[논문]철도하중을 고려한 기초구조물과 강관말뚝 연결부 거동에 관한 실험적 연구

김정성; 김대상; 조국환

문제 정의

본 실험 연구에서는 매입식 유공강판 말뚝머리 보강구조를 적용한 강관말뚝 머리부의 압발하중 전달 메커니즘을 규명하고 전단돌기형 유공강판 연결재 적용 시 연직하중에 대한 강관말뚝 머리부의 압발내력을 평가하기 위한 연직 재하실험을 수행하였다. 본 실험은 연직 압발하중에 대한 속채움 콘크리트와 강관간의 합성거동을 확인하고, 일정 매립깊이(=1.
본 실험 연구에서는 매입식 유공강판과 말뚝머리 보강구조를 적용한 강관말뚝 머리부의 수평하중 전달 메커니즘을 규명하고, 전단돌기형 유공강판 적용시 수평하중에 대한 강관말뚝 머리부의 휨내력을 평가하기 위한 수평재하실험을 수행하였다. 본 실험은 수평하중에 대한 콘크리트 기초의 전면부 지압파괴 안전성을 검증하고 매입깊이에 대한 유공강판 형상별(돌기 유무, 폐쇄형 및 개방형 구멍 등의 형상변화) 휨(수평)거동 안전성을 평가하는 데에 목적이 있다.
본 실험 연구에서는 매입식 유공강판과 말뚝머리 보강구조를 적용한 강관말뚝 머리부의 수평하중 전달 메커니즘을 규명하고, 전단돌기형 유공강판 적용시 수평하중에 대한 강관말뚝 머리부의 휨내력을 평가하기 위한 수평재하실험을 수행하였다. 본 실험은 수평하중에 대한 콘크리트 기초의 전면부 지압파괴 안전성을 검증하고 매입깊이에 대한 유공강판 형상별(돌기 유무, 폐쇄형 및 개방형 구멍 등의 형상변화) 휨(수평)거동 안전성을 평가하는 데에 목적이 있다.
본 실험 연구에서는 매입식 유공강판 말뚝머리 보강구조를 적용한 강관말뚝 머리부의 압발하중 전달 메커니즘을 규명하고 전단돌기형 유공강판 연결재 적용 시 연직하중에 대한 강관말뚝 머리부의 압발내력을 평가하기 위한 연직 재하실험을 수행하였다. 본 실험은 연직 압발하중에 대한 속채움 콘크리트와 강관간의 합성거동을 확인하고, 일정 매립깊이(=1.0D+100 mm)에 대한 유공강판 형상, 즉 전단돌기의 유무, 폐쇄형 및 개방형 구멍 등이 인발거동에 미치는 영향을 확인하고, 연직하중에 대한 콘크리트 기초의 펀칭파괴 안전성을 검증하는 데에 목적이 있다.
본 연구 목적은 유공강판 연결재를 활용한 결합부가 상부구조물에 작용하는 철도하중에 의해 기초구조물인 말뚝 본체를 통해 지반에 전달되는 구조적 성능과 역할을 확인·평가하는 것이다.
본 연구는 돌기를 갖는 유공강판 연결재를 확대기초와 강관말뚝 간의 결합부에 하중결합장치로 사용한 말뚝머리 보강방법에 대한 실험적 연구이다. 본 연구 목적은 유공강판 연결재를 활용한 결합부가 상부구조물에 작용하는 철도하중에 의해 기초구조물인 말뚝 본체를 통해 지반에 전달되는 구조적 성능과 역할을 확인·평가하는 것이다.
본 연구에서는 매입식 유공강판 말뚝머리 보강구조에 적용하는 전단돌기형 유공강판의 전단성능 평가와 유공강판 말뚝머리 보강방법의 구조적 안정성 평가를 위하여 수직재하실험과 수평재하실험을 수행하였다.

가설 설정

이러한 강결합부는 허용응력설계법을 적용하여 말뚝머리(pile cap)에 작용하는 압입력, 인발력, 수평력 또는 휨모멘트에 대해 구조적 안전성을 갖도록 설계한다. 특히 휨모멘트와 연직하중에 의한 조합하중 평가시 가상 철근콘크리트 기둥으로 가정하여 구조 안전성을 평가한다.

