[논문]3차원 유한요소법을 이용한 강관합성 말뚝재료의 수평저항력 고찰

이주형; 신휴성; 최상호; 박재현; 정문경; 곽기석

문제 정의

지금까지 대부분의 문헌들을 살펴보면 강부재의 내력과 콘크리트의 내력을 합산하여 강관합성 말뚝의 내력을 산정하는 것이 일반적인데 이는 강관의 구속효과 및 콘크리트와 강관의 합성거동으로 인한 내력의 증가를 고려하지 않는 비효율적인 방법이다. 따라서 본 연구에서는 강관합성 말뚝체 개발을 위한 기초연구로 수치해석 기법을 이용하여 강관에 의한 말뚝의 수평지지력 증진효과를 정량적으로 규명하고자 한다. 해상교량 기초로 사용되는 대구경 현 장타설말뚝을 기본 모델로 설정하고 강관과 콘크리트에 대해 탄소성 해석을 실시하여 말뚝의 저항력을 산정하였다.
해상교량 기초로 사용되는 대구경 현 장타설말뚝을 기본 모델로 설정하고 강관과 콘크리트에 대해 탄소성 해석을 실시하여 말뚝의 저항력을 산정하였다. 이를 통해 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 말뚝의 지지력에 미치는 영향에 대해서 분석하였다. 일반적으로 말뚝의 지지력은 말뚝재료의 저항력과 지반의 지지력을 비교하여 작은 값으로 결정하게 되는데 본 연구에서는 말뚝과 지반의 상호거동을 무시한 말뚝재료의 성능비교에 초점을 두었다.
본 해석에서는 군말뚝 효과를 배제한 단일말뚝에 대한 저항력을 산정하였으며, 지반과 말뚝간의 상호 복잡한 메카니즘을 무시한 강관합성 말뚝재료 자체의 저항력 산정에 초점이 있다. 말뚝의 주면마찰력은 무시하였으며 말뚝파괴 시 극한 저항력뿐만 아니라 국내 시방기준에 제시된 수평방향 허용 변위기준을 만족하는 허용 저항력을 산정하였다.
본 연구는 강관합성 말뚝 공법 개발을 위한 기초연구로써 해상교량의 기초로 사용되는 직경 1.0~4.0m의 대구경 현장타설말뚝을 모델로 3차원 유한요소해석을 수행하여 다음과 같은 결론들을 도출하였다.

