복합말뚝의수평거동분석 Analysis of lateral behavior of composite pile 선석윤 1), Seon, Seok-Yun, 곽노경2), Kwak, No-Kyung, 이송3), Lee, Song 1) 정회원, 서울시립대학교토목공학과석사과정, Member. Candidate Dept. of Civil Engrg,, The Univ. of Seoul. 2) 정회원, 서울시립대학교토목공학과석사과정, Member. Candidate Dept. of Civil Engrg,, The Univ. of Seoul. 3) 정회원, 서울시립대학교토목공학과교수, Member, Ph.D. Prof., Dept. of Civil Engrg,, The Univ. of Seoul. SYNOPSIS : Composite piles have been used in ground conditions where conventional piles are unsuitable or uneconomical. They may consist of a combination of timber and concrete pile in Europe. One method of doing this was to drive a steel tube to just below water level, and a concrete pile was lowered down it and driven to the required level where corrosion was susceptible in U.K. Recently, a fiber reinforced polymer (FRP) composite pile was developed to use in many marine locations for piers and waterfront buildings in the USA( Hoy,1995; Phair, 1997). A steel composite (SC) pile reinforced concrete spun pile with steel tube was also proposed and used for the foundation acting a high lateral earthquake load. Composite piles have been developed and researched to increase lateral resistance or to prevent corrosion in marine structures. In paper, the composite pile consisting of the steel upper portion and the concrete lower portion is proposed and are carried out several tests to confirm the capacity of the pile such as lateral load test, dynamic load tests and bending test. It is noted that the composite pile would be a economical pile being capable of increasing lateral resistance. Key words : lateral resistance, bending test, composite pile - 1195 -
1. 서론 1.1 연구목적 횡방향힘을받는하중조건하에서복합말뚝을사용하여기능은유지를하면서말뚝의재료비를경감시킬수있는즉, 안전성은강관말뚝의능력과동등이상을유지하면서강관말뚝보다훨씬경제적인말뚝에대한연구가필요하다. 이러한목적으로이미말뚝두부는횡력에대한저항력을크게하기위해강관말뚝을사용하고말뚝하부는수직력에만저항할수있는콘크리트말뚝을연결한복합말뚝이제안되었으며이러한복합말뚝에현장적용을위한실험등이론연구등이국내에서활발하게이루어지고있는실정이다. 1.2 연구방법 말뚝은항타시공하는것이필요하므로강관말뚝과콘크리트말뚝의연결부가항타중하부콘크리트말뚝의파손이발생할수있으므로실제현장에서항타시접합부에항타응력의전달에대해 Pile Driving Analyzer 통해검증하였다. 