변단면 단일 현장타설말뚝의 소성힌지 영향분석

안상용(Ahn Sangyong),정상섬(Jeong Sangseom),김재영(Kim Jaeyoung) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 C Vol.30 No.3

본 연구에서는 말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-△ 효과를 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 거동특성을 분석하였다. 이를 위하여 실제 시공된 현장타설말뚝에 대한 말뚝재료의 균열 휨모멘트 및 균열 수평하중을 산정하였고, 국내 · 외에서 적용하고 있는 대표적인 수평변위 기준과의 비교분석을 수행하였다. 또한 구조적 특성을 파악하기 위하여 설계자료를 토대로 재료 및 지반조건을 반영한 현장타설말뚝의 거동을 예측하여 변단면 설계의 타당성을 검토하였다. 분석 결과, 재료의 항복거동과 P-△ 효과 고려시, 이를 고려하지 않는 경우와 비교하여 최대 모멘트가 지표면 부근에서 발생하여 소성힌지 위치에 영향을 주는 것을 나타났으며, 말뚝의 재료파괴는 주로 기둥부의 단면적이 작은 말뚝-기둥 접합부에서 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한 주로 말뚝이 수평변위 기준에 도달하기 전에 재료의 파괴가 먼저 발생하기 때문에 말뚝의 항복효과를 고려해야 함을 알 수 있었다. 본 연구 결과, 변단면 단일 현장타설말뚝의 설계 시 불확실성을 고려하여 지지력을 과소 평가하고 있는 것으로 나타났으며, 말뚝재료의 항복거동 및 기하학적 비선형 거동인 P-△ 효과를 고려한 해석기법을 통하여 거동특성을 정확히 예측한다면 경제적인 설계가 가능할 것으로 판단되었다. In this study, the behavior of Pile-Bent structure with varying diameters subjected to lateral loads were evaluated by a load transfer approach. An analytical method based on the beam-column model and nonlinear load transfer curve method was proposed to consider material non-linearity (elastic, yielding) and P-△ effect. For an effective analysis of behavior Pile-Bent structure, the bending moment and fracture lateral load of material were evaluated. And special attention was given to lateral behavior of Pile-Bent structures depending on reinforcing effect of materials and ground conditions. Based on the parametric study, it is shown that the maximum bending moment is located within a depth (plastic hinge) approximately 1~3D (D: pile diameter) below ground surface when material non-linearity and P-△ effect are considered. And distribution of the lateral deflections and bending moments on a pile are highly influenced by the effect of yielding. It is also found that this method considering material yielding behavior and P-△ effect can be effectively used to perform the preliminary design of Pile-bent structures.

현장타설 콘크리트 말뚝의 두부 품질관리 개선

오주한(Ju-Han Oh),김영하(Young-Ha Kim),이민수(Min-Soo Lee) 한국철도학회 2017 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2017 No.05

현장타설 콘크리트 말뚝의 두부부분은 일반적으로 콘크리트 타설 도중 안정액 및 진흙의 혼입, 블리딩에 의한 레이턴스 등으로 품질이 저하됨에 따라 여유 있게 타설하고, 굳은 후에 설계높이까지 깨내고 있다. 그러나 이러한 여분 콘크리트 제거만으로 말뚝 상부의 목표품질을 만족하였는지에 대한 확인기준이 없어, 실제 일부 시공 현장에서는 품질미달인 말뚝이 그대로 시공되는 등 제대로 된 품질관리가 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 따라서 본 연구는 현장타설 콘크리트 말뚝의 두부에 대한 품질관리방안을 수립하기 위하여, 현장타설 콘크리트 말뚝의 상부 높이별 비파괴시험 및 파괴시험을 통해 비교분석을 시시하였다. 이를 통해 구조물 손상과 원지반의 교란을 최소화하는 범위에서 말뚝두부의 품질을 확인하는 시험절차를 제시하였으며, 관련 시방서 개정을 통해 현장타설 콘크리트 말뚝의 품질 신뢰도 향상에 기여할 것으로 판단된다. Cast-in-place concrete pile heads are currently being installed with a margin. This is to compensate for a reduction in quality of the pile as a result of stabilizer liquid, mixing mud and laitance after consolidation to the height of design. Currently, no standard exists to confirm if the upper section of the pile is of satisfactory quality through the removal of the pile head. This is leading to the likelihood that low quality piles are being constructed in the field. In this study, in order to manage quality, cast-in-place concrete piles are compared through both non-destructive and destructive tests to the height of each head. This paper is a proposal of test procedures to confirm the quality of pile heads that are within the appropriate range, while minimizing extensive breaking to the pile or ground disturbances. These procedures will thereby improve the reliability and quality of case-in-place concrete piles through revised specification.

