ACT PILE 지하 구축 방법 및 현장 적용
ACT PILE Underground Construction Method and
Site Application
염 경 수* Yom Kyong Soo
1)
1. ACT Pile 개념
대심도 굴착에는 Diaphragm wall(지하연속벽)이 유리하다. 그러나 암반이 조기 출현하는 현장에는 굴 착이 어렵고 언더피닝 및 카운트월 공사를 해야하므 로 복잡한 시공이 불가피하다. 뿐만 아니라 카운트월 설치로 인한 지하 공간의 손실과 더불어 시공성이 저 하된다1-3). 따라서 암반이 조기 출현하는 대부분의 현 장에서 상부 토사 구간은 C.I.P(Cast In placed Pile) 공법, 암반 이하 구간은 H-PILE 토류판 또는 숏크리 트를 적용하는 경우가 많다. 대심도 굴착의 경우 대지 공간의 제약으로 C.I.P 최대 천공 규격은 직경 500㎜ 가 가장 널리 쓰이고 있다. 천공 규격에 적합한 크기 의 H형강은 H-300☓300☓10☓15이지만 대심도 굴착 설계 시 내력이 부족하여 H형강 간격(암반 천공 간 격)을 1.0m로 촘촘히 설치하는 경우가 빈번히 발생한 * (주)액트파트너‧ (주)하모니구조엔지니어링 대표, 건축구조기술사 Advanced Construction Technology Partner ‧ Harmony Engineering 다. 경제적인 흙막이공사를 위해서는 공사비에서 비중 이 큰 천공비와 자재비를 줄이는 것이 관건이다. 그러 므로 암반 천공 간격을 증가시키고 시공성, 경제성, 안 정성을 두루 갖춘 우수한 강재 기술 개발에 대한 요구 가 점점 증대되고 있다. 이러한 요구에 맞춰 ACT PILE은 <Fig. 1>과 같이 냉간 성형한 절곡 부재와 플 랜지 덧판을 접합하여 폐쇄형 단면을 만든 후 내부에 콘크리트를 충전한 합성 부재이다.ACT PILE은 주열식의 흙막이 공법(C.I.P)에 인장
(a) (b)
응력재로 사용하는 H Pile을 대체하는 신형상 엄지말 뚝이다. ACT PILE의 구성 요소는 크게 후판 플랜지, 성형 절곡재, 내부 철근, 콘크리트로 이루어지며, 성형 된 얇은 강판을 용접조립한 Built-up 단면이다. 이에 따라 강재와 콘크리트의 단면 효율이 향상되고, 동일 한 크기의 H형강과 비교하여 횡좌굴에 대한 저항력이 우수하다4). <Fig. 1 (b)>에서 ① 후판 플랜지는 12∼ 20㎜ 의 두께로 적용되며, 설계 조건에 따라 조정이 가능하다. ② 성형 절곡재는 6㎜의 강판을 냉간 성형 하며, 내부로 돌출된 리브를 가지고 있기 때문에 충전 된 콘크리트와의 일체화에 기여한다. ③ 내부 철근은 500MPa 강도의 SHD32 철근이 성형 절곡재의 리브 부분에 배근되며, 설계 조건에 의해 내력 보강이 필요 할 경우 일부 구간에 2∼4개가 적용된다. 철근은 성형 절곡재 내부에 용접하여 부착 고정된다.
2. ACT Pile 제작 및 지하 구축
ACT PILE은 공장에서 코일 강판을 수차례 롤 포밍(a) Formed steel (b) Embedment of re-bar
(c) Cut of flange (d) Fixed frame
(e) Tack welding (f) Regular welding
과정을 거친 성형 절곡재와 일정 크기로 재단된 후판 을 용접조립한다. 보강된 철근은 성형 절곡재 조립 전 일부 구간에 선부착된다. 일련의 제작 과정을 <Fig. 2> 에 나타내었으며, 현장에서의 시공 과정은 <Fig. 3>과 같다.