제안 방법

본 말뚝머리 보강방법 실험에 사용된 콘크리트의 압축강도, 강재의 항복강도 및 인장강도에 대한 각 재료들의 역학적 성질은 직접 시험을 통해 도출하였으며, 시험 결과를 정리하여 표 1과 표 2에 나타내었다.
본 연구 목적은 유공강판 연결재를 활용한 결합부가 상부구조물에 작용하는 철도하중에 의해 기초구조물인 말뚝 본체를 통해 지반에 전달되는 구조적 성능과 역할을 확인·평가하는 것이다. 본 실험 연구의 내용은 돌기를 갖는 유공강판 연결재(perforated plate)을 활용하여 강관말뚝머리를 보강하는 방법에 대하여, 첫째 강관말뚝 머리부에 작용하는 수직하중에 대한 말뚝과 확대기초 간의 압발성능 평가와, 둘째 강관말뚝 머리부에 작용하는 휨모멘트에 대한 구조적 안정성 평가를 위하여 수평재하시험을 실시한다.
유공강판 말뚝머리 보강기술의 구조적 성능평가는 축방향력인 수직압발평가와 수평재하실험을 실시하여 휨모멘트에 대한 연결결합부의 성능 평가이다. 이들 작용 하중에 의해 저항하는 파괴모드나 최대하중에 대한 실험결과를 기존 철도설계기준이나 도로교설계기준에서 제시하는 수직 이형철근을 이용한 머리보강 방법과 비교하여 평가를 실시한다.
특히 철교나 교량 기초의 말뚝과 확대기초 결합방법은 구조물 기능을 고려하여 변위를 제한하므로 국내 설계기준에서 강결합 방식을 채택하고 있다. 이러한 강결합부는 허용응력설계법을 적용하여 말뚝머리(pile cap)에 작용하는 압입력, 인발력, 수평력 또는 휨모멘트에 대해 구조적 안전성을 갖도록 설계한다. 특히 휨모멘트와 연직하중에 의한 조합하중 평가시 가상 철근콘크리트 기둥으로 가정하여 구조 안전성을 평가한다.

대상 데이터

실험체는 지름 406mm 강관을 이용하였으며, 표 3과 같이 상세변경에 따른 내력을 비교하기 위하여 철근망을 이용한 기존 두부보강방법 실험체(NPPC-10SB)와 6개의 유공강판을 등간격 배치한 두부보강방법 실험체 3종류를 제작하였다. 유공강판을 이용한 두부보강 방법 실험체는 25mm 관통홀을 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PO), 폭 15mm와 길이 30mm의 전단보강돌기를 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PO-S) 및 폭 15mm와 길이 40mm의 측면 홈을 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PU)로 구분하여 제작하였다.
실험체는 지름 406mm 강관을 이용하였으며, 표 4와 같이 상세변경에 따른 내력을 비교하기 위하여 철근망을 이용한 기존 두부보강방법 실험체(NPPM-10SB)와 6개의 유공강판을 등간격 배치한 두부보강방법 실험체 3종류를 제작하였다. 유공강판을 이용한 머리보강 방법 실험체는 25mm 관통홀을 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PO), 폭 15mm와 길이 30mm의 전단돌기를 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PO -S) 및 폭 15mm와 길이 40mm의 측면 홈을 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PU)로 구분하여 제작하였다.
실험체는 지름 406mm 강관을 이용하였으며, 표 3과 같이 상세변경에 따른 내력을 비교하기 위하여 철근망을 이용한 기존 두부보강방법 실험체(NPPC-10SB)와 6개의 유공강판을 등간격 배치한 두부보강방법 실험체 3종류를 제작하였다. 유공강판을 이용한 두부보강 방법 실험체는 25mm 관통홀을 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PO), 폭 15mm와 길이 30mm의 전단보강돌기를 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PO-S) 및 폭 15mm와 길이 40mm의 측면 홈을 가진 유공강판 실험체(NPPC-10PU)로 구분하여 제작하였다.
실험체는 지름 406mm 강관을 이용하였으며, 표 4와 같이 상세변경에 따른 내력을 비교하기 위하여 철근망을 이용한 기존 두부보강방법 실험체(NPPM-10SB)와 6개의 유공강판을 등간격 배치한 두부보강방법 실험체 3종류를 제작하였다. 유공강판을 이용한 머리보강 방법 실험체는 25mm 관통홀을 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PO), 폭 15mm와 길이 30mm의 전단돌기를 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PO -S) 및 폭 15mm와 길이 40mm의 측면 홈을 가진 유공강판 실험체(NPPM-10PU)로 구분하여 제작하였다. 단, 유공강판의 경우에는 강판의 폭을 75mm와 65mm로 달리하여 제작하였는데, 이는 관통홀 지름 및 돌기와 측면홈 폭을 고려하여 강판 유효폭이 모든 실험체에서 동일하게 50mm가 되도록 하기 위한 것이다.

