Design Methodology on Steel-type Breakwater II. Pile Design Procedure

한 국 방 재 학 회 논 문 집 제11권 3호 2011년 6월

pp. 219 ~ 228

해안항만방재

철재형 이안제 설계기법 연구 II. 하부기초 설계 단계

Design Methodology on Steel-type Breakwater II. Pile Design Procedure

권오균*·오세붕**·권혁민***

Kwon, Oh Kyun · Oh, Seboong · Kweon, Hyuck-Min

···

Abstract

In this paper, the design procedure of substructure of the steel-type breakwater was described and the actual foundation design was performed for the test bed. The site investigation was executed at the Osan-port area, in Uljin, Gyeongbuk, where the steel-type detached breakwater is constructed. The foundation mainly depends on the lateral load and uplift force due to the wave force. Since the superstructure is stuck out about 9.0m from the ocean bed, the foundation must resist on the lateral force and bending moment. After considering various factors, the foundation type of this structure was determined by the steel pipe pile(φ711×t12mm). On the stability of pile foundation, the safety factors of the pile on the compressive, lateral and uplift forces were grater than the minimum factor of safety. The displacements of pile under the working load were evaluated as the values below the permissible ones. Based on the subgrade reaction method, we evaluated the relationship of subgrade reaction and dis-placement for the lateral and the vertical directions in the layers. The structural analyses along with the foundation were perfomed and the effect of pile foundations were compared quantitatively.

Key words : Steel-type breakwater, Site investigation, Steel pipe pile, Substructure design procedure

요

지

본 연구에서는 철재형 이안제를 설계하기 위한 하부기초의 설계과정을 제시하고, 시험시공 현장에 대한 실시설계를 실시하였 다. 본 구조물이 시험시공될 예정지인 경상북도 울진군 오산항 인근 해역에 대한 지반조사를 실시하였다. 대상기초는 압축력이 아닌 파력에 의한 수평력과 인발력에 의존한다. 상부 구조물이 해저면에서 약 9.0 m 돌출되어 있으므로 말뚝두부에 파력에 의 한 수평하중이 재하되며 휨강성에 대한 저항력이 중요하다. 검토 결과 철재형 이안제의 기초로 강관말뚝(φ711-12t)으로 결정하 였다. 외부하중에 대한 말뚝기초의 안정성을 평가한 결과, 연직지지력, 인발저항력 및 수평저항력은 기준 안전율보다 크게 나타 났다. 상용하중 작용시 발생되는 기초의 변위는 허용량 이내인 것으로 평가되었다. 지반반력법을 통하여 지층의 횡방향 및 축방 향 지반반력과 변위관계를 산정할 수 있었다. 이를 토대로 상부구조의 해석을 수행하고 결과를 정량적으로 비교하였다. 핵심용어 : 철재형 이안제, 지반조사, 강관말뚝, 하부기초 설계과정 ···

1. 서

론

방파제나 중력식 이안제는 해안으로 향하는 투과파의 에너 지를 저감시켜 정온화 해역을 창출하고 해안선을 보호할 수 있다. 그러나 높은 비율의 파랑에너지가 반사하여 구조물 전 면에서 중복파가 형성되어 해저면의 심각한 침식을 유발하고, 때로는 이로 인해 구조물의 붕괴까지도 초래하게 된다(기성 태 등, 2006). 또한 중력식 이안제의 경우 해수교환을 방해 하여 항내의 오염을 유발하고 해양생태계의 파괴를 가져오기 도 한다. 기존의 중력식 이안제의 대안으로 유공판을 이용한 해안보 호 구조물의 필요성이 대두되고 있다. 권혁민 등(2008)은 유 공판을 이용한 철재형 이안제를 제안하였다. 수리모형실험을 통하여 소파제에 해당하는 다양한 수평형 이열 조합판의 투 과율을 산정하였으며, 소파판의 폭을 결정할 수 있는 관계식 을 제안하였다. 소파판의 폭은 파장에 따라 결정하며, 목적에 따라 투과정도를 설정하므로 설계상 유연성을 가지고 있다고 판단된다. 제안된 철재형 이안제의 모습이 그림 1에 나타나 있으며, 이러한 유공 소파판으로 구성된 구조물의 하부구조 개발이 필요한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 철재형 이안제의 하부기초에 대한 설계과정을 제안하여 철재형 이안제 구조물 설계의 체계를 ***정회원·계명대학교 토목공학과 교수 (E-mail : [email protected]) ***영남대학교 건설시스템공학과 교수 (교신저자) ***정회원·경주대학교 철도건설환경공학과 부교수

