[논문]PHC파일간 연결 시공성 개선 이음판형 기계적 연결부의 연결저항

안진희; 문홍득; 하민균; 조광일

doi:10.11112/jksmi.2019.23.7.25

PHC파일간 연결 시공성 개선 이음판형 기계적 연결부의 연결저항
Connection Resistance of Mechanical Joint using Connection plate for Improvement of Connectivity between PHC piles 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.7, 2019년, pp.25 - 32

안진희 (경남과학기술대학교, 토목공학과) , 문홍득 (경남과학기술대학교, 토목공학과) , 하민균 (경남과학기술대학교, 토목공학과) , 조광일 ((주)택한)

초록
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PHC 파일의 파일간 연결공법으로 용접이음과 볼트이음을 이용한 기계적 이음들이 적용되고 있으나 시공과정 등에서 품질 및 성능 확보에 어려움이 발생할 수 있다. 본 연구는 기존 PHC파일 연결부가 가지는 단점을 개선하고 PHC 파일 연결부 성능을 확보할 수 있는 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 제안하고 비선형 구조해석과 실제 PHC파일 연결부 실험을 통하여 제안된 PHC 파일 연결부의 연결성능을 평가하였다. 제안된 PHC파일 연결부의 비선형 구조해석 결과 연결부는 휨, 압축, 인장, 전단, 편심압축 하중 상태에서 충분한 연결성능을 확보하는 것으로 평가되었으며, 실제 휨하중 재하실험에서 PHC파일의 균열 및 휨 모멘트 수준 이상에서도 안정적인 선형거동을 가지고 있는 것으로 나타났다. 따라서 제안한 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부는 충분한 연결성능을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Welded joints and mechanical joints using bolt connection have been used as a pile-to-pile connecting method for PHC piles. These PHC pile joint methods may have difficulty in securing connecting quality and connecting performance in PHC pile joining process. Therefore, this study proposes a non-welded connection plate type mechanical PHC pile joint to improve the disadvantages of existing PHC pile connection methods and to secure the connection performance of PHC pile joint. Its connection performance was evaluated from nonlinear FE analysis and loading tests for actual PHC piles with suggested pile joints. From nonlinear FE analysis for the proposed PHC pile joint, it was evaluated to have sufficient connection performance under flexural, compressive, tensile, shear, and eccentric compressive load condition. PHC piles connected by the suggested connection plate type mechanical PHC pile joint show that they show stable linear behaviors for the crack moment and the flexural moment level of the PHC pile. Therefore, the proposed a non-welded connection plate type mechanical PHC pile joint can secure sufficient connection performance in PHC pile.

주제어

표/그림 (17)

그림 Fig. 1 Proposed mechanical joint using connection plate
그림 Fig. 2 Connection process of proposed mechanical joint using connection plate
그림 Fig. 3 Flexural load condition for PHC pile connection
그림 Fig. 4 Shear load condition for PHC pile connection
그림 Fig. 5 FE analysis model of proposed mechanical joint using connection plate
그림 Fig. 6 Load - displacement relationship under flexural load
그림 Fig. 7 Load - displacement relationship under compressive load
그림 Fig. 8 Load - displacement relationship under tensile load
그림 Fig. 9 Load - displacement relationship under shear load
그림 Fig. 10 Load - displacement relationship under eccentrical compressive load
그림 Fig. 11 Stress distribution under flexural load(at 118.5kN)
그림 Fig. 12 Stress distribution under compressive load(at 1,730kN)
그림 Fig. 13 Stress distribution under shear load(at 296.2kN)
그림 Fig. 14 Stress distribution under eccentrical compressive load(at 1,730kN)
그림 Fig. 15 Test set-up for flexural load condition
그림 Fig. 16 Load - displacement relationship under flexural load
그림 Fig. 17 Failure condition of PHC pile specimen

