결과와 비교함으로써 제안식의 정확도를 평가하였다.
본 연구에서는 얇은 두께의 강관 내부에 PHC말뚝을 합성한 HCFT말뚝에 대해 한계상태에서 P-M 상관도를 계산할 수 있는 산정식을 제안하였고, 제안식의 결과를 휨강도시험의 측정치와 비교함으로써 제안식의 정확도를 검증하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

HCFT말뚝의 구성요소 중 내부 합성 콘크리트를 감싸는 강관은 외경이 500mm이고 두께가 6mm이며, 항복 강도  가 275MPa이고 극한강도  가 400MPa인 STP 275 강재로 제작되었다. 구조물기초설계기준해설(KGS 2015)에 따르면 일반적인 조건의 지반에서 강관말뚝은 100년 동안 2mm가 부식되므로 현장에 시공된 강관말뚝의 내력 평가 시 이러한 부식공제를 반영하는 것이 필요하다.

데이터처리

9는 직경이 500mm이고 두께가 6mm인 강관으로 제작한 HCFT말뚝과 직경이 500mm이고 두께가 12mm 인 강관말뚝에 대해 식 (18)과 (19)의 제안식으로부터 얻어진 P-M 상관도와 휨강도시험에서 측정된 시험결과 를 함께 나타낸 것이다. 제안식으로부터 계산된 결과와 휨강도시험 결과의 비교를 통해 제안식의 정확도를 평 가하였고, P-M 상관도 계산 시 휨강도시험의 시험조건을 반영하기 위해 HCFT말뚝에 사용된 강관과 강관말뚝의 부식에 대한 두께 감소는 고려하지 않았다. 그리고 P-M 상관도 계산 시 사용된 말뚝 구성재료별 강도특성과 제원은 Table 1에 정리하였다.

이론/모형

직경이 500mm이고 두께가 6mm인 강관을 사용해서 제작한 HCFT말뚝과 직경 500mm, 두께 12mm의 강관 말뚝에 대한 휨내력을 측정하기 위해 KS F 4306(2014) 에 규정된 방법에 따라 휨강도시험을 수행하였다(Paik, 2018). Fig.

