한국지반공학회논문집 제33권 12호 2017년 12월 pp. 107 ～ 113 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.33, No.12, December 2017 pp. 107 ～ 113
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2017.33.12.107
PHC-W 흙막이를 활용한 건축영구벽체에서 PHC-W말뚝과 증설벽체를 합벽시키는 전단연결재의 인발거동에 관한 연구
A Study on the Pullout Behavior of Shear Connectors which Fix the Additional Wall to the PHC-W Piles in the PHC-W Type
Permanent Building Retaining Wall
진 홍 민1 Jin, Hong-min 김 성 수2 Kim, Sung-su 최 정 표3 Choi, jeong-pyo 최 용 규4 Choi, Yongkyu
Abstract
Shear Connector should be used to fix the PHC pile with extension wall in order to utilize PHC-W retaining wall as permanent wall. The pullout behaviours on shear connectors anchored into PHC-W pile were observed as two modes.
The first type behaviour showed that after reaching the maximum pullout resistance, the anchorage was broken and shear connector was pulled out abruptly. The second type behaviour showed that even after arriving the maximum pullout resistance, the anchorage was not destroyed and there was a progressive increase in pullout displacement. The maximum pullout resistance of the steel anchor shear connector is larger than that of deformed bar shear connector. The larger the diameter and the longer the embedment length of shear connector, the higher the maximum pullout resistance would be. The pullout displacements corresponding to the maximum pullout resistance of the shear connector showed various ranges regardless of the materials, the diameters and the anchoring lengths. A-D20 shear connectors showed a pull-out displacement of about 8～10 mm. A-D16, D-D19 and D-D16 shear connectors exhibited a pulling displacement of about 14～20 mm, but a pulling displacement of about 6～10 mm when the anchoring lengths were 50 and 80 mm.
요 지
PHC-W 흙막이를 건축영구벽체로 활용하기 위해서 전단연결재를 이용하여 PHC-W말뚝과 증설벽체를 일체화 시켜 야 한다. 전단연결재의 인발 거동은 2가지 인발 거동 유형으로 나타났다. 첫 번째 인발 거동 유형은 최대 인발저항력에 도달한 이후 정착부가 파괴되어 전단연결재가 정착부위에서 뽑혀 나오는 인발변위 거동을 나타내었다. 두 번째 인발 거동 유형은 최대인발저항력에 도달한 이후에도 정착부가 파괴되지 않고 인발변위가 점진적으로 증가하는 거동을 나타내었다. 최대 인발저항력은 강재 앵커 전단연결재가 이형 철근 전단연결재보다 크게 나타났다. 동일 재료의 전단 연결재에서는 직경이 클수록 그리고 정착 길이가 길수록 최대 인발저항력은 큰 값을 나타내었다. 최대인발력에 상응 하는 인발변위는 재료, 직경 및 정착길이에 상관없이 다양한 범위를 나타내었다. 즉 A-D20 전단연결재의 경우 8～
1정회원, 무성토건(주) 과장 (Member, Manager, Musung Construction Co., Ltd.)
2정회원, 무성토건(주) 전무이사 (Member, Senior Managing Director, Musung Construction Co., Ltd.) 3정회원, 무성토건(주) 차장 (Member, Deputy General Manager, Musung Construction Co., Ltd.)
4정회원, 경성대학교 건설환경도시공학부 교수 (Member, Prof., School of Civil, Environmental & Urban Engrg. Kyungsung Univ., Tel.: +82-51-663-4753, Fax.:
+82-51-621-0728, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
*본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 6월 30일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
Copyright © 2017 by the Korean Geotechnical Society
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Fig. 1. Overview of PHC-W retaining wall method
(a) Conventional method (b) PHC-W method
Fig. 2. The permanant building retaining wall
10mm이었으며 A-D16, D-D19 그리고 D-D16 전단연결재의 경우 14～20mm이었는데 정착길이가 50, 80mm에서는 6～10mm로 나타났다.
