Assessment of Lateral Behavior of Steel-concrete Composite Piles Using Full-scale Model Tests

地 盤 工 學

第29卷 第5C 號·2009年 9月 pp. 199~206

실대형 모형 실험을 이용한 강관합성 말뚝의 수평 거동 특성 평가

Assessment of Lateral Behavior of Steel-concrete Composite Piles Using Full-scale Model Tests

권형민*·이주형**·박재현***·정문경****

Kwon, Hyungmin·Lee, Juhyung·Park, Jaehyun·Chung, Moonkyung

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Abstract

This paper presents full scale model tests on the various types of model piles carried out to estimate the behavior of laterally loaded steel-concrete composite piles. Subgrade-reaction spring system was developed to simulate the reaction of ground in laboratory condition. In addition, lateral behavior of piles under working load condition was estimated using composite load- ing system, which is available for independent loading in vertical and horizontal direction. Steel-concrete composite piles showed higher efficiency in lateral resistance rather than drilled shaft made of reinforced concrete. The lateral resistance of composite pile was larger than the summation of steel pile and concrete pile due to the composite effect by steel casing. The effect of shear key or strength of concrete on the behavior of composite pile was examined. The substitution of reinforcing bar by steel casing was also investigated.

Keywords :steel-concrete composite pile, subgrade-reaction spring system, model test, composite effect, lateral behavior

···

요 지

본 연구에서는 수평하중을 받는 강관합성 말뚝의 역학적 특성을 평가하기 위하여 서로 다른 단면 특성을 가진 모형 말뚝 에 대하여 실내 모형 실험을 수행하였다. 지반 반력의 효율적인 모사를 위하여 스프링 장치를 이용한 지반 반력 시스템을 개발하였으며, 축하중 및 수평하중을 독립적으로 재하할 수 있는 하중 재하 시스템을 적용하여 사용하중 상태에서의 말뚝의 수평방향 거동 특성을 평가하였다. 강관합성 말뚝은 기존의 현장타설 말뚝에 비하여 증가된 수평저항 특성을 보여주며, 강관 합성 효과에 의하여 강관 및 철근 콘크리트의 수치합 보다 큰 수평 극한강도를 발휘하는 것을 확인하였다. 또한, 전단 연결 재의 사용에 따른 강관-콘크리트의 일체화 거동을 검토하였으며, 고강도 콘크리트의 사용에 따른 강관합성 말뚝의 하중 지지 성능 을 평가하였다. 이와 함께, 강관합성 말뚝의 강관에 의한 내부 철근망의 대체 가능성 여부를 평가하였다.

핵심용어

강관합성말뚝, 지반반력시스템, 모형실험, 합성효과, 수평거동

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1. 서 론

최근 국내에서는 연육, 연도교 등의 장대교량 및 초고층빌 딩을 포함한 대형 구조물의 건설이 증가하면서, 구조물의 안 정성과 경제성을 확보하기 위하여 상부구조뿐 만 아니라 하 부구조에서도 최적의 설계 및 시공을 위한 다양한 연구들이 수행되고 있다. 상부 구조물로부터 전해지는 하중을 지지층 에 전달하는 기초 구조물의 경우, 보다 큰 지지력 확보를 위하여 대구경 현장타설 말뚝의 사용이 크게 증가하고 있다.

기존의 기초설계는 말뚝의 재료 특성 보다는 지반의 지지력 에 의해 좌우되는 경우가 많았으나, 근래 들어 대구경 현장 타설 말뚝의 사용이 증가함에 따라 말뚝의 재료 특성에 대

한 관심이 증가하고 있다. 해상 구간에 시공하는 현장타설 말뚝은 공벽의 보호를 위하여 강관 케이싱을 사용하고 있으 나, 강관의 부식 문제 및 합성 구조체의 거동 특성 등의 문 제로 인하여 영구 구조체가 아닌 희생강관의 개념으로 사용 되고 있다.

강관 및 콘크리트 합성 재료의 구조적 특성에 관한 연구 는 주로 구조분야를 중심으로 교량의 교각 및 구조물의 기 둥을 대상으로 이루어져 왔다. 연직하중을 받는 강관-콘크리 트 합성 기둥(CFC) 구조물의 경우, 강관합성 효과로 개별 재료 강도의 합에 비하여 증가된 재료 특성을 얻을 수 있다 고 알려져 있고(박정민 등, 1995), 합성 부재의 일체화 거동 을 위한 전단 연결재의 활용에 대한 대한 연구도 진행되었

*정회원·(주)대우건설 토목기술팀 대리 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국건설기술연구원지반연구실선임연구원

***정회원·한국건설기술연구원 지반연구실 선임연구원

****정회원·교신저자·한국건설기술연구원지반연구실책임연구원 (E-mail : [email protected])

다(우해성 등, 2002). 그러나, 연직하중 지지용으로 사용되는 기둥이라는 구조물의 특성상, 수평하중을 받는 합성 구조체 의 역학적 거동 특성에 대한 연구는 미미한 실정이다. 또한, 기초 구조물은 지반의 반력이 존재한다는 점에서 기둥과는 상이한 거동을 보일 수 있다. 한편, 최근 들어 강관 케이싱 이 있는 현장타설 말뚝의 연직 거동 특성에 관한 연구들이 활발히 수행되고 있다(송병석, 2005; 서보국 등, 2005; 조성 민 등, 2006).