가설 설정

말뚝의 선단은 풍화암 10.0m 지점에 위치하는 것으로 가정하였으며, 강관은 국내의 일반적인 시공기준인 풍화암 1.0m지점까지 근입되는 것으로 가정하였다.
모델 2에서 강관과 콘크리트 경계면에서의 접촉면 요소(interface element)는 4개의 절점과 4개의 선으로 구성된 2차원 plane 요소(Quadrilateral)로 요소망을 형성하였다. 본 해석은 궁극적으로 말뚝 파괴시 말뚝재료의 극한 저항력을 산정하기 위함이므로 말뚝에 사용된 강관과 콘크리트는 탄소성체로 가정하였다 여기서 강관은 von Mises의 항복기준을, 콘크리트는 Mohr-Coulomb의 항복기준을 따르는 것으로 가정하였다. 해석에 사용된 강관과 콘크리트의 요소 및 물성은 표 3과 같다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 강관합성 말뚝체 개발을 위한 기초연구로 수치해석 기법을 이용하여 강관에 의한 말뚝의 수평지지력 증진효과를 정량적으로 규명하고자 한다. 해상교량 기초로 사용되는 대구경 현 장타설말뚝을 기본 모델로 설정하고 강관과 콘크리트에 대해 탄소성 해석을 실시하여 말뚝의 저항력을 산정하였다. 이를 통해 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 말뚝의 지지력에 미치는 영향에 대해서 분석하였다.
이를 통해 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 말뚝의 지지력에 미치는 영향에 대해서 분석하였다. 일반적으로 말뚝의 지지력은 말뚝재료의 저항력과 지반의 지지력을 비교하여 작은 값으로 결정하게 되는데 본 연구에서는 말뚝과 지반의 상호거동을 무시한 말뚝재료의 성능비교에 초점을 두었다.
콘크리트와 강관의 합성거동은 콘크리트와 강관의 경계면에서 수직 또는 수평방향으로 미끄러짐이 발생하지 않는 완전한 일체화 거동으로, 강관이 콘크리트말뚝의 일부분으로 작용하여 말뚝의 휨강성이 증가할 뿐 아니라 내하능력이 증가하여 횡방향 하중에 대한 저항력이 커지게 된다. 따라서 강관합성 말뚝에 사용된 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 강관합성 말뚝의 지지력 증진효과에 미치는 영향을 각각 분석하기 위하여 다음과 같이 3가지의 해석모델을 선정하였다. 모델 1은 외부강관이 없는 일반적인 현장타설말뚝이며, 모델 2는 강관과 콘크리트 접촉면에서의 전단변형을 모사하기 위하여 강관-콘크리트 경계면에 접촉면 요소(interface element)를 삽입한 현장타설말뚝이다.
0m 까지 다양하게 변화시켜 해석을 실시하였으며, 각 직경별로 지반조건 및 말뚝의 길이는 동일하다. 본 해석에서는 무리말뚝에 의한 효과는 고려하지 않았으며, 단말뚝 해석을 통한 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 본 해석에 사용된 세부적인 말뚝의 재원 및 지반조건은 표 1과 같다.
해석모델의 지반조건은 국내에서 해상교량 건설이 많은 서해안 지역의 지층구성을 바탕으로 크게 2개의 층으로 구분하여 모델링하였다. 상부층은 점토, 실트, 모래, 풍화토 등으로 구성된 연약지반층(Soft soil)으로 하부층은 풍화암 및 연암 등으로 구성된 풍화암층(Weathered rock)으로 모사하였다.
