1. 서 론
도로 및 철도의 안전시설인 콘크리트 옹벽, 방음벽 기초와 같은 구조물은 확대기초를 통해 안정성을 확보하는 방식으로 시공 시 기초저판 설치, 터파기, 양생시간 등 공간과 시간이 요구된다. 이에 따라 시공 시 작업 공간이 부족하거나 장시간 교통차단이 어려운 공용 중인 도로 및 철도 주변에 설치하기 어려운 문제점이 있다. 이와 같은 단점을 최소화하기 위하여 말뚝기초에 기제작된 프리캐스트 콘크리트(이하 PC) 벽체를 현장에서 조립 및 결합하는 방식을 적용하여 시공 시 공간 활 용도 향상 및 공기 단축뿐만 아니라 콘크리트 품질관리에 용 이한 자립식 PC 옹벽 및 방음벽 기초 기술을 개발하고자 본 연 구를 수행하였다.
이 연구는 옹벽 및 방음벽 기초 부재를 대상으로 PC 벽체 구조 부재 내부의 중공부에 H-pile을 관입하여 말뚝기초로 적 용하고, H-pile과 PC 벽체 구조 부재 결합부에 무수축 그라우 트를 충진하여 일체화 거동을 유도하는 자립식 PC 옹벽 및 방
음벽 기초 구조물의 구조적 성능을 평가하고자 한다.
실험은 실제 현장에서 6.5m의 관입깊이를 갖는 설계횡하 중 56.4kN 용량의 벽체를 대상으로 하였다. 국내 말뚝기초의 허용횡변위는 15mm이므로 이를 성능의 기준으로 설정하였 다(KDS, 2016). 실험실에서 지반으로 6.5m 관입된 H-pile의 실험이 불가능함으로, 이론연구를 통해 이와 유사한 변형 프 로파일을 갖는 파일의 길이를 결정하여 실험체의 파일 길이 는 1.5m로 하였으며, 4개의 실제 크기의 시편을 제작하여 실 험하였다.
2. 실험 개요
실험조건에서 실제 지반에 묻혀 있는 H-pile의 거동과 유사 한 변위 프로파일을 획득할 수 있도록 이론 연구를 통해 H-pile의 길이를 결정하였으며, 프레임요소를 이용한 설계해 석을 통해 설계하중을 도출하였다. 그리고 하중조건에 따라 4 개의 실험체를 제작하고, 대형 구조 실험동에서 실험을 수행 하였다.
2.1 실험체 H-pile 길이 산정
대상 구조물 거동과 유사한 실험체의 H-pile 변위 프로파일 (Fig. 1)을 통해 길이를 결정하였다. 실험체의 H-pile 길이 산
Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 3, June 2020, pp.9-17
https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.3.9 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
H 파일과 프리캐스트 콘크리트로 형성된 벽체의 횡저항성능에 대한 실험적 연구
서동주1, 강덕만2, 이현기3, 문도영4*
An Experimental Study on Lateral Load Resistance of a Wall Structure Composed of Precast Concrete and H-Pile
Dong-Joo Seo1, Duk-Man Kang2, Hyun-Gee Lee3, Do-Young Moon4*
Abstract: The purpose of this study was to evaluate lateral load resistance of a wall structure composed of precast concrete wall and H-Pile. This type of structure can be used for noise barrier foundation or retaining wall. Mock-up specimens having actual size were designed and fabricated. The lateral design load is 54.6kN. The H-pile length for the test specimen is 1.5m for simulating behavior of actual wall structure has 6.5m H-pile in the field, which is determined from theoretical study. Lateral displacements and strains of wall and H-pile were monitored and cracking in precast concrete wall inspected during the test. Load and deformation capacity of test specimens was compared with design capacity. The comparisons demonstrated that this type of structures, precast concrete wall and H-pile, can resist enough to lateral design load.
Keywords: H-pile, Lateral load resistance, Precast concrete, Noise barrier foundation, Retaining wall
1정회원, 동아이엔지(주) 연구팀장
2정회원, 동아이엔지(주) 대표이사
3정회원, (주)브리콘랩, 대표이사
4정회원, 경성대학교 건설환경도시공학부 부교수
*Corresponding author: [email protected] Kyungsung Univ., Busan, 48434, Korea
∙본 논문에 대한 토의를 2020년 7월 31일까지 학회로 보내주시면 2020년 8월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution
정은 수평방향 지반반력계수 등의 지반조건과 H-pile 근입 깊 이가 고려되어야 하며, Davisson(1970)이 제시한 식 (1)을 사 용하였다.