구축하고자 한다. 그리고 시험 시공될 예정인 철재형 이안제 의 실제 기초 설계를 수행하고자 한다. 철재형 이안제는 소 파제, 이를 지지하는 기둥 및 하부기초로 구성되어 있는 구 조물이므로 각 요소 구조물에 대한 설계가 가능해야 한다. 그리고 철재형 이안제는 해안선 보호를 위한 공용성과 구조 물로서의 안정성을 동시에 만족하여야 한다. 동반논문을 통하 여 실해역을 대상으로 철재형 이안제의 축조를 위한 설계기 법을 단계별로 제안하고 있다(권혁민 등, 2011; 경주대학교, 2010). 이 연구에서는 안정성 확보에 해당하는 파압추정과 설 계과정, 기능성에 해당하는 최적 배치안을 위한 투과성 철재 형 이안제 후면에서의 해저면 변화, 상부구조물 설계 등을 서술하였다. 그리고 본 연구에서는 하부기초설계 과정에 대하 여 서술하였다. 철재형 이안제 설계에서는 기초말뚝의 역할이 상부구조 기둥보다 지배적이며 하부기초의 설계가 소파제의 투과율에 대한 성능평가와 함께 핵심적인 사항이라고 판단된 다. 통상적인 해양기초 설계 시에는 지중 말뚝의 가상 고정점 깊이를 산정하여 구조해석을 수행하거나 변위 형상에 상응하 는 말뚝 두부의 탄성 스프링계수를 구하여 지반-말뚝계를 모 델한다(대한토목학회, 1996). 이러한 기법으로는 지반-말뚝계 의 비선형적인 거동을 고려하기가 곤란하고 실제로는 입력치 를 도출하기 어려워서 경험적으로 추정해야 하는 문제가 발 생한다.

지반반력법(subgrade reaction method)은 횡하중 재하시 지 반-말뚝계를 스프링과 보로 모델하여 해석하는 기법을 의미 한다(Reese, 1983). 축하중이나 횡하중이 재하되는 말뚝은 지 반의 반력이 자유도에 따라 축방향 및 횡방향 스프링으로 모 델하여 해석한다. 본 연구에서는 지반반력을 스프링으로 모델 하는 해법을 총칭하여 지반반력해석으로 정의한다. 지반반력해석은 축하중 재하 말뚝과 횡하중 재하 말뚝을 상이하게 모델한다. 자유도에 따라 말뚝을 일축부재나 보로 모델하고 지반스프링을 축방향 및 횡방향으로 모델한다. 이 때 지반스프링은 해석결과에 핵심적인 역할을 하며, 임의의 깊이에서 층 요소(말뚝에서 충분히 먼 영역까지 거리에 이르 는 미소 두께의 지층) 영역에 대하여 자유도에 따른 지반반 력과 변위 관계로부터 할선 스프링계수를 정의한다. 본 연구 에서는 해양구조물의 하부기초를 해석하거나 설계하기 위하 여 지반-말뚝계의 거동에 대한 비선형 지반반력해석을 수행 하였다.

2. 하부구조의 설계

2.1 철재형 이안제의 하부구조 철재형 이안제 구조물은 그림 1에서 보는 바와 같이 소파 기능을 하는 유공판 부분 및 기둥부와 이를 지지하는 하부기 초로 구성되어 있다. 유공판은 일정 깊이로 수면에 잠겨져 있으며, 수평판과 경사판으로 구성된 2중 구조로 되어 있다. 두개의 소파판은 주보강재와 가로보강재로 연결되어 있으며, 유공판의 하부는 기둥으로 연결되어서 상부구조물에 작용하 는 외부하중을 하부기초로 전달하는 역할을 한다. 그리고 하 부기초는 상부구조물과 유공판에 작용하는 외부하중에 대하 여 지지하므로 해안선 보호라는 철재형 이안제의 기능을 유 지하기 위하여 주요한 역할을 한다고 볼 수 있다. 철재형 이안제의 전체적인 설계과정은 권혁민 등(2011)에서 설명된 바와 같이 먼저 수리성능검토단계, 상부구조물 설계단 계, 하부구조물 설계단계로 이루어진다. 먼저 수리성능 검토 단계에서는 수리모형실험, 수치해석 등을 통하여 적용대상 지 역에서의 설계파를 검토하여 유공판의 최적 배치안의 결정 및 파압검토를 통하여 구조물 전체에 작용하는 수직하중, 수 평하중, 인발하중 등의 외부하중을 결정하고, 상부구조 설계 단계에서는 유공판, 보강재, 기둥, 브레이스 등의 구조설계를 실시한다. 그리고 하부구조 설계단계에서는 적용대상 지역에 대한 지반조사를 실시하여 지층구성 및 각 지층의 물성치와 특성치를 결정하고, 수리성능검토 및 상부구조해석에서 결정 된 모든 외부하중에 대하여 적합한 말뚝의 종류 및 배치안과 각 외부하중에 대한 안정성 검토를 실시하여 최종 설계도면 을 작성하게 된다. 본 구조물은 해수에 접하게 되므로 재료 의 부식에 대한 검토도 수행되어야 한다. 이러한 철재형 이 안제의 하부구조 설계과정은 다음의 그림 2와 같다. 그림 1. 제안된 철재형 이안제의 형상 그림 2 철재형 이안제의 하부구조 설계과정 흐름도

