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ISSN : 2234-6937(Print)
ISSN : 2287-6979(Online)
Journal of Korea institue for Structural Maintenance Inspection Vol.23 No.1 pp.71-77
DOI : https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.1.71

Pile-cap Connection Behavior between Hollow-Head Precast Reinforced Concrete Pile and Foundation

Jin-Wook Bang1, Young-Jae Jo2, Kyung-Chul Ahn3, Yun-Yong Kim4*

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author:yunkim@cnu.ac.kr Department of Civil Engineering, Chungnam National University, Daejeon, 34134, Korea
16/08/2018 01/11/2018 05/11/2018

Abstract


Recently, most of the pile foundations have been applied as a method to transfer the heavy load of the structure to the ground with high bearing capacity. In this study, the pile-cap behavior between foundation and hollow-head precast reinforced concrete(HPC) pile reinforced with longitudinal rebar and filling concrete was experimentally evaluated depending on the cyclic load and reinforcement ratio. As the drift ratio increases, it was found that the cracks pattern and fracture behavior of two types of pile-cap specimens according to the reinforcement ratio were evaluated to be similar. As the reinforcement ratio increases by 1.77 times, the BS-H25 specimen increases the maximum load by 1.47 times compared to the BS-H19 specimen. However, the ductility ratio of positive and negative was decreased by 76% and 70% respectively. After the yielding of the pile-cap reinforcing rebars, the positive and negative stiffness of the all specimens were decreased by a range from 66% to 71% and a range from 54% to 57% respectively, and the average stiffness of BS-H25 specimen is 13% higher than that of BS-H19 specimen. The cumulative dissipated energy capacity of BS-H19 and BS-H25 specimen under ultimate load state is 5.5 times and 6.6 times higher than that of service load state.



프리캐스트 철근콘크리트 중공 말뚝과 기초 접합부 반복가력 거동

방 진욱1, 조 영재2, 안 경철3, 김 윤용4*
1정회원, ㈜동양기술연구소
2정회원, JS 건설
3정회원, 케이피이엔씨
4정회원, 충남대학교 토목공학과 교수

초록


지지력이 큰 하부지반에 구조물의 하중을 전달하기 위한 방안으로 말뚝기초가 대부분 적용되고 있다. 이 연구에서는 접합부에 보 강되는 철근량에 따라 반복하중 하에서 프리캐스트공법과 철근 및 속채움 콘크리트로 말뚝머리부를 보강한 철근콘크리트 말뚝(HPC)과 기초 접합부 거동을 실험을 통해 평가하였다. 철근량에 변화에 따라 제작된 두 종류의 접합부 실험체의 균열패턴과 파괴거동은 유사한 수준으로 평 가되었다. 철근량 1.77배 증가에 기인하여 BS-H25 실험체는 BS-H19 실험체에 비해 최고하중은 약 1.47배 증가하였지만 연성비는 정가력시 76%, 부가력시 70% 수준을 나타내었다. 강성감소는 접합부 철근 항복 이후 BS-H19 실험체와 BS-H25 실험체는 정가력시 초기강성의 약 66% ~ 71% 수준으로 부가력시 54% ~ 57% 수준으로 감소되었고 BS-H25 실험체가 평균 13% 높은 강성값을 나타내었다. 극한하중 상태에서의 BS-H19와 BS-H25 실험체의 누적 에너지 소산량은 사용하중 상태에 비해 약 5.5배 및 6.6배 큰 값으로 측정되었다.



