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문제 정의
- 본 연구에서는 한계상태설계법의 설명과 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수를 산정하기 위하여 총 21개의 현장시험 결과를 이용하여 신뢰성 분석을 수행하였다. 본 연구결과 다음의 결론을 도출하였다.
가설 설정
- 이 중 하중 통계적 변수는 미국 AASHTO LRFD 교량설계기준(2004)에서 제안하고 있는 교량구조물의 Strength I 경우에 대한 값을 사용하였고, 저항 통계적 변수는 편향계수분포에 근거하여 선정된 값을 사용하였다. 또한 하중비는 국내 교량 경간장의 가장 보편적인 값인 30m를 적용하여 하중비 1.72를 적용하였다 본 연구에서는 하중과 저항은 각각 독립적이며 대수정규분포를 따른다고 가정하였다.
제안 방법
- 다음 절부터는 저항력 감소 방법인 하중저항계수설계법을 이용하여 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수를 산정하였다.
- 따라서, 현행 허용응력설계법에 대한 신뢰도 수준과 문헌연구 결과를 종합하여 본 연구에서는 목표신뢰도지수의 범위를 파괴확률 6.2×10-3~2.3×10-4에 해당하는 2.5~3.5로 결정하였고 이를 저항계수 산정에 적용하였다.
- 각 방법들에 의해 산정된 극한지지력을 표 2에 정리하였다. 또한, 하중-침하 곡선으로부터 극한지지력이 확인되지 않는 경우에는 쌍곡선 함수를 이용하여 외삽한 값을 적용하였다.
- 또한, 한계상태설계법은 북미지역에서 사용되는 Factored resistance(저항력 감소) 방법과 유럽에서 사용되는 강도 Factored strength(감소 방법)으로 다르게 발전되었다. 본 연구에서는 두 방법의 차이점과 장단점에 대해 분석하였으며 이중 하중저항계수설계법인 Factored resistance 방법을 이용하여 일반적으로 국내에 많이 분포되어 있는 풍화암에 근입된 현장타설말뚝의 저항계수를 산정하였다.
- 즉, Brinch Hansen 강도 정수는 강도 감소를 위하여 부분안전계수 fc와 fΦ에 의해 나누어진다. 이렇게 감소한 강도 정수들을 이용하여 기초의 지지력 공식과 같은 지반공학적 모델에 적용하여 저항력을 계산한다. 이 때 감소된 저항력(Rd)의 값은 할증하중(Sd)보다 같거나 커야 한다(그림 1).
- 현재 국내에서 사용중인 허용응력설계법에 대한 신뢰도수준을 파악하기 위하여, 실무에서 적용되고 있는 전체 안전율의 신뢰도 지수를 검토하였다 신뢰도 지수는 전체안전율(FS), 하중비(QD/QL), 하중통계적 변수 그리고 저항 통계적 변수의 함수로서 신뢰성 해석 기법 중 Level Ⅱ 방법인 MVFOSM과 AFOSM 방법으로 산정하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 대학 연구소 그리고 회사 등 여러 기관의 협조를 받아 풍화암에 근입된 총 19개 현장의 본에 대한 지반조사 및 재하시험 자료를 수집하였다. 그러나 본 연구에 이용할 수 있는 자료는 극한하중이 확인되었거나 암의 설계물성값이 얻어진 5개 현장의 21본 말뚝뿐이었다. 수집된 자료의 말뚝 지름은 0.
- 본 연구에서는 대학 연구소 그리고 회사 등 여러 기관의 협조를 받아 풍화암에 근입된 총 19개 현장의 본에 대한 지반조사 및 재하시험 자료를 수집하였다. 그러나 본 연구에 이용할 수 있는 자료는 극한하중이 확인되었거나 암의 설계물성값이 얻어진 5개 현장의 21본 말뚝뿐이었다.
데이터처리
- 각 방법들로부터 산정된 지지력값 중 가장 보편성 있는 값을 결정하기 위해 통계분석을 수행하였다. 우선 5가지 방법으로 산정된 지지력의 평균값에 대하여 각 방법으로 측정된 지지력의 비(Ksx)의 평균과 표준편차 그리고 적용 가능한 재하시험의 자료 수를 표 3에 정리하였다.
이론/모형
- 4mm(1967) FHWA 5% 방법(1999)은 전침하량의 절대값만으로 말뚝의 설계하중을 결정하므로 말뚝의 길이와 재료특성으로부터 결정되는 탄성압축량 값의 영향을 고려할 수 없는 문제점 때문에 분석에서 제외하였다. 나머지 2가지 방법 중에서 Davission 방법이 ASCE 방법에 비해 Ksx 값의 평균값이 1.0에 가깝고 현재 전세계적으로 가장 보편적으로 적용되는 방법임을 고려하여 본 연구에서는 Davisson방법(1972)을 재하시험 극한지지력 산정기준으로 결정하였다.
- 본 연구에서는 실무에서 널리 이용되는 방법들 중 Davisson 방법(Davisson, 1972), 25.4mm 방법(Terzaghi 와 Peck, 1967), 0.1D 방법(Terzaghi, 1942), FHWA 5% 기준(O'Neill and Reese, 1999), 그리고 ASCE 방법(ASCE, 1997) 등 총 5가지 방법을 이용하여 재하시험 하중 침하량 곡선으로부터 지지력을 산정하였다.
