3. 말뚝기초설계의현재와미래 2013. 04. 02 정상섬 연세대학교사회환경시스템공학부교수
연세대학교기초시스템연구실
Key Structural issues Weight (20 GN) Wind
연세대학교 기초시스템연구실
Incheon bridge International Business Center in new Songdo City Yi Sun-sin bridge Lotte Jamsil Super Tower
기술예측조사개요 - 40 개초고층분야미래예측기술에대한향후 20 년간 (2009~2028 년 ) 예측 최고기술보유국 (100) 대비국내기술수준 (%) - 취약분야 : 설계 엔지니어링, 유지관리및방재분야 - 경쟁분야 : 시공및재료 기술예측조사결과 기술선진국 미국과일본이대부분의초고층핵심기술에서최고선진국의위치 일부환경기술등에서는 EU 국가가미국, 일본의기술추격 기술우위 국내의경우, 시공기술및재료기술부문이비교적경쟁력보유 ( 콘크리트재료기술 : 75.3%, 철근선조립공법 : 74.4% 수준 ) 기술격차 40 개예측기술의국내기술수준은선진국최고기술대비 66% 수준 설계 엔지니어링분야는선진국과큰기술격차 ( 통합설계기술 : 56.9% 수준 )
( 교육과학기술부, 2010) 기술수준 (%) (2008 년대비 ) 기술격차 ( 년 ) 초장대교량사업단 (2009.05.29~ 2015.12.25) 70.4 ( 1.6% ) 4.2 초고층빌딩사업단 (2009.08.28~ 2014.10.07) 62.1 ( 4.2%) 5.5
국내외기초설계의현황
기성말뚝사용 - PHC 말뚝 : 450만톤 / 년 ( 주로건축부문 ) - 강관말뚝 : 50만톤 / 년 ( 주로토목부문 ) 현장타설말뚝사용 - 보강재의역할이인정됨에따라경제성향상 - 장비발달로대구경말뚝의경제적시공가능 - 최근사용량증가 기존재료의개선 - 고강도화, 합성재료
최근 10 여년간급진적발전 - 기술자들의노력 - Turn-key 제도 변화된주요기술항목 - 현장타설말뚝 ( 암반근입및단일형 ), 매입말뚝 - 상하부구조물의상호작용을고려한최적설계 - 내진및 LRFD 설계 - 말뚝지지전면기초 - 에너지파일및해상풍력발전기초 - 마이크로파일
설계현황요약 - 제한된지반조사 보수적지지력공식 ( 경험식 ) 기초의허용지지력 현설계의한계성 ( 과다설계 ) - 제한적인지반조사자료 지지층결정어려움 - 제한된강도특성 대표성부족 - 교란된지반에시험 작은강도특성치 - 보수적지지력공식 - 지지층에대한인식 ( 연암, 풍화암, 풍화토등의지반 )
유럽과미국뿐만아니라아시아대부분의지역에서도소음과진동문제를해결하기위하여현장타설말뚝을많이사용하고있음. 중소규모구조물의경우유럽에서는케이싱을이용하여굴착공내콘크리트를타설하는소구경현장타설말뚝이주를이루며, 북미는 ACIP(auger Cast In Place Pile) 공법이주로사용됨. 1990년대이후부터유럽이나일본을중심으로침하량관점의설계개념을도입한말뚝지지전면기초에대한설계 / 시공이증가하고있음.
1970~1980년대이후러시아, 중국, 그리스, 독일등을중심으로지열냉난방시스템에대한연구및보급이확대되고있고, 특히일본및이탈리아는고온의심부지열활용기술이발달됨. 덴마크, 스웨덴및네덜란드등유럽북부해역을중심으로총 12개의해상풍력발전단지가운용중이며, 해상구조물의말뚝기초에대한설계기준도확립됨.