성능/효과

(2) HCFT말뚝과 강관말뚝에 대한 P-M 상관도를 비교한 결과 인장축력을 받는 조건에서 HCFT말뚝의 극한휨내력은 직경이 동일한 두께 12mm의 강관말뚝에 비해 작지만 압축력을 받는 조건에서 HCFT말뚝의 극한휨내력은 강관말뚝에 비해 상당히 큰 것으 로 나타났다.
(3) 제안식은 휨강도시험에서 측정된 결과와 달리 축력이 0인 순순 휨하중 조건에서 HCFT말뚝보다 동일 직경의 두께가 12mm인 강관말뚝의 휨강도를 더 크게 예측하였으며, 이것은 제안식이 HCFT말뚝에서 콘크리트의 인장강도를 고려하지 못한 반면 강관말 뚝에서는 휨하중 작용 시 단면의 찌그러짐에 따른 휨내력 저하가 고려되지 않았기 때문으로 사료된다.
(4) HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉에 대해 항복 강도인  대신 극한강도인  를 사용했을 때 제안식은 휨강도시험 측정결과의 88.1%에 해당하는 휨내력을 제공함으로써 제안식의 정확도를 상당히 높일 수 있었다.
(2016)의 연구결과에 대한 타당성을 검증하기 위해 제안식을 사용해서 HCFT말뚝의 극한휨내력을 산정할 때 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 PC강봉에 대한 강도 값으로  대신  , 즉 각각 400MPa과 1,420MPa을 적용하였다. 그 결과 Fig. 11에서 보듯이 강관과 PC강봉의 강도로  대신  를 사용 함에 따라 압축력이 0일 때 HCFT말뚝의 극한휨내력이 612kN･m에서 908kN･m로 48.4% 증가하였고, 2,341kN 의 압축력이 작용할 때 말뚝이 지지할 수 있는 극한휨내력도 937kN･m에서 1,182kN･m로 26.1% 증가하였다. 또한 HCFT말뚝의 강재에 대해  를 적용했을 때 제안식은 휨강도시험 결과의 59.
1과 같이 얇은 두께의 강관 내부에 원심성형을 통해 PHC말뚝을 합성하고 선행응력을 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(Hollow prestressed Concrete Filled steel Tube, HCFT)말뚝을 개발하였다. 그리고 HCFT말뚝에 대한 휨강도 및 전단강도시험을 통해 두께가 6mm인 강관을 사용한 HCFT말뚝의 극한 휨내력과 극한전단내력이 두께가 12mm인 동일 직경의 강관말뚝보다 각각 18.7%와 217.7% 크고, 동일 직경의 ICP보다 극한휨내력이 188.2% 크다는 시험결과를 제시하였다. 또한 휨하중을 받는 HCFT말뚝은 동일 조건 하에서 강관말뚝보다 휨변위를 약 50% 감소시켜 구조 물의 수평변위 억제에 효과적이고, 강관말뚝과 달리 대변위에서도 극한휨내력이 유지되거나 변형경화(strain hardening)로 인해 다소 증가한다는 거동을 보고하였다.
10은 HCFT말뚝과 강관말뚝에 대한 휨강도 시험 결과를 말뚝 중앙부에 가해진 휨모멘트와 말뚝 중앙부에서 발생한 변위의 관계로 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 HCFT말뚝과 두께가 12mm인 강관말뚝(SP)의 극한휨내력은 각각 1,030.7kN･m과 868.1N･m로 측정되 어 HCFT말뚝은 강관말뚝 대비 118.7%의 극한휨내력을 발휘하는 것으로 측정되었다. 또한 대변위에서 강관말뚝은 단면이 찌그러지면서 단면계수가 감소하여 휨내력 이 급격히 감소하였으나, HCFT말뚝은 내부 합성 콘크리트가 강관의 변형을 억제하여 휨내력이 유지되거나 오히려 약간 증가하는 변형경화 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
1% 증가하였다. 또한 HCFT말뚝의 강재에 대해  를 적용했을 때 제안식은 휨강도시험 결과의 59.4%에 해당하는 극한휨내력을 제공하였으나  를 적용했을 때에는 휨강도시험 결과의 88.1%에 해당하는 극한휨내력을 제공하였다. 따라서 HCFT말뚝의 경우 Zhan et al.
7%의 극한휨내력을 발휘하는 것으로 측정되었다. 또한 대변위에서 강관말뚝은 단면이 찌그러지면서 단면계수가 감소하여 휨내력 이 급격히 감소하였으나, HCFT말뚝은 내부 합성 콘크리트가 강관의 변형을 억제하여 휨내력이 유지되거나 오히려 약간 증가하는 변형경화 현상이 발생하는 것으로 나타났다.
7% 큰 휨내력을 발휘하는 것으로 측정되었다. 또한 휨강도시험 결과와 비교할 때 제안식은 강관말뚝의 휨내력을 21.0% 그리고 HCFT말뚝의 휨내력을 41.9%나 과소평가하였다. 이처럼 P-M 상관도를 계산하기 위한 제안식이 강관말뚝보다 HCFT말뚝에 대해 휨내력을 더 과소평가하는 것은 휨내력을 계산할 때 HCFT말뚝을 구성하는 내부 합성 콘크리트의 인장강도가 전혀 고려되지 않은 반면, 강관말뚝은 단면의 찌그러짐에 따른 휨내력 감소가 고려 되지 않았기 때문으로 판단된다.
제안식으로부터 계산된 HCFT말뚝과 강관말뚝에 대한 P-M 상관도를 휨강도시험 결과와 비교한 Fig. 9에서 보듯이 제안식은 압축력이 0인 순수 휨하중 상태에서 강관말뚝이 HCFT말뚝보다 12%의 휨내력을 더 발휘하는 것으로 계산하였으나, 실제 휨강도시험에서는 이와 반대로 HCFT말뚝이 강관말뚝보다 18.7% 큰 휨내력을 발휘하는 것으로 측정되었다. 또한 휨강도시험 결과와 비교할 때 제안식은 강관말뚝의 휨내력을 21.
반면 HCFT말뚝은 강관말뚝과 달리 인장에 비해 상대적으로 압축강도가 큰 콘크리트가 강관 내부에 합성된 구조를 갖기 때문에 P-M 상관도가 PHC말뚝과 비 슷하게 포물선 형태로 나타났고, 인장보다 압축하중에 더 크게 저항하는 형태를 보였다. 즉 축력이 작용하지 않는 순수 휨하중 상태에서 HCFT말뚝의 최대 휨내력은 612kN･m로 강관말뚝의 최대 휨내력인 686kN･m보다 작았다. 그러나 말뚝에 2,341kN의 압축력이 가해지면 HCFT말뚝의 최대 휨내력은 937kN･m까지 증가하지 만 강관말뚝의 최대 휨내력은 231.