다음 식 (1)을 통해 지반반력계수를 산정하였으며, 계산을 위한 제원 및 계수 값과 계산한 결과를 Table 1에 정리하였다.
(1)
여기서, 는 수평방향 지반 반력계수 (), 는 직경 0.3m의 강체원판에 의한 평판재하시험에 의한 값에 해당하는 수 평방향 지반 반력계수 , 는 지반 변형상수 (),
는 표준관입시험 N값을 사용할 경우 (평상시=1), 는 하중작 용방향에 직교하는 기초 환산 재하 폭 ()이다.
계산된 수평방향 지반반력계수를 적용으로 실험체 H-pile 의 길이()를 계산하였다. Baguelin 등(1977)과 Davisson(1970) 의 이론 연구에 의하면 말뚝의 길이 산정식은 수평방향 지반반 력계수()가 고정 상수인 경우와 지반의 근입깊이에 따라 비 례상수로 적용하는 경우로 구분되며, 다음 식 (2), (3)에 의해 산정된다.
2.1.1 지반반력계수()가 고정 상수로 적용되는 경우
, , (2)
2.1.2 지반반력계수()가 비례 상수로 적용되는 경우
, , (3)여기서, 는 근입깊이에 따른 수평 지반반력계수(),
는 H-pile의 휨 강성( ∙ ), 는 수평지반 반력계수 (),는 방음벽(프리캐스트 벽체)의 높이(m)이다.
식 (1)에서 계산된 수평 지반반력계수(28,276.8)를 적용하였으며, 이론 연구에서 지반반력계수가 비례상수인 경 우인 식 (3)을 이용하여 현장 조건에 부합하는 H-pile의 길이 를 도출하였다. 이에 따라 H-pile 길이는 1.5m로 제작하였다.
그리고 방음벽 및 옹벽기초의 설계 모델과 결정된 실험체 모 델에 대해 Fig. 2와 같이 프레임요소를 이용한 구조 해석을 수 행하여 지표면 말뚝수평변위 및 회전각을 비교․검토하였다.
실제 방음벽 구조물의 H-pile의 말뚝이 지반에 6.5m 깊이로 관입된 경우 지표면 말뚝수평변위 13.934mm, 말뚝회전각 0.0155rad이고, 상기 결정된 1.5m의 H-pile 길이에 대해 지표 면에 고정단으로 적용하면 지표면 말뚝수평변위 13.566mm, 말뚝회전각 0.0145rad으로 확인되었다. 또한 기초 상단의 수 평변위도 43.388mm, 44.928mm로 유사한 것으로 확인되어 본 실험체의 H-pile의 길이는 1.5m로 최종 결정하였다.
2.2 설계 횡하중 산정
콘크리트 벽체 구조의 설계 횡하중 산정을 위한 구조해석 을 Fig. 3과 같이 수행하였으며, 방음벽 기초 높이는 2m, 기초 말뚝(H-pile)의 관입 길이는 6m로 기초벽체 내의 근입 깊이는 1m이다. 옹벽 벽체높이는 3m이며, 기초말뚝의 관입길이와 기초 근입깊이는 동일하게 적용하였다. 옹벽설계기준에 따라 상재활하중은 10, 방음벽 지주에 작용하는 풍하중은 Fig. 1 Explanation of variables in Eq. (1), (2) and (3)
[]
[]
Properties of H-pile
[]
E []
[] I []
18,000 60,000 2.0×108 0.00011 28,276.8 0.818 Table 1 Properties and coefficients used for Eq.(1), (2) and (3)
(a) when L=6.5m in field
condition (b) When L=1.5m in specimens Fig. 2 Comparison of H-pile deformation profile
내륙지역 기준인 30를 적용한 결과로부터 1로 산 정하였다. 설계하중은 두 가지 구조 부재에 작용하는 횡하중 중 큰 하중을 선정하여 분석하였다. 단위 길이에 작용하는 설 계 횡하중은 54.6이며, 이에 대한 수평변위는 9.30mm로 계 산되었다.