본 연구에서는 해상에서 현장타설 말뚝의 시공에 사용되는 강관 케이싱을 영구 구조재로 활용하기 위하여 수평방향 하 중을 받는 강관합성 말뚝에 대한 실내 모형 시험을 수행하 였다. 강관말뚝, 현장타설 말뚝의 형태로 사용되고 있는 철 근 콘크리트 말뚝 및 강관합성 말뚝들에 대하여 수평하중 재하시의 거동 특성을 평가하였다. 또한, 강관을 철근 대체 재로 사용하기 위한 무근 형식의 강관합성 말뚝 및 전단 연 결재를 활용하여 강관과 콘크리트의 부착강도를 증진시킨 강 관합성 말뚝, 고강도 콘크리트를 사용한 강관합성 말뚝등에 대한 연구를 병행하여 재료적인 특성에 따른 말뚝의 거동 특성을 분석하여 최적의 강관합성 말뚝 설계에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 말뚝이 근입 되어 있는 지반의 수평방향 강성에 대한 원활한 모사를 위하여 지반 반력 계수의 개념 을 활용한 지반 반력 시스템을 개발 및 적용하였으며, 사용 하중 크기의 연직하중이 재하되고 있는 말뚝에 수평하중을 재하할 수 있는 하중 재하 시스템을 활용하여 연직하중이 재하되고 있는 상태에서의 강관합성 말뚝의 수평 거동 특성 을 평가하였다.

2. 지반 반력 시스템의 개발

횡방향 하중을 받는 기초 구조물의 설계 개념은 말뚝의 수평 극한 지지력을 검토하는 방법과 사용하중 상태에서의 횡방향 변위를 검토하는 방법으로 나누어 볼 수 있다.

Poulos

와 Davis(1980)는 많은 사례 연구를 통하여 수평하중

을 받는 말뚝은 극한지지력이 아닌, 허용 변위 관점에서 설 계하는 것이 합리적임을 보였다. 구조물 기초설계기준(2003) 에서도 말뚝의 횡방향 허용지지력을 재료강도와 허용변위량 으로 규정하고 있다. 횡방향 하중을 받는 말뚝의 변위를 산 정하는 방법으로는 지반을 불연속적인 탄성 스프링으로 모 사하는 탄성 지반 반력법과 연속체 역학에 기반한 탄성 해 석법 등이 널리 사용되고 있다. 지반 반력 계수의 개념을 사용하는 탄성 지반 반력법은 지반의 연속적인 속성을 반영 하지 못하는 등의 단점을 가지고 있으나, 비교적 간단한 방 법으로 말뚝의 거동에 따른 지반의 반력을 모사할 수 있는 장점을 가지고 있다.

연직하중 및 수평하중을 받는 말뚝의 거동은 지반의 반력 이 존재한다는 점에서 건축 구조물에 사용되는 기둥과 다르 다. 지반 반력을 고려한 말뚝의 거동 특성 평가에는 일반적 으로 모형 토조를 활용하거나, 현장 재하 시험을 이용하는 방법 등이 있다(김영수 등, 1999; 천병식 등, 2003). 모형 토조를 이용하는 방법은 균질한 지반을 반복적으로 조성할 수 있고, 지반응력 모사 시스템을 갖출 경우, 원하는 지반 응력 조건의 구현이 용이하며, 경계조건이 명확하다는 장점

을 가지고 있다. 그러나, 일반적으로 활용되고 있는 압력 토 조의 규모가 직경 1.5m 이내라는 점을 고려할 때, 소형의 모형 말뚝에만 제한적으로 사용될 수 있는 한계가 있다. 반 면, 현장 재하 시험은 재하 용량 내에서는 말뚝의 크기에 제한을 받지 않고, 현장 지반의 입자 구조 및 응력 조건과 같은 지반 고유의 특성을 그대로 실험에 반영할 수 있는 장 점을 지니고 있으나, 비용적인 측면에서 반복적인 시험에는 부적합하다. 따라서, 본 연구에서는 지반의 반력 특성을 적 절히 모사할 수 있으며, 다양한 시험 조건에 대한 경제성을 확보할 수 있는 방안으로 지반 반력 계수의 개념을 사용하 는 탄성 지반 반력법에 기초하여 지반의 강성을 스프링으로 모사할 수 있는 지반 반력 스프링 시스템을 개발하였다.

그림 1은 지반 반력 스프링을 사용하여 지반의 반력 특성 을 모사하는 개념도이다. 해상에 시공된 기초의 해수 및 연 약지반 구간 분포 깊이가 동일하며 선단은 견고한 암반에 근입 되어있다고 가정하면, 그림 1에서와 같이 연약지반 구 간 및 선단부의 조건을 스프링 및 캔틸레버 조건으로 모사 할 수 있다. 연약지반 구간을 모사하는 스프링 시스템 설계 는 연약지반의 지반 반력 계수로부터 결정하였다. 해상 교량 이 주로 분포하는 서남해안 지반의 특성을 중간 굳기의 점 토로 가정하여, 기존에 제안된 값들(Das, 1984; Coduto,

1994; Bowles, 1996)

의 평균값 및 서해안 지역의 지반조사

자료들을 참조하여 탄성계수를 10MPa로 결정하였으며, 이를 바탕으로 구조물 기초설계기준(2003)에서 제안하고 있는 간 략식을 이용하여 지반 반력 계수(k

를 결정하였다.

(1)

여기서, E

및 B는 각각 지반의 탄성계수(=10MPa)와 기초 의 폭(=216.5mm)이다. 식 (1)을 이용해 산정한 대표지반의 지반 반력 계수는 25.9MN/m

이다.