2.2 말뚝기초의 설계 말뚝기초의 연직지지력을 결정하는 방법은 정역학적 공식, 현장시험 결과에 의한 경험공식, 파동방정식, 동역학적 공식, 정적 및 동적 재하시험, 기존 자료에 의한 추정방법 등이 있 다. 정역학적 공식에 의한 말뚝의 연직지지력은 주면마찰력과 선단지지력으로 구성된다. 주면마찰력은 말뚝두부에 전달된 하중이 말뚝표면을 따라 발생하는 전단력에 의해 발생되는 저항응력으로써, 말뚝의 설치 방법과 종류, 지반의 조밀상태 및 종류에 따라 상이하게 발생한다. 선단지지력은 지지층에 관입된 말뚝선단 압축하중 에 대한 지반반력으로 발생하는 저항응력으로 말뚝의 설치방 법과 선단지지층의 종류에 따라 다르게 발생한다. 정역학적 지지력공식에 의한 사질토 지반에 근입된 말뚝의 극한지지력 을 산정하는 대표적인 방법은 다음의 표 1과 같다. 말뚝기초의 침하량은 구조물 기초하중 재하시 발생하는 침 하량에 대해서 검토를 수행하며, 이때 발생하는 침하량은 허 용침하량 기준을 만족하여야 한다. 허용침하량 기준은 적용 대상 구조물과 시방서에 따라 다르게 된다. 말뚝기초의 침하 량은 말뚝두부의 최종침하량과 상부구조물의 허용침하량과의 비교·검토로 결정되므로 상부구조물의 형식, 사용재료, 중요 성 등을 고려하여 안정성을 결정한다. 일반적으로 말뚝 축방 향 사용하중(Qw)하에서 말뚝의 침하는 다음의 식 (1)과 같이 세 가지 요소에 의해 발생한다. S = S1+S2+S3 (1) 여기서, S는 말뚝의 총침하량이고, S1은 말뚝 자체의 탄성침 하량이고, S2는 말뚝 선단하중에 의해 발생하는 침하량이며, S3은 말뚝 몸체를 따라 전달되는 하중에 의해 발생하는 말뚝 의 침하량이다. 그리고 경험적 방법(Vesic, 1970)에 의한 침하량 산정식은 다음 식 (2)와 같으며, 여기서, D와 L은 말뚝의 직경(in.)과 지중에 매입된 길이(in.), Qa는 말뚝에 작용하는 하중(lb), Ap 는 말뚝의 단면적(in2_{), Ep는 말뚝의 탄성계수(lb/in}2_)이다. (2) 말뚝기초의 수평방향 안정성 검토는 상부구조물에 횡방향 하중 및 모멘트가 작용할 때, 이에 대한 반력으로 발생하는 응력 및 변위에 대한 검토를 실시하여야 한다. 따라서 말뚝 의 수평방향 안정성은 수평 외부하중에 의해 말뚝에 발생하 는 휨응력이 말뚝재료의 허용응력 이내가 되어야 하며, 말뚝 머리의 수평방향 변위량이 허용변위량을 초과하지 않는 조건 을 만족시켜야 한다. 말뚝의 수평방향 허용지지력은 먼저 지 반종류에 따라 말뚝거동 특성을 분석하여 긴 말뚝, 짧은 말 뚝 등으로 말뚝을 구분한 후, 토압론에 근거한 극한평형법 (Brom's method)과 허용 수평 변위량에 해당하는 하중으로 수평지지력을 산정하는 탄성지반반력법(Chang's method) 등 으로 결정한다. 파력에 의한 이완구조물에 하중재하시 상향력이 구조물에 작용하므로 말뚝인발력에 대한 검토가 필요하다. 파력에 의한 상향력과 각 말뚝에 대한 인발저항력 검토는 다음과 같다. 말뚝의 극한 연직인발지지력은 ASTM D-3689에 따라 시험말 뚝에 대하여 인발재하시험을 수행하여 구하는 것을 원칙으로 하지만, 부득이 시험말뚝에 대한 인발재하시험이 극히 곤란한 경우에는 압축정재하시험에서 측정한 극한주면마찰력(안전율 2.0 이상 적용)을 이용하거나 정역학적 지지력 산정공식(안전 율 3.0 이상 적용)으로 산정한다. 허용 인발지지력(Pa)은 다 음의 식 (3)과 같이 산정할 수 있다. (3) 여기서, Pu2는 정역학적 지지력 산정공식에 의한 극한인발력, n2는 안전율(n2≥ 3.0), W는 부력을 뺀 말뚝 자중과 상부구조 물 무게의 합이다. 본 연구에서는 시험시공 될 예정 부지에서의 기초구조물의 형식을 검토한 결과, PHC 말뚝의 경우 말뚝이음이나 휨강성 이 작고 풍화암 관입에 어려움이 있어서, 휨강성이나 지반조 건, 그리고 시공성 등을 고려하여 강관말뚝으로 결정하였다. 2.3 지반반력 해석 축하중 재하시 말뚝-지반계의 거동을 모의하기 위하여 말뚝 을 일축부재로 모델하여 탄성 스프링으로 고려할 수 있다. 그리고 말뚝주면의 지반은 깊이에 따라 상이한 비선형 스프 링으로 모델하고 말뚝 선단 직하부의 지반거동은 하나의 비 선형 스프링으로 모델할 수 있다. 이 때 t는 전이된 하중(단 위면적당 힘)을 나타내고 좌표 z는 말뚝 변위를 나타낸다. 지 반의 마찰저항은 t-z 관계, 선단저항은 Q-z 관계로 모델하면, 마치 말뚝을 선형스프링, 지반을 비선형 스프링으로 모델하는 것과 같다. S_t D 100 --- QaL A_pE_p ---+ = P_a Pu2 n₂ --- W+ = 표 1 정역학적 지지력 공식에 의한 말뚝의 극한지지력 결정 방법 방법 공식 비고 도로교표준 시방서 (1996) Qu= qdA + UΣlifi 구조물 기초 설계기준 (2009) Qu= qpAp+Σ fsAs _q사질토: p=σv'Nq 도로교설계 기준(2008) 사질토 암반 현장시험결 과를 이용한 방법 SPT(Meyerh of, 1976) PMT(Menar d, 1975) Reese & Wright (1977) 6.4N for N≤ 60, 380 for N > 60 _{선단지지력}사질토의 (t/m2) f_i= 0.28N for N≤ 53, f_i= 0.021(N-53) + 15 for 53 < N≤ 100 사질토의 주_면마찰력 Q_u q_pA_p πB (γ_iZ_i)β_i∆Z_i i=0 N