해석모델의 지반조건은 국내에서 해상교량 건설이 많은 서해안 지역의 지층구성을 바탕으로 크게 2개의 층으로 구분하여 모델링하였다. 상부층은 점토, 실트, 모래, 풍화토 등으로 구성된 연약지반층(Soft soil)으로 하부층은 풍화암 및 연암 등으로 구성된 풍화암층(Weathered rock)으로 모사하였다. 말뚝과 지반의 경계조건은 수직방향에 대해서는 지반침하의 영향을 배제하기 위하여 말뚝 선단면의 축방향(z방향 변위)를 고정시켰으며, 수평방향에 대해서는 수평지반반력계수에 상응하는 탄성스프링 요소로 지반을 모사하여 하중에 대한 지반의 저항력을 반영하였다.
상부층은 점토, 실트, 모래, 풍화토 등으로 구성된 연약지반층(Soft soil)으로 하부층은 풍화암 및 연암 등으로 구성된 풍화암층(Weathered rock)으로 모사하였다. 말뚝과 지반의 경계조건은 수직방향에 대해서는 지반침하의 영향을 배제하기 위하여 말뚝 선단면의 축방향(z방향 변위)를 고정시켰으며, 수평방향에 대해서는 수평지반반력계수에 상응하는 탄성스프링 요소로 지반을 모사하여 하중에 대한 지반의 저항력을 반영하였다. 각 지층별 수평방향 지반반력계수는 현장 지반조사 자료를 토대로 대표값을 산정하여 모든 직경에 대하여 표 2와 같이 적용하였다.
전단마찰력에 대한 강성(전단강성; Kt)은 사전 수치해석 결과를 바탕으로 슬립 발생 시 콘크리트 요소의 변형이 발생하지 않는 최대의 전단강성(Kt=0.01Kn)으로 적용하였다 .
말뚝의 주면마찰력은 무시하였으며 말뚝파괴 시 극한 저항력뿐만 아니라 국내 시방기준에 제시된 수평방향 허용 변위기준을 만족하는 허용 저항력을 산정하였다.
강관-콘크리트 접촉면 요소의 강성을 결정하기 위하여 강관과 콘크리트 접촉면의 전단강성을 다양하게 변화시켜 가며 사전 수치해석을 실시하였다(그림 3). 수직력에 대한 강성(수직강성; K_n)은 슬립 발생 시 강관과 콘크리트 접촉면에서 콘크리트의 수직방향 변위가 발생하지 않도록 하기 위하여 강관의 탄성계수 정도의 큰 값을 적용하였다. 전단마찰력에 대한 강성(전단강성; K_t)은 사전 수치해석 결과를 바탕으로 슬립 발생 시 콘크리트 요소의 변형이 발생하지 않는 최대의 전단강성(K_t=0.
따라서 말뚝에 작용하는 하중조합은 수직과 수평방향 하중이 동시에 작용하는 것으로 모사하였다. 이때 수직하중은 말뚝재료의 허용압축력으로 가정하고 일정한 수직하중이 재하된 상태에서 수평방향 극한 저항력 및 허용 저항력을 산정하였다. 말뚝의 허용압축력 산정시 콘크리트의 허용응력은 50kg/cm², 철근비 및 철근의 허용압축응력은 각각 1.
강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 효과가 말뚝의 역학적 거동에 미치는 영향에 대하여 세부적으로 고찰하기 위하여 극한 저항력 산정시 응력분석을 실시하였다. 그림 4는 극한 수평하중 작용시 말뚝의 근입심도별 강관과 콘크리트 접촉면의 전단응력 분포이다.
말뚝의 허용압축력 산정시 콘크리트의 허용응력은 50kg/cm2, 철근비 및 철근의 허용압축응력은 각각 1.5%, 1,600kg/cm2을 적용하였다.
0m지점까지 근입되는 것으로 가정하였다. 말뚝의 직경은 1.0~4.0m 까지 다양하게 변화시켜 해석을 실시하였으며, 각 직경별로 지반조건 및 말뚝의 길이는 동일하다. 본 해석에서는 무리말뚝에 의한 효과는 고려하지 않았으며, 단말뚝 해석을 통한 강관합성 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다.
강관-콘크리트 접촉면 요소의 강성을 결정하기 위하여 강관과 콘크리트 접촉면의 전단강성을 다양하게 변화시켜 가며 사전 수치해석을 실시하였다(그림 3). 수직력에 대한 강성(수직강성; K_n)은 슬립 발생 시 강관과 콘크리트 접촉면에서 콘크리트의 수직방향 변위가 발생하지 않도록 하기 위하여 강관의 탄성계수 정도의 큰 값을 적용하였다.