단일 현장타설말뚝의 변단면 분석을 통한 최적 기둥-말뚝 직경비 제안

김재영,정상섬,안상용,Kim, Jaeyoung,Jeong, Sangseom,Ahn, Sangyong 대한토목학회 2013 대한토목학회논문집 Vol.33 No.5

In this study, the behavior characteristics of bent pile structures with varying cross-section was examined through the measured results of field load test. A framework for determining the bending stress is calculated based on the stresses in the circumference of the pile using 3D finite element analysis. It is found that the bending stress near the pile-column joint changes rapidly and fracture zones occurs easily at variable cross-sections in bent pile structures. Also, the optimized column-pile diameter ratio was analyzed through the relationship between the column-pile diameter ratio and lateral crack load ratio. Based on this study, the optimized column-pile diameter ratio can be obtained near the inflection point of the curve between the column-pile diameter ratio and lateral crack load ratio. Therefore, a present study by considering the optimized variable cross-section condition would be improved bent pile structures design. 본 연구에서는 변단면 단일 현장타설말뚝의 거동 특성을 평가하고자 현장재하시험 사례를 분석하였으며, 또한 3차원 유한요소해석을 이용하여 말뚝 내부에서 발생하는 응력을 통해 심도별 휨응력을 산정하였다. 분석 결과, 단일 현장타설말뚝의 변단면 부근에서 휨응력이 집중되어 재료파괴가 발생하기 가장 쉬운 것을 알 수 있었다. 이를 토대로, 단일 현장타설말뚝의 기둥-말뚝 직경비와 수평 균열하중비 관계를 통해 최적의 기둥-말뚝 직경비를 제안하였다. 연구 결과, 최적의 기둥-말뚝 직경비는 기둥-말뚝 직경비와 수평 균열하중비 관계 곡선의 변곡점 부근에서 산정되었으며, 단일 현장타설말뚝 설계에 최적 변단면 특성을 고려한다면 개선된 설계가 이루어질 수 있을 것으로 판단되었다.

충격반향기법에 의한 현장타설 말뚝기초의 선단 조건 평가

김동수,김형우 한국비파괴검사학회 2003 한국비파괴검사학회지 Vol.23 No.2

본 논문은 탄성파를 이용한 비파과검사 방법 중에 하나인 충격반향기법에 의하여 현장타설 말뚝기초의 선단 조건을 평가하는 연구로, 실내실험 및 현장실험을 수행하였다. 말뚝 선단 조건 평가를 위하여 직경 6㎝, 길이 2m인 시멘트 모르타르 모형말뚝을 제작하였으며, 선단 조건은 자유단 조건, 고정단 조건, 암반근입 조건, 그리고 연약 선단 조건의 네 가지로 구분하였고 연약 선단 조건은 다시 말뚝과 주위 지반과의 접착 상태가 양호한 경우와 불량한 경우로 나누어 실내실험을 실시하였다. 실내실험 결과 탄성파 전파방법에 의하여 말뚝 선단 조건 가운데 자유단 조건, 고정단 조건 및 암반근입 조건을 각각 구별, 평가할 수 있었다. 또한 암반에 근입되어 있는 깊이도 정확히 산정할 수 있었으며, 말뚝과 주위 지반과의 접착상태가 불량한 경우의 연약 선단도 탐지할 수 있었다. 탄성파 전파방법의 현장 적용성을 평가하기 위하여 국내 현장에 건설되어 있는 현장타설 말뚝기초에 대하여 현장실험을 수행한 결과, 탄성파 전파방법에 의하여 현장타설 말뚝기초의 선단 조건 평가가 가능함을 확인하였다. Experimental model studies were carried out to evaluate the end condition for drilled shafts by applying elastic impact on the top of the shaft, which is one of the various methods using stress waves. Typical impact responses corresponding to the various end conditions including free, fixed, rock-socketed, and soft-bottom with good and poor side contact conditions, were investigated. In order to smiulate these conditions, mock-up shaft models made of cement mortar were used. Small-scale laboratory experiments were also performed, and field tests were carried out for the shafts that were socketed into weathered rock. It is found that the rock-socketed condition and depth of penteration into rock can be identified from the reflection at the interface between the soil and rock in the waveform. The soft bottom condition can be identified, only when the side contact between shaft and surrounding rock is poor, whereas it cannot be identified when the side contact is good because the waveform is similar to that of fixed end condition.