∑

+ = Q_u=N_msC_oA_p+πB_rD_r(0.144q_SR) Q_u=mN₆₀′A_p+nN₆₀A_s Q_u=[P_oh+k_g(P_L–P_oh)]A_p+f_sA_s

지반반력해석시 필요한 t-z 곡선과 Q-z 곡선은 통상적으로 최대값으로 규준화된 형태로 나타난다. 즉 (t/tmax)-z 및 (Q/ Qmax)-z 곡선으로 나타난다. 이때 tmax는 단위 마찰지지력(fs) 을 의미하며 Qmax는 극한선단지지력(Qp)을 나타낸다. 따라서 지반반력해석 시에 극한지지력을 산정하기 위해서는 (t/tmax)-z 및 (Q/Qmax)-z 곡선의 y축에 각각 fs와 Qp를 곱하여 입력해 야 한다.

API(American Petroleum Institute, 1993)에서는 해양구조 물 하부기초 설계시 연직말뚝의 공용성을 평가하기 위한 하 중전이 곡선을 제시하였다. 점성토의 경우에는 Coyle & Reese(1966), 사질토의 경우에는 Coyle & Suliaman(1967)의 t-z 곡선을 제시하였다. API 규준(1993)에서는 단위지지력을 표 2와 같이 도출한다. 지지력계수 Nq는 API 규준에 대략적 인 값들이 수록되어 있다. 횡토압 계수 K는 항타된 개단말뚝 에서는 토압계수가 대략 0.8이며, 폐색 또는 폐단 말뚝에서는 1.0으로 가정한다. 그리고 장말뚝의 경우에는 한계깊이 이하 에서는 API 규준에 수록된 한계 마찰저항을 이용한다(표 3 참조). 횡하중에 대한 지반반력법은 지반스프링을 선형 또는 비선 형으로 모델하여 해석적이거나 수치적으로 해를 구할 수 있 다. 임의의 깊이에서 지반반력 p는 말뚝으로부터 무한영역까 지의 응력분포의 총합으로 나타나는 말뚝 단위길이당 힘이다. 이때 말뚝의 수평변위 y에 따른 지반반력 p의 변화를 p-y 곡선으로 정의할 수 있다. O'Neill과 Murchinson(1983)에 의하면 지반의 물성치 γ', H, φ', b 등을 획득하고, 이에 따른 지반의 극한지지반력을 식 (4)와 (5)에 따라 다음과 같이 산정한다. 여기서, pus는 얕은 깊이에서의 극한지지반력, pud는 깊은 깊이에서의 극한 지지반력을 뜻하며, 두 값이 같아지는 한계깊이를 기준으로 해당하는 깊이에서의 극한지지반력을 계산한다. 이때의 계수 C1, C2 및 C3는 마찰각 φ'에 따라 다음의 식 (6)~(8)과 같 이 계산된다. (4) (5) (6) +Kotanβ (tanφ sinβ − tanα)

(7) C3=Ka(tan8β − 1) + Kotanφ tan4β (8) p-y 곡선은 하나의 곡선으로 설정하며, 이때의 각 상수들은 지반의 물성치, 하중의 성격 및 말뚝의 형태에 관련되어 정 해진다. (9) 여기서, A는 재하속성에 따른 상수로 반복하중에서는 0.9, 정 하중에서는 (3.0-0.8 H/b)로 0.9이상으로 제한하여 적용한다. 또한 k는 마찰각 φ'에 따라 정해지는 상수이며, pu는 극한지 지반력이다.