    1. 서 론

    최근 건설 기술의 발달로 인해 구조물이 고층화, 장지간화 되고 대규모 아파트 건설이 증가함에 따라 기초지반의 지지력 이 충분하지 못하거나 침하가 과다하게 발생되는 경우 지지력 이 큰 하부지반에 구조물의 하중을 전달하기 위한 방안으로 말 뚝기초가 대부분 적용되고 있다(Hyun et al., 2017). 현장에서 주로 사용되는 여러 가지 형태의 말뚝기초는 하중의 범위, 지 반의 조건, 지하수위 등 구조적 요인과 환경적 요인에 따라 목 적에 맞게 다양하게 적용되고 있다. 다양한 재질의 말뚝 기초 중에서 기성 콘크리트 말뚝은 콘크리트를 다질 때 원심력을 이 용하고 증기양생으로 콘크리트의 밀도 및 조기강도를 증진시 킨 RC말뚝과 고강도 프리스트레스 강선을 사용하고 프리스트 레스를 가한 후 콘크리트를 타설하고 양생 후 강선을 절단하여 말뚝단면에 압축력을 가하는 PC말뚝으로 크게 구분할 수 있 다. 또한 고강도 프리스트레싱 강선의 프리텐션방식과 원심력 을 함께 이용하여 제조된 PHC말뚝이 있으며 1983년 KS 규격 이 제정된 이후 현재 국내 대부분의 시공현장에 PHC말뚝이 사 용되고 있으며 이에 대한 연구도 상당히 진행되고 있는 실정이 다(Jeon et al., 2014;Park and Chun, 2015). 이와 더불어 2010년 이후 PHC말뚝을 기반으로 합성 PHC말뚝에 대한 연구도 상당 히 진행되고 있는데 말뚝 중공부에 전단 연결재와 속채움 콘크 리트로 보강한 합성말뚝(Bang et al., 2016), 돌출부 합성 전단 연결재와 속채움 콘크리트로 보강한 복합 PHC말뚝(Kim et al., 2017)에 대한 구조실험을 통해 기성 PHC말뚝의 성능을 우수 하게 증진시킬 수 있음을 보고한바 있다.

    한편, PHC말뚝의 성능을 증진시키기 위한 다양한 노력에 비해 현재 철근콘크리트 말뚝의 사용 및 성능개발에 대한 연 구가 미미한 상황이다. 일반적으로 축강도 및 휨강도에 대한 내력이 PHC말뚝에 비해 많이 저하되어 있고 두부와 기초부 의 연결부 시공성에 대한 어려움이 발생되기 때문에 적용이 제한적인 것에 기인한다. RC말뚝의 강도증진을 위한 방법으 로 프리캐스트 공법과 고강도 철근 및 속채움 콘크리트를 적 용하여 철근콘크리트(HPC)말뚝을 개발하고 말뚝의 구조내 력, 연결부 안전성 및 현장적용성을 평가하여 향상된 성능을 보고하였다(Bang et al., 2017). 본 연구는 Fig. 1과 같이 앞서 기술한 HPC말뚝과 접합부 철근량에 따른 접합부 결합 성능 을 평가하기 위한 실험 연구로서 반복가력 하중하에서 파괴 시까지의 균열거동, 휨강도, 연성비, 강성감소 및 에너지 소산 능력을 평가하였다.

    2. 실험체 제작 및 실험 방법

    2.1 HPC말뚝 및 접합부 실험체 제작

    반복가력 실험체 제작을 위해 계획한 말뚝 실험체의 형상은 Fig.2와 같다. 직경 500 mm, 두께 80 mm의 기성 PHC말뚝과의 결합 사용목적으로 단면은 10각형이며 가장 긴 단면의 폭은 500 mm, 이에 대응되는 가장 짧은 단면의 폭을 475 mm, 두부 중공부 본체 두께를 70 mm로 제작하였다. 또한 HPC말뚝과 속 채움 콘크리트 경계면에 발생되는 수평전단력을 충분히 확보 할 수 있도록 말뚝 내면에 요철을 형성하였는데 사전연구 (Bang et al., 2017)를 통해 충분한 일체화 거동을 확보할 수 있 음을 보고하였다. HPC말뚝의 길이는 2,000 mm이며 총 2개를 제작하였다.