유럽지역 : 지하구조물건설에따른역사적인구조물에영향을최소화하기위한언더피닝공법의수요가급증 극동아시아, 남미, 남아프리카지역 : 인구밀집지역, 지진, 지하수위가높은연약지반이많기때문에복잡한시공의수요가증가하여잠재시장이점차확대되고있음 미국지역 : 산업, 교통및상업구조물의개량이확대되고있어소구경말뚝의사용이더욱증대될전망
암반에근입된대구경현장타설말뚝및매입말뚝의거동분석 중 / 대구경말뚝의재하시험, 장기계측및하중전이모델링 말뚝지지전면기초의적용및하중분담율분석 수평하중을받는말뚝의정 동적거동분석 말뚝의강성에따른마이크로파일의거동분석 LRFD (Load and Resistance Factor Design) 상 하부구조물-지반의상호작용을고려한최적설계기법 말뚝의시공후건전도평가
암반근입현장타설말뚝의설계
Load Settlement Geotechnical Ultimate Limit State Geotechnical Service Limit State Structural Ultimate Limit State
Q : Axial Load Clay / Sand Residual Soil Drilled Shafts R so : Shaft Resistance on Soil (About 1m) 사용한계 (Serviceability limit) An Engineering Decision. R = R shaft + R Toe (?) R Toe R R shaft Weathered Rock Soft Rock Rock socket R s : Shaft Resistance on Rock R T : Toe Resistance W allow 10~20% of working loads (Williams et al., 1980; Carter and Kulhawy, 1988) Settlement Hard Rock
q max = αq u β (qu = unconfined compressive strength) Design Method α β Coates (1967) 3.00 1.00 Teng (1962) 5.00~8.00 1.00 Zhang & Einstein (1998) 4.83 0.51 Rowe and Armitage (1987) 2.70 1.00 ARGEMA (1992) 4.50 1.00 Findlay et al. (1997) 1.00~4.50 1.00 FHWA (1999) 2.50 1.00 구조물기초설계기준 (2003) 0.13~0.16 1.00 Seidel과 Harberfield(1994) : 일축압축강도만을이용한설계법은보수적인값을나타냄 김원철등 (2002) : 이방법들을이용한예측치가실측치에크게못미침 ( 국내사례 ) 권오성과김명모 (2008) : 이방법들에의한예측치가실측치와 10배이상차이 ( 국내사례 ) 국내에주로분포하는화강암, 편마암등이대상이아닌일축압축강도가작고불연속면이적은편인퇴적암류를대상으로도출된방법이므로국내적용성낮음
f max = αq u β Design Method α β Horvath and Kenney (1979) 0.21 0.50 Carter and Kulhawy (1988) 0.20 0.50 Williams et al. (1980) 0.44 0.36 Rowe and Armitage (1984) 0.40 0.57 Rosenberg and Journeaux (1976) 0.34 0.51 Reynolds and Kaderabek (1980) 0.30 1.00 Gupton and Logan (1980) 0.20 1.00 Reese and O Neill (1988) 0.15 1.00 Toh net al. (1989) 0.25 1.00 Meigh and Wolshi (1979) 0.22 0.60 Horvath (1982) 0.20~0.30 0.50 조천환 (2003): 말뚝의직경, 암반의상태등의영향연구 전경수 (2000), 권오성 (2004), 설훈일등 (2006) : 국내지반조건에맞는주면 하중전이함수제안
일축압축강도만의경험적설계 Unconfined Compressive Strength Rock Mass Modulus Spacing of Rock Discontinuity Point Load- Transfer Behavior of Rock-Socketed Drilled shafts Pile Diameter Inclination of Rock Discontinuity Roughness of Rock Discontinuity 불연속면조건을고려한합리적설계
Proposed Hyperbolic q-w Curve Point resistance, q q 1 G w w i q max G i q 1 G w w i q max Point Displacement, w q q max Proposed Initial Slope of q-w curve(g i ) q G max i E Pa q P u a Pa D Proposed Ultimate point resistance(q max ) S j D P,,,, Empirical constants q u E m m Parameters & Constants S j UCS of intact Rock Rock mass modulus Discontinuity Spacing D Pile Diameter P a atmospheric pressure a