3. 실해역 대상 하부구조의 설계 예

3.1 지반조사 현장에 적용되는 철재형 이안제 구조물을 설계하기 위하여 본 연구에서는 철재형 이안제가 시험시공될 예정지인 경상북 도 울진군 원남읍 오산항 인근 해상에 예인선을 이용하여 수 심 측량을 실시한 후, 지반조건 및 지반물성치와 특성치를 평가하기 위하여 총 4공의 지반조사를 수행하였다. 지반조사 결과, 철재형 이안제가 시험시공될 예정지역의 지반조건을 살 펴보면, 조개껍질을 함유한 조밀한 실트질 모래층(SP-SM)이 존재하며 그 하부에 연암층이 나타나는 것으로 확인되었다. 수심측량 결과와 시추주상도를 이용하여 작성된 수심깊이 와 상부 모래층 두께에 대한 등고선도가 그림 3과 그림 4에 나타나 있으며, 지반조사 결과 각 시추공에서의 시추주상도가 그림 5에 나타나 있다. 이러한 결과들을 고려하여 철재형 이 안제의 시공 예정위치를 수심 9.0 m지점으로 결정하였다. 시 공 예정위치에서 상부 모래층의 두께는 약 13 m로 분포하고 있는 것으로 나타났다. 모래층의 경우에는 N값이 지표부근 5 m 상부에서는 30 정 도, 그 하부에서는 50으로 나타났으며 평균 N값은 47이었다. 이를 토대로 설계에 적용되는 지반정수는 Peck의 제안치(권 p_us=(C₁H C+ ₂b)γH p_ud=C₃bγH C₁ Kotanφ sinβ tan(β φ– )cosα --- tanβ tan(β φ– ) --- tan( β tanα) + = C₂ tanβ tan(β φ– ) --- K+ _a = p Ap_utanh kH Ap_u ---y ⎝ ⎠ ⎛ ⎞ = 표 2 API 구준에 따른 단위 마찰지지력 및 선단지지력 구분 단위 마찰지지력 단위 선단지지력 점성토 f =α c*1 q = 9c*2 사질토 f = K tan δ*3 q = N_q*4 *1)α = 0.5ψ-0.5 if ψ ≤ 1.0, α = 0.5ψ-0.25 if ψ > 1.0, 여기서 ψ = , α ≤ 1, = 유효상재하중 *2) c =비배수 전단강도 *3) K =횡토압 계수, δ = 지반-말뚝간 마찰각, = 유효상재하중 *4) N_q=지지력 계수 표 3 API 구준에서 사질토에 대한 설계계수 지층 구분 말뚝- 지반 간 마찰각 (deg) 극한단위 마찰저항 (kPa) 극한단위 선단저항 (MPa) 지지력 계수 (N_q) 매우 느슨한 상태에서 중간 정도의 모래나 실트 15 47.8 1.9 8 느슨한 상태에서 조밀한 상태의 모래나 실트 20 67.0 2.9 12 중간 정도에서 조밀한 상태의 모래에서 모래질 실트 25 83.1 10.8 20 조밀한 상태에서 매우 조밀한 상태의 모래에서 모래질 실트 30 95.5 9.6 40 조밀한 상태에서 매우 조밀한 상태의 자갈에서 모래 35 110.8 12.0 50 p_o p_o c p⁄ p p_o

호진 등, 2007) 범위에서 표 4와 같이 보수적으로 설정하였 다. 3.2 철재형 이안제에 작용하는 외부하중의 결정 본 연구에서 철재형 이안제 예정지의 지반조건에서는 해파 방지 구조물을 말뚝두부에 설치해야 하는 시공조건상 깊은기 초가 적합한 것으로 판단되었다. 이에 본 구간에 적용 가능 한 말뚝재료를 선정함에 있어 지층조건, 현장조건, 구조물 하 중, 시공성 및 경제성 등을 종합적으로 고려하였으며, 특히 본 구조물에 작용하는 파력에 대한 저항특성을 고려하고 횡 방향 저항력을 고려하여 휨저항성이 큰 강관말뚝으로 선정하 였다. 설계에 적용된 강관말뚝은 직경 711 mm, 두께 12 mm 이다. 경주대학교(2010)의 연구에서는 소파판 자중, 구조물의 입 사파력, 소파판에 작용하는 압력을 고려하여 세 가지의 하중 조합을 적용하였다. 여기서 Case 1은 수리모형실험 결과에서 각 측정위치별 최대 압력을 이용하여 하중을 산정하여 조합 한 경우이고, Case 2는 일정시간에 최대 파압이 작용하는 파 압분포를 계산하여 조합한 것이다. 하중조합 1=(구조물 자중)+(입사파의 파력) 하중조합 2=(구조물 자중)+(입사파의 파력) 하중조합 2+(소파판의 압력: Case1) 하중조합 3=(구조물 자중)+(입사파의 파력) 하중조합 3+(소파판의 압력: Case2) 여기서 구조물의 자중은 부력의 효과를 고려한 것이다. 입사 파가 구조물에 미치는 하중계산에는 일반적으로 사용되는 Morison 방정식을 이용하는데, 본 연구에서는 사용 프로그램 에서 자동 계산하였다. 소파판 평면에 수직으로 작용하는 압 력은 동반 연구의 수리모형실험 결과(권혁민 등, 2011)로부터 산정하였다. 소파판에 작용하는 압력은 두 가지의 최대하중상 태에 대해 고려하였다. Case 1은 수조실험에서 구한 측정위 치별 최대 파압들의 조합이고, Case 2의 경우는 시간대별 최 대파압을 분석하여 8.3초 일 때의 압력 분포로 선택하였다. 하중의 수치 모델을 위해 실험에서 측정한 5개 위치의 파압 자료를 등가분포하중으로 변환하였다. 이를 위해 소파판 폭 12 m를 0.75 m 간격으로 분할하고, 그림 6 및 그림 7과 같 이 변환하였다. 구조해석에는 유한요소 해석 프로그램인 SAP2000을 사용 그림 3. 수심도 그림 4. 상부 모래층후도 그림 5. 시추주상도 표 4 설계에 적용된 지층의 지반정수 구분 단위중량_(kN/m3₎ 내부마찰각₍o_{) (kN/m}점착력2₎ 모래층 17.6 35 -연암 19.8 40 29.4 그림 6. 소파판에 작용하는 등가 하중분포(case 1) 그림 7. 소파판에 작용하는 등가 하중분포(case 2)

