암반의 심도가 얕은 국내지반에서는 푸팅을 사용하지 않는 벤트기초가 매우 경제적인 공법이다. 현장타설말뚝을 이용한 벤트기초공법은 탄성설계로 제한하여 설계를 수행하여 왔으나, 도로교 설계기준에서 제시하는 소성설계를 적용하는 경우 소성힌지 발생지점이 지중에 위치하여 유지관리가 불가하고 소성힌지부에 적용하는 심부구속 철근의 간격 및 보강범위에 대한 기준 제정이 필요하다. 또한 지반의 소성 거동을 모델링 하는 것은 구조 해석시 실무적으로 매우 어려움이 많아 정밀한 해석이 필요하지 않는 경우에 대한 근사 해석법 제시가 필요하다. 본 논문에서는 직경 1m의 현장타설말뚝을 사질토지반에 시공하여 지상 4m 높이에서 반복 재하시험을 수행하여 지반 및 말뚝의 거동을 파악하였으며, 기둥으로서의 거동을 함께 파악하였다. 소성힌지를 지상부에 유도하기 위하여 직경을 변화시키거나, 지중에 강관을 삽입하는 방법을 적용하였으며, 실험결과에 대하여 선형탄성 및 p-y 곡선등 다양한 예측방법과 교량에 대한 모의 설계를 통하여 지반 모델링 방법에 따른 해석결과를 비교하였으며, 실무적으로 적용할 수 있는 설계기준을 제시하였다.
암반의 심도가 얕은 국내지반에서는 푸팅을 사용하지 않는 벤트기초가 매우 경제적인 공법이다. 현장타설말뚝을 이용한 벤트기초공법은 탄성설계로 제한하여 설계를 수행하여 왔으나, 도로교 설계기준에서 제시하는 소성설계를 적용하는 경우 소성힌지 발생지점이 지중에 위치하여 유지관리가 불가하고 소성힌지부에 적용하는 심부구속 철근의 간격 및 보강범위에 대한 기준 제정이 필요하다. 또한 지반의 소성 거동을 모델링 하는 것은 구조 해석시 실무적으로 매우 어려움이 많아 정밀한 해석이 필요하지 않는 경우에 대한 근사 해석법 제시가 필요하다. 본 논문에서는 직경 1m의 현장타설말뚝을 사질토지반에 시공하여 지상 4m 높이에서 반복 재하시험을 수행하여 지반 및 말뚝의 거동을 파악하였으며, 기둥으로서의 거동을 함께 파악하였다. 소성힌지를 지상부에 유도하기 위하여 직경을 변화시키거나, 지중에 강관을 삽입하는 방법을 적용하였으며, 실험결과에 대하여 선형탄성 및 p-y 곡선등 다양한 예측방법과 교량에 대한 모의 설계를 통하여 지반 모델링 방법에 따른 해석결과를 비교하였으며, 실무적으로 적용할 수 있는 설계기준을 제시하였다.
The bent foundation with single drilled shafts is suitable and economical in South Korea, which has good rock in a shallow depth. This foundation has been designed with an elastic design concept. To apply a plastic design concept written in Korea Bridge Design Criteria, a detail design regulation, w...
The bent foundation with single drilled shafts is suitable and economical in South Korea, which has good rock in a shallow depth. This foundation has been designed with an elastic design concept. To apply a plastic design concept written in Korea Bridge Design Criteria, a detail design regulation, which includes the method for a plastic hinge point to occur above the ground, rebar arrangement and soil modelling, should be defined. Soil modelling should be considered in the respect of structural engineer's practicality. In this paper, single drilled shaft piers with 1m diameter are constructed, and cyclic lateral load tests loaded at 4m above the ground are taken to examine the behavior. Reduced diameter shaft above the ground and remaining the steel casing under the ground were used to induce plastic hinge to occur above the ground. Simplified soil models such as elastic relation and p-y curve are adapted, and the prediction results are compared with test results. Prediction results of a model bridge were compared according to soil models with time domain analyses, and design criteria of soil were proposed.