일축압축강도만의경험적설계 Borehole Roughness Rockmass Material (E,ν) Unconfined Compressive Strength Shear Load- Transfer Behavior of Rock-Socketed Drilled shafts Pile Diameter Constant Normal Stiffness (CNS) Δσ n Em K n Δr r(1 ν ) (an expanding infinite cylindrical theory) m Rockmass Characteristics Initial Confined Stress CNS 개념을이용한합리적인방법
f f Proposed Nonlinear Triple f-w Curve : A σ A σ ci ci σ σ n 0 n 0 sσ m σ K ci n ci b B σ ci w w tan i (w w st st sσ ) m ci b B ( w< w st ) (w st < w < w max ) Strength Parameters A, B Constant σ ci Uniaxial CNS Parameters σ n 0 Initial E m K n Nomal stiffness r(1 ν m ) i Roughness angle σ tm Tensile compressio n strength normal Rock mass Parameters strength stress of rock mass f f max (w max < w ) m b, s Rockmass GSI Geological material strength constant index
단일형현장타설말뚝의설계 2012 한국지반공학회가을학술발표회초청강연
경량하중을받는교각기초의경우단일형현장타설말뚝적용 - 국외에서일반적인공법이나국내의경우 2003 년부터설계기준 제정및시공이제한적으로적용 단일형현장타설말뚝의설계 - 기둥과말뚝을일체화된구조물로해석 - 교각은탄성설계적용 - 최소철근규정 : 기둥 ( <1/β ) + 현장타설말뚝 (1/β < ) 으로설계전부기둥으로설계 ( 지표면아래말뚝길이와 1/β 의차이가작은경우 )
수평거동분석 : 비선형 Winkler 기초방법 - 말뚝 : 보-기둥이론, 지반 : 비선형 p-y 곡선 - 비선형성고려말뚝재료 : 재료의항복, 기하학적비선형성 : p-δ 효과 P P H 수평력 H P- 효과가없는경우 H u L M 수평력 H P /L P- 효과가있는경우 소성힌지 HL P y u
Material nonlinearity - 단주기둥에서지배적인요소 P- (large-stress) effect - 탄소성모두에서나타나는거동 - 장주기둥에서는재료의소성거동보다더큰영향요소 - 부재의 B.C 에따라그영향이다름 -1 st order analysis 와달리변형된구조물을기준으로해석 - 해석상비선형문제로인한반복법사용 - Geomatry stiffness 사용 - 구조체의 stress (or force and moment) 가 deformation 보다지배적인영향요소
탄성말뚝말뚝의항복강성고려시말뚝의항복강성및 P-Δ 고려시 P V P V Δ P H P H 휨모멘트분포 Z M max d m D~3D (a) 단일현장타설말뚝 (b) 지반스프링모델 (c) 수평변위 (d) 휨모멘트 횡방향거동에대한정밀검토가필요함!!
말뚝지지전면기초의설계 2012 한국지반공학회가을학술발표회초청강연
Piled Raft Foundation
Properties Frankfurt Clay Weathered Soil (Korea) Dense Sand Loose Sand Incheon Clay Busan Clay Unit Young s Friction Uniaxial Cohesion Coefficient Weight Modulus Angle Strength (kpa) of Earth (kn/m 3 ) (MPa) (deg.) (MPa) 18.5 50 20 20 0.28 0.6 19.1 10~80 26.2 20 < 25 0.56 20 81 38 - - 0.38 15 25 27 - - 0.55 16.9 - - 9~24 0.015~0.04 1.0 16.5 1.1~1.2 21 5-0.64
Load 1 Curve 0 : Raft only (settlement excessive) No yield 2 Piles and raft yielding Piles yielding 3 0 Curve 1 : Raft with pile designed for conventional safety factor Curve 2 : Raft with pile designed for lower safety factor Design load Allowable settlement Curve 3 : Raft with pile designed for full utilization of capacity Settlement
Total resistance of the Piled raft: R R tot,k pile,k,j R k(s) raft, s R s R s m j1 pile,k,j Pile resistance: s,x,y raft,k s R s R s b,k,j Raft resistance: s,k, j dx dy Piled raft coefficient: CPRF m j1 R R pile, k, j tot, k () s () s