AI 본문요약
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문제 정의

또한 볼트 체결공간 확보를 위해 다수의 보강 철물이 필요하여 중량이 높으므로 작업 시 핸들링의 어려움과 연결용 철물(플래이트)의 수직부재가 높은 압축력을 부담하여야 하며, 수직 부재에 접한 콘크리트 면에 높은 응력이 발생할 수 있으므로 초고강도 PHC 파일에는 적용이 어려울 수 있다. 따라서 본 연구에서는 기존 PHC 파일 간 연결부가 가지는 단점을 개선하며 PHC 파일 간 연결부 성능을 확보할 수 있는 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 제안하고 제안된 연결부의 구조적 성능을 평가하였다. 이를 위하여 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부에 대한 비선형 구조해석을 실시하였으며, 실제 PHC파일에 제안된 연결부를 적용하여 PHC 파일 연결부에 대한 하중저항 성능을 평가하였다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부에 대한 휨, 전단, 압축, 인장, 편심압축 상태에 대한 구조해석 결과 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부는 설계하중 수준을 충분히 만족하고 있으므로 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부를 적용한 PHC 파일을 대상으로 구조성능을 실험을 통하여 평가하고자 하였다.
본 연구는 PHC파일간 연결부로 사용되는 용접이음과 기계적 볼트이음의 시공성 개선과 연결성능 향상을 위하여 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 형태를 제안하였다. 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부는 상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판, 이음판 연결 볼트, 이음판 수평 연결핀으로 구성되었으며, 비선형 구조해석과 PHC파일 연결부(b) Crack of PHC pile실험체에 대한 연결부 성능 평가를 통하여 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 연결 성능을 평가 하였다.
본 연구에서 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일의 연결 성능을 확인하기 위하여 기계적 연결구조에 대한 구조해석을 실시하였다. 구조해석의 경우 휨하중 상태, 압축 및 인장 하중 상태, 전단 상태, 편심압축 상태에 대하여 PHC파일 연결부의 성능이 확보될 수 있도록 평가하였다.

가설 설정

무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 구성요소의 재료 특성으로 연결판 부재는 항복강도가 280MPa, 인장강도가 450MPa로 가정하였으며, 볼트는 F10T 마찰 볼트의 항복강도 1000MPa로, 연결핀은 항복강도가 245MPa, 인장강도가 400MPa로 가정하였으며, 재료 비선형성을 고려하였다.
따라서 3본의 연결부 시험체에서 모두유사한 수준의 강도를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있으며, 최대변위는 수 mm 정도의 차이를 보이고 있으나, 과도한 변위는 발생하지 않음을 알 수 있다. 앞서 그림 Figure 16에서 제시한 유한요소 해석결과와 비교하면, 해석에서는 PHC 파일을 완전 탄성체로 가정하였고 이상적인 지점부 거동을 보이므로 실험에서는 상대적으로 약 3mm 정도 높은 변위가 나타났다. 또한 균열 모멘트를 유발하는 하중을 넘어선 후에는 파일 본체에 파괴가 발생하기 시작하여 하중-변위 곡선의 기울기가 감소하는 경향을 보였다.