Keywords : The PHC-W retaining wall method, The PHC-W type permanent building retaining wall, PHC-W pile, Pullout test, Steel anchor, Deformed bar, Shear connector, Maximum pullout force
1. 서 론
일반 원형 PHC말뚝의 단면 형상을 개량하여 PHC-W 말뚝을 개발하였으며(Fig. 1 참조), PHC-W말뚝의 연결 부는 연속시공에 유리할 수 있도록 오목부와 볼록부로 이루어졌다. PHC-W 흙막이는 주열식 가시설이며, 겹침 부에 지하수유출을 차단하기 위해 차수재를 설치함으 로서 별도의 차수공법이 필요하지 않은 공법이다(Choi, 2014).
PHC-W 흙막이 겸용 건축영구벽체(PHC-W type P.B.R.W.;
The PHC-W type permanent building retaining wall)의 개념도를 Fig. 2에 나타내었다. 일반적인 흙막이 가시설 의 경우 흙막이 벽체를 임시 가설용 부재로 시공하여 터 파기 시에만 사용하므로 건축용 벽체를 별도로 시공하
여 안정성을 확보 하여야 한다(Fig. 2(a) 참조). PHC-W 흙막이 공법의 경우 PHC-W흙막이를 시공하여 굴착을 실시한 후 200mm 내외의 두께를 가지는 증설벽체를 추 가로 시공하여 건축용 영구벽체로 사용할 수 있다(Fig.
2(b) 참조). 이 경우 PHC-W말뚝을 공장에서 제작하여 현장에 설치하기 때문에 품질이 균질하고 내구성이 우 수하므로 건축물의 지하 외부 벽체로 활용할 수 있어 경제적이고 공기를 단축할 수 있다.
PHC-W 흙막이 공법을 건축영구벽체로 활용하기 위 하여 PHC-W말뚝과 증설벽체는 전단연결재를 이용하 여 일체화 시켜야한다(Fig. 3 참조). PHC-W흙막이 벽체 를 연구벽체로 활용하기 위해선 인발 거동 뿐만이 아니 라 전단, 휨, 내진 거동에 대한 검토도 이루어져야 하지 만 이 연구에서는 전단연결재에 대한 모형실험만을 수
Fig. 3. Overview of connection between PHC-W piles and slab
(a) Anchor D20 & D16 (b) Reinforcing bar D19 & D16
Fig. 4. Shear connectors
Table 1. Characteristics of shear connectors (Byun et al., 2002)
Type Diameter (mm) Material Length (mm) Elastic modulus (MPa)
Steel anchor 16 SS400 500 205,000
20 SS400 500 205,000
Deformed bar 16 SD400 500 205,000
19 SD400 500 205,000
행하였다. 다른 항목에 대한 검토는 수치해석, 실물을 모사한 휨 및 전단모형실험 등을 통하여 향후 진행할 계획이며 차후 공식적으로 보고할 예정이다.
이 연구에서는 PHC-W말뚝과 증설벽체를 일체화시 키는 데 사용하는 전단연결재의 인발 특성을 인발실험 을 통하여 연구하였다.
2. 전단연결재의 인발시험 계획
2.1 전단연결재
PHC-W말뚝 흙막이를 활용한 건축영구벽체공법에서
는 PHC-W말뚝에 천공을 하여 전단연결재를 이용하여 증설벽체와 일체화시켜야 한다. 전단연결재로서 강재 앵커 또는 이형 철근 등의 일반적인 구조용 부재를 사용 하였으며, 그 제원을 Fig. 4와 Table 1에 나타내었다.
콘크리트 구조물을 이음타설 할 때 일반적으로 철근 을 빼놓고 이음타설을 이어가지만 철근을 빼놓을 수 없 을 때는 케미컬앵커를 시공하여 이음타설을 한다. 따라 서 PHC-W말뚝을 흙막이로 적용한 후 건축영구벽체로 활용할 경우에 증설벽체와 일체화 시키기 위하여 케미 컬앵커를 이용하여 이음타설을 하여야 하는데 전단연 결재용 앵커부재로는 강재 앵커와 이형철근을 선정하 였다.