양방향 고유압 말뚝재하시험(BDH PLT)을 이용한 초고층 건축물의 대구경 현장타설말뚝 설계절차에 관한 연구

김성호(Kim Sung-Ho),최용규(Choi Yongkyu) 한국지반환경공학회 2009 한국지반환경공학회논문집 Vol.10 No.3

본 논문에서는 초고층 건축물이 풍화대지반에 위치하여 대구경 현장타설 말뚝기초로 지지되고 있는 사례를 분석하였다. 본 논문에서 제시한 말뚝기초의 설계 사례는 “예비설계-검증시험-예비설계의 보완”의 3단계를 거쳐 말뚝기초의 설계를 완성한 대표적인 사례로 볼 수 있으며, 검증시험으로 2회의 양방향 고유압 말뚝재하시험이 수행되었다. 이와 같은 설계절차를 준수할 경우 말뚝 기초의 경제적인 설계를 수행할 수 있으며, 이를 통하여 말뚝기초 공사비의 대폭적인 절감을 이룰 수 있을 것이다. In this paper, a case of a high-rise building supported by a large-diameter drilled shaft socketed in a weathered ground has been studied. The design case of pile foundation presented in this paper could be a representative example of execution of pile design through three(3) design stages of “preliminary design-proof test-supplementary design”. As proof test, two(2) BDH PLT (Bi-directional High Pressure Pile Load Test) were performed at the early construction stage. By following the design process of this way, the economic pile design could be carried out and a large amount of construction cost saving could be realized.

수치해석을 통한 단일형 현장타설말뚝 외부강관의 적정 보강길이 산정

양우열(Wooyeol Yang),김완호(Wanho Kim),이강일(Kangil Lee) 한국지반환경공학회 2021 한국지반환경공학회논문집 Vol.22 No.6

교각기초 형식으로 적용되는 기초공법 중 하나는 단일형 현장타설말뚝이다. 이 말뚝에 대한 설계 시 주된 관심사항은 말뚝체에 작용하는 수평지지력 확보 여부이다. 현재 말뚝체의 강성증가를 위해 외부강관으로 말뚝체를 보강하여 말뚝의 수평지지력을 증가시키는 방법이 활용되고 있다. 그러나 지반조건에 따라 외부강관의 보강효과와 적정 강관보강 길이가 달라질 수 있음에도 이에 대한 연구가 미흡하여 현장에서는 대부분 말뚝체 전체를 외부강관으로 보강하고 있다. 그러나 시스템 내의 전체 말뚝길이를 외부강관으로 보강할 경우 공사 지연과 공사비의 증가로도 이어질 수 있다. 따라서 좀 더 효과적으로 외부강관을 활용하기 위해서는 외부강관으로 보강된 말뚝체를 대상으로 말뚝의 수평지지특성을 평가하여 강관의 적정한 보강길이를 결정해야 한다. 이에 본 연구에서는 수치해석방법을 통해 각 조건별 외부강관의 보강길이를 적용한 단일형 현장타설말뚝의 말뚝체에 대한 지지특성을 평가하고, 이 해석결과를 바탕으로 외부강관의 적정 보강길이를 제안하였다. 본 연구결과, 단일형 현장타설말뚝의 말뚝체에 대한 수평지지력을 효과적으로 증가시키기 위해서는 강관의 보강길이가 말뚝의 휨거동 영향범위인 1/β의 2배를 적용해야 하는 것으로 나타났다. One of the construction methods applied as a pier foundation type is a single type cast-in-place pile. In applying a pile bent system as a foundation type, the main concern in designing can be said to secure the lateral bearing capacity of pile structure in system. In addition, to increase the rigidity of the pile structure, a method of increasing the lateral bearing capacity by reinforcing the pile structure with a casing has been used. However, although the reinforcing effect and appropriate reinforcing length of casing may vary depending on the soil conditions, there is insufficient studies on this, and for this reason, the entire pile structure in a pile bent system is reinforced with a casing, in the field. In addition, if the length of the entire pile is reinforced with a casing, it may lead to delays in construction and increase in construction costs. That is, in order to more effectively reinforce the pile structure with a casing, it is necessary to study the lateral bearing characteristics of the reinforced pile structure in system. And it should be determined the appropriate reinforcing length of the casing from the evaluated bearing characteristics. Therefore, in this study, the lateral bearing characteristics of piles applied with the reinforcing length of casing for each condition were evaluated through a numerical analysis. And, based on the analysis results, the appropriate reinforcing length of casing was proposed. As a result of the study, it was found that in order to effectively increase the lateral bearing capacity of pile structure, the reinforcing length of casing should be applied twice the influence range of the bending behavior of the pile, 1/β.