3. 이음부 휨 성능 평가
3.1 실험 계획 ACT PILE은 공장에서 일정 길이로 제작되며, 현장 조건에 따라 현장에서 용접이음하여 사용한다. 주로 덧판이음이 이루어지며, 필요에 따라서는 후판 플랜지 에 맞댐이음을 수행하기도 한다. 그러나 ACT PILE은 흙막이 벽에 엄지말뚝으로 사용되기 때문에 횡방향 으로 작용하는 토압에 대해 휨 성능으로 저항하며, <Fig. 4>와 같이 흙막이 벽 내부에서 슬래브로 지지되 는 지점에서 부모지하에 구축되는 파일은 슬래브와 슬래브 사이에서 정모멘트가 작용한다5),6). ACT PILE의(a) Bring on-site (b) Welded splices
(c) Drilling pile hole (d) Embedded pile
<Fig. 4> Boundary condition of ACT PILE 휨 성능은 선행 연구를 통해 검증되었으나 이음부에 대한 휨 성능 검증이 필요하다. 따라서 ACT PILE의 현장 이음 시 적용되는 덧판이음 방법 및 맞댐이음 방법에 대한 구조안전성을 검증하고, 덧판의 크기 및 내부 철근 이음부가 ACT PILE의 휨 성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 ACT PILE 이음부를 대상으로 휨 실험을 수행하였다. 실험체는 현장에서 사용량이 많은 ACT PILE(336☓ 250☓6☓15)을 적용하였으며, <Fig. 5>와 같이 강판 이음 상세(덧판이음, 맞댐이음)와 철근 이음 상세를 대 상으로 6개의 실험체를 제작하였다. <Table 1>에 실 험체 일람을 정리하였다. 실험에 적용된 재료는 24MPa() 강도의 콘크리트를 충전하였으며, ACT PILE과 덧판은 모두 항복강도(=347MPa)가 동일한 강종을 사용하였다. 덧판의 크기는 ACT PILE이 전단 면의 휨내력을 발휘할 수 있도록 하였으며, 현장 내 용접성을 고려하여 덧판 두께와 폭을 선정하였다. 맞 댐이음 시 후판 플랜지의 하부에 성형 절곡재가 없는 측부는 뒷댐재(Back bar)를 두어 후판 플랜지가 전단 면에서 용접되도록 하였다. 또한 성형 절곡재 내부에 부착된 철근이 이음부에 연속되는 경우 폐단면을 고 려하여 겹침이음 방법을 적용하고 있다. ACT PILE의 하부 절주에 부착된 철근을 겹침이음 길이만큼 길게 하고, 상부 절주 내부로 삽입하였다.
(a) ACT PILE section
(b) Splice detail
(c) Cover plate joint & Butt joint <Fig. 5> ACT PILE experiment detail
No. Flange
direction Re-bar Parameter
1 Upper
-Cover plate joint Flange: 210☓430☓18 Side: 190☓700☓12 Rib: 190☓730☓12 2 Bottom -3 Upper 2-HD32 4 Bottom 2-HD32
5 Upper 2-HD32 Butt joint
Side: 190☓700☓12 Rib: 190☓730☓12
6 Bottom 2-HD32
<Fig. 6> Experimental equipment 3.2 휨 성능 실험 결과 ACT PILE의 휨 실험값과 비교되는 설계값은 허용 응력에 의해 산정하는 허용응력설계법( )과 합 성 단면의 한계 상태에 의해 산정하는 한계상태설계 법()을 적용하여 계산된 설계값을 반영하였다. 허용응력설계법은 ACT PILE의 최외부에 있는 인장 요소가 항복변형율에 도달한 시점의 단면 변형율 분 포에 대해 휨 강도를 계산하며, 내부에 충전된 콘크리 트의 강도는 무시하고 계산한다. 이러한 계산값은 실 험값의 항복모멘트와 비교하였다. 또한 한계상태설계 법은 합성 단면의 소성응력분포법에 의해 전단면이 항복하여 항복응력을 발휘할 때의 휨 강도를 산정하 였다. 소성응력분포을 사용하여 소성휨강도를 계산할 경우에는 합성 단면의 중립축을 기준으로 압축측에 있는 충전된 콘크리트의 강도를 포함하였다. 실험값과 설계값을 각각 비교하여 <Table 2>와 <Fig. 7>에 정 리하였다. 실험 최대모멘트는 항복모멘트의 1.2~1.3배 를 나타내어 충분한 여유 내력을 확보하고 있다. 실험 값과 각 설계법을 비교한 결과, 항복모멘트()는 허 용응력설계값 대비 1.77~2.01배의 휨 강도를 나타내었 으며, 최대모멘트는 허용응력설계값 대비 2.17~2.41배 의 높은 휨 강도를 발휘하였다. 또한 최대모멘트는 한 계상태설계값 대비 1.19~1.2배의 높은 강도를 발휘하 였다. 따라서 ACT PILE의 휨 성능은 두 설계법에 의 해 계산된 휨 강도 대비 많은 여유 내력을 확보하고 있으며, 허용응력설계법을 적용한 단면 설계는 높은 구조안전성을 발휘한 것으로 판단된다. 결과적으로 No. (kNm) m ax (kNm) 1 516.0 630.7 275.5 505.8 2 552.8 663.0 275.5 555.4 3 716.3 898.4 379.6 699.8 4 672.7 861.6 379.6 710.9 5 673.5 825.3 379.6 699.8 6 692.3 904.1 379.6 710.9
<Table 2> Comparison of theoretical flexural strength and experimental value
(a) No. 1 (b) No. 2
(c) No. 3 (d) No. 4
(e) No. 5 (f) No. 6 <Fig. 7> Load-Displacement curve
에서 항복모멘트 대비 20% 이상의 높은 최대모멘트 를 나타내었다. 토압에 의해 부모멘트가 작용하는 경 우 후판 플랜지와 인장측의 덧판이 안정적으로 소성 화되었다. 또한 토압에 의해 정모멘트가 작용하는 경 우 상대적으로 얇은 강판을 사용하는 성형 절곡재의 국부좌굴에 의해 최대하중이 결정되었으나, 실험체 모 두 항복모멘트 이후에 성형 절곡재에 국부좌굴이 발 생하였다.