2.2 인발시험 계획
전단연결재의 인발 거동은 부재 종류, 부재 직경 그 리고 정착 길이에 따라 달라진다고 예상되었다. 인발실 험 계획을 Table 2에 나타내었다. 전단연결재의 종류로 는 강재 앵커와 이형 철근을 사용하였다. 강재 앵커의 직경은 20mm와 16mm, 이형 철근의 직경은 19mm와 16mm로 선정하였는데 여기서 강재 앵커와 이형 철근 의 직경은 상용 제품 중에서 가장 유사한 제원을 선정하 였다. 정착 길이를 100mm, 80mm, 50mm로 선정하였다.
또한, 인발실험 전경을 Fig. 5에 나타내었다.
Table 2. Plan of pullout test
Shear connector Anchoring depth (mm) Chemical bond Concrete strength (MPa) Times Mark Steel anchor D20
100 Compix 80 3 A-D20-100
80Compix 80 3 A-D20- 80
100 Compix 80 3 A-D20- 50
Steel anchor D16
100 Compix 80 3 A-D16-100
80Compix 80 3 A-D16- 80
50Compix 80 3 A-D16- 50
Deformed bar D19
100 Compix 80 3 D-D19-100
80Compix 80 3 D-D19-80
50Compix 80 3 D-D19- 50
Deformed bar D16
100 Compix 80 3 D-D16-100
80Compix 80 3 D-D16-80
50Compix 80 3 D-D16- 50
(a) Data logger & Laptop (b) Test view
Fig. 5. Overview of pullout test
상기의 실험 계획은 설계 사례(Hill Engineering Structral Technology Co., 2017)을 참고하여 설정하였으며 전단 연결재로는 직경 16mm의 이형철근을 일반적으로 사용 하고 있는 점에 착안하여 직경 19mm에 대한 실험을 부 가적으로 수행하도록 계획하였다. 또한 전단연결재를 PHC-W말뚝에 컴픽스(compix)로 정착시키는 방안이 가 장 경제적이라고 판단되었으며 정착 길이에 관한 검토 는 수치해석으로 분석하기가 어려워 모형실험으로 확 인하고자 계획하였다.
3. 시험 결과 및 분석
Table 2에 나타낸 12 가지의 인발 실험에 대하여 각 기 3 회씩 반복실험을 실시하였다. 인발실험 결과는 2 가지 인발 거동 유형으로 나타났으며 그 전형적인 결과 를 Fig. 6에 나타내었다. 첫 번째 인발 거동 유형은 최대 인발저항력에 도달한 이후 정착부가 파괴되어 전단연
결재가 정착부위에서 뽑혀 나오는 인발변위 거동을 나 타내었으며 A-D20 사례이었다. 두 번째 인발 거동 유형 은 최대인발저항력에 도달한 이후에도 정착부가 파괴 되지 않고 인발변위가 점진적으로 증가하는 거동을 나 타내었으며 A-D20 사례를 이외의 사례이었다.
여기서 A-D20 사례에서 최대 인발하중에서 정착부 가 급작스럽게 파괴된 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 다른 사례에 비해 직경이 커서 주면마찰력이 가장 크게 발현되므로 강재 앵커와 케미컬재료의 부착력이 가장 강할 것으로 예상되었으며 따라서 최대 인발력이 발현될 때까지는 부착력이 저항하고 최대 인발력에 도 달하면 정착부에서 급작스런 파괴가 발생한다고 판단 되었다.