제안 방법

압축 및 인장 해석은 Figure 5(d), (e)와 같이 PHC 파일 연결 장치만을 모형화하고 PHC 파일 접촉면의 한쪽을 고정한 후 다른 쪽에 변위를 가하여 압축 및 인장을 모사하였다. PHC 단면 뿐만 아니라 모든 구성요소 간에는 Contact 조건을 적용하였다.
압축 및 인장 해석은 Figure 5(d), (e)와 같이 PHC 파일 연결 장치만을 모형화하고 PHC 파일 접촉면의 한쪽을 고정한 후 다른 쪽에 변위를 가하여 압축 및 인장을 모사하였다. PHC 단면 뿐만 아니라 모든 구성요소 간에는 Contact 조건을 적용하였다. 편심 압축 해석에서는 Figure 5(f)와 같이 PHC 파일 연결 장치만을 모형화하고 PHC 파일 접촉면의 한쪽을 고정한 후 다른 쪽에 변위를 가하여 압축 및 인장을 모사하였다.
무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 구조성능 평가를 위하여 범용구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 파일연결부의 3차원 모델을 구현하였다(ABAQUS, 2014). PHC 파일 연결부 구성 요소인 상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판, 이음판 연결 볼트, 이음판 수평 연결핀은 각각 3D로 모형화 되었으며, 각 구성요소는 Contact 조건에 따라 하중전달이 발생할 수 있도록 하였다. 각 해석에서 연결장치의 구성요소들은 모두 동일하게 모형화 되었으며 이를 Figure 5에 나타내었다.
PHC 파일 연결부 성능평가 실험의 경우 PHC 파일이 균열 휨하중이나 파괴 휨하중상태에서도 충분한 연결성능을 확보하는 것이 목표이므로 PHC 파일의 균열하중과 파괴 휨하중을 기준으로 연결부 성능을 평가하였다. Figure 15는 무용접 이음 판형 기계적 PHC 파일 연결부를 적용한 10m PHC 파일 실험체의 설치 모습이다.
본 연구에서 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일의 연결 성능을 확인하기 위하여 기계적 연결구조에 대한 구조해석을 실시하였다. 구조해석의 경우 휨하중 상태, 압축 및 인장 하중 상태, 전단 상태, 편심압축 상태에 대하여 PHC파일 연결부의 성능이 확보될 수 있도록 평가하였다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부를 적용한 PHC 파일 시험체의 연결성능을 확인하기 위하여 PHC 파일 실험체의 파괴모드를 확인하였다. PHC 파일 실험체는 균열 휨 모멘 트를 초과하면서 PHC 파일 본체에는 균열이 발생하였으나 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부에서는 과도한 변형이나 구성요소인 볼트, 핀의 탈락 등은 나타나지 않아 제안된 연결부는 PHC파일 연결부로 연결된 파일의 휨 파괴거동에 영향을 주지 않고 있음을 확인 할 수 있으며, PHC파일 연결부로의 역할을 안정적으로 수행하고 있음을 확인할 수 있다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부의 연결성능을 평가하기 위하여 PHC 파일에 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부를 설치하고 휨 하중을 재하하여 연결부 성능을 평가하였다. 휨 하중 실험은 구조해석에서 적용한 휨하중 재하방법과 동일하게 적용하고자 하였으며, 길이 5m, 지름 500mm의 PHC 파일 2본을 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일연결부로 연결한 후 휨 하중을 재하하였다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부의 하중조건에 따라 나타난 구조해석 조건별 하중-변위 곡선을 도출하여 전체적인 거동을 파악하였으며, 앞에서 설명한 하중재하 조건에서 각 기준하중 상태에서 연결부 부재 구성요소의 응력분포를 검토하였으며, 하중은 고정점의 반력을 통해 산정되었다.
본 연구는 PHC파일간 연결부로 사용되는 용접이음과 기계적 볼트이음의 시공성 개선과 연결성능 향상을 위하여 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 형태를 제안하였다. 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부는 상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판, 이음판 연결 볼트, 이음판 수평 연결핀으로 구성되었으며, 비선형 구조해석과 PHC파일 연결부(b) Crack of PHC pile실험체에 대한 연결부 성능 평가를 통하여 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 연결 성능을 평가 하였다.
본 연구에서 제안하고자 하는 PHC 파일 연결부는 기존 PHC 파일과 동일한 연결 성능을 확보하며, 시공성을 개선하기 위한 것으로 Figure 1에 나타낸 것과 같이 ‘상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판’, ‘이음판 연결 볼트’, ‘이음판 수평 연결핀’ 등으로 구성하였다.
