[논문]볼트식 각관형식으로 이음된 PHC 말뚝의 거동

윤원섭

doi:10.21289/ksic.2019.22.6.615

볼트식 각관형식으로 이음된 PHC 말뚝의 거동
Behavior of PHC Pile Connected by Bolted Rectangular Steel Tubular 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.6, 2019년, pp.615 - 626

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the applicability of PHC pile jointing method using rectangular steel tubular was studied. PHC pile joints are welded and bolt assembly. The bolt assembly method is a method that improves the various problems of welded joints. Numerical analysis and tests were conducted to analyze the applicability of the PHC pile jointing method using a rectangular steel tubular. The tests were carried out to test the material properties of the rectangular steel tubular material and the bending test of the pile joints. The numerical analysis was interpreted in the same conditons as the tests conditions. As a result, the material strength of each rectangular steel tubular could be used as a joint material. In the bending test, it was evaluated as a sTable material above the allowable stress of piles. In the numerical analysis results under the same conditions as the tests, it was possible to apply the pile joint material without exceeding the allowable stress of the material.

주제어

표/그림 (15)

표 Table 1. Comparison of PHC pile and PC pile
그림 Fig. 1 Connection of PHC pile according to welding method
그림 Fig. 2 Connection of PHC pile with to rectangular steel tubular method
그림 Fig. 3 Testing machine and materials
그림 Fig. 4 Picture and schematic for bending strength test
표 Table 2. PHC pile compression strength test result
표 Table 3. Quality standard of general bolt(KS B 1002, 2016)
표 Table 4. PHC pile compression strength test result
표 Table 5. PHC pile bending strength test result
표 Table 6. Characteristic of material by finite element method
그림 Fig. 5 The connection modeling of pile
그림 Fig. 6 Finite element modelling for rectangular steel tubular
그림 Fig. 7 Stresses in square pipe under tensile loads
그림 Fig. 8 Stresses in rectangular steel tubular under compressive loads
그림 Fig. 9 Analysis under bending moment

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 기존의 용접이음과 조립식 말뚝이음의 비경제적인 문제점이 개선된 말뚝이음공법에 대한 시험과 수치해석 연구를 실시하였다. 개선된 조립식 공법은 용접공법으로 이음된 말뚝의 시험결과와 비교함으로써 볼트식 말둑이음공법의 거동 특성에 대해 분석하였다.

제안 방법

PHC 말뚝은 생산에서 운반, 구조물의 하중조건을 고려하면 말뚝의 이음이 필요하며, 기존의 이음방식의 문제점을 개선한 이음방식과 거동 연구가 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 각관으로 연결된 말뚝이음공법에 대해 시험을 실시하였으 며, 기존에 많이 적용되던 용접이음 공법의 시험 결과와 비교하였다.
각관에 의해 연결된 말뚝의 거동과 각 부위에 유발되는 응력 등을 상세히 분석하기 위해 말뚝이 연결된 각 부분은 Fig. 5와 같이 3차원 입체요소를 이용하여 수치모형화하였다.
따라서 본 연구에서는 기존의 용접이음과 조립식 말뚝이음의 비경제적인 문제점이 개선된 말뚝이음공법에 대한 시험과 수치해석 연구를 실시하였다. 개선된 조립식 공법은 용접공법으로 이음된 말뚝의 시험결과와 비교함으로써 볼트식 말둑이음공법의 거동 특성에 대해 분석하였다. 또한 시험결과와 동일한 조건으로 수치해석을 실시하여 볼트식 말뚝이음공법의 거동특성에 대해 분석하였다.
PHC 말뚝은 생산에서 운반, 구조물의 하중조건을 고려하면 말뚝의 이음이 필요하며, 기존의 이음방식의 문제점을 개선한 이음방식과 거동 연구가 필요하였다. 따라서 본 연구에서는 각관으로 연결된 말뚝이음공법에 대해 시험을 실시하였으 며, 기존에 많이 적용되던 용접이음 공법의 시험 결과와 비교하였다. 또한 각관에 대한 인장 및 압축 해석을 실시하였으며, 휨시험과 동일한 조건의 휨해석을 실시하여 분석한 결과는 다음과 같다.
PHC 말뚝을 연결해서 사용할 때 말뚝 연결부는 말뚝 본체보다 축인장력이나 휨모멘트에 대한 내력이 커야한다는 기본조건을 만족시켜야만 한다. 따라서 본 연구에서는 시험을 통해 분석된 파괴하중과 휨-모멘트 품질기준의 하중을 재하한 수치해석을 실시하고, 허용응력과 비교 분석하였다.
개선된 조립식 공법은 용접공법으로 이음된 말뚝의 시험결과와 비교함으로써 볼트식 말둑이음공법의 거동 특성에 대해 분석하였다. 또한 시험결과와 동일한 조건으로 수치해석을 실시하여 볼트식 말뚝이음공법의 거동특성에 대해 분석하였다.
10) 프로그램으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 각관의 인장 및 압축응력이 작용하는 경우와 말뚝에 휨하중이 재하된 경우의 발생 응력 상태를 분석하였다. 해석하중은 각관의 경우 시험 결과에서 측정된 파괴하중을 재하하였다.
용접방식으로 연결된 말뚝의 시험결과와 비교하여 말뚝의 거동 특성을 분석하였다. 시험은 A종 말뚝으로 실시되었으며, A종 말뚝의 경우 휨-모멘트 품질기준은 155kN⋅m로 시험에서는 품질기준을 조금 상회하는 정도로 하중을 재하하였다.
휨강도 시험에 대한 수치해석을 수행하기 위해서 말뚝과 각관, 볼트는 solid 요소로 모델링하였다. 체결된 말뚝의 구조적인 안정성을 분석하기 위해 외경이 500mm인 2본의 PHC 말뚝으로 연결된 구조체에 대해 3차원 수치해석을 수행하였다. 이때 PHC 말 뚝에 가해진 각각의 하중은 A형 말뚝의 품질기준에 해당하는 하중을 적용하였다.