    한편, 접합부 실험체의 경우 기초 속으로 매입되는 말뚝의 길이를 최소화하고 두부철근을 이용하여 말뚝머리에 작용하 는 휨모멘트를 철근이 저항할 수 있도록 도로교설계기준 해설 에서 제시하는 강결합 방법 B를 적용하였다. 기초의 크기는 1500 × 1500 mm, 높이가 800 mm의 사각형 형태이며, 실험시 기초부가 반력바닥에 완전히 고정되어 움직이지 않도록 유압 너트 거치를 위하여 내부에 외경 ϕ70의 PVC pipe를 기초부를 관통하도록 말뚝중심으로부터 좌우 500 mm 떨어진 위치에 삽 입하였다. HPC말뚝을 기초에 100 mm 삽입하였고, 기초상단 에서부터 가력부위까지는 1,500 mm이다. 말뚝머리 축방향 철 근으로 말뚝 중공부에 H19와 H25 이형철근 8개를 각각 등간 격으로 배근하였으며, H10 나선철근을 이용하여 150 mm 간 격으로 고정하였다. 기초로 삽입되는 부분의 말뚝머리 보강철 근은 원형 띠철근 4개를 150 mm 간격으로 배근하였으며, 기초 의 철근은 H25 철근으로 배근하였다. 말뚝머리-기초 접합부 반복가력 실험을 위해 축방향 철근량에 따라 2개의 실험체를 제작하였다.

    2.2 사용재료

    HPC말뚝 본체는 설계기준압축강도 40 MPa의 콘크리트를 사용하여 제작하였고, 말뚝 중공부에 충진되는 콘크리트와 반 복가력 실험체 기초부는 설계기준압축강도 27 MPa를 사용하 였다. 모든 콘크리트는 굵은골재 최대치수 25 mm, 슬럼프 150 mm이다. 한편, 사용된 철근의 종류 및 물리적 특성은 Table 1 에 나타낸 바와 같다.

    2.3 실헙방법

    HPC말뚝과 기초 접합부의 반복가력에 따른 휨거동을 평가 하기 위하여 Photo. 1에 나타낸 바와 같이 1,000 kN 용량의 엑 츄에이터를 이용하여 말뚝의 높이에 대한 수평방향 변위의 비 인 drift ratio를 증가시키는 방법으로 횡방향 하중을 말뚝본체 에 재하 하였다. 반복가력 실험을 위해 각 단계별 drift ratio는 Fig.3과 같이 매회 2 cycle씩 정가력(+)과 부가력(-)의 반복하 중을 동일한 변위제어 방식으로 적용하였다. 또한 말뚝의 변위 를 측정하기 위하여 가력판 맞은편에 1,100 mm LVDT와 기초 판 상부에서부터 500, 700, 1,500 mm 지점에 LVDT를 각각 설 치하였다. 반복가력 실험은 BS-H19 실험체부터 시작하여 BS-H25 순서로 진행하였으며 축력이 도입되지 않은 상태로 말뚝과 확대기초 접합면에서 상부로 1,500 mm 떨어진 지점에 서 가력판을 설치하여 말뚝에 하중집중이 발생되지 않고 균일 한 횡하중이 가해지도록 하였다. 접합부의 반복가력 실험은 최 고하중 이후 HPC말뚝-기초 접합부 콘크리트 및 기초가 파괴 되더라도 계속 실험을 진행하여 하중이 최고하중의 70% 이하 로 저하될 때 종료하였다. 접합부 철근의 거동을 평가하기 위 해 휨모멘트가 가장 크게 발생되는 접합부에 위치하는 축방향 철근에 철근게이지를 부착하였으며, 말뚝 콘크리트의 초기 균 열발생 및 변형률 거동을 평가하기 위해 말뚝 표면에 콘크리트 게이지를 부착하였다.