본 연구에서 제안하고자하는 PHC 파일 연결부의 시공과정은 Figure 2에 나타낸 것과 같이 ① 상하부판 연결: 상하부 파일에 각 연결판을 위치시킨 후 볼트 체결, ② 인양 설치: 상부 파일을 크레인으로 인양 후 상하부 연결판이 서로 삽입되도록 설치, ③ 연결핀 타격 삽입: 수평 연결핀을 해머로 타격하여 삽입을 통하여 연결 완료로 진행될 수 있도록 하였다.
본 연구에서 제안하고자 하는 PHC 파일 연결부는 기존 PHC 파일과 동일한 연결 성능을 확보하며, 시공성을 개선하기 위한 것으로 Figure 1에 나타낸 것과 같이 ‘상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판’, ‘이음판 연결 볼트’, ‘이음판 수평 연결핀’ 등으로 구성하였다. 상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판은 사전 제작된 이음판 형태의 부재로 각각 상부 파일 선단 및 하부 파일 두부에 사전 조립이 가능하도록 하였으며, 연결 이음판은 상하부가 같은 높이로 서로 교차하도록 하여 이음 장치의 두께가 기존 연결부와 비교하여 1/2 이하가 될 수 있도록 하였다. 이로 인하여 연결이음판 자체의 중량이 감소하여, 현장 작업자가 쉽게 다룰 수 있어 연결부 시공 편이성 개선을 기대할 수 있다.
압축 하중은 직경이 500mm인 경우의 허용 축방향 압축강도는 1,730kN의 실제 PHC 파일 생산공장의 PHC 파일 제품 성능을 기준으로 하였으며, 해석에서는 기준 이상의 하중을 재하하여 PHC 파일 연결장치의 압축 성능을 검토하였다(DaeLi m C&S, 2015).
따라서 본 연구에서는 기존 PHC 파일 간 연결부가 가지는 단점을 개선하며 PHC 파일 간 연결부 성능을 확보할 수 있는 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 제안하고 제안된 연결부의 구조적 성능을 평가하였다. 이를 위하여 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부에 대한 비선형 구조해석을 실시하였으며, 실제 PHC파일에 제안된 연결부를 적용하여 PHC 파일 연결부에 대한 하중저항 성능을 평가하였다.
이로 인하여 연결이음판 자체의 중량이 감소하여, 현장 작업자가 쉽게 다룰 수 있어 연결부 시공 편이성 개선을 기대할 수 있다. 이음판 연결 볼트는 서로 교차되어 위치하게 되며, 볼트 헤드가 위치하는 이음판 내의 공간 높이와 볼트 헤드의 높이가 동일하여, 볼트 헤드가 상하부 파일에 밀착되도록 함으로써 이음판 연결 볼트의 풀림 현상이 원천적으로 차단되도록 하였다. 또한 기존 방식에서는 수직부재에 높은 압축력이 작용되는 반면, 본 연구에서 제안한 이음부의 경우 파일의 압축력에 저항하는 지압면적이 증가하게 되므로 초고강도 PHC 파일에 적용이 가능 할 것으로 판단된다.
일반적으로 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 구조성능 평가는 휨성능을 중심으로 평가되고 있으나, 다양한 하중상태에서의 거동을 파악하는 것이 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 성능을 명확히 할 수 있을 것으로 판단되므로, 휨하중 상태, 압축 및 인장하중 상태, 전단 상태, 편심압축 상태에 대한 성능 평가방법을 검토하고 이에 따라 구조해석을 실시할 수 있도록 하였다.
PHC 파일의 경우 상황에 따르면 편심 하중이 작용할 수 있으므로, 극단적인 상황을 고려하여 연결부 면적의 1/3에만 압축력이 가해지는 상태를 적용하였다. 직경이 500mm인 경우의 허용 축방향 내력인 1,730kN 이상의 하중을 편심 재하하였을 경우에 연결 장치의 거동을 파악함으로써 성능을 검증하였다.
편심 압축 해석에서는 Figure 5(f)와 같이 PHC 파일 연결 장치만을 모형화하고 PHC 파일 접촉면의 한쪽을 고정한 후 다른 쪽에 변위를 가하여 압축 및 인장을 모사하였다. 편심 압축 해석에서도 PHC 단면 뿐만 아니라 모든 구성요소 간에는 Contact 조건을 적용하였으며, 극단적인 편심 재하가 되도록 하기 위하여 PHC 파일의 접촉면 중 1/3에만 압축력이 집중되어 작용하도록 하였다.
각 해석에서 연결장치의 구성요소들은 모두 동일하게 모형화 되었으며 이를 Figure 5에 나타내었다. 한편 압축, 인장, 편심 압축 하중 상태의 해석 시에는 연결장치의 각 구성요소와 PHC 파일의 단부를 고려하였으며, 휨 및 전단 해석 시에는 PHC 파일을 Beam 요소로 적용하여 실제 하중저항 거동과 유사하게 나타날 수 있도록 모형화 하였다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부의 연결성능을 평가하기 위하여 PHC 파일에 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부를 설치하고 휨 하중을 재하하여 연결부 성능을 평가하였다. 휨 하중 실험은 구조해석에서 적용한 휨하중 재하방법과 동일하게 적용하고자 하였으며, 길이 5m, 지름 500mm의 PHC 파일 2본을 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일연결부로 연결한 후 휨 하중을 재하하였다. 휨하중은 5MN Dynamic UTM을 이용하였다.