2.3 사용재료 및 실험체 제작
실험체에 사용된 재료는 H-pile과 프리캐스트 벽체의 콘크 리트, 연결부의 무수축 그라우트로 구성된다. 말뚝에 적용되 는 H-pile의 규격은 250×250×9×14mm의 SS275강종을 사용 하였다. PC 벽체에 적용되는 콘크리트의 레미콘 규격은 25-35-150를 적용하였다. 압축강도 및 슬럼프 시험 결과를 포 함한 콘크리트 품질 시험 결과를 Table 2에 정리하였다. 압축 강도 결과는 재령 7, 28일에서 37.2, 43.2MPa로 배합강도 35MPa을 만족하였으며, 슬럼프도 155mm로 목표슬럼프의 범위에 적합한 것으로 확인되었다. 보강철근은 항복강도
=400MPa, 탄성계수 =200,000MPa인 SD 400 철근을 사용 하였다.
그리고 실험체의 연결부에 적용되는 무수축 그라우트는 재 령 28일 압축강도 60MPa 이상, 플로우 300mm이상의 M사의 제품을 사용하였으며, 실험 측정 결과는 재령 7, 28일에서 각각 62.0MPa, 71.4MPa로 재령 7일에서 목표 강도를 만족하였다.
실험체의 주요 부재는 크게 콘크리트 기초, 그라우트 연결 부, H-pile로 구성되며, PC 부재는 내부 보강 철근과 연결부의 그라우트를 보강하기 위한 띠철근, 하중가력부의 국부적인 파괴를 방지하기 위한 철근이 배근되었다. H-pile과 PC 벽체 연결부는 그라우트 주입구 및 공기배출구, 보강덮게, 전단연 결재 등을 배치하여 중공부에 무수축 그라우트를 충진하여 제작하였다. 무수축 그라우트 충진을 위한 하부의 중공부 너 비는 500×450mm이며, H-pile을 근입하여 1,000mm의 높이로
충진하였다. 제작 과정은 Fig. 4와 같이 PC 벽체 보강 철근 조 립 및 거푸집 설치, PC 벽체 콘크리트 타설, H-pile 관입 및 설 치, 무수축 그라우트 충진 순으로 제작되었다.
3. 실험 방법
3.1 하중-변위 계측
변위 계측 위치는 하중 가력 위치와 PC 벽체 및 H-pile의 최대 변위가 발생되는 위치에 설치하여 측정하였으며, 계측기는 변 위 측정에 주로 활용되는 LVDT(The linear variable differential transformer)를 사용하였다. 실험체의 변위 측정 위치에 따른 결
Design load: 53
Displacement : 9.35mm
Design load: 54.6
Displacement : 9.30mm (a) Noise barrier (b) Retaining wall
Fig. 3 Design load and displacement
Concrete Compressive
strength [MPa]
Age Results Ave.
7d 36.8
37.0 37.4
36.9
28d 43.7
43.2 43.5
42.5
Slump [mm] 155
Air content [%] 3.9
Grout Compressive
strength [MPa]
Age Results Ave.
7d 62.5
62.0 61.5
62.0
28d 75.0
71.4 70.5
68.7 Table 2 Properties of concrete and grout used.
(a) Concrete casting (b) Demolding of PC
(c) H-pile installation (d) Non-shrink grout filling Fig. 4 Fabrication procedures for test specimens
과 도출 내용은 다음과 같이 정리하였다.
(1) PC 벽체 하중 가력부의 변위(최대 변위 발생 위치) (LVDT 1 : 지면으로부터 3,300mm)
: 실험체 기초 상단의 수평변위 평가 (2) 프리캐스트 벽체 중단 중앙부의 변위
(LVDT 2 : 지면으로부터 2,500mm) : 실험체 전체의 변위 프로파일 평가
(3) H-pile 연결부 끝단의 변위(H-pile의 지면 상단부 위치) (LVDT 3 : 지면으로부터 1,500mm, H-pile 연결부 끝단) : 설계하중 하에서의 말뚝 허용 변위 비교 평가
LVDT 설치 위치 모식도와 설치 사진은 다음 Fig. 5와 같다.