    3. HPC말뚝-기초 접합부 반복가력 거동평가

    3.1 파괴 형태

    접합부 실험체에 대하여 반복가력 하중이 증가함에 따른 HPC말뚝 본체, 접합부, 기초에 발생되는 균열 진전양상을 관 찰하였다. Photo. 2는 접합부 실험체의 정·부가력에 따른 균열 패턴 및 진전양상을 나타낸다. BS-H19 접합부 실험체의 경우 기초와 말뚝 경계면에서 초기균열이 발생하였다(변위 2 mm). 수평변위가 증가함에 따라 경계면의 균열이 진전되었고, 정가 력 변위 4.75 mm일 때 접합부에서 약 250 mm 떨어진 부분에 서 HPC말뚝 본체의 초기균열이 발생하였으며 drift ratio가 증 가함에 따라 말뚝 상부로 수직 및 수평의 추가 균열이 발생되 었다. 변위 66.5 mm에서 최고하중의 70% 수준의 하중을 보였 고 말뚝 본체 콘크리트의 탈락 현상이 시작되었으며 실험종료 인 변위 76 mm까지 말뚝 본체 콘크리트의 탈락이 추가적으로 발생하여 실험을 종료하였다.

    BS-H25 접합부 실험체도 변위 2 mm에서 휨모멘트가 가장 크게 작용하는 접합부 경계면에서부터 균열이 발생하기 시작 하였고 그 후 말뚝 본체에 균열이 발생하였다(변위 4.75 mm). Drift ratio가 증가함에 따라 말뚝 본체에 초기 균열이 발생한 지점에서 균열이 진전되었으며 말뚝 상부에 따라 추가균열이 발생하였다. 변위 47.5 mm에서 부가력 부분의 콘크리트가 탈 락하기 시작하였고, drift ratio가 증가함에 따라 균열폭이 증가 함으로 인해 콘크리트의 탈락이 추가적으로 발생되었다.

    실험의 종료는 BS-H19 실험체와 동일하게 수평변위 76 mm 이다. 반복가력 실험을 통해 두 실험체를 평가한 결과 drift ratio 증가에 따라 실험종료시까지 연성적인 거동이 관찰되었다.

    3.2 하중-변위 관계

    접합부 실험체 반복가력 실험을 통해 도출된 각 실험체의 하중-변위 이력곡선은 Fig.4와 같다. BS-H19 실험체는 정가 력 조건하에서 변위 28.5 mm에서 최고하중이 131.9 kN로 측 정되었고 최고하중 이후 완만한 내력감소를 보이며 변위 66.5 mm에서 최고하중의 70% 수준인 93.8 kN의 하중을 나 타내었다. 부가력 조건하에서도 변위 -28.5 mm에서 최고하 중이 –130.5 kN이며, 최고하중 이후 완만한 내력감소를 보 이면서 변위 57 mm에서 최고하중의 70%인 –118.1 kN의 하 중을 나타내었다. BS-H25 실험체도 BS-H19 실험체와 하중- 변위 이력곡선은 거의 유사한 하중감소 경향을 나타내었다. 정가력시 변위 38 mm에서 최고하중 194.8 kN으로 측정되었 고, 변위 57 mm에서 최고하중의 70 %인 143.2 kN의 하중을 나타내었다. 부가력시에는 변위 –28.5 mm에서 최고하중이 – 191.2 kN으로 평가되었고 최고하중의 70% 하중은 변위 57 mm에서 –155.2 kN을 나타내었다. 접합부 실험체의 하중-변 위 거동을 검토한 결과 drift ratio 증가에 따라 급격한 하중감 소 없이 연성적인 파괴거동을 확인하였고, 두부 철근량 1.77 배 증가에 따라 최대 휨강도를 1.48배 증가시킬 수 있는 것으 로 나타났다.

    한편, Fig.4의 하중-변위 곡선에서 각 drift ratio에 따라 측정 된 최고하중을 연결하여 나타낸 포락곡선을 바탕으로 두 실험 체의 연성비(ductility ratio)를 평가하였다. 연성비(μ)는 식 (1) 을 이용하기 위해 휨강도가 가장 크게 발생되는 지점의 철근게 이지를 검토하였다.