The bent foundation with single drilled shafts is suitable and economical in South Korea, which has good rock in a shallow depth. This foundation has been designed with an elastic design concept. To apply a plastic design concept written in Korea Bridge Design Criteria, a detail design regulation, which includes the method for a plastic hinge point to occur above the ground, rebar arrangement and soil modelling, should be defined. Soil modelling should be considered in the respect of structural engineer's practicality. In this paper, single drilled shaft piers with 1m diameter are constructed, and cyclic lateral load tests loaded at 4m above the ground are taken to examine the behavior. Reduced diameter shaft above the ground and remaining the steel casing under the ground were used to induce plastic hinge to occur above the ground. Simplified soil models such as elastic relation and p-y curve are adapted, and the prediction results are compared with test results. Prediction results of a model bridge were compared according to soil models with time domain analyses, and design criteria of soil were proposed.
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제안 방법
154g로 가공한 지지파를 적용하였으며, 선정된 교량의 도면은 그림17과 같으며 시간이력해석을 수행하였다. FHWA에서 제시한 것과 같이 지반을 선형스프링으로 예측하는 방법과 p-y 곡선의 저항으로 예측하는 방법을 적용하여 교량의 거동 해석을 수행하였다
시공된 지반은 사질토 지반으로 지반의 특성은 표1과 같다. 말뚝시공을 위해 사용한 콘크리트의 강도는 45MPa이었고, 말뚝의 직경은 1m로 하였으며, 소성힌지를 지상부로 유도하기 위하여 지중에 케이싱을 3m 깊이로 존치하거나, 지상부의 콘크리트 직경을 0.85m로 시공하였다. 횡방향 재하시험은 그림7과 같이 실제 교량이 교좌받침부에서 기둥부에 횡방향 하중이 전달되는 것을 모사하기 위하여 지상 약 4m높이에서 하중을 가하였으며, 각 말뚝에는 표2에 제시된 것과 같이 시공 및 실험을 실시하였다.
도로교 설계기준(2008)에서는 Chang(1937)의 방법에 근거한 지반반력계수를 구하는 방법과 연약점토와 사질토에서 큰 수평력이 작용하는 경우에는 지반의 비선형성을 고려할 수 있는 p-y 곡선을 이용한 설계를 하도록 규정하고 있다. 본 논문에서는 지반의 거동을 선형의 스프링으로 가정한 경우 및 p-y 곡선을 그대로 모사한 경우에 대하여 실험결과 및 내진 해석결과의 차이를 분석하였으며, 이때 구조물의 기둥 및 기초의 거동은 철근 콘크리트 재료를 선형거동과 비선형 거동으로 구분하여 분석하였다.
25m 간격으로 모사한 경우가 소성힌지가 가장 먼저 발생되는 것을 보여주고 있고, 이것은 최대모멘트 발생위치가 정확히 예측되고 이에 따라 거동이 모사되었기 때문인 것으로 판단된다. 소성힌지를 지상부로 유도하기 위하여 케이싱을 남겨둔 L1 및 L5 말뚝은 케이싱과 콘크리트가 완전히 부착된 경우와 부착되지 않은 경우로 구분하여 해석을 수행하였으며, 완전히 부착된 것으로 모델링한 것이 더 작은 하중에서 소성상태에 도달하는 것을 볼 수 있다. 이는 소성힌지의 발생위치가 변경됨에 따라 최대저항모멘트가 변경되기 때문으로 판단된다.
지반 모델링 방법에 따른 단일현장타설말뚝의 거동을 파악하기 위하여 25m PSC빔 교량에 대한 시간이력 해석을 수행하였다. 지진파는 El Centro 지진파를 최대 가속도 0.
85m로 시공하였다. 횡방향 재하시험은 그림7과 같이 실제 교량이 교좌받침부에서 기둥부에 횡방향 하중이 전달되는 것을 모사하기 위하여 지상 약 4m높이에서 하중을 가하였으며, 각 말뚝에는 표2에 제시된 것과 같이 시공 및 실험을 실시하였다. 일방향 단순재하시험을 수행한 결과인 L6말뚝의 재하시험 결과와 도로교설계기준의 방법 및 p-y 해석법으로 예측한 결과를 그림8과 같으며, 철근 및 콘크리트의 비선형성을 고려하는 비선형 p-y 해석방법이 실제의 거동을 보수적인 측면에서 잘 예측하는 것을 볼 수 있으며, 도로교 설계기준 및 재료의 거동을 선형으로 가정한 p-y 해석법은 변위가 50mm를 넘어 서면서 지지력을 크게 평가하는 것으로 나타났다.