또한, 말뚝연결부의건전성을확인하기위하여 Bending 실험을수행하여연결부의횡력저항능력에대한분석을수행하였다. Bending 실험은연결부의구조적건전성을확인하기위한실험이며실제말뚝의횡력이나모멘트에대한저항력평가는말뚝항타후수평재하시험을통해평가할수있다. 본연구에서는실제현장에항타관입한복합말뚝과같은직경의강관말뚝또는콘크리트말뚝에대한수평재하시험을수행하여복합말뚝과일반말뚝의수평저항능력을평가분석하므로복합말뚝의현장적용성을증가시키고자하였다. 2. 이론적배경 2.1 복합말뚝의정의 현재까지제안된복합말뚝은횡방향지지력을필요로하는하중조건하에서강관말뚝을대신할수있도록고안되고있다. 일반적으로횡방향지지력을필요로하는조건하에서적용되고있는강관말뚝상부에는수평력에의한모멘트에저항하도록하고하부는연직지지력을확보하도록설계되고있다. 이러한모멘트때문에말뚝상부에인장응력이작용한다. 콘크리트말뚝의경우인장응력이작용하게되면인장응력에취약한콘크리트말뚝의특성때문에구조적으로불리하다. 하지만, 강관말뚝에작용하는모멘트는말뚝상부에서는크게작용하나말뚝하부로내려갈수록모멘트분포는급격하게감소하 - 1196 -
게된다. 이러한말뚝길이에따른모멘트의분포를나타낸것이 [ 그림 2.1] 이다. [ 그림 2.1] 복합말뚝의개요도 그림에서보는바와같이모멘트가크게작용하는말뚝의상부는모멘트저항능력이뛰어난강관말뚝으로, 압축력이주로작용하는하부는콘크리트말뚝인고강도콘크리트말뚝으로구성하여용접등으로연결시켜복합말뚝형태로말뚝을합성시킴으로써 2 가지재료의장점을최대한활용하여경제성및말뚝두부에작용하는횡방향저항력과말뚝하부에작용하는연직지지력을확보하여기초의안정성을확보하는것이복합말뚝의주요특징이다. 2.2 수평력이작용하는말뚝의해석방법 2.2.1 말뚝의수평허용지지력산정방법 말뚝의수평재하시험결과로부터수평허용지지력을결정하는데에는다음두가지방법에의하여결정할수있다. 1 극한상태에도달하면극한하중에적절한안전율을적용하여허용수평하중을구한다. 2 말뚝의허용수평변위에대응하는허용수평하중을구한다. - 1197 -
분석절차는아래와같이수평재하시험에의한하중-변위량으로부터수평방향지반반력계수 K h 를산정한후, 두부고정및군말뚝조건에서의최종허용수평하중을판정한다. 2.2.2 수평지반반력계수 kh의산정 1 요코야마방법 요코야마는말뚝직경이 30cm 이상되는말뚝의수평재하시험으로부터얻은말뚝두부나지표면에서의하중-변위곡선및실측휨변형율로수평지반반력계수를역산하고지표면에서 1/ β 깊이까지구간의평균 N 치와관계를다음과같이제시하였다. [ 표 2.5] 요코야마의수평지반반력계수 수평지반반력계수 사질토 점성토 kh 0.2N (kg/cm 3 ) 1.5qu (kg/cm 3 ) 2 후쿠오카방법 kh=0.691 N 0.406 (kg/cm 3 ) 3 도로교표준시방서방법 (1996, p612) kh = kho (BH/30) -3/4 = 0.34(aE 0 )1.1D -0.31 (EI) -0.1 (kg/cm 3 ) 2.2.3 군말뚝효과에의한수평지반반력계수의보정 군말뚝에수평력이작용할때각말뚝이지반내응력을통하여상호간섭되기때문에각말뚝의하중분담이서로다르고, 전체적인효율도단말뚝의경우에비해저하되는복잡한거동을보이는데이러한현상을수량적으로표시한것을군말뚝효율이라한다. 본검토에서는구조물기초설계기준에서제시된방법을적용하였다. 2.2.4 수평지반반력상수 h의산정 지하수위아래사질토에대한수평지반반력상수는 Reese et al과 Terzaghi에의해제시되었다. - 1198 -
[ 그림2.3] 사질토지반에서상대밀도와수평지반반력계수관계 2.3 말뚝에작용하는모멘트분포 말뚝에작용하는모멘트분포를개략적으로판단하기위하여아래그림과같은지반조건에서지하수위는지표면과동일하게분포하는것으로가정하고말뚝두부는구속되지않은조건하에서 LPILE program 을이용하였다. 4m 점토층 ( 평균 N 치 =2) γ = 18kN/m3, c=12.5 10m 15m 풍화토층 ( 평균N치 =30) γ = 19kN/m3, φ =33 풍화암층 ( 평균N치 =50) γ = 20kN/ m3, φ =35 [ 그림 2.4] 복합말뚝에작용하는모멘트분포평가를위한지반단면 - 1199 -