탄성 지반 반력법을 이용하여 지반을 모사하기 위해서는 말뚝 및 지반을 작은 요소로 분할하여 지반의 강성을 모사 하는 스프링의 수가 많을수록 정확한 결과를 도출할 수 있

k_h 0.56E_s ---B

=

그림

지반 반력 스프링 개념을 이용한 지반 조건의 모사

길이

단위

으나, 모형 실험에 적용함에 있어서는 설치 공간상의 문제로 인하여 스프링의 수에 제한을 받는다. 이를 고려하여 본 연 구에서는 그림 1에서와 같이 연약 지반층에 놓이게 되는 말 뚝의 길이 1075mm 중, 길이 방향으로 하단의 200mm를 제외한 875mm 구간을 5등분하여 5층의 스프링 셋을 활용 한 반력 시스템을 제작하였다. 이 경우, 스프링 1층이 담당 하게 되는 말뚝의 투영 단면은 길이 175mm, 폭 216.5mm 로 지반 반력 계수를 스프링 상수로 환산 시, 약 980kN/m 이다. 스프링 상수가 980kN/m 인 단일 스프링의 설치는 공 간의 제약 문제로 설치가 불가능하여, 본 연구에서는 그림

에서와 같이 5개의 스프링을 병렬 연결하여 1층의 스프링 강성을 980kN/m로 맞추는 방법을 채택하였다. 스프링은 ‘압 축 및 인장용 원통 코일 스프링 설계 기준(KS B 2400)’에 따라 제작하였다. 이와 같이 지반의 강성을 선형 탄성 스프 링으로 모사하는 경우, 지반의 비선형성이나 연속성과 같은 고유의 특성을 반영할 수는 없으나, 말뚝의 단면 특성에 따 른 강성 비교라는 관점에서 볼 때, 지반의 영향을 충분히 고려할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 2는 탄성 지반 반력법에 기초하여 제작된 지반 반력 스프링 시스템의 개략도이다. 말뚝과 반력 스프링 사이에는 힌지 역할을 하는 롤러 연결 장치를 두어, 말뚝에 휨이 발 생하여도 스프링 시스템의 반력이 항상 수평방향을 유지할 수 있도록 하였다. 스프링 시스템을 상·하 재하판 및 재하 판의 원활한 이동을 위한 4개의 가이드 봉으로 구성하여 말 뚝의 변위를 스프링에서만 흡수할 수 있도록 제작하였다. 또 한, 스프링의 높이 및 초기 압축량 조절을 가능케 하여 말 뚝의 변위 발생시에만 반력이 작용할 수 있도록 하였다. 제 작된 지반 반력 스프링 시스템에 대하여 UTM을 이용한 반 복 하중 재하 시험을 수행함으로써 각 층의 스프링 강성을 평가하였으며, 반복 하중에 대한 재현성을 검증하였다.

3. 모형 말뚝의 제작

‘

강관-콘크리트-철근’이라는 복합적인 재료 특성을 가지는

강관합성 말뚝의 역학적 특성을 평가하기 위한 축소 모형 말뚝을 제작하기 위해서는 실내 실험 조건에서 취급하기 용 이하면서도 말뚝 구조체의 재료적 특성을 그대로 유지할 수 있는 등의 여러 가지 고려사항들을 만족 시켜야 한다. 콘크 리트 재료의 최대 입경 및 최소 피복 두께 규정을 고려해야 하고, 현장타설 말뚝 제작시의 최적 철근비 규정을 만족해야 한다. 또한, KS 규격에 따라 생산되는 강관 및 철근의 규 격이 정해져 있고, 가용할 수 있는 하중 재하 시스템의 용 량이 제한적이다. 본 연구에서는 이러한 요구 조건을 만족 시키는 범주 내에서 다음과 같이 모형 말뚝의 제원을 결정 하였다.

강관 케이싱 역할을 위한 강관으로 ‘KS D3566’ 규격 기 준에 따라 생산되는 외경(D) 216.5mm, 두께(t) 5.85mm의 구조용 탄소 강관으로 모형 말뚝을 제작하였다. 제작된 모형 말뚝의 전체 길이는 2700mm로 하중 재하를 위한 두부에

300mm

를 할당하여 순말뚝의 길이를 2400mm로 결정하였

다. 모형 말뚝에 사용되는 강관의 폭두께비(D/t)는 37, 하중 재하를 위한 말뚝 두부를 제외한 직경대 길이비(L/D)는 11, 세장비는 44이다. 가상의 지반 근입부는 1350mm로, 장경비 는 6.2이며, 통상적인 장말뚝 분류 기준에 따라 모형 말뚝을 장말뚝으로 구분하여 해석하였다.

모형 말뚝의 제작에는 현장타설 말뚝의 시공에 주로 사용 되고 있는 배합강도 35MPa의 콘크리트를 사용하였다. 기존 의 현장타설 말뚝과 비교하여 강관합성 말뚝이 가지는 역학 적 특성을 평가하기 위하여 본 연구에서는 강관의 유무, 철 근 배근, 강관과 콘크리트의 부착특성 증가를 위한 전단 연 결재 설치 유무 및 콘크리트 압축강도 등 단면 및 재료 특 성이 서로 다른 모형 말뚝을 제작하였다. 그림 3은 제작된

가지 모형 말뚝의 단면 특성을 보여주고 있다.

Type 1

은 기존에 사용되고 있는 현장타설 말뚝으로 강관

합성 말뚝의 내경과 동일한 크기의 단면을 가지는 철근 콘 크리트 말뚝이다. 현장타설 말뚝의 시공에 일반적으로 사용 되는 철근비 규정을 만족시키기 위하여, 8개의 D10 철근을

간격으로 배근하였으며, 철근비는 1.73%이다. 콘크리트 피복 두께는 콘크리트 구조설계기준(2008)에 따라 30mm를 확보하였고, 배합강도 35MPa의 콘크리트를 사용하였다.