대상 데이터
단일 현장타설 말뚝의 거동을 파악하기 위하여 인천시 서구 당하동에서 6본의 현장타설말뚝을 그림6과 같이 시공하였다. 시공된 지반은 사질토 지반으로 지반의 특성은 표1과 같다.
지반 모델링 방법에 따른 단일현장타설말뚝의 거동을 파악하기 위하여 25m PSC빔 교량에 대한 시간이력 해석을 수행하였다. 지진파는 El Centro 지진파를 최대 가속도 0.154g로 가공한 지지파를 적용하였으며, 선정된 교량의 도면은 그림17과 같으며 시간이력해석을 수행하였다. FHWA에서 제시한 것과 같이 지반을 선형스프링으로 예측하는 방법과 p-y 곡선의 저항으로 예측하는 방법을 적용하여 교량의 거동 해석을 수행하였다
이론/모형
말뚝과 지반의 인장부에 작용하는 인장력을 무시하기 위해 Gap 모델을 적용한 경우의 결과는 변위를 더 크게 예측하여 초기 말뚝의 변위를 더 정확하게 예측하고 있으며, EI 값 산정시 철근의 영향의 고려유무는 변위예측에 큰 차이 가 없으나, 지반의 저항력을 선형으로 예측하므로 변곡점 이후의 변위에서는 매우 큰 차이를 보이고 있다. 그림 11～16은 지반을 비선형 p-y 곡선으로 모사하였으며 압축부에서만 지반의 저항력이 발휘되도록 Gap 모델을 적용하였다. 말뚝기둥 콘크리트의 거동을 선형 및 비선형으로 모사하여 pushover analysis를 수행하였으며 그 결과는 그림 11 ∼ 16과 같다.
성능/효과
1) 지반의 거동을 선형으로 모사하는 방법은 변위를 제한하여 사용하여야 하며, 변위제한은 도로교설계기준 및 FHWA 등에서 추천하는 값을 적용하는 것이 바람직하다.
2) 내진 설계시와 같이 단일현장타설말뚝의 횡방향력이 크게 발생하는 경우에는 p-y 해석으로 구한 지반의 저항력을 적용하는 것이 실제의 거동과 유사한 예측이 가능하게 한다.
3) 실제 교량에 대한 모의 해석을 수행한 결과 지반의 저항력을 p-y 곡선으로 모사하고 단일현장타설말뚝을 선형으로 모사하는 것이 최대 모멘트 발생지점인 지중에서 발생되는 모멘트 및 전단력과 교각 상단에 발생하는 변위를 고려할 때 실무적으로 가장 합리적인 방법이라고 판단된다.
그림 18 및 19는 지표면아래 1m 지점과 지표면에서의 모멘트를 나타내고 있다. 두 위치에서 모두 지반을 선형 스프링으로 모델링하고 콘크리트 단일현장타설말뚝을 비선형모델로 해석한 경우가 모멘트가 가장 크게 나타났으며, 지반의 저항력을 p-y 곡선으로 모사하고 단일현장타설말뚝을 선형모델로 해석한 경우가 그 다음으로 크게 나타났으며 지반 및 철근 콘크리트 모두를 선형으로 예측한 경우가 가장 작게 나타났다. 그림 20은 지표면아래 1m 지점의 전단력을 나타내고 있으며, 지반의 저항력을 p-y 곡선을 모사한 경우가 단일현장타설 말뚝에 전단력이 가장 크게 나타났으며, 이것은 감소된 지반의 저항력을 단일현장타설말뚝이 저항하기 때문이다.