대상 데이터

따라서 강관합성 말뚝에 사용된 강관의 지지력 및 강관과 콘크리트의 일체화 거동이 강관합성 말뚝의 지지력 증진효과에 미치는 영향을 각각 분석하기 위하여 다음과 같이 3가지의 해석모델을 선정하였다. 모델 1은 외부강관이 없는 일반적인 현장타설말뚝이며, 모델 2는 강관과 콘크리트 접촉면에서의 전단변형을 모사하기 위하여 강관-콘크리트 경계면에 접촉면 요소(interface element)를 삽입한 현장타설말뚝이다. 모델 3은 전단연결재나 폐합효과 등에 의해 콘크리트와 강관을 완전히 일체화시켜 구조적으로 합성거동을 하는 강관합성 현장타설말뚝이다.

이론/모형

말뚝의 극한 저항력은 말뚝의 파괴시까지 하중을 단계적으로 증가시키면서 각 단계별 말뚝의 변위를 관찰하여 얻은 하중-변위 곡선으로부터 shape of curve 방법에 의하여 결정하였다.

성능/효과

표 4는 말뚝 직경별 수평방향 극한하중 및 하중 증가율 산정결과이다. 표에서 알 수 있듯이 모든 직경에서 모델 1 대비 모델 2와 3의 수평방향 극한하중이 약 100%~300% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 강관이 있는 모델 2와 3이 강관이 없는 모델 1에 비해 말뚝의 수평방향 저항력이 두 배 이상 크다는 것을 의미하는 것으로 현장타설말뚝에 사용된 외부강관은 말뚝의 수평방향 저항력 증가에 큰 효과가 있는 것을 알 수 있다.
모델 2의 극한하중 대비 모델 3의 극한하중 증가율은 모든 직경에 대해 5% 미만으로 나타났다. 따라서 조합하중 작용시 수평방향 극한하중에 대한 강관-콘크리트 일체화 거동 효과는 크지 않은 것으로 판단된다.
표 5는 국내 도로교설계기준(2001)의 수평방향 말뚝의 허용변위량(말뚝 직경의 1%)에 해당하는 수평 방향 허용 저항력 및 하중 증가율 산정결과이다. 모든 말뚝 직경에 대하여 모델 1의 허용 저항력에 비해 강관이 있는 모델 2와 3의 허용 저항력이 약 70% 이상 증가하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 실제 현장타설말뚝 설계시 희생강관으로 무시되는 강관의 지지력을 설계에 반영할 경우 말뚝의 수평방향 저항력이 크게 증가함을 의미하는 것으로 강관합성 말뚝의 당위성을 확인할 수 있었다.
그림에서 모델 2와 3의 전단응력 분포를 비교해 보면 대부분의 심도에서 모델 3의 전단응력 크기가 모델 2에 비해 작은 것을 알 수 있다. 특히 연약지반층 상부의 응력집중 구간에서는 대부분의 말뚝에 대하여 모델 3의 전단응력 집중이 모델 2의 1/2 정도로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 강관-콘크리트 경계면에서 전단응력이 집중되면 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 크다는 것을 감안 할 때 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하는 모델 3이 그렇지 않은 모델 2에 비해 전단파괴에 안전하다는 것을 알 수 있는 가시적인 결과이다.
특히 연약지반층 상부의 응력집중 구간에서는 대부분의 말뚝에 대하여 모델 3의 전단응력 집중이 모델 2의 1/2 정도로 감소하는 것으로 나타났다. 이는 강관-콘크리트 경계면에서 전단응력이 집중되면 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 크다는 것을 감안 할 때 강관과 콘크리트가 일체화 거동을 하는 모델 3이 그렇지 않은 모델 2에 비해 전단파괴에 안전하다는 것을 알 수 있는 가시적인 결과이다.
각 모델별 최대주응력 분포를 비교해 보면 모델 1에 비해 강관이 있는 모델 2가, 모델 2에 비해 강관합성 거동을 하는 모델 3이 집중된 인장응력의 크기와 영역이 작음을 알 수 있다. 전절의 저항력 분석결과에서 강관과 콘크리트의 일체화 거동에 의한 말뚝의 수평방향 저항력 증가율이 5% 미만으로 미미하게 나타났지만 이상의 응력분석 결과들을 토대로 일체화 거동의 효과는 수평하중에 대한 말뚝의 안정성 증진을 위하여 효과적으로 발휘되고 있다는 것을 알 수 있다. 따라서 강관보강 및 강관과 콘크리트의 일체화는 콘크리트에 집중된 인장응력을 소산시키는 효과가 있으며, 콘크리트의 주 파괴원인이 인장파괴인 점을 감안해 볼 때 수평하중에 대한 말뚝의 안정성 증진에 효과 적인 것으로 판단된다.
(1) 말뚝의 수평방향 극한 저항력 산정결과 강관합성에 의해 말뚝의 수평방향 극한 저항력이 약 100%~300% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 말뚝의 수평방향 허용 저항력 산정결과 강관합성에 의하여 말뚝의 수평방향 허용 저항력이 약 70%~80% 정도 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 말뚝의 수평방향 허용 저항력 산정결과 강관합성에 의하여 말뚝의 수평방향 허용 저항력이 약 70%~80% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 따라서 실제 현장타설말뚝 설계시 희생강관으로 무시되는 강관의 지지력을 설계에 반영할 경우 말뚝의 수평방향 저항력이 크게 증가함을 알 수 있으며, 이를 통해 해상교량의 현장타설말뚝 설계에 있어 강관합성 말뚝 개념의 당위성을 확인할 수 있었다.
(3) 강관합성 현장타설말뚝의 강관-콘크리트 경계면에서의 전단응력 분석결과 연약지반층 상부에 전단 응력이 집중현상이 관찰되었으며, 강관-콘크리트 일체화에 의하여 집중된 전단응력이 1/2 정도로 감소되는 것으로 나타났다. 이는 강관-콘크리트 경계면에서 전단응력이 집중되면 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 크다는 것을 감안 할 때 강관과 콘크리트가 완전히 부착되어 일체화 거동을 하는 강관합성 말뚝이 그렇지 않은 말뚝에 비해 전단파괴에 안전하다는 것을 알 수 있는 가시적인 결과이다.
(3) 강관합성 현장타설말뚝의 강관-콘크리트 경계면에서의 전단응력 분석결과 연약지반층 상부에 전단 응력이 집중현상이 관찰되었으며, 강관-콘크리트 일체화에 의하여 집중된 전단응력이 1/2 정도로 감소되는 것으로 나타났다. 이는 강관-콘크리트 경계면에서 전단응력이 집중되면 전단 미끌림에 의한 전단파괴가 발생할 가능성이 크다는 것을 감안 할 때 강관과 콘크리트가 완전히 부착되어 일체화 거동을 하는 강관합성 말뚝이 그렇지 않은 말뚝에 비해 전단파괴에 안전하다는 것을 알 수 있는 가시적인 결과이다.
(4) 현장타설말뚝의 강관 내부 콘크리트에 대한 최대주응력 분석결과 연약지반면 상부를 중심으로 인장 응력이 집중되는 것으로 관찰되었으며, 강관합성에 의하여 집중된 인장응력의 크기와 영역이 감소함을 확인 하였다. 강관보강 및 강관과 콘크리트의 일체화는 콘크리트에 집중된 인장응력을 소산시키는 효과가 있으며, 콘크리트의 주 파괴원인이 인장파괴인 점을 감안해 볼 때 수평하중에 대한 말뚝의 안정성 증진에 효과적인 것으로 판단된다.