성능/효과

1) 수직재하실험 결과, 4500kN 재하범위에서 콘크리트 블록 균열 및 블록하면 펀칭파괴 등의 외관상의 뚜렷한 파괴의 징후는 관찰되지 않았으며 유사한 거동 양상을 보였다. 모든 실험체서 동일한 초기 강성을 보였으며, 하중 2250kN에서 강성이 저하된 후 2차 강성을 발현되었다.
2) 수평재하실험 결과, 모든 실험체의 동일한 초기 강성을 보였으며, 약 150kN의 하중범위까지는 동일한초기 휨거동을 보였다. 최대내력은 기존 철근을 활용한 머리보강방법으로 보강한 실험체의 내력이 가장 작게 나타났고, 관통형 유공강판 보강 실험체가 가장 큰 휨내력을 보였으며, 돌기형 유공강판 및 개방형 유공강판 보강 실험체는 유사한 내력을 보였다.
3) 전단돌기형 유공강판을 활용한 매입식 유공강판 말뚝머리 보강방법에 대한 수평 및 수직 재하시험 결과, 유공강판 돌기에 의한 쐐기효과로 우수한 전단합성능력이 나타났으며 휨모멘트에 대하여 충분한 강도 및 연성능력을 확보한 것으로 나타나 기존 철근망을 활용한 말뚝머리 보강공법 이상의 구조적 안정성을 확보한 것으로 판단된다.
각 휨실험체의 하중-변위 관계 곡선을 비교하면 그림 8에 보인 바와 같다. 그림에서 보는 바와 같이 초기 강성은 기초 콘크리트 합성 방법 및 유공강판의 돌기형상과 무관하게 동일한 초기 강성을 보였으며, 약 150kN의 하중범위까지는 모든 실험체가 동일한 초기 휨거동을 보였다.
돌기형 유공강판을 적용한 실험체(NPPM-10PO-S)와 원형구멍을 갖는 유공강판을 적용한 실험체(NPPM-10PO)는 기존방법에 비하여 각각 11% 및 23% 최대 내력이 증가하는 것으로 나타났으며, 이러한 내력차이는 NPPM-10PO 실험체에 대해서는 폭 75mm의 유공강판을 사용하여, 다른 실험체의 유공강판 폭 65mm에 비해 큰 폭의 강판을 사용했기 때문인 것으로 판단된다.
1) 수직재하실험 결과, 4500kN 재하범위에서 콘크리트 블록 균열 및 블록하면 펀칭파괴 등의 외관상의 뚜렷한 파괴의 징후는 관찰되지 않았으며 유사한 거동 양상을 보였다. 모든 실험체서 동일한 초기 강성을 보였으며, 하중 2250kN에서 강성이 저하된 후 2차 강성을 발현되었다. 최대하중 4500kN에서 약 1.
그림에서 변위는 강관 상단의 가력 중심축에서의 수평변위를 나타내며, 변형률에서 게이지 S1, S2 및 S3는 강관의 인장측 변형률이고 게이지 S4, S5 및 S6는 강관의 압축측 변형률을 보인 것이다. 모든 실험체에서 가력방향 후면의 콘크리트 파괴로 내력이 저하되는 파괴 모드를 보였다.
본 재하실험에서는 2차 강성의 기울기도 모든 실험체에 거의 동일한 양상을 보이고 있으나, NPPC-10PO-S(돌기형 유공강판 합성 방법) 실험체의 2차강성의 기울기가 가장 크고, NPPC-10SB(기존 철근망 합성 방법) 실험체의 기울기가 낮은 것으로 나타났다. 이러한 경향은 재하 종료 시점에서 더욱 두드러지게 나타남에 따라, UTM 가력한계 이상으로 재하하면서 실험을 진행한다면 극한내력에는 차이가 있을 것으로 예상할 수 있다.
압발 실험은 UTM장비의 가력용량 한계를 고려하여 4500kN 까지 재하하고 실험을 종료하였으며, 실험 결과 4500kN 재하범위에서 콘크리트 블록 균열 및 블록하면 펀칭파괴 등 외관상의 뚜렷한 파괴의 징후는 관찰되지 않았으며, 모든 실험체가 유사한 거동을 보였다.