- 그러나 본 연구에 이용할 수 있는 자료는 극한하중이 확인되었거나 암의 설계물성값이 얻어진 5개 현장의 21본 말뚝뿐이었다. 수집된 자료의 말뚝 지름은 0.2-1.5m이고, 암반 근입 깊이는 0.2-9m이다 재하시험 방법은 ASTM D 1143의 시험법에 의거하여 완속재하와 반복재하를 혼합하여 적용하였다. 연구에 이용된 본의 말뚝에 대한 선단과 주면의 암반 물성값을 표 1에 정리하였다.
- 암반에 근입된 현장타설말뚝에 대하여 국내외에서 널리 적용하고 있는 지지력 공식들 중 Carter와 Kulhawy 방법(1988), AASHTO 방법(1996), 그리고 FHWA (1999)의 3가지 공식을 이용하여 극한지지력을 예측하였다. 각 방법의 간략한 설명을 표 4에 정리하였다.
- 현재 국내에서 사용중인 허용응력설계법에 대한 신뢰도수준을 파악하기 위하여, 실무에서 적용되고 있는 전체 안전율의 신뢰도 지수를 검토하였다 신뢰도 지수는 전체안전율(FS), 하중비(QD/QL), 하중통계적 변수 그리고 저항 통계적 변수의 함수로서 신뢰성 해석 기법 중 Level Ⅱ 방법인 MVFOSM과 AFOSM 방법으로 산정하였다. 이 중 하중 통계적 변수는 미국 AASHTO LRFD 교량설계기준(2004)에서 제안하고 있는 교량구조물의 Strength I 경우에 대한 값을 사용하였고, 저항 통계적 변수는 편향계수분포에 근거하여 선정된 값을 사용하였다. 또한 하중비는 국내 교량 경간장의 가장 보편적인 값인 30m를 적용하여 하중비 1.
성능/효과
- 1. 국내 현재 기초구조물 설계시 사용하고 있는 허용응력설계법은 하중과 지반의 불확실성을 합리적으로 고려하지 못하고 획일적인 안전율을 적용함으로써 경제적이고 효율적인 설계가 불가능하다. 이를 해결하기 위해 설계과정에 지반 저항력, 기초의 재료강도, 작용하중 설계모델 등과 관련된 다양한 설계변수들의 불확실성을 도입함으로써, 필요한 안전도를 확보하는 새로운 개념의 한계상태 설계법을 도입하는 것이 바람직하다.
- 2. 현행 기초설계기준인 허용응력설계법의 전체안전율 2.0, 2.5, 3.0에 대한 신뢰도 지수를 AFOSM 및 MVFOSM방법에 의해 검토하였으며, 분석결과, 신뢰도 지수는 0.52~3.7의 범위를 가지는 것으로 나타났다.
- 3. 현행 허용응력설계법의 신뢰성분석 결과와 기존의 연구결과를 종합하여 결정한 목표 신뢰도 지수 2.5, 3.0 그리고 3.5에 대한 저항계수는 0.1~0.9의 범위를 가지는 것으로 산정되었다.
- MVFOSM과 AFOSM 방법을 이용하여 결정한 목표 신뢰도지수 2.5, 3.0, 그리고 3.5에 대한 저항계수를 산정하고 그 결과를 표 7에 정리하였다 표에서 보는 것처럼, 신뢰도 지수가 커질수록 저항계수가 더욱 작아짐을 알 수가 있다. 또한, 산정된 저항계수의 범위는 일반적으로 0.
- 3의 범위에 분포한다. 또한 두 방법(MVFOSM과 AFOSM)간 차이는 최소 2%에서 최대 6.2%로서 AFOSM 방법의 결과가 더 크게 나타났다.
- 따라서 각 방법에 대한 저항계수를 다르게 산정해야 함을 확인하였다. 또한 허용응력설계법의 전체안전율이 증가할수록 신뢰도 지수도 증가하는 것을 알 수가 있다. 신뢰도지수 분석 결과 Carter & Kulhawy (1988), AASHTO (1996) 그리고 FHWA (1999)방법 순으로 신뢰도지수가 크게 나타나는 것을 확인하였다.
- 또한, 두 방법간의 차이는 8% ∼12% 사이에 분포하며 신뢰성분석 결과와 동일하게 방법이 더 크게 산정되었다.
- 신뢰도지수 분석 결과 Carter & Kulhawy (1988), AASHTO (1996) 그리고 FHWA (1999)방법 순으로 신뢰도지수가 크게 나타나는 것을 확인하였다.
후속연구
- 4. 본 연구의 신뢰성 분석에 이용된 재하시험 데이터의 수가 충분하지 않으므로 앞으로 더 많은 데이터를 축적하여 현장에서 적용할 수 있는 객관성 있는 저항계수를 산정하여야 할 것이다.
- 60인 점을 고려해볼 때 본 연구에서 산정된 국내 현장타설말뚝의 저항계수는 약간 큰 편이다. 또한, 신뢰성 분석 및 저항계수 산정에 적용된 재하시험 자료의 수가 충분하지 않았던 점을 고려하여 객관성 있는 저항계수를 산정하기 위해 앞으로 더 많은 데이터 축적이 필요할 것으로 판단된다.
- 반면, 저항력 감소 방법의 가장 큰 장점은 적용상의 간편성과 지반공학자들이 사용하기에 친숙하다는 것과 추가적인 정보를 이용하여 하중과 저항계수의 지속적인 수정이 가능하다는 것이다. 재료 강도, 형상, 이론적 모델 등에 대한 잠재적인 많은 불확실성들을 고려하기 위해 하나의 계수만을 사용하지만, 저항계수를 산정하기 위해서는 상당한 양의 자료가 필요하며 확률설계 방법에 대한 이해와 연구가 선행되어야한다. 또한, 자료의 정확성이 저항계수 산정에 많은 영향을 미친다.
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