4. ACT PILE 적용 사례
지하 8층, 지상 10층 규모의 롯데백화점 안산점 (2018년 12월 완공) 신관 신축 공사 적용 사례를 소개 하고자 한다. 지하층 영구 슬래브를 이용하여 토압을 지지하는 지보 공법을 적용하였으며, 토사 구간에는 C.I.P 벽체, 암반 구간에는 SHOT CRETE로 흙막이 벽 체로 설계하였다. 굴착 깊이는 약 36.1~37.1m로 흙막 이가 필요한 여건이었다. 원 설계안은 H-Pile로 천공 간격이 1.5m, 제거식 어스앵커가 깊은 단면 기둥으로 설계되어 있었다. 여기에 철골량은 1,425ton, 공사비 는 31.0억 원으로 계획되었다. 그러나 휨 성능이 탁월 한 ACT PILE을 적용한 대안 설계 시 간격을 2m로 확장하여 제거식 어스앵거를 단축시키는 효과로 철골 량이 632ton, 공사비가 22.2억 원으로 단축되었다. 이 Excavation section Excavation plan Bird's-eye view
<Table 3> Field applications
로 인해 철골량은 약 793ton, 공사비는 약 8.8억 원을 감축시킬 수 있었다. 시공적 측면에서는 암반 천공 공 수 감소로 인해 주변 건물 민원이 감소되고, 공기가 단축되었다. 추가적으로 벽체 내력이 증가되어 최하층 흙막이 벽체 자립 높이가 증가되어 레어커 1단을 삭 제할 수 있었다.
5. 결언
성형된 강재를 조립하여 폐단면의 내부에 콘크리트 를 충전한 합성 단면의 ACT PILE은 단면 내부로 돌 출된 리브와 부착력에 의해 안정적인 합성 거동을 나 타내었다. 단면 항복 후 소성중립축이 압축부로 이동 하며 안정적으로 내부에 충전된 콘크리트를 포함한 합성 단면의 휨 거동을 나타내었다. ACT PILE은 재질이 얇은 철판을 절곡하여 내부에 콘크리트를 충전한 합성 부재로써 철근 보강 및 플랜Type Original plan(H Pile) Improvement plan(ACT Pile)
Concept Plan C.T.C @ 1000 C.T.C @ 1500 Size H-310☓310☓20☓20 (C.T.C @ 1,000) C.I.P : Φ500 (C.T.C @ 500) ▽-336☓250☓12☓19 (C.T.C @ 1,500) C.I.P : Φ500 (C.T.C @ 500) Altera-tion (Raker)
지 두께 조절에 따라 H형강 H-300☓300☓10☓15 강 재 대비 내력이 약 1.5∼2.5배 증가한다. 내부 콘크리 트의 구속 효과로 횡 좌굴에 있어 절대적으로 유리하 다. ACT PILE을 적용하면 엄지말뚝의 간격을 증가시 켜 암반 천공 공수 감소로 강재량을 절감할 수 있으 며, 암반 천공 시 진동 및 소음에 의한 민원 발생을 최소화 할 수 있다. ACT PILE을 사용한 흙막이 벽체 는 H형강을 사용한 흙막이 벽체보다 강성이 월등히 커서 토압으로 인한 휨모멘트 및 전단력의 저항력이 우수하다. 또한 역타 공법에서 흙막이 벽체로 작용하 는 수직 방향 축력, 어스앵커 공법에서 흙막이 벽체에 작용하는 수직 방향 축력에 대한 합성응력 검토 시 기존의 H형강에 비해 안정성이 매우 우수한 것으로 나타났다. ACT PILE을 사용하면 공기 단축, 민원 최 소화 및 흙막이 벽체 공사비 절감에서 더 나아가 흙 막이 벽체의 우수한 강성을 활용하여 지보재(STRUT, EARTH ANCHOR, RAKER 등)의 단수를 감소시켜 공사비를 추가적으로 절감할 수 있다. ACT PILE은 철판의 두께 및 철근을 자유자재로 변경하여 강성을 쉽게 조절할 수 있고, 연약지반에서부터 암반층까지 모든 지반에 시공이 가능하여 향후 많은 현장에 사용 될 것으로 기대한다.
References
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2. AASHTO(2011) AASHTO Guide specifications for LRFD Seismic Bridge Design, 2nd Edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, USA.
3. ACI(2008) Building Code Requirements for Structural Concrete, ACI 318M-08, American Concrete Institute, USA
4. Uy, B., & Bradford, M. A., “Elastic local buckling of steel plates in composite steel-
Vol.18, No.3, pp.193~200, 1996, doi: 10.1016/ 0141-0296(95)00143-3
5. Joint Transportation Research Program, Purdue University, (2001) Seismic Design of Deep Foundation(No. 6-14 -33)
6. Lee, M. J., Kim, K. M., Rhim, H. C., & Seo, G. B. (2010). Experimental Research on the Bearing Capacity of Helical Steel Pile with Sand and Weathering Soil. Proceedings of the 2010 AIK Annual Conference, Republic of Korea, pp.209~210