Field measurements Model tests Green & Hight, 1976; Cooke, 1981; Sommer, 1991; Franke et al., 2000; Katzenbach et al., 2000, Tan et al. (2006), Yamashita et al. (1998) Cooke, 1986; Horikoshi & Randolph, 1996; Conte et al., 2003; 김홍택등, 2002; 이승현등, 2003, 권오균등, 2005 Simplified methods: Poulos & Davis (1980), Randolph (1994), Burland s approach Numerical methods Approximate computer-based methods: Poulos (1991), Clancy & Randolph (1993), Poulos (1994), Viggiani (1998) 김홍택등 (2000), Jeong et al. (2011) More rigorous computer-based methods: - BE: Butterfield & Banerjee (1971), Kuwabara (1989), Sinha (1997) - FE/BE: Hain & Lee (1978), Franke et al. (1994), Ta & Small (1996), Russo & Viggiani(1998), Zhang & Small (2000), Chow et al. (2001) - 2D FE: Desai (1974), Hooper (1974), Prakoso & Kulhawy (2001) - 3D FE: Wang (1995), Katzenbach et al. (1998), de Sanctis et al. (2006), Reul et al. (2004), Jeong & Lee (2007) Elasto-plastic soil model
Simplified & Approximate computer-based methods Response characteristics Problem modelling Method Total settlement Differential settlement Pile load Raft bending moment Raft Torsional Moment Non-linear soil behavior Non-linear pile behavior Nonuniform soil profile Raft flexibility van Impe et al. (1995) Randolph et al. (1993) GARP (Poulos, 1994) YSPR (Jeong, 2011) More rigorous computer-based methods Sinha(1997) Ta & Small(1996) Wang (1995) Katzenbach et al. (1998)
Preliminary design Poulos-Davis-Randolph (PDR) method Burland s approach van Impe-Clerq method Detailed design Approximate computer-based analyses - Strip on spring approach (GASP) - Plate on springs approach (GARP) - GSRaft, YSPR More rigorous numerical methods of analysis Economical design
Linear soil spring Non-linear soil spring
에너지파일및해상풍력기초 2012 한국지반공학회가을학술발표회초청강연
지열을 이용한 냉난방 시스템의 일환 토목, 건축 구조물의 구조적 역할과 에너지 활용 기존의 지열 시스템 시공비 30~50% 절감
속채움재 Allan(2000), Philippacopoulos(2001) 시멘트 모래그라우트의열전달효율임효재등 (2005), 손병후등 (2006) 열전도도실험을통해벤토나이트그라우트의열적특성분석이강자등 (2009) 벤토나이트그라우트의열전도도개선을위해흑연, 모래등의혼합재료첨가한그라우트의열적특성분석 열효율분석 구조적거동 Linda Schiavi(2009), Zhongjian Li 등 (2009) U자형열교환기의성능분석을위한수치해석기법개발 Ping Cui 등 (2011) 코일형열교환기에대한열효율및성능검토우상우 (2007), 정상섬 (2010), 송진영 (2011), 민혜선 (2011), KAIST 연구팀, 코오롱건설 유동해석프로그램인 Fluent를이용한에너지파일의속채움재종류, 말뚝종류에따른열전달특성과열효율분석 Bourne-webb 등 (2009), B.L.AMATYA 등 (2012), 연세대학교연구팀 에너지파일의온도변화에따른구조적거동분석
에너지파일의구조적거동이론 (Lyesse Laloui, 2011) Cooling Heating P P P P Cooling 수축 Heating 팽창 (Lyesse Laloui, 2011) Q s Q s Q s Q s Q s Q s Q s Q s Q p Q p Q p Q p
에너지파일의지지력이수축거동시 (Cooling) 감소, 팽창거동시 (Heating) 증가함을수치해석을통해확인 ( 민혜선, 2012) Cooling Heating
해상풍력기초 - 가장많이시공되는기초형식은 monopile 이며, 수심이깊어질수록 tripod pile, jacket pile 및 suction pile 을적용
해상풍력시공 - 발전기터빈이사업비대부분을차지 (51%) - 기초시공비 19% (19억/1기) - 시공비절감을위한기초공법의효율화필요 시장동향 - 근해에서원해로진출, 소형에서대형화경향 - 부유식해상풍력발전기개발에따른적정기초공법개발필요