Fig. 5와 같이 LVDT를 설치하여 실험체의 하중-변위 곡선을 통 한 구조적 거동 및 성능을 평가하였다. 그리고 설계 하중에서 H-pile 지면 상단부에 해당하는 위치의 변위를 허용 수평 변위량 에 해당하는 하중으로 수평 지지력을 산정하는 탄성지반 반력 법(Chang, 1937)으로 최대 허용 변위 기준을 15mm로 설정하여 횡하중 저항 성능을 검증하였다. KDS 11 50 20 : 2018 깊은기초 설계기준(한계상태설계법)에서 말뚝의 허용 수평변위는 38mm로 적시되어 있으나(KDS, 2016), 이 연구에서는 보다 보 수적인 도로교 설계기준 해설 (하부구조 편) 및 Chang(1937)의 방법에 의한 허용 변위인 15mm로 설정하였다.
하중은 파일 구속부에 부착된 변형률 게이지의 값이 강재 의 항복변형률 이상이 되도록 가력하여 파괴양상 및 안정성 을 확인하였다.
Fig. 5 LVDT
3.2 균열 및 계면이격 조사
콘크리트 표면 변형률 게이지 설치 위치는 Fig. 6과 같이 H-pile이 프리캐스트 벽체 하부에 매립되는 상․하의 그라우트 표면에 설치하였다. 이를 통해 수평 하중의 가력에 따른 H-pile
의 연결부인 그라우트부에서의 지압파괴 및 균열진전을 확인 하고자 하였다. 또한 설계하중 하에서의 그라우트 상태를 관찰 하여 연결부의 안정성을 평가하고자 하였다.
그리고 프리캐스트 벽체와 그라우트 간의 상대거동을 평 가하기 위해 균열게이지를 Fig. 7과 같이 상･하･좌･우의 계면 에 설치하였다. 실험체의 균열게이지 설치 위치는 그라우트 및 콘크리트 계면을 사이에 두고 한 쪽은 그라우트에 고정하 고, 다른 한 쪽은 콘크리트 벽체의 표면에 고정하여 설치한 후 계면 이격거리를 측정하여 상대거동을 평가하였다.
Fig. 6 Concrete strain gage
Fig. 7 Crack gage
3.3 하중가력 방법 및 실험변수
실험체의 하중가력 방법은 Fig. 8과 같이 엑츄에이터의 힌 지 끝단에 1m 길이 원형 강봉을 설치하여 선 하중으로 재하하 였다. 수평 방향 하중의 가력위치는 프리캐스트 벽체의 휨 거 동을 유도하기 위해 시험체 상단에서 200mm 아래 위치에 가 력하였다. 또한 하중이 가력되는 지점은 선 하중 가력 위치 변 화 및 콘크리트 국부적인 파괴 방지를 위해 고탄성 고무판을 설치하였다.
하중 가력 이력은 단조 가력 조건, 단조 가력 후 하중을 서 서히 제거하는 조건과 반복하중 조건으로 설정하였다. 반복 하중 가력 조건은 1, 2차 가력 조건은 H-pile의 항복 변형률 범 위를 모니터링하여 이전 실험체의 최종 하중에 대해 65%로 설정하였다. 3차 하중 가력은 H-pile이 항복 변형률 범위에 해 당하는 최종 하중의 95%로 반복한 후 최종까지 하중을 가력 하였으며, 하중 가력조건에 대한 변수 설명은 Table 3에 정리 하였다. 모든 실험체의 최종 하중가력은 엑츄에이터의 허용 스트로크와 H-pile의 항복 변형률 범위를 고려하였으며, 하중 가력속도의 범위는 0.05mm/s~0.1mm/s이다. Table 3에서
HP-S-1와 HP-S-2는 동일한 실험체의 가력 조건이다.
4. 실험 결과
4.1 변위 저항 성능
H-pile 말뚝기초의 허용 변위량은 도로교 설계기준(2008) 및 철도설계기준(2004)에 따라 말뚝 지름 1500mm이하인 경 우에 대해 허용 변위량을 15mm로 규정하고 있다. 한편, 본 실 험체의 설계하중은 54.6kN이다. 그러므로 설계하중에 해당 하는 변위값(DDL)을 하중-LVDT 3 변위 그래프(Fig. 9)로부 터 특정할 수 있다. LVDT는 벽체하단의 변위로서 상기한 말 뚝상단의 허용변위와 동일한 위치의 변위이다. 그러므로 변 위저항성능(Displacement Capacity, DC)은 다음 식 (4)과 같 이 정의할 수 있다. 반복하중 가력 실험체의 경우는 반복하중
작용 후 최종하중에 대해서만 평가하였다.