하였다. 소파판과 주보강재는 쉘요소를, 측면보강재, 기둥, 브 레이스는 프레임 요소를 사용하여 그림 1과 같이 3차원 유한 요소 모델을 구성하였다. 앞에서 제시한 세 가지 하중조합을 적용하였고, 입사파에 대한 파랑하중은 프로그램에서 입력하 였으며, 소파판에 작용하는 압력은 등가 분포하중을 절점력으 로 환산하여 재하하였다. 지지력을 검토하기 위하여 지점 경 계조건은 기둥 지점을 고정단으로 가정하여 지반에 위치하는 기둥 단부의 절점에 대해 전체 자유도를 구속하였다. 이러한 결과로 강관말뚝에 작용하는 최대 연직하향력은 369.2 kN이 고, 최대 연직상향력은 403.7 kN으로 평가되었다. 말뚝 1개당 작용하는 수평력의 최대 크기는 약 40.8kN으로 평가되었으며, 말뚝두부에 작용하는 최대 모멘트는 14.6 kN²m로 산정되었다. 3.3 말뚝기초의 지지력 검토 말뚝기초의 연직지지력은 시공방법 및 지지층의 지반특성 에 따라 산정방법을 다양하게 검토할 수 있으며, 본 연구에 서는 강관말뚝이 상부 모래층 13.3 m를 관통하여, 하부 연암 층 1.0 m에 근입하는 것으로 검토하였다. 본 연구에서는 표 1에서 제시된 말뚝기초의 허용지지력은 도로교표준시방서, 구 조물기초설계기준 및 도로교설계기준 방법, 현장시험결과를 이용하는 방법 등의 방법으로 말뚝의 지지력을 산정하였으며, 각 방법으로 산정된 말뚝기초의 연직하중이 표 5에 나타나 있다. 말뚝기초의 지지력은 직경 711 mm, 두께 12 mm의 강 관말뚝에 대하여 평가하였으며, 표 5에서 보는 바와 같이 각 방법에 의한 연직하중은 최대 작용하중 369.2 kN에 대하여 충분히 안전한 것으로 검토되었다. 철재형 이안제에 외부하중 작용시 말뚝기초에 발생하는 침하량에 대한 검토를 수행하였 다. 말뚝기초의 침하량은 구조물기초설계기준(2003)과 경험적 방법(Vesic, 1970)에 의하여 검토하였으며, 그 결과가 표 6에 나타나 있다. 이 표에서 보는 바와 같이 발생 침하량은 각각 9.1 mm와 7.7 mm로 나타났으며, 이 값들은 허용침하량 (25.4 mm) 이내이므로 본 연구에서의 철재형 이안제 구조물 은 침하에 대하여 안전한 것으로 평가되었다. 말뚝기초의 수평방향 안정성 검토는 다음과 같이 실시하였 다. 본 연구에서의 철재형 이안제는 해저면에서 9 m 돌출되 어 수평하중과 모멘트를 받고 있으므로 이에 대한 말뚝본체 의 안정성을 평가하여야 된다. 말뚝두부변위, 말뚝의 지표면변 위, 최대휨모멘트 등을 구분하여 산정할 수 있으며, 말뚝에 발생하는 휨모멘트를 산정하여 말뚝본체의 안정성도 검토할 수 있는 h(돌출높이)>0인 조건에서 탄성지반반력법(Chang's method)과 극한평형법(Brom's method)을 적용하여 검토하였 다. 본 연구에서 시험시공 될 철재형 이안제에 대한 수평지 지력과 수평변위 산정 결과는 표 7에 나타나 있다. 이 표에 서 보는 바와 같이 말뚝 1본의 허용 수평하중은 작용 수평 력 40.8 kN에 비하여 훨씬 크게 나타났고, 수평방향 발생 변 위도 허용변위 이내이므로 철재형 이안제의 말뚝기초는 수평 방향에 대하여 안정한 것으로 평가되었다. 철재형 이안제의 말뚝기초의 인발력에 대한 안정성 평가 결과, 말뚝 1본에 작용하는 허용 연직인발하중은 482.9 kN으 로 산정되었으며, 이는 철재형 이안제 구조물에 작용하는 외 부작용 인발력 403.7 kN에 대하여 충분히 안전한 것으로 평 가되었다. 3.4 지반반력해석 본 연구에서는 철재형 이안제 구조물이 설치될 예정지에 대하여 지반반력해석법을 실시하였다. 해석에 적용된 입력자 료들은 다음 표 8과 같으며, 사질토층 하부 암반에 근입된 효과에 대해서는 무시하였다. 사질토증의 내부마찰각은 35o_이 며, 단위중량은 19.1 kN/m3_{이다. 사질토층에 대하여 N값은} 평균 47정도이고 마찰각 φ를 보수적으로 평가한 것을 고려하 여 지반-말뚝간의 마찰각 δ는 마찰각의 0.9φ로 설정하였다. 그 외의 물성치는 API규준에서 마찰각 φ에 따라 제시한 값을 적용하여 사질토의 하중전이관계를 산정하였다(표 3 참조). 축하중에 대한 하중-변위관계를 계산하기 위하여 t-z 곡선 은 API 규준에 근거하여 그림 8과 같이 산정되었다. 그림 9 는 지반반력 해석 시 나타난 말뚝두부에서의 축하중-침하 관 계를 보여주고 있다. 주요한 축하중은 인발방향이므로 선단저 항을 무시하고 마찰저항만을 고려하였다. 지반반력해석 결과 에 의하면 865kN에서 극한 상태에 도달한 것으로 나타났으 표 5. 말뚝기초의 연직하중 산정 결과 해석 방법 허용지지력 허용압축응력에 의한 방법 2,853.8 kN 일축압축강도를 이용한 방법 1,433.7 kN 공내재하시험을 이용한 방법 1,594.5 kN 도로교 표준시방서에 의한 방법 1,800.3 kN 구조물 기초설계기준에 의한 방법 1,745.4 kN 표 6. 말뚝기초의 침하령 검토 결과 구분 발생침하량 침하량전체 (mm) 허용 침하량 (mm) 결과 S₁ S₂ S₃ 구조물기초 설계기준 0.96 7.50 0.66 9.1 25.4 O.K. 경험적인 방법 - - - 7.7 25.4 O.K. 표 7. 말뚝의 수평저항력과 수평변위 산정 결과 지지력 산정 방법 허용수평하중_(kN/본) 수평변위_{산정 방법} 수평변위_(mm) 극한평형법 (Broms, 1964) 244.1 _{계수가 일정한 경우}수평지반반력 0.20 허용변위에 의한 방법(Chang, 1937) 1,224.0 깊이에 비례하는 경우수평지반반력계수가 0.30 표 8. 지반반력 해석 시 주요 계수 말뚝제원 t-z곡선 계수a p-y곡선 계수b 지름 (mm) 두께 (mm) 길이(m) 탄성 계수 (kPa) δ K Nq 최대 마찰 (kPa) k (kPa) 711 12 13 2.0E8 32o 1.0 40 95.5 21,400 a) K = 횡토압계수, δ = 지반-말뚝간 마찰각 b) k = 횡방향 초기 지반반력계수

