말뚝지지 전면기초의 최적화 설계를 위한 하중분담율 분석 = Analysis of Load Sharing Ratios for Optimized Piled Raft Design

국문 초록 (Abstract)

최근 대규모 개발사업과 고층화된 구조물의 증가에 따라, 구조물의 하중을 안정적으로 지지하고 동시에 경제성과 시공성을 확보할 수 있는 기초 설계 기 술에 대한 수요가 크게 증가하고 있다. 특히, 다양한 지반조건 하에서 기존의 전통적인 말뚝기초 설계는 과도한 안전율을 적용하여 설계되기 때문에 침하를 허용하지 않는 보수적인 접근으로 인해 말뚝의 수량과 깊이가 과도하게 산정되 고, 이는 공사비 증가와 비효율적 설계를 초래할 수 있다. 이러한 배경에서 말 뚝과 전면기초가 구조 하중을 공동으로 분담하는 말뚝지지 전면기초(Piled Raft Foundation, PRF)는 침하 허용 기반의 성능기반설계(Performance-Based Design)를 통해 구조적 안정성과 경제성을 동시에 만족시킬 수 있는 대안으로 주목받고 있다. 본 연구의 말뚝지지 전면기초(Piled Raft Foundation, PRF)는 전면기초와 말뚝기초가 구조 하중을 공동으로 분담하는 복합기초 시스템으로, 과도한 말뚝 사용을 줄이고 침하를 허용 범위 내에서 제어할 수 있는 합리적인 설계 방식이다. 그러나 지반조건 및 설계변수 변화에 따른 하중분담 메커니즘이 복잡하여 실무 적용을 위한 정량적 기준이 부족한 실정이다. 본 연구는 다양한 지반조건에서 PRF의 하중분담 특성과 침하 거동을 체계적 으로 규명하고, 설계변수 변화가 구조성능에 미치는 영향을 평가하여 실무 적 용 가능한 설계 방안을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 PLAXIS 3D를 이용한 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 말뚝 직경, 전면기초의 폭 및 두께, 말뚝 강성, 선단지층 조건 등 주요 설계변수를 고려하여 하중분담률, 침하량, 부등침하량을 분석하였다. 해석 결과, 초기 단계에서는 전면기초의 지반지지력 기여가 우세하나, 침하가 진행됨에 따라 말뚝의 하중분담률이 증가하는 비선형 하중전달 특성이 확인되 었다. 말뚝의 하중분담률은 조건에 따라 약 30%에서 최대 70%까지 증가하였 으며, 전면기초의 폭·두께 증가는 하중 분산을 개선하여 침하를 감소시키는 반면, 말뚝 직경 및 강성 증가는 일정 수준 이후 효율이 저하되는 경향을 보였다. 추가로 점토, 풍화토, 풍화암을 대상으로 실제 고층 건축물의 말뚝지지 전면 기초의 사례를 분석한 결과, 기존의 장심도 말뚝 설계는 보수적 경향이 있었으 며, 말뚝의 길이 조정 또는 배치 최적화를 통해 구조 안정성을 유지하면서도 경 제성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 해석 결과는 현장 계측자료와의 비 교를 통해 모델의 신뢰성을 확보하였다. 본 연구는 다양한 지반조건에서 말뚝지지 전면기초의 하중전달 메커니즘을 정량적으로 제시하고, 설계변수별 성능 변화를 기반으로 합리적 설계 접근법을 제안하였다는 점에서 의의가 있다. 이는 기존 말뚝기초 설계의 보수성을 완화 하고, 구조적 안전성과 최적화 설계를 동시에 확보할 수 있는 실무 중심의 설계기준 마련에 기여할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 국문요약 i
• 목 차 iii
• 그림목차 vii
• 표 목 차 x
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구목적 1
• 1.2 연구동향 3
• 1.3 연구방법 6
• 제 2 장 말뚝지지 전면기초의 이론적 고찰 8
• 2.1 개요 8
• 2.2 기초 종류별 거동 특성 9
• 2.2.1 기초 종류별 특성 9
• 2.2.2 말뚝기초 10
• 2.2.3 전면기초 12
• 2.2.4 말뚝지지 전면기초 15
• 2.3 말뚝지지 전면기초의 설계법 분석 17
• 2.3.1 국내 설계 방법 경향 17
• 2.3.2 국외 설계 방법 경향 19
• 2.4 말뚝지지 전면기초의 하중분담율 사례연구 20
• 제 3 장 현장계측치를 이용한 수치해석 검증 24
• 3.1 개요 24
• 3.2 수치해석 기법 및 방법 25
• 3.2.1 수치해석 기법 25
• 3.2.2 지반 재료의 구성 모델 27
• 3.2.3 경계조건 및 초기조건 설정 32
• 3.2.4 말뚝지지 전면기초 모델링 34
• 3.2.5 하중조건 및 해석 단계 설정 35
• 3.3 현장시험 및 계측 결과 분석 36
• 3.3.1 지반조건 36
• 3.3.2 지반정수 37
• 3.3.3 기초 설치조건 37
• 3.3.4 계측기 설치 39
• 3.3.5 계측결과 분석 40
• 3.4 현장 계측결과에 대한 수치해석 검증 45
• 3.4.1 수치해석 모델링 45
• 3.4.2 수치해석 검증 결과 46
• 제 4 장 말뚝지지 전면기초 영향인자 및 하중분담율 분석 49
• 4.1 개요 49
• 4.2 수치 모델링 및 해석조건 49
• 4.2.1 수치 모델링 49
• 4.2.2 수치해석 조건 51
• 4.3 말뚝지지 전면기초 영향 인자의 하중-침하량 분석 53
• 4.3.1 말뚝직경 조건 53
• 4.3.2 기초 폭 조건 54
• 4.3.3 기초 두께 조건 56
• 4.3.4 말뚝재료의 강성 조건 57
• 4.3.5 말뚝 선단부 지층 조건 59
• 4.4 말뚝지지 전면기초의 영향 인자별 하중분담율 분석 60
• 4.4.1 말뚝직경 조건 60
• 4.4.2 기초폭 조건 62
• 4.4.3 기초두께 조건 64
• 4.4.4 말뚝재료의 강성 조건 66
• 4.4.5 말뚝선단부 지층 조건 68
• 제 5 장 말뚝지지 전면기초의 하중분담율 설계 70
• 5.1 개요 70
• 5.2 이암조건에 근입된 RCD 말뚝기초 (Case 1) 71
• 5.2.1 현장 및 해석조건 71
• 5.2.2 기존 설계안에 대한 안정성 검토 75
• 5.2.3 최적 설계 대안 I 80
• 5.2.4 최적 설계 대안 II 85
• 5.2.5 CaseⅠ에 대한 종합검토 결과 89
• 5.3 풍화암에 근입된 PRD 말뚝기초 (Case 2) 91
• 5.3.1 현장 및 해석조건 91
• 5.3.2 기존 설계 안에 대한 안정성 검토 94
• 5.3.3 최적 설계 대안 I 98
• 5.3.4 최적 설계 대안 II 103
• 5.3.5 최적 설계 대안 III 108
• 5.3.6 CaseⅡ에 대한 종합검토 결과 113
• 5.4 풍화암에 근입된 PHC 말뚝기초 (Case 3) 115
• 5.4.1 현장 및 해석조건 115
• 5.4.2 기존 설계 안에 대한 안정성 검토 119
• 5.4.3 최적 설계 안에 대한 안정성 검토 121
• 5.4.4 Case 3에 대한 종합검토 결과 126
• 제 6 장 결 론 128
• 참고문헌 130
• Abstract 139
• 감사의 글 142