대상 데이터

Fig. 4는 휨강도시험기와 2점 재하방식의 시험 모식도로 시험재료는 용접이음말뚝과 볼트이음말뚝으로 시험하였다. PHC 말뚝의 연결부에 대한 휨시험은 직경이 500mm이고, 길이가 5m인 PHC말뚝 2본을 연결하여 총 10m 길이의 말뚝을 사용하였다.
4는 휨강도시험기와 2점 재하방식의 시험 모식도로 시험재료는 용접이음말뚝과 볼트이음말뚝으로 시험하였다. PHC 말뚝의 연결부에 대한 휨시험은 직경이 500mm이고, 길이가 5m인 PHC말뚝 2본을 연결하여 총 10m 길이의 말뚝을 사용하였다. 용접방식의 말뚝 연결은 한국산업 규격 KS F 7001에서 정하는 규정을 준수하였다.
용접방식으로 연결된 말뚝의 시험결과와 비교하여 말뚝의 거동 특성을 분석하였다. 시험은 A종 말뚝으로 실시되었으며, A종 말뚝의 경우 휨-모멘트 품질기준은 155kN⋅m로 시험에서는 품질기준을 조금 상회하는 정도로 하중을 재하하였다.

데이터처리

각관을 이용한 PHC 말뚝 연결부를 ABAQUS-3D (Ver.6.10) 프로그램으로 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 각관의 인장 및 압축응력이 작용하는 경우와 말뚝에 휨하중이 재하된 경우의 발생 응력 상태를 분석하였다.
해석에 적용한 각 요소들의 물리적 특성치는 Table 6과 같다. 해석에서는 선형해석을 실시하였으며, 탄성계수와 포아송비의 입력정수을 입력하여 해석을 수행하였다.
압축시험에서의 최대압축하중은 각관만 시험한 경우 240kN, 각관에 철판을 용접한 경우는 902kN이었다. 해석은 각관과 각관에 철판용접을 실시한 경우에 대해 해석하였으며, 해석에서 발생한 Von_Mises 응력으로 시험결과와 비교 분석하였다.

이론/모형

본 연구에서는 각관으로 이음된 PHC 말뚝의 거동특성을 분석하기 위해 각관의 재료적인 특성 파악을 위해 일축압축 및 인장시험(KS B 0802, 2013)과 PHC 말뚝의 휨강도시험을 KS F 4306에 따라 시험하였다. Fig.
PHC 말뚝의 연결부에 대한 휨시험은 직경이 500mm이고, 길이가 5m인 PHC말뚝 2본을 연결하여 총 10m 길이의 말뚝을 사용하였다. 용접방식의 말뚝 연결은 한국산업 규격 KS F 7001에서 정하는 규정을 준수하였다. 연결 이 완료된 10m 길이의 말뚝에 대해 한국산업 규격에서 규정하는 2점 재하방식의 휨시험을 하였다.