(1) 가정조건및해석결과 1 말뚝종류는강관Φ508*12T 이다. 2 하중조건은수직력 0, 수평력 10ton, 모멘트 0 이다. 3 수평지반반력계수 kh 산정은도로교표준시방서기준으로산출하였다. ( 강관말뚝기초공법세미나 1996.11.12 p64 참조) E 0 산정시 10N적용 kh 산정(kN/m3) Φ508*12T 풍화토층 39630 풍화암층 69630 4 군말뚝감소계수는고려하지않았다. 5 해석결과말뚝에작용하는최대모멘트는말뚝두부에서약 4.2m 에서발생하는것으로나타났다. 3. 복합말뚝현장시험 3.1 지반특성 시험항타전시항타현장의지반조건을파악하기위하여지반조사를수행하였다. 풍화암은지표면으로부터 11.0m 에위치하며지표면에서부터매립층, 붕적층, 풍화토층으로구성되었다. 매립토층은조립의모래질뿐아니라약간의자갈로구성되어있다. 3.2 항타관입성평가및동재하시험 항타시연결부에항타응력의집중파손문제등을파악하기위해시험항타를수행하였다. - 1200 -
[ 표 3.2] 시험내용요약 말뚝번호 게이지부착위치 시험구분 시험시관입깊이 (m) 낙하고 (m) 타격당관입량 (mm/ 打 ) 비 고 TP-1 TP-2 TP-3 PHC PHC PHC EOID (End of Initial Driving) 0.0 7.8 7.8 9.4 0.0 5.8 5.8 8.0 0.0 5.8 5.8 8.0 0.2 최대 (1.2) 0.2 0.5 0.2 ( 최대)1.2 0.2 최대 (1.2) 12 12 6 10 10 5 40.0 40.0 30.0 이질의재료로구성된복합말뚝의경우이질재료에따른물성치를신뢰성있게평가하기위하여정밀해석방법인 Case Pile Wave Analysis Program 방법으로분석하여지지력, 항타응력을평가하고자한다. 3.3 수평재하시험 말뚝의수평재하시험은시험말뚝부근에사하중또는중장비를반력으로하여유압 jack 으로하중을가하거나, 반력말뚝을사용하여 2 개의말뚝을동시에시험한다. - 1201 -
+ 사하중을반력으로사용 반력말뚝사용 [ 그림 3.2] 말뚝의수평재하시험 본검토에서수평재하시험은경남 00 지역에서반력말뚝을이용하여실시하였으며복합말뚝 D500m/m 1 본, D600m/m 3본과고강도콘크리트말뚝 D400m/m 1 본, D500m/m 2 본, D600m/m 3본및강관말뚝φ914.4x16t 1 본, H-300x305 1본을시험하였다. 3.4 복합말뚝의연결부벤딩시험 연결부위에대한검증을위해 Bending 시험을계획하여수행하였다. 복합말뚝은연결보강판으로용접이음을하였으며용접형태는강관말뚝과콘크리트말뚝사이에연결보강판으로보강하였다. 시험방법은최대모멘트가콘크리트말뚝의모멘트저항능력을초과하는것을확인하기위해콘크리트말뚝부위에균열이발생할때까지하중을가하여복합말뚝에대한휨능력을평가하였다. - 1202 -
4. 현장시험결과분석및고찰 4.1 복합말뚝의항타응력에너지전달및연직지지력에대한분석 시험말뚝의관입깊이는약 12.0m 정도이며복합말뚝은풍화토층에관입되었으며항타종료후약 4일후에강관말뚝과고강도콘크리트말뚝의접합부위가항타중손상이발생하였는지의여부를판단하기위하여백호를이용하여굴착하여보았다. [ 표 4.1] CAPWAP 분석결과 시험말뚝번호 게이지부착위치 시험시관입깊이 (m) 타격당관입량 (mm/ 打 ) EMX (tonf-m) FMX (tonf) CSX (tonf/cm 2 ) TSX (tonf/cm 2 ) CAPWAP Capacity (tonf) 주면마찰력 선단지지력 전체지지력 비고 PHC 7.8 12 6.7 442 0.435 0.017 50.0 181.0 231.0 7.8 12 6.9 420 1.235 0.039 50.8 181.2 232.0 9.4 6 6.7 398 1.148 0.048 64.5 267.5 331.9 PHC 5.8 10 2.2 253 0.238 0.014 7.8 38.2 46.0 5.8 10 2.2 261 0.748 0.047 11.0 40.0 51.0 8.0 5 6.5 457 1.319 0.044 56.0 210.0 266.0 PHC 5.8 40 5.9 417 0.401 0.050 15.4 84.6 100.0 TP- 1 TP- 2 TP- 3 5.8 40 6.5 439 1.270 0.054 18.0 84.0 102.0 8.0 30 6.4 424 1.218 0.031 20.6 111.4 132.0 CAPWAP지지력이란말뚝시공종료시지지력으로일반적으로말뚝의지지력은시간의경과에따라변화하는데말뚝의지지력이시간의경과에따라증가하는현상을 Set-up" 이라하고말뚝의지지력이시간의경과에따라감소하는현상을 Relaxation" 이라한다. 최종관입량은거의 12mm/blow로관리되어일종의과잉항타인것으로평가되지만실제로말뚝에작용하는항타응력은 AASHTO 기준에정한프리텐션콘크리트말뚝의기준치인 640 kgf/ cm2보다휠씬작은것으로평가되어말뚝의건전성에는아무런문제가없는것으로판단된다. 또한상부의강관말뚝의경우에도강관말뚝의항타응력 - 1203 -