며, 이러한 결과로부터 적절한 하중 수준의 할선 기울기를 이용하여 축하중을 구할 수 있다. 본 연구에서 수행된 지반반력해석에 의한 수평방향 지반반 력계수에 의거하여 p-y 곡선은 그림 10과 같이 산정되었다. 말뚝 두부의 횡하중-변위 관계는 다음의 그림 11과 같이 나 타났다. 이러한 결과로부터 횡하중에 대한 스프링 계수를 산 정할 수 있다. 축방향 및 횡방향 지반-말뚝계의 응답결과를 이용하여 구조-지반계에서 경계조건으로 지반 스프링을 모델 하여 설계할 수 있다. 깊이에 따른 단면 모멘트는 다음의 그림 12와 같이 나타난 다. 공용하중이 매우 작으므로 말뚝 단면력은 별 무리가 없 는 것으로 검토되었다. 지반-말뚝계의 경계조건을 그림 13과 같이 1)고정단, 2)단 부 스프링모델, 3)말뚝 스프링 모델로 설정하였다. 고정단의 경우는 상부구조 기둥의 단부 절점에 대한 모든 자유도를 구 속한 경우이다. 기둥단부 단순스프링 모델은 기초말뚝 두부의 스프링 강성을 적용한 것으로 말뚝기초 스프링 모델을 단순 화한 것이다. 말뚝기초 스프링 모델은 말뚝기초의 지지력을 기초 깊이별로 고려하여 형상화한 것이다. 지반반력해석 결과, 말뚝 두부에서의 스프링계수는 공용하 그림 8. API에 의한 t-z 곡선 그림 9. 지반반력 해석시 말뚝두부의 인발하중-변위 관계 그림 10. 깊이에 따른 p-y 곡선 그림 11. 말뚝두부에서 횡하중-변위 관계 그림 12. 깊이에 따른 말뚝의 단면 모멘트 분포 그림 13. 지반 경계 조건