대상 데이터

바깥지름이 300~600mm인 것에 대해서는 대표 바깥지름을 400mm로 하고, 바깥지름 700~1,200mm인 것에 대해서는 대표 바깥지름을 800mm로 한다. 본 해석에서 PHC 파일의 지름은 500mm이므로 대표 바깥지름은 400mm이며 전단강도는 148.1kN이다. 이때 재하하중을 찾기 위해 PHC 파일 한국산업규격에 제시된 Eq.
휨하중은 5MN Dynamic UTM을 이용하였다. 휨 하중재하 상태에 대한 연결부 성능 실험을 위하여 총 3본의 연결부 시험체가 제작되었으며, 각각의 실험체를 PHC-C1~3로 구분하였다.
휨 하중 실험은 구조해석에서 적용한 휨하중 재하방법과 동일하게 적용하고자 하였으며, 길이 5m, 지름 500mm의 PHC 파일 2본을 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일연결부로 연결한 후 휨 하중을 재하하였다. 휨하중은 5MN Dynamic UTM을 이용하였다. 휨 하중재하 상태에 대한 연결부 성능 실험을 위하여 총 3본의 연결부 시험체가 제작되었으며, 각각의 실험체를 PHC-C1~3로 구분하였다.

이론/모형

무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 구조성능 평가를 위하여 범용구조해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 파일연결부의 3차원 모델을 구현하였다(ABAQUS, 2014). PHC 파일 연결부 구성 요소인 상부 파일 선단 이음판 및 하부 파일 두부 이음판, 이음판 연결 볼트, 이음판 수평 연결핀은 각각 3D로 모형화 되었으며, 각 구성요소는 Contact 조건에 따라 하중전달이 발생할 수 있도록 하였다.
전단상태에 대한 검토는 PHC 파일의 한국산업규격에 따른 PHC 파일 몸체의 전단강도를 고려하였다(KS F 4306, 2019). 바깥지름이 300~600mm인 것에 대해서는 대표 바깥지름을 400mm로 하고, 바깥지름 700~1,200mm인 것에 대해서는 대표 바깥지름을 800mm로 한다.
휨하중 상태의 경우, PHC 파일의 한국산업규격에 따른 균열 및 파괴 휨 모멘트를 고려하였다(KS F 4306, 2019). 이에 따르면, 직경이 500mm인 PHC 파일 A종의 경우 균열 및 파괴 휨 모멘트는 각각 103.