이재료의항복강도의 90% 까지허용하는것으로판단해볼때강관말뚝의허용항타응 력은 2160kgf/ cm2으로 [ 표 4.2] 에무런문제가없는것으로평가되었고고강도콘크리 트말뚝에서도최대항타응력이 435kgf/ cm2으로한국도로공사와 AASHTO에서제시한 허용응력기준을만족하였다. [ 표 4.2] 고강도콘크리트말뚝의최대항타응력 말뚝번호 콘크리트말뚝의압축항타응력 (kgf/ cm2) 항타에너지 (tf-m) 한계압축응력 (kgf/ cm2) 비 고 TP-1 435 6.7 480/640 TP-2 238 2.2 480/640 도로공사 / AASHTO TP-3 401 5.9 480/640 여기서, AASHTO 의고강도콘크리트말뚝에대한한계압축응력: 640kgf/ cm2 말뚝의지지력은 EOID시험후일정기간경과후에 Restrike을수행하지않아시간경 과효과를고려한말뚝의지지력평가는수행되지않았지만 CAPWAP 분석결과만으로 평가하더라도말뚝의지지력은고강도콘크리트말뚝 φ500 A-Type 재료의지지력인 173tonf 을상회할것으로판단된다. 결론적으로말뚝에작용한항타응력은허용치범위안에있어복합말뚝의관입중에 말뚝의파손등말뚝의항타관입성에문제가없는것으로판단된다. 4.2 복합말뚝의수평저항능력평가 수평력을받는복합말뚝에서고강도콘크리트말뚝이부담할수있는모멘트를초과할경우에는상부강관말뚝이저항하고말뚝하부모멘트가작게발생하는조건에서는수평력에대하여복합말뚝이성능을충분히발휘할수있을것이다. 4.3 복합말뚝의이음부위치에대한분석 시험하중은 8.17tonf 13.10tonf 으로총 5단계에걸쳐하중을재하하였으며고강 - 1204 -
도콘크리트말뚝의균열하중은재하중 7.85tonf 으로규정하고있으고, 본시험에서는 10.29tonf 재하시고강도콘크리트말뚝표면에미세크랙이발생하기시작하였다. 재하하중이증가할수록크랙의개수가늘어나고틈새가벌어지는경향을나타냈으며, 고강도콘크리트말뚝의보강밴드와콘크리트접합부의벌어짐현상이발생하였지만시험의주목적인강관말뚝과고강도콘크리트말뚝사이용접구간에서는파괴및균열의징후를찾아볼수없어연결부에대한항타, 모멘트의저항능력에대해신뢰성이확보되는것으로평가되었다. 5. 결 론 말뚝에작용하는모멘트분포는말뚝두부에서소정의깊이까지는크게작용하나어느한계깊이이상에서는급격히감소하는것으로해석결과판단되었으며항타관입성및연직지지력을판단하기위한동재하시험데이터를정밀해석방법인 Case Pile Wave Analysis Program 방법으로분석한결과연직지지력과항타관입성을충분히확보할수있으며말뚝의기능에우선하여말뚝이음부가안전하여야하며따라서, 항타시험시공후굴착확인한결과연결부에서이상이없는것으로확인되었다. 복합말뚝의수평저항능력은수평하중작용시말뚝의변위에따라지반저항능력과말뚝의저항능력이달라지며말뚝의허용수평응력은수평재하시험결과말뚝재질특성에결정되는것으로판단된다. 복합말뚝의연결안정성을확인하기위하여이음부에대한벤딩시험을실시한결과재하하중에강관말뚝과고강도콘크리트말뚝의용접이음부보다고강도콘크리트말뚝에균열이발생하는것으로볼때복합말뚝의횜모멘트에대한저항능력은연결부위가아니라고강도콘크리트말뚝의저항성에좌우된다고판단된다. 따라서, 복합말뚝에대한동재하시험, 수평재하시험, 이음부벤딩시험결과로판단하면수평력을받는조건에서상부강관말뚝이휨모멘트에저항하고하부고강도콘크리트말뚝이연직력을확보할수있기위해서는말뚝이음부위치및이음부강성이중요하다. 참고문헌 1. 건설교통부제정구조물기초설계기준해설 (( 사) 한국지반공학회 2003.2) 2. 항타말뚝의하중- 침하량곡선특성분석 ( 천변식, 조천환, 이명환, 이원재, 엄재경) 3. HCP(Hybrid Composite Pile) 의관입성분석및연결부의건전성연구성과보고서 ( 국립한경대학교공학연구소 2006. 8) 4. Design and Construction of Driven Pile Foundations, Workshop Manual - Volume Ⅰ, FHWA HI-97-013, 1998 National Highway Institute 5. Foundations Design Construction, 6th edition, M J Tomlinson, 1995-1205 -