기초설계대부분석유시추구조물의기술을선별 / 적용가능 연직하중과비교하여수평하중이차지하는비중이큼 - Wind turbine : F v = 6MN, F h = 4MN - Gas & oil structure : F v = 200MN, F h = 25MN 바람에의한모멘트하중이큼 회진, 바람, 파도, 조류등에의한반복하중의영향을고려 그밖에수위, 얼음, 지반특성, 지진, 염도, ship traffic 등을고려해야함
현재육상풍력발전단지가다수운영중 한국전력을중심으로 100MW급해상풍력실증단지가설계중에있음 서해안은수심이얕고풍속의변화도심하지않아해상풍력발전단지에유리할것으로판단됨
내진및 LRFD 설계 2012 한국지반공학회가을학술발표회초청강연
국내내진설계 - 지진위험도는높지않으나강진의발생가능성이있음 - 1988년내진설계규준을제정, 시행하고있음 - 의사정적해석법또는동적해석법에의한설계 - 지진자료및그신뢰성이부족하여미국혹은일본설계기술의존 일본내진설계 - 지진발생횟수가많고피해경험을바탕으로내진설계법이발전 - 중지진 : 허용응력설계법, 대지진 : 수평내력설계법 미국내진설계 - ANSI에는의사정적해석법의설계과정을규정하고있음 - 기본적인해석과정이나계수의범위는국내와유사함
진도법 : 등가수평하중을받는말뚝 - 지반해석모델 (BNWF Model) 탄성해석법 ( 변위법 ) 도로교설계기준한국도로교통협회, 2005 Bi-linear 지반모델 철도구조물등설계표준, 내진설계편 일본운수성 (RTRI), 1998 Bi-linear 지반모델도로교시방서, 내진설계편일본도로협회 (JRA), 2002 p-y 지반모델 FHWA 의도로교기초의내진설계절차및지침 미국연방도로국 (FHWA), 1986 1) 탄성해석법 말뚝의근입깊이에따라반무한장보 (3/β 이상 ) 와유한장보 (3/β 이하 ) 로구분 지반특성이일정한지반반력상수로고려 큰변위시에나타나는지반의비선형거동고려하지못함
등가수평하중을받는말뚝 - 지반해석모델 2) RTRI의 Bi-linear 지반모델 지반의비선형성을나타내는탄소성모델 초기기울기인수평지반반력상수 (k h ) 와수평지반응력의상한치 (P e ) 를제시 k h E 0 f rk ( 0. 6E 2500N 0 D 3 4 ) P HU tan -1 k HE H 지반조건수평지반응력의상한치 (P e ) 사질토점성토 Pe ( z) frp( re zk p ) Pe ( z) frp( 1 z 2D)( re z 2c) 9c
H k k HE k k u p p Hu P P 지반조건 α k α p η k η p 사질토 1.5 3.0 2/3 < 1.0 점성토 1.5 1.5 2/3 1.0 3) JRA 의 Bi-linear 지반모델 지반거동을탄성영역과소성영역으로구분하는탄소성모델 초기기울기인수평지반반력상수 (k HE ) 와수평지반응력의상한치 (P Hu ) 를제시 D B E k B k k H H H H H 3 0 3 0 0 4 3 0 0.. q K K c z K P I E D k N E EP EP EP U p p h 2 4 2800 4 0 등가수평하중을받는말뚝 - 지반해석모델
등가수평하중을받는말뚝 - 지반해석모델 4) p-y 지반모델 (API Sand Model) 쌍곡선접선함수 (hyperbolic tangent function) 의형태 깊이에따른지반강성의증가를고려 1. 쐐기파괴로인한이론극한지반반력 p st ' D( K K zk tan tan z p a p 2. 유동흐름으로인한이론극한지반반력 p sd 3 p 2 p ' ( K 2K K tan tan K ) D z 0 a p p, 3. 지배극한지반반력중작은값을선택 s sd p st 4. 정적 / 반복하중의적합계수산정 5. p-y 곡선산정 정적하중 : 반복하중 : p A s 3. 0 0. 8 z D 0. 9 A 0. 9 kz Ap tanh s y Ap u
설계법의추세 - 허용응력설계법 (WSD) 에서한계상태설계법 (LSD;LRFD) 로변화 LRFD 개념 ri i r i Q 하중계수 Load factor i R i Q 저항계수 Resistance factor R i i i 공칭하중 Nominal load 공칭저항 Nominal resistance 현황및전망 - LRFD 는국제설계법에서적용추세 - 성패는적절한저항계수의산정이중요
국외한계상태설계법 - 미국, 캐나다, 호주 : LRFD ( 저항계수산정 ) -유럽:Eurocode ( 지반정수에부분안전계수적용 ) -일본: Geocode 21, 성능설계 국내한계상태설계법 - 말뚝기초설계를중심으로비선형구조물의신뢰성해석, 지반-구조물의동적상호작용해석등의연구진행중 - 타입강관말뚝, 현장타설말뚝대한저항계수산정및제정 ( 도로교설계기준해설편, 2008)
말뚝기초설계의전망 2012 한국지반공학회가을학술발표회초청강연
1. 국내기초분야의설계기술경쟁력은많은발전을이루어왔으나, 아직까지대형구조물및중요구조물의설계는선진외국설계기술에의존하고있는실정임. 이러한경쟁력부족의근본적인원인은연구개발의미흡및보수적인설계기준으로최적설계개념에대한이해가부족하기때문인것으로판단됨. 2. 국내에서는주로허용응력설계법을사용하는것이일반적으로한계상태설계법에대한체계적인연구가미비한실정임. 이와함께지반 -기초-구조물의상호작용을고려한설계를통해보수적인설계를탈피하여경제적인최적설계를지향해야함.
3. 말뚝지지전면기초나에너지파일의경우시공및설계실적이거의전무하여국내실정에맞는설계기준을정립할필요가있음. 또한합리적인말뚝기초의재하시험및품질관리기준이명확하게요구되고있음. 4. 국내지반조건과말뚝의재료를최대한활용하고상하부구조물의 상호작용을고려한최적설계, 고강도재료및신소재의이용, 국내 에맞는새로운말뚝기초공법의도입및설계기준확립등이절실함