그림

지반 반력 스프링 시스템

그림

모형 말뚝의 단면

Type 2

는 ‘KS D3566’ 규격 기준에 따라 생산되는 구조용 탄소 강관으로 현장타설 말뚝의 시공시 사용되는 강관 케이 싱으로만 제작된 모형말뚝이다. Type 3은 강관합성 말뚝의 설계 시, 강관에 의한 철근 대체 효과를 평가하기 위한 실험 군으로, Type 2에서 사용한 구조용 탄소 강관 내부에 배합강 도 35MPa의 무근 콘크리트를 타설한 형태의 모형 말뚝이 다. Type 4는 기존의 현장타설 말뚝에서 강관 케이싱을 구조 체로 보고 제거하지 않은 강관합성 말뚝으로, 철근 배근, 콘 크리트 물성 및 제작 과정은 Type 1과 동일하다. Type 5는

Type 4

에서 강관과 콘크리트의 부착 성능을 증가시키기 위

하여 강관 벽면을 전단 연결재로 보강한 방식의 말뚝이다.

전단 연결재로는 직경 14mm, 길이 19mm의 무두(無頭) 볼 트를 사용하였으며, 강관에 구멍을 뚫어 용접을 통해 강관 내부에 부착하는 방법을 사용하였다. 길이 방향으로 450mm 간격으로 6등분하여 설치하였으며, 각 설치면 마다 90

간격 으로 4개씩 총 24개를 설치하였다. 전단 연결재를 제외한 단면 특성은 Type 4와 동일하다. Type 6은 고강도 콘크리 트의 활용 가능성을 평가하기 위한 모형 말뚝으로, 말뚝의 선단부부터 1500mm까지의 구간에 배합강도 50MPa의 고강 도 콘크리트를 부분적으로 사용하여 무근 콘크리트 형태로 제작하였다. Type 7은 전 구간 고강도 콘크리트를 사용하여 제작 하였다.

모형 말뚝의 제작에 사용된 콘크리트 및 강관의 압축강도 및 탄성계수 평가를 위하여 별도의 모형체를 제작하여

을 이용한 재료 시험을 수행하였다. 강관 및 일반, 고 강도 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수는 표 1과 같다. 콘 크리트의 탄성계수는 ‘콘크리트 원주 공시체의 정탄성 계수 및 포아송비 시험 방법(KS F 2438)’에 따라 수행한 시험으 로부터 산정하였고, 강관의 탄성계수는 강관 외벽에 변형률 게이지를 부착하여 산정하였다.

하중의 재하에 따른 모형 말뚝 재료의 거동 특성 분석을 위하여 본 연구에서는 모형 말뚝의 제작과정에 전기 저항식 변형률 게이지를 설치하였다. 하중 재하를 위한 말뚝 두부와 암반에 근입된 선단부를 제외한 2100mm 구간을 선단부쪽에 가중치를 두어 10개의 단면으로 나누고, 각 단면을 인장측 내·외부와 압축측 내·외부로 구분하여 단면당 4개의 변형 률 게이지를 설치하였다. 내부 게이지는 모형 말뚝의 제작 과정에 철근의 돌기를 연마한 뒤, 부착하거나 철근망을 사용 하지 않는 경우, 별도의 게이지 부착용 프레임을 강관 내부 에 삽입하여 부착하였다.

4. 하중 재하 시스템

말뚝 구조물에 재하 되는 하중은 구조물의 자중과 같이 연직방향으로 말뚝의 축을 따라 작용하는 연직하중과 풍하

중이나 지진하중과 같이 말뚝의 축에 직각인 방향으로 작용 하는 수평하중으로 나누어 생각해 볼 수 있다. 연직하중은 말뚝에 상재하중의 형태로 항시 작용하게 되고, 수평하중은 하중원의 작용 유무에 따라 그 크기가 달라지게 된다. 말뚝 의 거동에 따른 지반의 지지력을 평가하기 위한 기존의 모 형 시험들은 주로 말뚝의 거동 자체가 아니라, 그에 따른 지반의 거동에 초점을 맞추고 있다. 따라서, 말뚝의 수평 거 동을 평가하는 모형 시험의 경우, 실제 말뚝에서 작용하는 하중 작용 메커니즘과는 달리 연직하중을 생략하고 말뚝에 변위 형태로 수평하중만을 재하하면서 두부의 하중-변위 곡 선이나 말뚝의 응력 분포를 평가하게 된다. 현장에서 수행되 는 수평재하시험 또한 말뚝의 재료적인 특성 보다는 설계 지지력을 확인하는 차원에서 수행되는 경우가 대부분이고, 실물 규모로 복합하중을 가하는 것이 매우 어렵기 때문에, 수평하중의 단독 재하 형태로 수행된다. 그러나, 상재하중 형 태로 존재하게 되는 연직하중은 말뚝의 수평거동에 영향을 미칠 수 있다. 특히, 재료적 측면에서 접근하는 경우, 연직 하중에 의해 발생하는 부재의 압축응력은 말뚝의 휨에 의한 응력 분포를 변화시킬 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 사용 하중 수준의 연직하중을 상재하중의 형태로 유지하면서 수 평하중을 가할 수 있는 방식의 복합 하중 재하 시스템을 적 용하였다.