    μ = δ u / δ y
    (1)

    머리부 보강철근이 항복(2,250 micro strain)할 때의 하중을 Py 로, 이때의 변위를 항복변위 δy 로 정의하였다. 또한 포락곡 선에서 최고하중의 70%의 하중을 Pu 로 이때의 변위를 δu 로 정의하였으며, Table 2에 각 실험체에 따른 결과값을 정리하였 다. 두부 철근량이 증가함에 따라 접합부 내력은 증가하였지만 연성비는 두부 철근량이 증가함으로써 BS-H19 실험체에 비해 BS-H25 실험체는 정가력시 76%, 부가력시 70% 수준으로 감 소하였다.

    3.3 강성변화 특성

    두 실험체의 drift ratio에 따른 강성의 변화를 Fig. 5에 나타 내었다. 접합부 초기강성은 정·부가력에 따른 안정적인 초기 기울기를 얻을 수 있는 수평변위 4.75 mm를 기준으로 원점과 최고하중 사이의 기울기로 정의하였고, drift ratio에 따른 최고 하중과의 기울기 비율로 강성특성을 비교하였다. 두 실험체 모두 drift ratio가 증가함에 따라 강성이 점진적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 보강 철근의 항복전 구간인 12 mm 이전에 는 강성감소가 두 실험체 모두 비슷한 경향을 나타내었지만 철 근의 항복이 발생되는 수평변위 12 ~ 20 mm 구간 이후에서부터 강성감소가 뚜렷히 발생되었는데 BS-H19 실험체와 BS-H25 실 험체는 정가력시 초기강성의 약 66% ~ 71% 수준으로 부가력시 54% ~ 57% 수준이며 접합부 철근량이 상대적으로 많은 BS-H25 실험체가 평균 13% 높은 강성값을 나타내었다.

    3.4 에너지소산 특성

    Fig. 6은 접합부 실험체 각각의 drift ratio에 따른 누적에너지 소산량을 나타낸 것이다. 에너지 소산량은 각 실험체 하중-변 위 이력곡선의 내부 면적을 계산한 값이며 각각의 drift ratio의 소산량을 누적하여 계산하였다. 모든 접합부 실험체가 drift ratio가 증가할수록 에너지 흡수량이 완만히 증가하는 경향을 나타내었다. BS-H19 실험체의 경우 초기 에너지 소산량은 부 가력부가 높게 나타났지만 drift ratio가 증가하면서 부가력에 저항할 수 있는 콘크리트가 탈락함으로 인한 단면적 감소로 정 가력부의 소산량이 상대적으로 높은 경향을 나타내었다. BS-H25 실험체는 초기 소산량은 정가력부가 상대적으로 높게 나타났다.

    한편, 사용하중을 최대하중의 40% 범위로 고려해 볼 때 BS-H19와 BS-H25 실험체의 사용하중 상태의 정가력시 drift ratio는 수평변위 9.5 mm 이내에 해당되며, 극한하중 상태는 28.5 mm가 해당된다. BS-H19와 BS-H25 실험체의 사용하중 상태의 정·부가력 평균 누적 에너지 소산량은 838 kN·mm 및 972 kN·mm이며, 극한하중 상태의 경우에는 평균 4,627 kN·mm 및 6,466 kN·mm으로 계산되었다. 따라서 극한하중 상 태에서의 BS-H19와 BS-H25 실험체의 누적 에너지 소산량은 사용하중 상태에 비해 약 5.5배 및 6.6배 큰 값을 확보할 수 있 는 것으로 나타났다. 이는 연성비에서 검토한 결과와 비슷한 경향으로 HPC말뚝과 접합부는 큰 하중에서도 급작스런 내력 감소 없이 우수한 연성적 파괴거동을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

    4. 결 론

    이 연구에서는 프리캐스트 철근콘크리트 중공(HPC) 말뚝 과 기초 접합부 철근량에 따른 거동을 실험을 통해 평가하였 고 그 결과를 요약하면 다음과 같다.