성능/효과

Figure 7은 압축 재하 시 하중-변위 곡선을 나타내었으며, 직경 500mm인 PHC 파일의 허용 축방향력과 비교하였다. Figure 7에 나타난 것과 같이 본 연구에서 제안한 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부는 허용 축방향력 이상에서도 계속하여 선형거동을 보여 충분한 압축 저항성능을 보유하고 있음을 알 수 있으며, 초고강도 파일의 경우 허용 축방향력이 2,970kN이므로, 이에 대해서도 본 연결부가 충분한 압축 저항 성능을 가질 수 있음을 알 수 있다.
무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부를 적용한 PHC 파일 시험체의 연결성능을 확인하기 위하여 PHC 파일 실험체의 파괴모드를 확인하였다. PHC 파일 실험체는 균열 휨 모멘 트를 초과하면서 PHC 파일 본체에는 균열이 발생하였으나 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부에서는 과도한 변형이나 구성요소인 볼트, 핀의 탈락 등은 나타나지 않아 제안된 연결부는 PHC파일 연결부로 연결된 파일의 휨 파괴거동에 영향을 주지 않고 있음을 확인 할 수 있으며, PHC파일 연결부로의 역할을 안정적으로 수행하고 있음을 확인할 수 있다.
35mm의 최대 변위를 나타내었다. 따라서 3본의 연결부 시험체에서 모두유사한 수준의 강도를 가지고 있는 것을 확인 할 수 있으며, 최대변위는 수 mm 정도의 차이를 보이고 있으나, 과도한 변위는 발생하지 않음을 알 수 있다. 앞서 그림 Figure 16에서 제시한 유한요소 해석결과와 비교하면, 해석에서는 PHC 파일을 완전 탄성체로 가정하였고 이상적인 지점부 거동을 보이므로 실험에서는 상대적으로 약 3mm 정도 높은 변위가 나타났다.
무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 적용한 PHC 파일 실험체를 대상으로 휨하중 재하 실험을 실시한 결과 균열하중과 파괴하중에 대한 휨하중으로 비교하였을 경우 용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 시험체는 파괴 휨모멘트 대비 110% 이상의 내력을 가지는 것으로 나타나 충분한 연결성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 충분한 연결성능을 통하여 PHC파일의 기능과 성능을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
앞서 그림 Figure 16에서 제시한 유한요소 해석결과와 비교하면, 해석에서는 PHC 파일을 완전 탄성체로 가정하였고 이상적인 지점부 거동을 보이므로 실험에서는 상대적으로 약 3mm 정도 높은 변위가 나타났다. 또한 균열 모멘트를 유발하는 하중을 넘어선 후에는 파일 본체에 파괴가 발생하기 시작하여 하중-변위 곡선의 기울기가 감소하는 경향을 보였다.
본 해석에서는 연결부 자체의 성능을 확인하기 위해 PHC 파일을 완전탄성체로 가정하고 이상적인 지점조건을 적용하였으므로 실제 거동과는 다소 다른 경향을 나타낼 수 있으나 본 연결부가 충분한 내하력을 보유하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 연결부가 없는 PHC 파일에 균열 모멘트에 해당하는 하중을 가했을 경우 처짐은 약 4mm로 계산된 반면 본 해석에서는 약 5mm의 처짐이 발생하여 큰 차이를 나타내지 않았으며, 이 차이는 연결부를 구성하는 요소 간의 접촉 거동에 기인하는 것으로 판단된다.
Figure 12 ~ 14에 압축, 인장, 전단, 편심 압축하중 상태의 허용하중이나 균열하중상태에서 각 구성요소의 응력분포도의 비교결과를 나타내었다. 모든 조건에서 연결판, 볼트, 핀의 응력이 낮은 수준으로 평가되어, 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부가 충분한 구조성능을 가지고 있음을 확인 하였다.