강재 앵커 전단연결재와 이형 철근 전단연결재에 대 한 인발하중 - 변위 관계의 결과를 Fig. 7에 나타내었는 데 여기에는 각 3 회의 반복실험 중 전형적인 결과를 나 타내었다. 여기서 인발 변위는 매우 낮은 수준의 인발 하
(a) Completely pullouted failure mode (b) Progressively pullouted failure mode Fig. 6. The representative failure modes of pullout tests
Fig. 7. The representative pullout force-displacement curves of pullout tests
중 단계에서 비탄성적인 인발변위를 나타내고 있는데 이것은 인발하중에 대한 자리 잡는 효과(Seating effect) 로 유발된 인발변위로 생각되었다. PHC-W말뚝에 구멍 을 내어 전단연결재를 넣고 케미컬소재의 정착재로 정 착시켰는데 이 과정에서 전단연결재의 수직도를 정확 하게 확보하기는 쉽지 않았다. 이로 인하여 매우 낮은 수준의 하중 단계에서 인발하중에 대한 자리 잡는 효과 (Seating effect)가 발생되었다고 생각된다. 따라서 이러 한 효과를 보정하기 위하여 인발하중과 인발변위가 탄 성적인 거동 부분에 대한 변위만을 순 인발변위를 계산
하였다. Fig. 7에 나타낸 전형적인 결과에 대한 최대인 발력 및 그에 상응하는 인발변위를 Table 3에 나타내었 다. 여기에는 순인발변위도 나타내었다.
Fig. 7을 살펴보면, 전반적으로 최대 인발저항력은 강 재 앵커 전단연결재가 이형 철근 전단연결재보다 크게 나타났다. 동일 재료의 전단연결재에서는 직경이 클수 록 그리고 정착 길이가 길수록 최대 인발저항력은 큰 값을 나타내었다.
Table 3을 살펴보면, 낮은 수준의 인발하중에서 발생 하는 자리잡음 인발변위는 3∼7mm 내외가 발생하였는
Table 3. Maximum pullout forces and corresponding pullout displacements of the steel anchor and deformed bar shear connectors (a) The anchor shear connectors
Anchoring length
(mm)
steel anchor D20Steel anchor D16 Maximum
force (kN)
Displacemet (mm) Maximum force (kN)
Displacemet (mm)
Seating Total Net Seating Total Net
100 143.27 4.50 15.35 10.85 77.82 6.80 24.35 17.55
80 112.55 5.6014.28 8.68 55.11 9.2023.44 14.24
5044.77 5.2013.34 8.14 24.103.308.98 6.25
(b) The deformed bar shear connectors Anchoring
length (mm)
Deformed D19 Deformed D16
Maximum force (kN)
Displacemet (mm) Maximum force (kN)
Displacemet (mm)
Seating Total Net Seating Total Net
100 74.04 5.10 19.91 14.81 59.04 2.90 21.68 18.78
80 60.86 5.00 14.93 9.93 51.03 7.05 16.82 9.77
50 48.34 6.7013.72 7.02 25.702.8011.38 8.58
(a) Diameter = 20 or 19 mm
(b) Diameter = 16 mm
Fig. 9. Maximum pullout forces according to variations of diameter of shear connector
Fig. 8. The representative pullout forces and corresponding displacements of pullout tests
데 이는 PHC-W말뚝에 증설벽체를 결속하여 일체화하 는 데에 크게 영향을 미칠 수 있다고 생각되었다. 이 실 험에서는 전단연결재 1 개에 대한 실험 결과이며 실제 상황에서는 자리잡음 인발변위의 영향은 크지 않다고 생 각되었다. 이 실험에 사용한 4 가지 전단연결재에 대한 수 치해석 결과에 의하면 전단연결재의 배치 간격이 260∼
300mm로 나타나고 있으므로 이렇게 배치되는 무리 전 단연결재에 의하여 자리잡음 인발변위는 거의 나타나 지 않는다고 예측되었다. 이와 관련한 실증실험은 조만 간 실시할 예정이며 향후 공식적으로 보고할 예정이다.
최대인발력에 상응하는 인발변위는 A-D20 전단연결재 의 경우 8∼10mm이었으며 A-D16, D-D19 그리고 D-D16 전단연결재의 경우 14∼20mm이었는데 정착길이가 50, 80mm에서는 6∼10mm로 나타났다.