그림 9 및 10은 L3 및 L6 말뚝을 FHWA제시한 방법과 같이 지반을 선형 스프링으로 모사하여 예측한 결과를 보여주고 있다. 말뚝과 지반의 인장부에 작용하는 인장력을 무시하기 위해 Gap 모델을 적용한 경우의 결과는 변위를 더 크게 예측하여 초기 말뚝의 변위를 더 정확하게 예측하고 있으며, EI 값 산정시 철근의 영향의 고려유무는 변위예측에 큰 차이 가 없으나, 지반의 저항력을 선형으로 예측하므로 변곡점 이후의 변위에서는 매우 큰 차이를 보이고 있다. 그림 11～16은 지반을 비선형 p-y 곡선으로 모사하였으며 압축부에서만 지반의 저항력이 발휘되도록 Gap 모델을 적용하였다.
횡방향 재하시험은 그림7과 같이 실제 교량이 교좌받침부에서 기둥부에 횡방향 하중이 전달되는 것을 모사하기 위하여 지상 약 4m높이에서 하중을 가하였으며, 각 말뚝에는 표2에 제시된 것과 같이 시공 및 실험을 실시하였다. 일방향 단순재하시험을 수행한 결과인 L6말뚝의 재하시험 결과와 도로교설계기준의 방법 및 p-y 해석법으로 예측한 결과를 그림8과 같으며, 철근 및 콘크리트의 비선형성을 고려하는 비선형 p-y 해석방법이 실제의 거동을 보수적인 측면에서 잘 예측하는 것을 볼 수 있으며, 도로교 설계기준 및 재료의 거동을 선형으로 가정한 p-y 해석법은 변위가 50mm를 넘어 서면서 지지력을 크게 평가하는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
단일현장타설말뚝 기초란?
푸팅을 사용하는 공법의 경우 푸팅 직상부에 모멘트가 집중된다. 이는 푸팅의 강성이 매우 커서 고정점과 같은 역할을 하게 되기 때문이며, 단일현장타설말뚝 기초는 푸팅을 사용하지 않고 기둥부와 말뚝부를 연속시공하는 공법이므로 말뚝부와 기둥부의 강성에 큰 차이가 없어 모멘트 분포가 완만하게 된다. 즉 푸팅을 사용하는 교각은 지반의 횡방향 지지력에 따른 거동의 차이가 미미하여 푸팅의 상부만을 고려한 해석이 가능하며,단일현장설말뚝의 경우 지반의 횡방향 지지력, 특히 내진 해석시에는 동적 특성에 따른 거동의 변화가 교각의 거동에 미치는 영향이 크게 나타난다.
지반의 횡방향 저항력 산정이 단면 설계시 매우 중요한 역할하는 이유는?
단일현장타설말뚝은 지반의 횡방향 지반반력계수에 따라 최대 모멘트 발생지점이 변화하기 때문에 지반의 횡방향 저항력 산정이 단면 설계시 매우 중요한 역할을 하게 된다. 그림2는 단일현장타설말뚝의 모델링 방법을 도시한 것으로 등가 지반면 스프링의 방법은 프로그램 특성상 지반의 비선형성을 모사하기 곤란한 프로그램을 이용하여 지반과 구조물의 상호작용을 고려하기 위하여 많이 사용하는 방법이며, 등가 지반 스프링 방법은 지반의 거동을 스프링으로 모사하여 구조물의 특성을 모두 고려할 수 있다.
푸팅을 사용하는 공법의 경우 푸팅 직상부에 모멘트가 집중되는 이유는?
푸팅을 사용하는 공법의 경우 푸팅 직상부에 모멘트가 집중된다. 이는 푸팅의 강성이 매우 커서 고정점과 같은 역할을 하게 되기 때문이며, 단일현장타설말뚝 기초는 푸팅을 사용하지 않고 기둥부와 말뚝부를 연속시공하는 공법이므로 말뚝부와 기둥부의 강성에 큰 차이가 없어 모멘트 분포가 완만하게 된다. 즉 푸팅을 사용하는 교각은 지반의 횡방향 지지력에 따른 거동의 차이가 미미하여 푸팅의 상부만을 고려한 해석이 가능하며,단일현장설말뚝의 경우 지반의 횡방향 지지력, 특히 내진 해석시에는 동적 특성에 따른 거동의 변화가 교각의 거동에 미치는 영향이 크게 나타난다.
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