    • (1) HPC말뚝 본체는 총 2,000mm로 10각형 형상으로 두께 는 70mm이며 내부 요철을 형성하였다. 반복가력 실험 체 제작은 기초로 삽입되는 깊이가 100mm, 두부보강 철 근을 사용하는 강결합 B방법을 적용하였고 각각 8개의 H19와 H25 이형철근으로 두부보강 철근량을 변수로하 여 실험체를 제작하였다.

    • (2) 실험은 매회 2cycle씩 정가력과 부가력의 반복하중을 동일한 변위제어 방식으로 하중을 가력하는 방식을 적 용하였고 축력이 도입되지 않은 상태에서 말뚝과 확대 기초 접합부면에서 상부로 1,500mm 떨어진 위치에 횡 하중을 가력하였고 최고하중의 70% 이하로 저하될 때 실험을 종료하였다.

    • (3) 반복가력 실험을 통해 실험체에 나타난 균열패턴을 평 가한 결과 BS-H19 실혐체의 경우 수평변위 2mm에서 경 계면에서 초기균열이 발생하였고 4.75mm에서 말뚝본 체에 초기균열이 발생하였다. 하중이 증가함에 따라 상 부로 수직/수평 균열이 추가적으로 발생하였고 변위 66.5mm에서 최고하중의 70% 수준의 하중을 보였고 말 뚝 본체 콘크리트의 탈락이 관찰되었다. BS-H25 실혐체 의 경우 접합부 균열 및 말뚝 초기균열이 발생한 변위는 동일하게 측정되었고 균열패턴 및 파괴거동도 실험종료 시까지 유사하게 연성적인 거동이 관찰되었다.

    • (4) BS-H19 실험체는 정가력 변위 28.5mm에서 최고하중 131.9kN으로 측정되었고 66.5mm에서 최고하중의 70% 수준인 93.8kN의 하중을 나타내었고 BS-H25 실험체의 경우 38 mm에서 최고하중 194.8kN으로 측정되었고 변 위 57mm에서 최고하중의 70% 수준의 하중을 보였다. 접합부 철근량 1.77배 증가에 기인하여 BS-H25 실험체 는 최고하중은 약 1.47배 증가하였지만 연성비는 BS-H19 실험체에 비해 정가력시 76%, 부가력시 70% 수 준을 나타내었다.

    • (5) 보강 철근의 항복전 구간인 12 mm 이전에는 강성감소 가 두 실험체 모두 비슷한 경향을 나타내었지만 철근의 항복이 발생된 이후에는 강성감소가 뚜렷히 발생되었는 데 BS-H19 실험체와 BS-H25 실험체는 정가력시 초기강 성의 약 66% ~ 71% 수준으로 부가력시 54% ~ 57% 수준 이며 접합부 철근량이 상대적으로 많은 BS-H25 실험체 가 평균 13% 높은 강성값을 나타내었다.

    • (6) 에너지소산능력을 평가한 결과 두 실험체 모두 drift ratio 가 증가할수록 에너지 흡수량이 완만히 증가하는 경향을 나타내었다. 극한하중 상태에서의 BS-H19와 BS-H25 실 험체의 누적 에너지 소산량은 사용하중 상태에 비해 약 5.5배 및 6.6배 큰 값을 확보할 수 있는 것으로 나타나 HPC말뚝과 접합부는 큰 하중에서도 급작스런 내력감소 없이 우수한 연성적 파괴거동을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

    감사의 글

    본 연구는 2017년도 충남대학교 학술연구비(과제번호 2017-1656-01)에 의해 지원되었음.

    Figure

    JKSMI-23-71_F1.gif

    Conceptional images of pile-cap connection

    JKSMI-23-71_F2.gif

    Configuration and dimension of the cyclic test specimens

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    Test set-up

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    Cyclic load history for specimens

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    Cracks pattern and failure mode of specimens

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    Relation-curve between cyclic lateral force and displacement

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    Cyclic stiffness degradation of each specimen

    JKSMI-23-71_F6.gif

    Cyclic cumulative dissipated energy of each specimen

    Table

    Reinforcement of specimens

    Cyclic loading test results of the each specimen

    Reference

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