정재하시험시 지반종류별 대구경 현장타설말뚝의 주면하중전이함수에 관한 연구

정호영(Jung,Ho-young),황성춘(Hwang,Seong Chun),최용규(Choi,Yongkyu) 대한토목학회 2011 대한토목학회논문집 C Vol.31 No.5

본 연구에서는 국내 7개 현장에서 수행한 대구경 현장타설말뚝의 정재하시험 결과값을 이용하여 하중전이 함수식을 제안 하였다. 하중전이실험이 수행된 대구경 현장타설말뚝의 정재하시험 결과로 부터 얻어진 축하중 분포도를 이용하여 단위주면 마찰력을 분석하였으며, 단위주면마찰력 자료에 기초하여 지반종류별 하중전이 함수식을 제안할 수 있었다. 단위주면하중전이 함수식에 의해 계산된 축하중분포도와 양방향 말뚝재하시험 시 측정된 축하중분포도를 비교하였다. 그 결과 제안된 하중 전이함수에 의해 예측된 축하중분포도는 실험에서 구한 축하중분포도와 비교적 잘 부합되는 것으로 나타났다. Perimeter load transfer functions were developed by an analysis of the static pile load test results of the 7 large diameter drilled shafts constructed in domestic areas. Using the pile axial load distributions obtained from the static pile load tests of large diameter drilled shafts, the unit skin frictions were analyzed and, based on unit skin friction test data, perimeter load transfer functions could be suggested. The load transfer distributions calculated by suggested functions and the load transfer functions obtained from the bi-directional pile load tests were compared. As a result, the 2 load transfer distributions were coincided, respectively.

대수심 대형 복합기초에서 설계기법에 따른 대구경 현장타설말뚝의 거동 분석 연구

한유식(Yushik Han),최용규(Yongkyu Choi) 한국지반환경공학회 2015 한국지반환경공학회논문집 Vol.16 No.1

장대교량의 공사비에서 대형 해상기초가 차지하는 비중은 약 40% 수준이다(KICTEP, 2007). 본 연구에서는 가상의 초장대 사장교에서 대수심 대형 복합기초에 대하여 3가지 설계법(허용응력 설계, LRFD 설계, 유로코드 설계)으로 설계검토를 실시하였고, 3차원 유한요소 해석을 통하여 대구경 현장타설말뚝의 거동에 관한 연구를 수행하였다. 그 결과, 허용응력 설계에서 추정한 방법이 연암 소켓길이가 가장 길었다. LRFD와 유로코드 설계법 2에 의해 계산된 연암소켓 길이는 유사하였다. 대구경 현장타설말뚝의 연암소켓길이가 길어짐에 따라 대구경 현장타설말뚝 두부에 작용하는 축력은 작아졌으며 현장타설말뚝의 침하량도 작아졌다. In the long span bridge construction, construction cost portion of large scale marine foundation is about 40% (KICTEP, 2007). In this study, designs for deep water depth large composite foundation of a super long span cable-stayed girder bridge of prototype were performed by three design methods (ASD, LRFD, Eurocode) and the behaviors of a large diameter drilled shaft were analyzed and the 3D numerical analysis was performed. As a result, the soft rock socket lengths in allowable stress design estimation method were the longest. The soft rock socket lengths estimated by the design approach 2 among Eurocode and the LRFD were similar. The longer the socket length socketed in the soft rock was, the smaller the axial force acting on a large-diameter drilled shaft head was and the smaller the settlement of drilled shaft was.