제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부에 대한 비선형 구조해석 결과 연결부는 압축 및 인장하중 상태, 전단 상태, 편심압축 상태에서 충분한 연결성능을 확보하는 것으로 나타났으며, 휨하중 상태에서도 균열 및 휨 모멘트 수준 이상에서도 안정적인 선형거동을 가지고 있는 것으로 평가되었다. 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 적용한 PHC 파일 실험체를 대상으로 휨하중 재하 실험을 실시한 결과 균열하중과 파괴하중에 대한 휨하중으로 비교하였을 경우 용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 시험체는 파괴 휨모멘트 대비 110% 이상의 내력을 가지는 것으로 나타나 충분한 연결성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제안한 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부의 충분한 연결성능을 통하여 PHC파일의 기능과 성능을 확보할 수 있음을 알 수 있다.
Figure 6에서 초기의 직선 구간은 PHC 파일의 고정하중 부분이며, 제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC 파일 연결부는 PHC 파일의 균열 및 휨 모멘트 수준 이상에서도 안정적인 선형거동을 나타내고 있음을 알 수 있다. 본 해석에서는 연결부 자체의 성능을 확인하기 위해 PHC 파일을 완전탄성체로 가정하고 이상적인 지점조건을 적용하였으므로 실제 거동과는 다소 다른 경향을 나타낼 수 있으나 본 연결부가 충분한 내하력을 보유하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 연결부가 없는 PHC 파일에 균열 모멘트에 해당하는 하중을 가했을 경우 처짐은 약 4mm로 계산된 반면 본 해석에서는 약 5mm의 처짐이 발생하여 큰 차이를 나타내지 않았으며, 이 차이는 연결부를 구성하는 요소 간의 접촉 거동에 기인하는 것으로 판단된다.
제안된 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부에 대한 비선형 구조해석 결과 연결부는 압축 및 인장하중 상태, 전단 상태, 편심압축 상태에서 충분한 연결성능을 확보하는 것으로 나타났으며, 휨하중 상태에서도 균열 및 휨 모멘트 수준 이상에서도 안정적인 선형거동을 가지고 있는 것으로 평가되었다. 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부를 적용한 PHC 파일 실험체를 대상으로 휨하중 재하 실험을 실시한 결과 균열하중과 파괴하중에 대한 휨하중으로 비교하였을 경우 용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부 시험체는 파괴 휨모멘트 대비 110% 이상의 내력을 가지는 것으로 나타나 충분한 연결성능을 확보하고 있음을 확인하였다.
구조물의 고층화 ⋅ 대형화 ⋅ 특수화, 내진설계 도입, 안전성에 대한 인식 향상 등으로 인해 기초에 사용되는 파일은 점차 큰 지지력을 필요로 하게 되었고, 이에 기존 PC 파일(Pre-stressed Concrete pile)의 고강도화에 대한 대책으로 PHC(Pretensioned spun High strength Concrete) 파일(KS F 4306: 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝)이 등장하게 되었다(KS F 4306, 2019). 현재 PHC 파일에 사용되는 콘크리트의 설계기준 강도는 78.5MPa로, 종래 PC 파일의 설계기준 강도인 49.1MPa 보다 대폭 향상되었으며, 장기허용 압축응력 19.6MPa도 높다. 따라서 PHC파일은 기존 PC 파일 대비 높은 지지력을 받을 수 있으므로, 기초부의 경제적인 설계가 가능하다(Kim and Kim, 2018).
Figure 11에는 파괴 휨 모멘트를 초과한 직후의 각 구성요소의 응력분포도를 나타내었다. 휨 재하에 의해 하부에 인장력이 발생하여 상부보다 높은 응력이 나타났으나 재료의 인장강도인 450MPa에 크게 미치지 못하는 수준이며, 볼트와 연결핀의 응력도 매우 양호한 수준으로 나타나고 있음을 알 수 있다.
휨하중 실험결과를 균열하중과 파괴하중에 대한 휨하중으로 비교하면 PHC파일 연결부 실험체의 평균 휨저항 성능은 131.3kN이며, 균열 휨 모멘트를 유발시키는 수직하중값 77kN, 파괴 휨 모멘트를 유발시키는 수직하중값 119kN과 비교하여, 무용접 이음판형 기계적 PHC파일 연결부시험체는 한국산업 규격(KS F 4306, 2019)에서 제시하는 파괴 휨강도의 최소 기준 대비 110% 이상의 내력을 가지고 있음을 알 수 있다.