그림 4는 본 연구에서 사용된 복합 하중 재하 시스템을 보여주고 있다. 하중 재하 시스템은 말뚝의 거치와 분해를 용이하게 하기 위하여 말뚝을 수평방향으로 거치하는 방식 을 채택하고 있으며, 반력 프레임, 연직 및 수평하중 재하용 엑츄에이터, 말뚝 고정용 그립, 연직하중 재하용 프레임 장 치, 지반 반력 시스템, 수평하중 재하용 힌지 연결 장치 및 계측 시스템으로 구성되어 있다. 그림 4와 같이 반력봉 및 반력 프레임을 사용하는 복합하중 재하 방식은 주로 교각 구조물에 대한 준 정적 반복재하시험에 널리 사용되고 있다

김병석 등, 2001; 김재관 등, 2003). 반력 프레임은 말뚝에 가하는 연직 및 수평하중에 대한 반력 확보의 목적을 가진 빔(beam) 구조물로 가로, 세로 각각 8.8m, 5m이다. 연직하 중 재하에는 재하 용량 3500kN의 엑츄에이터를 사용하였으 며, 수평 재하에는 양단이 모두 2방향 힌지로 된 250kN 용 량의 액츄에이터를 사용하였다. 모형 말뚝 고정을 위해 사용 되는 그립은 선단부에서 캔틸레버 조건을 유지시키기 위한 장치로 180°로 분리되는 구조로 제작하여 시험을 위한 모형 말뚝의 거치와 분해를 용이하게 하였다. 연직하중 재하용 프 레임 장치는 자체 반력의 형태로 말뚝에 축하중을 가하기 위한 장치로 상하부의 프레임 박스 및 반력봉, 힌지 연결 장치로 구성되어 있다. 양단에 힌지로 구성된 연결 장치를 두어 모형 말뚝에 연직하중이 재하된 상태에서 수평하중을 재하 할 때, 연직하중의 하중 방향이 말뚝의 축방향으로 일 정하게 유지되도록 하였으며, 말뚝 두부는 회전이 자유로운 구속조건을 가진다. 지반 반력 시스템은 앞서 설명한 바와 같이 말뚝이 근입된 지반을 모사하기 위한 반력 시스템으로 지반에 횡방향 하중이 작용할 때 압축측만이 말뚝의 변위에 저항하고 인장측의 지반은 말뚝에 영향을 미치치 않는다는 가정하에 압축측에만 설치하였다. 수평하중 재하용 힌지 연 결 장치는 말뚝에 휨이 발생한 상태에서도 항상 말뚝의 초 표

모형 말뚝 재료의 압축강도 및 탄성계수

재료 압축강도(MPa) 탄성계수(GPa)

일반 콘크리트

고강도 콘크리트

강관

기 중심축에 연직한 방향을 유지 시켜주는 장치로 수평하중 재하용 액츄에이터와 말뚝 두부 사이에 연결되어 있다. 수평 하중의 재하에 따른 말뚝 각 지점의 수평 변위는 말뚝의 길 이 방향으로 9개의 지점에서 LVDT를 설치하여 측정하였다.

5. 모형 말뚝의 수평 재하 시험

5.1

연직하중 수준의 결정

기초에 작용하는 수평하중은 사용하중 크기의 연직하중과 복합적으로 작용한다. 상재하중 형태로 재하되는 연직하중은 지반의 지지력 및 말뚝 재료의 허용하중보다 작은 값을 갖 는다. 도로교 설계기준 해설(2008)에는 강재의 허용응력을 인장강도의 35~40% 수준으로 규정하고 있으며, 콘크리트의 허용응력은 압축강도의 27% 이내로 규정하고 있다. 본 연구 에서는 이를 참조하여 사용 연직하중의 크기를 재료의 허용 응력에 해당하는 연직하중 수준으로 결정하였다. 재료의 허 용응력 범위 안에서 말뚝의 재료가 탄성 거동을 한다고 가 정하면 강관합성 말뚝에 재하되는 하중은 각 재료(강관, 콘 크리트, 철근)의 축강성(EA) 비에 따라 각각의 재료에 전달 된다. 강관합성 말뚝을 구성하는 세 가지 재료에 대한 탄성 계수 및 단면적을 이용하여 하중 분배 비율을 계산하면 각 각 50%(강관), 42%(콘크리트), 8%(철근)이다. Type 4와 동 일한 단면을 가지는 길이 40cm의 모형 말뚝에 대한 연직 재하 시험을 통하여 구한 연직 극한 하중은 2,754kN으로, 하중 분배 비율에 따라 나누고 도로교 설계기준 해설(2008) 의 허용응력 비율을 적용하면 각각의 모형 말뚝에 대하여 표 2와 같이 허용하중을 산정할 수 있다. 고강도 콘크리트

의 영향은 별도로 고려하지 않고 일반 콘크리트와 동일하게 적용하였으며, 표 2의 허용하중을 연직방향 상재하중으로 결 정하였다.

5.2

수평 재하 시험

실험의 과정은 하중 재하 시스템에 모형 말뚝을 거치 한 뒤, 선단부 및 두부의 연결장치를 조립하여 모형 말뚝을 축 하중 재하용 반력 프레임에 고정시키는 작업으로 시작된다.