중이 매우 작아서 선형적이었으며 표 9와 같이 나타났다. 깊 이에 다른 스프링계수는 표 10과 같이 나타났으며 t-z 곡선 과 p-y 곡선의 선형구간으로부터 구할 수 있었다. 구조해석은 SAP2000 프로그램을 이용하였으며, 소파판과 주보강재는 쉘 요소로, 측면 보강재와 기둥은 프레임 요소로 구성하였다. 세 가지 지점경계조건에 대해 하중조합별 구조해 석을 수행하였으며, 해석 결과 그림 14에서 보는 바와 같이 소파판과 소파판 보강재 해석결과에서 지점 경계조건이 고정 단인 경우와 기둥단부 스프링 모델의 경우에는 구조거동이 거의 유사하게 평가되었다. 기초파일을 스프링으로 모델한 경 우에는 하중조건 1과 3에서 최대 응력값이 증가하였다. 단, 판의 변형거동은 모든 경우에 유사하게 산정되었다. 한편 기둥 해석결과에서는 다른 지반조건에 비해 기초파일 스프링 모델에서 응력이 크게 발생하였고, 특히 변형량의 증 가가 두드러졌다. 하지만 기초파일과 동일한 단면으로 기둥을 설계하였기에 기둥의 강성이 매우 커서, 설계 결과에는 큰 영향을 주지 못했다. 해석결과에서 고정단 모델과 기둥단부 스프링 모델은 전체적 거동이 유사하게 평가되었으나, 기초파 일 스프링 모델에서는 응력이나 변위값이 증가하는 경향을 보여 지반모델이 상부구조 거동에 영향을 미치는 것이 확인 되었다. 하지만 자중, 파력, 측정위치별 최대압력으로 조합한 하중조합2의 경우에는 지점의 경계조건과는 상관없이 구조해 석결과를 구할 수 있었다. 계산된 설계과정을 통해 최적 단면을 제시하였고, 하중 조 합별 해석 결과로부터 소파판에 작용하는 수직압력이 설계의 주요인자임이 확인되었다. 또한 기초파일의 효과를 반영하여 지반 경계조건에 따른 해석결과를 비교하였다. 자중, 파력, 측 정위치별 최대압력으로 조합한 경우에는 지점의 경계조건과 는 상관없이 구조해석 결과를 구할 수 있었지만, 정밀해석을 위해서는 지반조사 결과를 바탕으로 한 스프링 지반-구조계 모델이 필요하다는 것이 확인되었다. 3.4 철재형 이안제의 말뚝기초 설계도면 본 연구에서 제안된 설계과정에 따라 말뚝기초의 지지력에 대한 안정성을 평가하고, 침하에 대한 검토를 수행한 후, 최 종 철재형 이안제에 대한 설계도면의 정면도, 측면도 및 평 면도를 그림 15에 제시하였다. 표 9. 기둥단부 스프링모델을 위한 스프링계수 구분 스프링 계수 kx, ky 75,251 kN/m kz 195,794 kN/m Mx, My 299,699 m·kN/rad 표 10. 기초파일 스프링 모델의 스프링 계수 깊이(m) 스프링 계수 (kN/m) k_x, k_y k_z 0.1 2,656 2,127 1 26,529 21,295 5 132,623 106,457 10 986,370 423,673 14.3 4,755,323 1,130,283 그림 14. 지점조건에 대한 소파판의 유한요소해석 결과(t=20 cm) 그림 15. 철재형 이안제의 설계 도면

4. 결

론

본 연구에서는 철재형 이안제의 하부구조에 대한 설계기법 단계를 제안하고, 본 구조물이 시험 시공될 현장에 대한 실 시설계의 사례를 논의하였다. 본 구조물이 설치될 예정인 경 상북도 울진군 오산항 인근 해역에 대한 지반조사를 실시하 고, 그 결과를 이용하여 하부구조의 설계를 검토하였으며, 말 뚝기초의 안정성을 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 검토구간에 적용되는 기초는 말뚝의 연직지지력이 아닌 파력에 의한 수평지지력과 변위 및 인발지지력이 중요하 며, 특히 본 구조물이 해저면에서 9.0 m 돌출되어 있으 므로 말뚝두부에 파력에 의한 수평하중이 재하되므로 휨 강성을 중점적으로 검토하였다. 검토 결과 본 연구에서 는 철재형 이안제의 기초로 파력에 의한 수평저항력, 인 발력 등을 모두 만족하고 휨강성이 큰 강관말뚝(Φ711-12t)으로 결정하였다. 2) 철재형 이안제의 하부기초에 대한 설계기법 단계를 제안 하였으며, 지반조사 결과를 근거로 외부하중에 대한 말 뚝기초의 안정성을 평가한 결과, 연직지지력, 인발저항력 및 수평저항력은 기준 안전율 보다 크게 나타났고, 외부 하중 작용시 발생되는 기초의 침하는 허용침하량 이내인 것으로 평가되었다. 3) 지반-말뚝계의 해석을 통하여 극한하중과 허용하중 계산, 단면력 검토, 지반-말뚝계의 응답해석 등을 수행할 수 있다. 특히 말뚝두부에서의 스프링계수를 산정하였고 이 를 이용한 구조해석을 수행하였다. 고정단인 경우 및 깊 이에 다른 스프링계수를 이용한 경우의 결과와 비교하였 다. 이를 통하여 지층의 특성을 합리적으로 고려한 하부 기초의 설계를 수행할 수 있었다. 4) 본 연구에서 제시된 순서에 따라 하부기초의 설계를 수 행한 다음, 시험 시공될 철재형 이안제의 말뚝기초 설계 도면을 제시하였다.

감사의 글

본 연구는 국토해양부 지역특성화연구개발사업의 연구비지 원(05지역특성 B04-01, 2005~2010)에 의해 수행된 성과 중 일부이며, 연구비 지원에 깊이 감사드립니다.

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◎ 논문접수일 : 11년 03월 23일 ◎ 심사의뢰일 : 11년 03월 29일 ◎ 심사완료일 : 11년 05월 30일