후속연구

이음판 연결 볼트는 서로 교차되어 위치하게 되며, 볼트 헤드가 위치하는 이음판 내의 공간 높이와 볼트 헤드의 높이가 동일하여, 볼트 헤드가 상하부 파일에 밀착되도록 함으로써 이음판 연결 볼트의 풀림 현상이 원천적으로 차단되도록 하였다. 또한 기존 방식에서는 수직부재에 높은 압축력이 작용되는 반면, 본 연구에서 제안한 이음부의 경우 파일의 압축력에 저항하는 지압면적이 증가하게 되므로 초고강도 PHC 파일에 적용이 가능 할 것으로 판단된다. 이음판 수평 연결핀은 현장에서 연결이음판과 이음판을 기계적으로 연결하기 위한 것으로, 연결핀은 삽입되는 구멍의 지름보다 미소하게 큰 지름을 가지고 있고 상대적으로 무른 소재(SM20C)를 적용하여 억지끼움 방식으로 삽입되므로 이탈의 우려를 사전에 방지하였다.
본 연구에서는 제안된 무용적 이음판형 기계적 PHC파일 연결부에 대한 구조해석과 휨실험을 통하여 그 적용성을 검토하였으며, 실제 제안된 파일 연결부를 적용하기 위해서는 파일 연결부의 현장 적용성 검토 및 파일 관입 실험 등이 추후에 검토되어야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PHC 파일과 파일의 연결이 필수인 이유는 무엇인가?	따라서 PHC파일은 기존 PC 파일 대비 높은 지지력을 받을 수 있으므로, 기초부의 경제적인 설계가 가능하다(Kim and Kim, 2018). PHC 파일은 지반강도가 낮고 지지층의 심도가 깊은 경우 길이가 매우 길어지게 되나 생산성과 운반성을 고려하여 1본의 길이를 15m로 제한됨으로, 그 이상의 지반에 설치하는 경우 PHC 파일과 파일 간의 연결이 필수적이다. PHC 파일과 파일 간의 연결을 위하여 하부 파일의 두부금구와 상부 파일의 선단금구를 자동 또는 반자동으로 맞댐 용접하여 직경이 동일한 두 개의 PHC 파일을 연결하는 용접이음이 먼저 사용되었으며, PHC 파일 용접 이음의 시공성과 품질 개선을 위하여 볼트를 이용한 다양한 기계적 연결 공법들이 개발되었다(Paik et al.
	이음판 수평 연결핀은 무엇인가?	또한 기존 방식에서는 수직부재에 높은 압축력이 작용 되는 반면, 본 연구에서 제안한 이음부의 경우 파일의 압축력에 저항하는 지압면적이 증가하게 되므로 초고강도 PHC 파일에 적용이 가능 할 것으로 판단된다. 이음판 수평 연결핀은 현장에서 연결이음판과 이음판을 기계적으로 연결하기 위한 것으로, 연결핀은 삽입되는 구멍의 지름보다 미소하게 큰 지름을 가지고 있고 상대적으로 무른 소재(SM20C)를 적용하여 억지끼움 방식으로 삽입되므로 이탈의 우려를 사전에 방지하였다. 또한 연결핀은 현장에서 수평방향으로 연결핀을 삽입함으로써 연결과정이 단순하므로 전문 기술인력이나 별도의 장비가 불필요하며, 단순 작업으로 연결 소요 시간이 짧아 크레인 인양 시간을 줄일 수 있다.
	PHC간 용접이음시 품질 저하 가능성의 원인은 무엇인가?	, 2015). 또한 용접작업 중 항타작업 중지로 인한 공기가 연장되어 비경제적인 시공이 될 수 있으며, 직진도 확보가 어려워 연결부 품질 저하 가능성을 가지고 있다(Song et al., 2017). 볼트이음의 경우 PHC 파일 간 연결을 위하여 사용되는 볼트 체결공간이 협소하므로 전동공구를 사용하기 어려울 수 있으며, 체결작업 시간 동안 크레인 필요하고, 시공 중 및 공용 중 볼트 풀림이 발생할 수 있다.

참고문헌 (11)

Korean Standards Association (2019), PHC Pile, KS F 4306, Korea Industrial Standards.
Kim, S. E., Kim, S. B. (2018), Safety Evaluation of Horizontal and Vertical Bolted Connection between PHC Piles Using Finite Element Analysis, Journal of Korean Society of Steel Construction, 30(2), 97-104.

원문보기 상세보기
Paik, K. H., Park, Y. B. (2005), A New Joining Method of PHC Piles Using Pile Coupler, Journal of the Proceedings of Korean Society of Civil Engineers C 25(3C), 2005(5), 143-150.
Kim, B. C., Song, C. Y., Kwon, H. S., Lim, H. S. (2006), A Bolting Method for Connecting PHC Piles, Korean Society of Civil Enginners, 2006(10), 4410-4413.
Lee, Y. J., Lim, H. S., Lee, H. G., Yang, H. S. (2008), A New Joint Method of PHC Piles Using Bolt, Proceedings of Korean Geo-Environmental Society, 2008(9), 227-231.
Choi, W. Y., Kim, D. K., Lee, H. G., Song, B. E., Shim, N. H., Park, Y. S. (2010), An Experimental Study on Vertical Bolt Joint Method of PHC Piles, Journal of Korean Society of Steel Construction, 22(6), 46-51.
Yoon, W. S., Bang, E. S., Ju, W. Y., Kim, S. K., Chae, Y. S. (2015), A Study on the Characteristics of PHC Pile Connected Using Numerical Analysis, Proceedings of Korean Geosynthetics Society, 2015(4), 111-114.
Song, W.k Liu, X., Berto, F., Wang, Ping., Xu, J. and Fang, H. (2017), Strain Energy Density based Fatigue Cracking Assessment of Load-Carrying Cruciform Welded Joints, Theoretical and Applied Fracture Mechanics, 90, 142-153.

상세보기
DAELIM C&S (2015), Hypile Performance Table.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2012), Concrete Structure Standards, Ministry of Land, Infrastructure and Transport.
ABAQUS (2014), ABAQUS/CAE User's Manual Version 6.14, H. K&S Inc.

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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