성능/효과

2. 용접형식과 각관을 이용한 말뚝이음의 경우 휨모멘트는 161kN⋅m∼166kN⋅m로 유사하였으며, A종 말뚝의 품질기준인 155kN⋅m 이상의 하중을 재하에도 PHC 말뚝은 안정하였다.
6. 각관을 이용한 말뚝이음장치의 연구결과를 종합하면, 말뚝이음의 문제점을 개선한 각관으로 연결된 말뚝이음은 구조적 측면에서 안정하였다. 시험결과 발생된 하중은 PHC 말뚝의 품질기준 이상의 결과를 보여 구조적으로 안정하였으나 향후 추가적으로 PHC 말뚝에 관해 다양한 시험 및 수치해석에 대한 계획을 수립하여 연구를 수행해야할 필요가 있었다.
시험결과를 종합하면 인장시험에서 사용된 볼트는 KS B 1002의 품질기준을 갖는 일반 볼트를 사용하였는데, Table 3의 볼트의 품질기준과 같이 각관보다 작은 기준을 갖는 볼트로 인장시험을 실시하여 볼트에 의한 인장변형이 먼저 발생된 것으로 판단된다.
각관을 이용한 말뚝이음방식에서도 160kN⋅m에서 162kN⋅m까지 말뚝과 이음재의 결합없이 하중이 재하되어 안정하였다. 이는 용접 방식과 각관으로 이음된 말뚝 모두 PHC 말뚝의 휨 모멘트 품질기준을 상회하여 충분히 안정한 것으로 나타났다.

후속연구

각관을 이용한 말뚝이음장치의 연구결과를 종합하면, 말뚝이음의 문제점을 개선한 각관으로 연결된 말뚝이음은 구조적 측면에서 안정하였다. 시험결과 발생된 하중은 PHC 말뚝의 품질기준 이상의 결과를 보여 구조적으로 안정하였으나 향후 추가적으로 PHC 말뚝에 관해 다양한 시험 및 수치해석에 대한 계획을 수립하여 연구를 수행해야할 필요가 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PC말뚝과 비교하여, PHC 말뚝의 특징은 무엇인가?	PHC 말뚝은 Table 1과 같이 PC 말뚝에 비해 압축강도가 78.5MPa 이상의 고강도 콘크리트를 사용하고 있으며, 장기 허용 압축응력이 높기 때문에 말뚝의 지지력을 증가시킬 수 있어 경제적인 설계가 가능하다. 또한, 콘크리트로 성형한 단면에 프리스트레스(pre-stress)를 균일하게 도입하여 타격 내력이 우수하며, 항타 시 발생하는 반사파에 의한 인장응력을 흡수하기 때문에 균열이 없고, 기존의 PC 말뚝으로는 항타가 곤란한 단단한 지반층도 용이하게 관입할 수 있어 깊고 단단한 지층까지 적용이 가능하다(Hyun, 2012).
	현장에서 사용되는 용접방식으로 인하여 발생하는 문제점은 무엇인가?	이러한 이유로 대부분의 현장에서는 용접방식으로 말뚝의 이음이 시공되고 있다. 그로 인해 PHC 말뚝의 연결부에서 치명적인 결함이 발생하기도 하며, 항타 말뚝의 경우 공기의 지연으로 인한 공사비 증가 등의 문제점이 제 기되고 있어 기존 말뚝이음공법의 문제점을 개선 할 수 있는 새로운 말뚝 연결방법의 연구가 필요하다.
	용접방식과 비교하여, 조립식 이음방법의 장점은?	이러한 조립식 이음방법은 PHC 말뚝의 연결을 위하여 용접을 사용하지 않아 용접방식에 비해 용접작업에 따른 공정단축과 기후조건에 상관없이 일정한 품질을 유지가능하며, 시공관리가 용이하고, 비파괴검사의 수행에 따른 추가비용 저감으로 공사기간 단축과 공사비가 저렴한 장점이 있다. 그리고 항타말뚝에서 시간지연에 따른 항타 관입의 어려움도 해결이 가능하다.

참고문헌 (24)

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Lee, Y. S., Oh, J. T., Kim, Y. S. and Ju, Y. K, "Hemisphere-Shaped Iron Joint between PHC Pile and Steel Reinforced Concrete Column. Part I: Analysis", Journal of Applied Mechanics and Materials, Vol.470, pp.958-961, 2014. (in Korean with English abstract)
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Park, J. B., "Strength and Friction Behavior of Cement paste poured in the Bored Pile", Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol.5, No.3, pp.31-39, 2004. (in Korean with English abstract)
Park, J. Y., Investigation on the practical use of prefabricated joint mrthod of PHC pile using pile coupler, Master, Kwandong University, 2003. (in Korean with English abstract)

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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