거치된 모형 말뚝에 그림 4에서와 같이 수평하중 재하용 액 츄에이터를 연결하고, 하중 재하 초기부터 지반 반력이 작용 할 수 있도록 지반 반력 시스템의 스프링을 말뚝 측면에 밀 착시킨다. 시험을 위한 시스템의 조립이 완성되면, 변위 계 측을 위한 LVDT를 설치하고, 모형 말뚝의 종류별로 표 2 에 제시된 크기의 축하중을 재하한 뒤, 말뚝 두부에 수평하 중을 재하하는 방식으로 실험을 진행하였다. 축하중의 재하 는 원하는 하중 수준까지 하중 제어 방식으로 재하를 하였 고, 수평하중은 변위 제어 방식으로 진행하였다. 하중 재하 속도는 말뚝 두부에서의 수평변위 10mm까지는 0.002mm/s, 이후로는 0.1mm/s로 하였다. 7개의 모형 말뚝 종류 별로

회의 시험을 수행하여 각 모형 말뚝의 종류에 따른 수평 거동 특성을 평가하였다.

그림

하중 재하 시스템

표

모형 말뚝의 단면 특성에 따른 허용하중 단면 허용하중(kN) 단면 허용하중(kN)

Type 1 408 Types

4 & 5 962

Type 2 554

Types

6 & 7 880

Type 3 880

6. 실험 결과 및 분석

6.1

두부에서의 하중

변위 특성

그림 5는 말뚝 두부에 수평하중을 재하함에 따라 발생하 는 말뚝 두부에서의 하중-수평변위 곡선을 보여주고 있다.

수평하중의 산정 시, 모형 말뚝을 횡방향으로 거치함에 따라 발생하는 시스템 하중을 제거하였다. 각 말뚝 단면 특성에 따른 7개의 시험곡선은 각 단면 특성별 수행된 2~3회 시험 으로부터 얻어진 결과의 평균값이다. 우선 모형 말뚝을 구성 하는 재료적인 강도 특성을 평가하기 위하여 각 단면 특성 별 수평 극한하중을 산정하여 개별값 및 평균값을 그림 6에 정리하였다.

모형 말뚝의 단면 특성에 따른 수평 극한하중을 보면, 철 근 콘크리트로 구성된 모형말뚝(Type 1)에 비하여 복합부재 로 이루어진 모형말뚝(Type 3~7)의 수평 극한 강도가 약

배 증가함을 알 수 있다. 이는 1차적으로 단면을 이루는 재료적인 특성에 기인한 것으로 현장타설 말뚝의 시공에 사 용되는 강관을 희생강관이 아닌 구조재로 볼 경우, 말뚝의 수평 저항 성능면에서 매우 큰 증가 효과를 볼 수 있음을 의미한다. 단면의 재료적인 특성만을 고려할 때, 강관합성 말 뚝(Type 4)은 철근 콘크리트 말뚝(Type 1)과 강관 케이싱

(Type 2)

의 합과 등가 단면을 가진다. 그러나, 극한 하중의

차이는 Type 1과 Type 2의 합이 27.7kN, Type 4가 41.1

으로 개별 부재의 수치합에 비하여 48% 가량 수평 극한 하중이 증가함을 알 수 있다. 이는 강관 합성 효과에서 기 인하는 것으로, 강관 케이싱을 구조재로 활용할 경우, 개별 재료의 단순합 이상의 효과를 볼 수 있음을 의미한다. 즉, 강관 내부에 채워진 콘크리트는 하중의 재하에 따른 부피 팽창이 자유롭지 않기 때문에, 횡방향 구속압 증가이 증가하 게 되고, 이는 다시 탄성계수 및 항복강도의 증가로 연결되 어 콘크리트 단일 부재일 경우에 비하여 항복강도를 증가시 키는 효과를 발휘하게 된다. 콘크리트의 항복은 강관에 충분 한 소성변형이 발생하여 콘크리트의 부피 팽창이 자유로워 지는 시점에 발생하는 것으로 판단된다. 이는 별도로 수행한 모형 말뚝에 대한 연직 재하 시험에서도 확인하였다(한국건 설기술연구원, 2008).

Type 3~7

의 결과는 복합 단면 특성을 가지는 말뚝의 거

동에 대한 중요한 특성을 보여준다. 첫째, 강관합성 말뚝 내 부의 철근의 역할이 미미함을 알 수 있다. Type 3과 Type

는 철근의 유무를 제외하고는 동일한 단면 특성을 가지는데, 유사한 극한하중을 보여주고 있다. 이는 강관의 부식 문제를 해결할 경우, 강관이 철근을 대신하여 휨에 저항하는 구조재 로 작용하여 말뚝의 시공에 철근망의 설치 작업을 생략할 수 있음을 의미한다. 철근망의 작업의 생략은 재료비 및 시 공기간의 단축 측면에서 경제성을 확보할 수 있다. 둘째, 강 관과 콘크리트의 부착 특성을 증가시키기 위하여 강관 내벽 에 전단 연결재를 설치한 경우, 전단 연결재의 효과가 거의 없음을 알 수 있다. Type 4와 Type 5는 철근을 포함하는 강관합성 말뚝으로 강관 내벽에 부착력 증진을 위하여 설치 한 전단 연결재의 유무를 제외하고는 동일한 단면 특성을 가진다. 두 가지 경우의 극한 하중은 부착 특성이 증가하여 콘크리트와 강관이 일체화 거동을 하는 Type 5의 경우가 큰 극한 하중을 보일 것으로 예상하였으나, Type 5가 약간 작은 극한하중을 보여주고 있다. 이는 전단 연결재의 부착 과정에서 강관벽에 설치한 구멍이 오히려 재료의 건전성을 감소시켜 발생한 결과로 판단된다. 이를 바탕으로, 부착 강 도의 증진에 의한 효과가 매우 미미함을 예상할 수 있다.