× (4)
Fig. 9에서 도출한 각 실험체의 설계 횡 하중에 해당하는 변 위()와 변위저항성능(DC)을 Table 4에 정리하였다. 모든 실험체의 이 허용변위 15mm 보다 크게 작은 것을 확인할 수 있다. 즉 모든 실험체는 충분한 변위저항성능을 나타냈다.
변위저항성능 DC는 최소 138%에서 최대 158%까지로 나타 났다.
4.2 내하 성능
설계 한계상태에서의 실험체의 내하성능 (Load Capacity, Fig. 8 Loading
Var. Loading Speed & history of
loading Evalua
tion HP-S-1 Static loading 0.1 Static
perform.
HP-S-2 Static loading 0.1 Static perform.
HP-S-3 Static loading
& removal 0.1 (loading) 0.2 (removal)
Static perform.
&
residual strain
HP-D-1
Cyclic loading (linear behavior within yield load)
&
terminal loading
1st: 0.1 (loading) 0.2 (removal) 2nd: 0.07 (loading) 0.2 (removal) 3rd: 0.05 (loading) 0.2 (removal) 4th: 0.1 (loading)
Dynamic perform.
Table 3 Summary of loading on specimens
Fig. 9 Load-displacement (LVDT3) curves
Var. Loading
Design lateral
[]load
Displacement at LVDT3
[mm]
Displacement Capacity
[%]
HP-S-1 Static loading
54.6
9.9 < 15mm 152
HP-S-2 9.7 < 15mm 155
HP-S-3
Static loading
&
removal
10.9 < 15mm 138
HP-D-1 Cyclic
loading 9.5 < 15mm 158
Table 4 Displacement capacities of variables by load condition
LC)을 평가하기 위해 하중-LVDT 3 변위 그래프로부터 허용 변위 15mm에 해당하는 하중()을 특정하였다. 이 하중 을 다음 식과 같이 설계하중 54.6kN으로 나누어 내하성능을 평가하였다.
× (5)
각 실험체의 허용변위 15mm에 해당하는 하중은 다음 Fig.
10에 도시하였으며, 이를 설계 하중과 비교하여 Table 5에 정 리하였다. 그 결과, 국내외 말뚝 허용변위 기준에서의 실험체 횡 하중 저항 성능 즉, 내하성능은 128%~154%로 매우 우수 한 것으로 평가되었다.
4.3 설계하중에서 H-pile와 그라우트 계면의 콘크리트 변형율
본 실험체 설계하중에서 H-pile과 그라우트 간의 상대거동 을 평가하기 위해 H-pile이 매립된 그라우트 표면에 부착된 콘크리트 변형률 게이지를 통해 하중-변형률 그래프(Fig. 11) 를 획득하였다. 가력 조건에 따른 H-pile 매립부의 그라우트 의 변형률은 Table 6에 정리하였으며, 8.4~60.7µɛ으로 매우 낮은 것으로 확인되었다.
(a) HP-S-1 (b) HP-S-2
(c) HP-S-3 (d) HP-D-1 Fig. 11 Strain results attached on grout (see Fig. 6)
Var. Gauge location Deformation of grout
[]
Allowed deformation of
concrete []
HP-S-1 Back (loading) 28.8
100~300
Front 45.5
HP-S-2 Back (loading) 0.3
Front 11.6
HP-S-3 Back (loading) 8.4
Front 6.6
HP-D-1 Back (loading) 60.7
Front 8.4
Table 6 Deformations of grout at P15mm
4.4 설계하중에서 계면이격 확인
본 실험체 설계하중에서 H-pile과 그라우트 간의 프리캐스 Var. Loading
Allowed displace
-ment [mm]
Lateral load
[] Load-bearing capacity Design [%]
load P15mm
HP-S-1
Static loading
15 54.6
72.8133
HP-S-2 76.7 140
HP-S-3
Static loading
&
removal
70.0 128
HP-D-1 Cyclic
loading 84.3 154
Table 5 Load-bearing capacity at P15mm
Fig. 10 Load at allowable lateral displacement
트 벽체와 그라우트 계면에 설치된 변형률 게이지로 계면이 격을 평가하고자 하였다. 설계하중 하의 가력조건에 따른 계 면 간의 상대 거동 평가 결과는 다음 Fig. 12와 같다. 실험체의 연결부인 콘크리트 및 그라우트의 계면에서의 이격거리를 확 인한 결과 0.01~0.06mm의 낮은 이격거리로 우수한 수준의 부 착성능을 확인되었다. ACI 224(2001) 위원회 및 CEB-FIP Code(2012)의 기준에서 유해 환경 및 악조건에 대한 콘크리 트의 최소 균열폭을 0.1mm로 기준하고 있음을 감안할 때, 본 실험에서 발생한 이격거리는 기준의 약 50% 수준으로 내구성 의 측면에서 유해한 정도는 아닌 것으로 판단 할 수 있다.