Table 3을 이용하여 최대 인발저항력 및 그에 상응하
는 인발변위를 Fig. 8에 나타내었다. 여기서 상기에 설명 한 정성적 및 정량적인 경향들을 잘 확인할 수 있었다.
전단연결재의 동일 직경 변화에 따른 최대 인발저항
Fig. 10. Maximum pullout forces according to variations of anchoring length of shear connector
력의 발현 양상을 Fig. 9에 나타내었다. 여기서 동일 직 경의 최대 인발력은 앵커 전단연결재에서 이형 철근 전 단연결재보다 더 크게 발현되었으며 정착 길이가 클수 록 더 크게 발현되었다.
전단연결재의 정착 길이 변화에 따른 최대 인발저항력 의 발현 양상을 Fig. 10에 나타내었다. 여기서 전단연결재 의 재료 및 직경에 상관없이 정착 길이가 길수록 더 큰 인발력이 발현되었다. PHC-W 흙막이 겸용 건축연구벽체 에 대한 사례 설계(Hill Engineering Structral Technology Co., 2017)에서 전단연결재의 정착 길이는 50mm 이상 이면 충분하다고 분석되었다. 그러나 굴착 깊이가 깊어 지면 전단연결재의 정착 길이가 더 필요할 수도 있으므 로 향후 실시될 실물 모형 실험에서 이러한 상황을 검토 하여 보고할 예정이다.
4. 결 론
PHC-W 흙막이를 건축영구벽체로 활용하기 위하여 PHC-W말뚝과 증설벽체의 일체화에 사용되는 전단연 결재의 인발 거동을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1) 전단연결재의 인발 거동은 2가지 인발 거동 유형으 로 나타났다. 첫 번째 인발 거동 유형은 최대 인발저 항력에 도달한 이후 정착부가 파괴되어 전단연결재
가 정착부위에서 뽑혀 나오는 인발변위 거동을 나 타내었다. 두 번째 인발 거동 유형은 최대인발저항 력에 도달한 이후에도 정착부가 파괴되지 않고 인 발변위가 점진적으로 증가하는 거동을 나타내었다.
(2) 최대 인발저항력은 강재 앵커 전단연결재가 이형 철근 전단연결재보다 크게 나타났다. 동일 재료의 전단연결재에서는 직경이 클수록 그리고 정착 길이 가 길수록 최대 인발저항력은 큰 값을 나타내었다.
(3) 최대인발력에 상응하는 인발변위는 재료, 직경 및 정착길이에 상관없이 다양한 범위를 나타내었다.
즉 최대인발력에 상응하는 인발변위는 A-D20 전단 연결재의 경우 8～10mm이었으며 A-D16, D-D19 그리고 D-D16 전단연결재의 경우 14～20mm이었 는데 정착길이가 50, 80mm에서는 6～10mm로 나 타났다.
(4) 이 연구에서는 PHC-W말뚝과 증설벽체의 일체화에 사용되는 전단연결재의 인발력을 인발실험을 통하 여 확인하였으며, 전단연결재를 이용하여 PHC-W 말뚝과 증설벽체를 일체화 시키고 슬래브를 결합시 킨 실물크기의 모형체를 제작하여 전단시험을 준비 중에 있다.
감사의 글
이 논문은 국토부의 재원으로 국토교통과학기술진흥원 의 지원을 받아 수행된 연구사업임(16TBIP-C111426-01).
참고문헌 (References)
1. Byun, D. K., Sin, H. M., and Moon, J. G. (2002), Reinforced Concrete, Vol.6, Dongmyung, Korea, p.33.
2. Choi, J. P. (2014), Study on the Economic Analysis of Retaining PHC-W Method Improved High Strength Pile, Master’s Thesis, Busan National University, pp.25-33.
3. Hill Engineering Structral Technology Co. (2017), Construction project report of Rainwater Storage Tank at 844-9, Daedond-ro, Daedong-myeon, Gimhae-city, pp.1-249.
Received : November 4th, 2017 Revised : November 22nd, 2017 Accepted : November 30th, 2017