후속연구

(5) 본 논문에서 제안한 HCFT말뚝의 P-M 상관도를 계산하기 위한 산정식이 실무에 적용되기 위해서는 말뚝에 다양한 크기의 축력이 가해진 상태에서 얻어진 휨강도시험의 결과를 이용해서 제안식의 정확도를 추가로 검증하는 작업이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기성말뚝의 2가지 구분은 무엇인가?	기성말뚝은 재질에 따라 콘크리트로 제작된 PHC말뚝과 강재로 제작된 강관말뚝으로 구분된다. 일반적으로 PHC말뚝은 인장강도보다 압축강도가 훨씬 크기 때문에 압축하중이 크게 작용하는 건축구조물의 기초에 주로 사용되고, 강관말뚝은 인장과 압축강도가 동일하기 때문에 수평하중이 크게 작용하는 교량의 교대부 기초에 많이 사용되어 왔다.
	인장과 압축강도가 동일하기 때문에 수평하중이 크게 작용하는 교량의 교대부 기초에 많이 사용되는 강관말뚝의 제약요인은 무엇인가?	일반적으로 PHC말뚝은 인장강도보다 압축강도가 훨씬 크기 때문에 압축하중이 크게 작용하는 건축구조물의 기초에 주로 사용되고, 강관말뚝은 인장과 압축강도가 동일하기 때문에 수평하중이 크게 작용하는 교량의 교대부 기초에 많이 사용되어 왔다. 그러나 강관말뚝은 동일 직경의 PHC말뚝보다 가격이 4배 정도 고가이기 때문에 수평하중을 받는 구조물 기초의 공사비 상승을 이끄는 주 원인으로 지목되어 왔다.
	PHC말뚝의 특징과 주 사용처는 어디인가?	기성말뚝은 재질에 따라 콘크리트로 제작된 PHC말뚝과 강재로 제작된 강관말뚝으로 구분된다. 일반적으로 PHC말뚝은 인장강도보다 압축강도가 훨씬 크기 때문에 압축하중이 크게 작용하는 건축구조물의 기초에 주로 사용되고, 강관말뚝은 인장과 압축강도가 동일하기 때문에 수평하중이 크게 작용하는 교량의 교대부 기초에 많이 사용되어 왔다. 그러나 강관말뚝은 동일 직경의 PHC말뚝보다 가격이 4배 정도 고가이기 때문에 수평하중을 받는 구조물 기초의 공사비 상승을 이끄는 주 원인으로 지목되어 왔다.

참고문헌 (13)

Bang, J.W., Hyun, J.H., Lee, B.Y., Lee, S.S., and Kim, Y.Y. (2013), "Flexural Strength of PHC Pile Reinforced with Infilled Concrete, Transverse and Longitudinal Reinforcements", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol.25, No.1, pp.91-98.

원문보기 상세보기
Chin, W. J., Kang, J. Y., Choi, E. S., and Lee, J. W. (2009), "A Study on the Flexural behavior of Concrete Filled Steel Tube Girder in Parametrically Varied Filling and Composition", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.29, No.2A, pp.109-118.
Hyun, J.W., Bang, J.W, Lee, S.S., and Kim, Y.Y. (2012), "Shear Strength Enhancement of Hollow PHC Pile Reinforced with Infilled Concrete and Shear Reinforcement", Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol.24, No.1, pp.71-78.
Kang, H. K., Lee, C. H., and Rha, C. S. (2011), "Flexural Strength on Concrete-filled Steel Tubular Members Subjected to Pure Bending Moment", Journal of Architecture Institute of Korea, Vol.27, No.4, pp.11-21.
KIBSE (2015), Korea highway bridge design code (Limit state design) commentary, Korean Institute of Bridge and Structural Engineers.
KS D 3505 (2019), Steel bars for prestressed concrete, 35p.
KS F 4306 (2014), Pretensioned spun high strength concrete piles, 53p.
KGS (2015), Structural foundation design code commentary, Korean Geotechnical Society, 894p.
KSSC (2014), Steel structure design code by load and resistance factor design, Korean Society of Steel Construction, 463p.
Paik, K. H. (2018), "Strength Characteristics of Hollow Prestressed Concrete Filled Steel Tube Piles for Hybrid Composite Piles", Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol.34, No.1, pp. 37-46.
Piletech, Doosan Heavy Industries & Const., Hanmac Eng., and Korea Eng. Consultants (2008), Design and construction methods of bored hybrid composite pile that joins steel pipe and PHC piles using coupler, New Excellent Technology No. 556.
WSDOT (2012), Structural design recommendations of CFT and RCFT for bridge foundation, Washington State DOT Design Memorandum, 30p.
Zhan, Y., Zhao, R., Ma, Z. J., and Song, R. (2016), "Behavior of Prestressed Concrete-filled Steel Tube (CFST) Beam", Engineering Structures, Vol.122, pp.144-155.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증