(a) HP-S-1 (b) HP-S-2
(c) HP-S-3 (d) HP-D-1
Fig. 12 Relative displacement between concrete and grout
5. 구조거동해석
5.1 실험체의 구조거동해석 모델링
실험체의 수평 하중에 대한 저항성능을 확인하기 위해 구 조해석을 수행하였다. 구조해석 대상 실험체의 모델은 H-pile 상부에 PC 벽체를 매입한 모델이며, Fig. 13과 같이 모델링을 실시하였다. 대상 구조부재의 휨 거동에 대한 하중저항성능 을 확인하기 위해 실험에서의 재하 위치와 동일한 하중재하 높이인 3,300mm로 설정하여 선 하중으로 설정하였으며, PC 벽체에 변위 제어로 0.1mm/s의 속도로 재하하여 평가하였다.
각 구조부재의 규격 및 제원은 다음 Table 7에 정리하였다.
구조해석을 통하여 실험체의 휨 거동을 평가하기에 앞서 구조해석 모델에 대한 해석 조건을 나타내었다. Fig. 13과 같 이 각 부재 간의 접촉면은 Tie element를 사용하여 PC 벽체 부 재와 H-pile을 일체화하였으며, H-pile과 PC 벽체의 접촉면은
Surface to surface 조건으로 Master surface는 H-pile, Slave surface는 PC 벽체에 적용하였다. 프리캐스트 벽체 부재와 H-pile 부재는 ABAQUS의 Mesh element 기능을 이용했으며, 8절점 Solid element(C3D8R)를 사용하여 모델화하였다. 경계 조건은 휨 거동으로 인한 변형 및 변위가 발생하는 것을 확인 하기 위해 3축으로 고정하였다. 하중재하로 인한 실험체의 휨 거동을 확인하기 위하여 하중재하지점(Load point), LVDT 2, LVDT 3에 대하여 변위를 확인하였다.
5.2 구조해석 결과 5.2.1 하중-변위
실험체의 수평 하중에 대한 저항 성능을 확인하기 위하여 Fig. 14와 같은 하중-변위 곡선을 평가･분석하였다. 항복점은 하중-변위 곡선에서 선형 탄성구간이 비선형으로 변화되는 변곡점을 항복하중으로 산정하였다. 항복하중은 76.9kN으로 확인되며, 설계 수평방향 하중 53.01kN에 대한 H-pile의 지반 상단부에 해당하는 변위는 7.7mm로 구조해석 결과도 최대 허용 변위량 15mm이내를 만족하는 것으로 확인되었다. 또한, LVDT의 설치 높이가 감소함에 따라 변위가 감소하는 것을 확인하였다.
Members PC H-pile
Dimensions
[mm] 800×1,000×2000 250×250×9×14 Height
[mm] 2,000 1,500
Spec.
Compressive strength
[MPa] 35 -
Type - SS275
Table 7 Properties & dimensions used for 3D FE analysis
(a) Specimen modeling (b) Boundary conditions Fig. 13 FE modelling for 3D FE analysis
5.3 구조해석 및 실험 결과 비교・분석 5.3.1 하중-변위 비교・분석
Fig. 15는 설계, 실험 및 해석결과를 하중-변위 곡선으로 비 교하였다. 실험 결과는 정적 하중 조건인 HP-S-1, HP-S-2, HP-S-3에 대한 하중-변위 결과를 도시하고, 각 위치에서의 하 중-변위 해석한 결과를 나타내었다. 결과는 변위 측정 위치에
따라 구분하였으며, 실험의 변수에 따른 하중-변위는 유사한 결과를 나타내었다. 설계, 실험 및 해석 결과의 전체적인 구 조적 거동은 유사한 결과를 나타내었으며, H-pile 지반 상단 부의 경우는 그 차이가 가장 작았다. 구조해석 결과 구조부재 의 항복 하중은 약 76.9kN이며, 이때의 변위도 7.9mm로 수평 허용변위 기준을 만족하였다. 또한 최대 하중은 83.9kN으로 평가되었다. 설계하중 하에서의 변위도 7.9~10.9mm 범위로 모든 결과가 허용 변위기준을 만족하여 내하력 및 변위저항 성능을 만족하는 것으로 나타났다.