이러한 경향은 재하 종료 시점에서 더욱 두드러지게 나타남에 따라, UTM 가력한계 이상으로 재하하면서 실험을 진행한다면 극한내력에는 차이가 있을 것으로 예상할 수 있다. 재하종료시점에서 기존 철근망 합성방법에 의한 실험체가 다른 실험체에 비해 상대적으로 큰 변위를 보이고 있으므로 유공강판에 의한 합성방법을 적용한 실험체에 비해 상대적으로 낮은 극한 내력을 보일 것으로 예측된다.
2) 수평재하실험 결과, 모든 실험체의 동일한 초기 강성을 보였으며, 약 150kN의 하중범위까지는 동일한초기 휨거동을 보였다. 최대내력은 기존 철근을 활용한 머리보강방법으로 보강한 실험체의 내력이 가장 작게 나타났고, 관통형 유공강판 보강 실험체가 가장 큰 휨내력을 보였으며, 돌기형 유공강판 및 개방형 유공강판 보강 실험체는 유사한 내력을 보였다.
최대내력은 표 6에 비교한 바와 같이, 철근망을 이용한 기존 두부보강 실험체의 내력이 가장 작게 나타났고, 관통형 유공강판 보강 실험체가 가장 큰 휨내력을 보였으며, 돌기형 유공강판 및 개방형 유공강판 보강 실험체는 유사한 내력을 보였다.
최대하중 4500kN에서 약 1.0~1.5mm의 변위를 보이는 것으로 계측되었으며, 콘크리트 균열 또는 하단부 펀칭 파괴 등의 뚜렷한 파괴의 징후는 관찰되지 않았다.
파괴모드는 모든 실험체에 대하여 후면부 콘크리트의 박리 파괴로 나타났으며, 전면부 콘크리트 지압 파괴는 뚜렷하게 나타나지 않았다. 후면부 콘크리트 균열 및 박리는 약 60도 범위의 방사형으로 발생하였으며, 전면부 지압에 의한 균열은 관찰되지 않았다.
파괴모드는 모든 실험체에 대하여 후면부 콘크리트의 박리 파괴로 나타났으며, 전면부 콘크리트 지압 파괴는 뚜렷하게 나타나지 않았다. 후면부 콘크리트 균열 및 박리는 약 60도 범위의 방사형으로 발생하였으며, 전면부 지압에 의한 균열은 관찰되지 않았다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철교나 교량 기초의 말뚝과 확대기초 결합방법은 어떻게 되는가?	특히 철교나 교량 기초의 말뚝과 확대기초 결합방법은 구조물 기능을 고려하여 변위를 제한하므로 국내 설계기준에서 강결합 방식을 채택하고 있다. 이러한 강결합부는 허용응력설계법을 적용하여 말뚝머리(pile cap)에 작용하는 압입력, 인발력, 수평력 또는 휨모멘트에 대해 구조적 안전성을 갖도록 설계한다.
	강결합부은 어떻게 설계되는가?	특히 철교나 교량 기초의 말뚝과 확대기초 결합방법은 구조물 기능을 고려하여 변위를 제한하므로 국내 설계기준에서 강결합 방식을 채택하고 있다. 이러한 강결합부는 허용응력설계법을 적용하여 말뚝머리(pile cap)에 작용하는 압입력, 인발력, 수평력 또는 휨모멘트에 대해 구조적 안전성을 갖도록 설계한다. 특히 휨모멘트와 연직하중에 의한 조합하중 평가시 가상 철근콘크리트 기둥으로 가정하여 구조 안전성을 평가한다.
	말뚝 본체를 통해 지반에 전달되는 구조적 성능과 역할을 확인 평가하는 본 실험에서 강관말뚝머리를 보강하는 방법은?	본 연구 목적은 유공강판 연결재를 활용한 결합부가 상부구조물에 작용하는 철도하중에 의해 기초구조물인 말뚝 본체를 통해 지반에 전달되는 구조적 성능과 역할을 확인․평가하는 것이다. 본 실험 연구의 내용은 돌기를 갖는 유공강판 연결재(perforated plate)을 활용하여 강관말뚝머리를 보강하는 방법에 대하여, 첫째 강관말뚝 머리부에 작용하는 수직하중에 대한 말뚝과 확대기초 간의 압발성능 평가와, 둘째 강관말뚝 머리부에 작용하는 휨모멘트에 대한 구조적 안정성 평가를 위하여 수평재하시험을 실시한다.

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