후속연구

따라서 조합하중 작용시 강관과 콘크리트의 일체화 거동효과는 말뚝의 수평방향 저항력 증가에 크게 기여하지 못하는 것으로 판단된다. 그러나 이러한 결과들은 말뚝의 저항력에 대한 단순비교에서 나온 결과들로 일체화 거동의 효과에 대해서는 향후 응력분석 및 추가적인 수치해석 연구를 통하여 명확하게 규명되어야 할 것으로 판단된다.
따라서 강관합성 말뚝의 최적성능 구현을 위해서는 향후 수치해석 및 모형실험 등을 통한 최적 강관두께 산정에 관한 면밀한 검토가 요구된다.
강관보강 및 강관과 콘크리트의 일체화는 콘크리트에 집중된 인장응력을 소산시키는 효과가 있으며, 콘크리트의 주 파괴원인이 인장파괴인 점을 감안해 볼 때 수평하중에 대한 말뚝의 안정성 증진에 효과적인 것으로 판단된다. 그러나 본 해석에서는 주응력이 매우 낮은 수준에서의 결과들로 응력집중 현상에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 사용되는 기존 대구경 현장타설말뚝은 일반적으로 어떻게 설계되었나?	국내에서 사용되는 기존 대구경 현장타설말뚝의 경우 강관 내부에 콘크리트 타설 후 케이싱을 제거하거나 케이싱을 남겨 두더라도 강관 케이싱의 지지력을 무시하고 설계하는 것이 일반적이었다 그러나 . 미국의 에서는 이상의 두께를 가진 강관을 영구 케 AASHTO LRFD Bridge Specifications(2004) 3mm 이싱으로 사용할 경우 강관을 구조재로 보고 설계에 반영할 수 있으며, 부식에 의한 두께를 공제하여야 한다고 제안하고 있다.
	강관합성 현장타설말뚝이란?	미국의 에서는 이상의 두께를 가진 강관을 영구 케 AASHTO LRFD Bridge Specifications(2004) 3mm 이싱으로 사용할 경우 강관을 구조재로 보고 설계에 반영할 수 있으며, 부식에 의한 두께를 공제하여야 한다고 제안하고 있다. 강관합성 현장타설말뚝(steel-concrete composite drilled shafts)은 기존의 대구경 현장타설말뚝과 같은 굴착공법을 적용하며 굴착시 공벽보호를 위해 사용되는 케이싱을 영구부재 즉, 구조재로 보고 강관 케이싱의 지지력을 설계에 반영하는 공법이다 그림 1과 같이 횡방향 구속에 의해 축 응력 상태에 놓인 콘크리트의 강도는 일반적으로 1축 압축 상태의 콘크리트 보다 상당히 큰 값을 갖는 다는 것은 널리 알려져 있으며 오래 전부터 이 부분에 대한 많은 연구 진행 및 실제 적용이 되어왔다(Scott et al., 1982; Mander et al.
	미국에서는 대구경 현장타설말뚝 설계를 어떻게 제안하고 있는가?	국내에서 사용되는 기존 대구경 현장타설말뚝의 경우 강관 내부에 콘크리트 타설 후 케이싱을 제거하거나 케이싱을 남겨 두더라도 강관 케이싱의 지지력을 무시하고 설계하는 것이 일반적이었다 그러나 . 미국의 에서는 이상의 두께를 가진 강관을 영구 케 AASHTO LRFD Bridge Specifications(2004) 3mm 이싱으로 사용할 경우 강관을 구조재로 보고 설계에 반영할 수 있으며, 부식에 의한 두께를 공제하여야 한다고 제안하고 있다. 강관합성 현장타설말뚝(steel-concrete composite drilled shafts)은 기존의 대구경 현장타설말뚝과 같은 굴착공법을 적용하며 굴착시 공벽보호를 위해 사용되는 케이싱을 영구부재 즉, 구조재로 보고 강관 케이싱의 지지력을 설계에 반영하는 공법이다 그림 1과 같이 횡방향 구속에 의해 축 응력 상태에 놓인 콘크리트의 강도는 일반적으로 1축 압축 상태의 콘크리트 보다 상당히 큰 값을 갖는 다는 것은 널리 알려져 있으며 오래 전부터 이 부분에 대한 많은 연구 진행 및 실제 적용이 되어왔다(Scott et al.

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Study on lateral resistance of steel-concrete composite drilled shafts by using 3D FEM 원문보기

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