6. 결 론
자립식 PC 옹벽 및 방음벽 기초 콘크리트 구조물로 사용가 능한 기초형식의 구조적 성능 평가를 위해 실험을 수행하였 으며, 본 실험체의 성능 평가 결과를 다음과 같이 도출하였다.
1) 먼저, 자립식 PC옹벽 및 방음벽 기초 콘크리트 실험체의 횡하중 가력에 대한 연결부의 상대 및 일체거동을 평가 하기 위해 구성 요소의 변형률과 부재 간의 계면 이격을 관찰하였다. 설계하중 하에서 H-pile과 프리캐스트 벽체 는 내부 전단연결재와 무수축 그라우트 등의 결합 및 일 체화로 인해 변형률 및 계면 이격은 미미한 수준으로 확 인되었으며, 이에 따라 H-pile과 프리캐스트 벽체는 일 체 거동하는 것으로 판단된다.
2) 구조물에 작용하는 설계 하중을 통한 선정된 실험체의 설계 횡하중을 산출하고, 이에 대해 H-pile의 지반 상단 부에 해당하는 위치의 변위 검토 및 허용 수평변위와 비 교하였다. 방음벽 10m 적용 시 설계 횡하중은 53.01kN 으로 계산되었으며, 이에 대한 각각의 변위는 10.7, 9.7, 10.9. 9.5mm로 모든 실험체가 허용변위 범위인 15mm를 모두 만족하였다.
3) 설계 극한한계상태에서의 허용 수평방향 변위 12mm에 서 횡하중을 평가한 결과 단조 및 반복 가력 하중 조건에 대해 모든 시험체가 72.8, 76.7, 70.0, 84.3kN으로 설계 횡 하중인 53.01kN과 비교하여 132.1~159.0%까지 높은 하 중 저항 성능을 나타내었다. 따라서 HP 및 PS-wall 구조 물은 횡하중에 대한 내하력 및 저항 성능이 우수하고, 반 복하중 가력 후 최종하중 가력 시에도 허용 변위량을 만 족하는 결과를 보여 내진 성능 확보에도 기여도가 높은 것으로 사료된다. 구조해석과 실험결과를 비교하면 전 체적으로 유사한 거동을 나타내었으며, 해석 결과에서 도 허용 변위 범위를 넘지 않는 결과를 나타내었다.
Fig. 14 Load-displacement curves obtained from FE analysis
Fig. 15 Comparison of load-displacement curves obtained from experiment and 3D FE analysis
이상의 결과로부터, 실험된 규모의 프리캐스트 벽체와 H-Pile로 구성된 기초 형식이 설계횡하중 이상의 충분한 횡하 중 저항성능을 나타냄을 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 ㈜동아이엔지의 연구비 지원에 의하여 수행되었 습니다.
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Received : 02/27/2020 Revised : 03/12/2020 Accepted : 06/09/2020
요 지 : 이 연구의 목적은 프리캐스트 콘크리트 벽체와 H-pile로 구성된 벽체구조의 횡하중저항 성능을 평가하는 것이다. 이러한 형태의 구
조는 옹벽 및 방음벽 기초 구조물로 사용된다. 실제 크기의 목업시험체를 설계하였으며, 실험체를 제작하였다. 대상 구조체의 설계횡하중은 54.6kN이다. 실제 현장에서 6.5m의 파일과 유사한 변형 프로파일을 갖는 실험체의 파일의 길이를 이론적으로 결정하였으며, 1.5m로 제작하였 다. 실험중 벽체의 횡방향 변위가 파일의 변형률을 모니터링 하였으며, 균열의 발생을 육안 조사하였다. 실험으로부터 평가된 하중 및 변형 능 력을 설계능력과 비교하였다. 실험결과는 설계하중을 저항하는데 충분한 성능을 보유하고 있음을 나타냈다.
핵심용어 : H-파일, 횡하중 저항, 프리캐스트 콘크리트, 방음벽 기초, 옹벽