콘크리트와 강관 사이에 상대 변위가 발생하기 위해서는 양 단의 변위 발생이 자유로워야 하지만, 실제 말뚝의 경우에 선단은 단단한 암반층에 의해 고정되어 있고, 두부 또한 상 부 구조물과의 연결로 구속되어 있기 때문에, 별도의 전단 연결재 없이도 일체화 거동을 유도할 수 있음을 실험적으로 보여주고 있다. 다음으로, 고강도 콘크리트의 효용성 여부를 판단할 수 있다. Type 3에 비하여 Type 6은 부분적으로,

Type 7

은 전체적으로 고강도 콘크리트를 사용하여 제작된

모형 말뚝이다. 그러나, 고강도 콘크리트를 사용하여 제작된 모형 말뚝과 일반 강도를 가지는 콘크리트를 사용하여 제작 된 모형말뚝의 수평 극한강도 차이는 매우 미미함을 알 수 있다. 이러한 결과는 두 가지 콘크리트의 압축강도 차이가 상대적으로 크지 않고, 앞서 설명한 바와 같이 강관의 항복 시까지 콘크리트의 항복이 발현되지 않는 점에서 기인한다 할 수 있다. 이와 같은 단면 특성에 대한 연구를 통하여 강 관합성 말뚝은 구조적 관점에서 볼 때, 강관이 철근의 대체 그림

말뚝 두부에서의 하중

수평변위 곡선

그림

말뚝의 단면 특성에 따른 수평 극한하중의 변화

역할을 충분히 수행할 수 있음을 알 수 있다. 또한 강관합 성 효과를 극대화하기 위해 강관과 콘크리트의 일체화 거동 이 필요한데, 상단과 하단이 모두 구속되는 말뚝의 특성상 별도의 전단 연결재 없이도 일체화 거동을 유도할 수 있음 을 확인하였다. 콘크리트의 강도 측면에서 볼 때, 현장에서 사용되는 50MPa이하의 일반적인 수준에서의 콘크리트 강도 증가는 말뚝의 횡방향 하중에 따른 재료 특성에 거의 영향 을 미치지 않음을 확인하였다.

극한하중의 측면에서 볼 때, 극한하중이 발현되는 변위를 비교해보아도 강관합성 말뚝의 효용성을 설명할 수 있다. 그 림 7은 극한하중에서의 말뚝의 수평변위를 보여주고 있다.

여기서, 지반면은 수면과 지반의 경계면 의미하며, 본 실험 에서는 말뚝 선단에서 1050mm되는 지점에서 측정한 변위값 을 사용하였다.

극한하중 상태에서의 말뚝의 변위를 보면, 철근 콘크리트 말뚝에 비하여 강관합성 말뚝의 수평변위가 2배 가량 큼을 알 수 있다. 이는, 상부 구조물에 미치는 영향을 배제하고 단순히 말뚝의 성능 측면에서 보았을 때, 극한하중 시까지 허용할 수 있는 변위가 크다는 것을 의미한다. 허용변위의 증가는 상부 구조물의 안정성 해석 측면에서도 유리한 방향 으로 작용하게 된다.

수평하중을 받는 말뚝의 설계 시, 허용 하중의 크기는 재 료의 허용 휨응력에 보다 작아야 하며, 상부구조물에서 정해 지는 허용 변위량을 넘지 않아야 한다. 허용 변위량 내에서 의 말뚝의 수평 거동특성을 평가하기 위하여, 본 연구에서는 말뚝의 단면 특성에 따른 하중-변위 곡선의 초기 부분을 비교 분석하였다. 통상적으로 사용되는 말뚝의 수평 변위 기준, 즉 말뚝 직경의 1%의 수평 변위가 발생하였을 때의 수평 하중을 기준으로 단면 특성에 따른 말뚝의 수평 지지 특성을 평가하는 것이 합리적이나, 시험 곡선의 초기 부분은 시험 시스템상의 여러가지 오차 요인을 포함할 수 있기 때문에 본 연구에서는 선형적인 거동 특성을 보이는 말뚝 직경의

에 해당하는 변위가 발생하는 시험 곡선의 평균 기울기 를 이용하여 실험 결과를 비교하였다. 표 3은 단면 특성에 따른 수평 하중 재하 곡선의 초기 기울기 및 수평 변위가 말뚝 직경의 1% 만큼 발생하였을 때의 수평 하중을 허용 하중으로 규정한 수평 허용 하중의 크기를 보여주고 있다.

강관 및 콘크리트의 합성체로 구성된 강관 합성 말뚝

(Type 3~7)

의 경우, 단면 특성에 관계 없이 강관 말뚝 및

콘크리트 말뚝에 비하여 수평 허용 하중이 증가함을 보이고 있다. 그러나, 극한하중의 경우에서와 달리, 강관 합성 말뚝 의 수평 허용 하중은 강관 말뚝과 철근 콘크리트 말뚝의 수 치합과 거의 유사한 결과를 보여주고 있다. 시험 곡선의 초 기 부분에서는 극한하중의 경우에서와 같이 추가적인 강관 합성 효과를 확인할 수는 없었으나, 강관의 강성을 설계에 반영할 경우, 횡방향 강성의 증가로 인하여 변위 기준으로 말뚝의 수평 지지력을 판단할 경우에도 큰 구조적 이점을 갖는 것을 확인하였다.

6.2

모형 말뚝의 위치별 변위 특성

수평하중의 재하에 따른 말뚝의 위치별 변위 특성은 휨을 받고 있는 말뚝에 대한 최소 곡률점 산정 등을 통하여 부재 의 응력 분포를 간접적으로 평가할 수 있는 지표가 된다.