현장타설말뚝의 하중전이 특성에 대한 실험 및 해석적 연구

박언상,박승도 한국지반환경공학회 2023 한국지반환경공학회논문집 Vol.24 No.1

본 연구에서는 설계 대상인 현장타설말뚝기초에 대하여 상사율을 고려한 하중전이 대형토조 모형시험과 3차원 수치해석을 수행함으로써 현장타설말뚝 선단부와 주면부의 하중전이 특성을 분석하고 하중분담율을 산정하였다. 대형토조 모형시험 및 3차원 수치해석 결과에서 나타난 현장타설말뚝의 선형적 거동으로부터, 본 연구의 설계 조건에 대한 주면하중전이곡선은 Baquelin 등의 제안식, 선단하중전이곡선은 Baquelin 등의 제안식, 수평하중전이곡선은 Reese 등의 제안식이 적정한 것으로 확인되었다. 암반근입부에서 축하중은 시험값이 수치해석값보다 약간 크게 측정되었지만 암반 근입부에서 하중분담율은 연직하중이 증가함에 따라 평균적으로 약 27.8%의 분담율을 나타내었다. 연직재하 시에 말뚝두부의 침하량은 해석값이 시험값보다 약간 작게 평가되었으며, 모형시험 및 해석 최대 연직하중에서 말뚝두부의 최대 침하량은 시험치 10.6mm, 해석치 10.0mm 이고, 말뚝선단에서 최대 침하량은 시험치 2.0mm, 해석치 1.9mm로 나타났다. 수평재하 시에 기둥 두부(지표)와 말뚝 두부에서 수평변위는 시험값과 해석값이 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났고, 모형토조시험 결과 최대 수평변위 38.0mm에서 측정된 수평하중은 24,713kN, 수치해석에서의 수평하중은 26,073kN으로 평가되었다.

t-z 방법을 이용한 말뚝기초 설계기준별 비교분석

박성원(Park, Sungwon),Anil Misra 한국지반환경공학회 2012 한국지반환경공학회논문집 Vol.13 No.10

현장재하시험결과를 이용하여 현재 우리나라를 비롯한 많은 나라에서 사용하고 있는 말뚝기초 설계기준에 대한 효율성을 분석하였다. 문헌조사를 통해 12개의 현장타설말뚝 및 매입말뚝 재하시험자료를 수집하였으며 이를 t-z 방법으로 분석하였다. 재하 시험결과로부터 각 설계기준에서 제시하고 있는 (1) Davisson 방법, (2) 말뚝직경의 5% 또는 10%의 침하가 발생하는 하중을 이용하여 극한지지력을 평가하였다. 또한, 미국, 캐나다, 유럽, 그리고 일본의 설계기준에서 각각 제시한 방법을 이용하여 현장타설말뚝과 매입말뚝의 극한 지지력을 계산하였다. 재하시험에서 분석된 극한 지지력과 설계기준에 의해 계산된 극한 지지력을 비교한 결과,대부분의 설계기준은 말뚝기초의 극한지지력을 보수적으로 예측하는 것으로 나타났다. 그러나 일부 설계기준은 현장타설말뚝의 지지력을 과대평가하는 것으로 나타나 일부 설계기준은 적용 시 주의를 요하는 것으로 분석되었다. 또한, 본 연구는 t-z 방법을 이용하여 말뚝기초의 극한 지지력 및 하중전이 관계를 성공적으로 예측할 수 있음을 알 수 있었다. The efficiency of the current design methods for computing pile resistances is analyzed using field load-settlement tests results. Twelve load-settlement test data for drilled shafts and bored piles were obtained from the literature. These load-test data were fitted using the t-z method. Subsequently, the ultimate resistances were evaluated based upon the failure criteria from following methods: (1) the Davisson’s approach and (2) settlement corresponding to 5% or 10% shaft diameter approach. The ultimate resistances for these drilled shafts and bored piles were also predicted using methods based on the design code from North America (United States, Canada), Europe, and Asia (Japan). The pile resistances determined from field load-settlement tests were compared with those calculated using the design codes. The comparisons show that most design codes predict a conservative resistance for drilled shafts and bored piles. However, in the case of drilled shafts, we find that some of the design codes can over-predict the resistance and, therefore, should be applied cautiously. This research also shows that the t-z method can be successfully used to predict the ultimate resistance and the load transfer mechanism for a single pile.