본 연구에서는 말뚝의 길이 방향을 따라 9개의 LVDT를 설 치하여 하중 재하에 따른 말뚝의 위치별 변위를 측정하였 다. 그림 8은 각 모형말뚝의 단면 특성에 따른 수평 극한하 중에서의 위치별 수평 변위 분포를 보여준다.

그림 8은 극한하중 상태에서의 말뚝의 위치별 수평 변위 곡선이다. 극한 하중에서의 수평변위 분포는 말뚝 재료의 특 성에 따라 3가지 형태로 구분되었다. 철근 콘크리트 말뚝의 경우, 합성부재를 사용한 말뚝에 비하여 극한하중에 이르는 그림

극한하중에서의 수평 변위 분포

표

수평하중 재하시

하중

변위 곡선의 초기 기울기

단면 초기 기울기

(kN/mm)

수평허용하중

(kN)

Type 1 0.305 0.66

Type 2 0.551 1.19

Type 3 0.879 1.90

Type 4 0.846 1.83

Type 5 0.819 1.77

Type 6 0.779 1.69

Type 7 0.882 1.91

*

수평허용하중 = 초기기울기 × 말뚝직경의 1% (2.165mm)

그림

말뚝의 위치별 수평 변위 및 정규화수평변위

변위가 상대적으로 작았다. 강관합성 말뚝들 간의 비교에서 는 철근을 포함하는 Type 4의 경우에 극한하중에 이르는 변위가 약간 큼을 알 수 있다. 말뚝 내부의 철근은 극한하 중 산정에는 영향을 거의 미치지 않으나, 다소간의 연성 거 동을 유도하여 극한하중에 도달하기까지의 변위를 크게 하 는 것으로 판단된다. Type 5의 모형 말뚝에도 철근이 포함 되어 있지만, 앞서 설명한 바와 같이 전단 연결재의 부착 과정에 강관에 재료적 손실이 발생하여 Type 4와는 다른 결과가 나온 것으로 판단된다. 수평하중에 따른 말뚝의 휨 양상은 위치별로 구해진 각 단면 특성별 수평 변위 곡선을 말뚝 두부의 수평변위로 정규화한 곡선에서 잘 나타난다. 정 규화 수편변위 곡선을 보면 철근 콘크리트 말뚝을 제외한 6 개의 결과는 거의 일치하나 철근 콘크리트 말뚝의 경우에는 변위의 양상이 다름을 알 수 있다. 이는 강관이 사용된 다 른 모형 말뚝에 비하여 말뚝의 파괴가 충분한 변위가 발생 하지 않은 상태에서의 취성 파괴 양상으로 나타나기 때문인 것으로 판단된다. 한편, 일반적인 장말뚝의 거동에서 보여지 는 선단부 근처에서 음의 변위가 발생하는 양상은 본 연구 에서는 나타나지 않았다. 이는 그림 4에서와 같이 선단부에 연결된 actuator 및 말뚝 고정 그립 등이 자체적으로는 큰 강성을 가지나, 각 부분들간의 연결부에서 약간의 변위가 발 생하여 말뚝 선단부에서의 측정 결과 변위는 거의 0에 가까 웠으나, 약간의 회전이 발생한 것에 따른 결과로 판단된다.

이러한 결과는 암반에 근입된 장말뚝의 경계조건과 다소 차 이를 보이게 된다. 그러나, 말뚝의 단면 특성에 따른 강성과 극한 하중을 평가하는 측면에서 볼 때, 회전의 영향이 실험 의 각 대조군에 거의 동일하게 적용되고 있다면 상대적인 실험 결과에 큰 차이를 주지는 않을 것으로 판단된다.

7. 요약 및 결론

본 연구에서는 현장타설 말뚝의 시공에 있어서 희생강관으 로 사용되고 있는 강관 케이싱을 영구 구조재로 활용하기 위해 다양한 단면 특성을 가지는 모형 말뚝에 대한 수평 거 동 특성을 평가하였다. 강관 케이싱을 영구 구조재로 사용하 는 경우, 기존의 현장타설 말뚝에 비하여 극한하중 측면에서 평가한 말뚝 재료의 수평 저항 특성이 크게 증가하며, 강관 및 철근 콘크리트의 재료적 수치합을 넘어 강관합성 효과에 의한 강도 증진이 있음을 확인하였다. 강관을 구조재로 활용 할 경우, 강관에 의해 철근의 구조적 역할을 대신할 수 있 는 것으로 확인되었다. 상하단이 폐색되는 말뚝이라는 구조 물의 특성상, 별도의 전단 연결재 없이도 강관과 콘크리트의 일체화 거동을 유도할 수 있음을 확인하였고, 50MPa 이하 의 현장에서 사용하는 일반적인 고강도 콘크리트는 말뚝의

재료강도 증진에 기여하는 바가 미미함을 확인하였다. 이와 같은 연구를 통하여, 강관 케이싱을 구조재로 활용하는 데 있어서의 활용성을 평가하였고, 최적의 단면 특성을 확인할 수 있었다. 모형시험으로부터 얻어진 실험 결과에 수치해석 및 현장 재하시험을 통한 정량적인 분석이 추가되고, 강관의 방부식 문제에 대한 적절한 해결책과 함께 사용시에 강관합 성 말뚝은 말뚝의 재료적 특성을 크게 증가시켜 보다 경제 적인 말뚝 단면 설계가 가능할 것으로 판단된다.

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접수일: 2009.5.25/심사일: 2009.6.29/심사완료일: 2009.8.7)