이 영근
(Young-Geun Lee)
1)
장 민준
(Min-Jun Jang)
2)
윤 순종
(Soon-Jong Yoon)
3)*
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
영구옹벽, 프리캐스트, 롱라인 방법, 프리스트레스트 콘크리트, 주열식 벽체, 휨거동
Key words
Permanent retaining wall, Precast pile, Long-line method, Prestessed concrete, Continuous pile wall, Flexural behavior
1. 서 론
도심지의 토목, 건축 현장에서 실시되는 굴착공사는 건물 및 도로 등이 인접하여 근접시공에 따른 굴착부 배면의 여유 공간이 부족한 경우가 많다 (Kim et al., 2013; Lee, 2013). 또한 해안지역에서 안벽을 시공할 경우에도 안벽 주변에 인 접한 건물 등 구조물이 있는 경우가 있다. 이와 같이 굴착부 배면에 여유공간이 부족할
경우, 굴착부 배면의 지반 및 각 종 구조물의 안정을 유지하기 위하여 지중연속벽 공법, 주열 식 흙막이 공법 등이 적용되고 있다. 이러한 공법들은
대부 분 콘크리트를 현장타설로 시공한다. 현장타설 공법의 경우, 품질관리의 어려움이 있고 콘크리트 양생을 위해 시공기간 이 늘어나는 단점이 있다.
또한 위에서 언급한 공법들은 대 부분 임시시설로 사용되며 영구 구조체인 지하외벽 혹은 옹 벽이 추가적으로 시공된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하
여 영구적인 구조물로서 보다 안전하고 경제적인 형태의 옹 벽 구조물에 대한 개발이 요구되고 있다 (Lee et al., 2011).
이 연구는 위에서 지적한 문제점을 극복하기 위하여 품질 관리가 용이하면서 시공기간을 단축시킬 수 있는 프리캐스 트 부재를 활용한 주열식 벽체용 중공
프리스트레스콘크리 트 파일의 개발과 관련된 것이다. 이 파일은 자립식 영구옹 벽 혹은 물양장 및 안벽의 차수벽으로 사용하기 위하여 개발 되었다. 일반적으로
옹벽구조물은 배면의 토압을 받기 때문 에 휨거동에 대한 검증을 필요로 한다. 이 연구에서는 주열 식 벽체용 중공 PSC 콘크리트 파일의 휨거동을 확인하기
위 해 실험체를 제작하였고, 제작공정 중에 긴장력 도입 실험을 실시하였으며, 휨실험을 실시하여 휨에 대한 구조적 거동을 분석하였다.
2. 주열식 벽체용 중공 PSC 파일
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 주요 부재는 철근콘크리 트와 긴장력을 도입하기 위한 PS강연선으로 구성되며, 특징 을 정리하여 아래에 나타내었다.
(1) 공장 제작으로 제품의 치수 정밀도와 품질이 우수한 프리캐스트 부재로 제작된다. (2) 자중 대비 성능 향상과 운 반시의 균열 방지를 위하여
중앙부에 자중감소재 (스티로폼) 를 삽입한 중공 단면으로 제작하였다. (3) 인장력에 취약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위하여 프리텐션 방식의 일종
인 롱라인공법 (long-line method)을 이용하여 콘크리트 전 단면에 압축력을 도입하였다. (4) Cap beam과의 연결을 원 활히 하기
위하여 상부에 I형 강재를 배치하였다. (5) 영구옹 벽 또는 안벽 시공에 있어서 효과적인 파일간의 횡방향 연결 과 차수성능 향상을 위하여 단면의
양측면에 연결홈을 설치 하였다. 파일의 형태를 Fig. 1에 나타내었으며, 파일이 연결 된 형태를 Fig. 2에 나타내었다.
Fig 1.
Details of Hollow Prestressed Concrete Pile (Lee, 2013)
Fig 2.
Hollow Prestressed Concrete Pile for Continuous Pile Wall
3. 주열식 벽체용 중공 PSC 파일 실험체 제작
3.1. 사용된 재료의 역학적 성질
주열식 벽체용 중공 PSC 콘크리트 파일 실험체 제작에 사 용된 재료는 설계기준압축강도 45MPa의 콘크리트와 KS D 7002 (2011)에 적합한 15.2mm의 7연선 B종 SWPC7B 강연 선, KS D 3504 (2011)에 적합한 SD400 강종의 D16 이형 철근으로 구성되어 있다. 콘크리트는 KS F 2405 (2010)를 참고하여 콘크리트의 압축강도시험을 실시하였으며, 그 결과 를 종합하여 Table 1에 나타내었다. 압축강도시험 결과 28일 강도가 설계기준압축강도를 만족하는 것을 확인하였다. 강연 선 및 철근은 KS 기준에 부합되는 제품을 사용하여
개별적 인 테스트를 실시하지 않았다. KS 기준과 도로교설계기준 (2012), 기존연구문헌 (Ha, 2008)에서 제시하고 있는 철근 PS강연선의 역학적 성질을 참고하여 각각의 역학적 성질을 Table 2와 Table 3에 정리하여 나타내었다.
Table 1.
Result of Concrete Compressive Test
|
Age [Day]
|
Dimension of Specimen [mm]
|
Specimen Number
|
Compressive Strength (MPa)
|
Average Compressive Strength(ƒcu, MPa)
|
Modulus of Elasticity(Ec, MPa)
|
|
3
|
Φ 100 × 200
|
1
|
43.50
|
43.10
|
29,801.95
|
|
2
|
42.80
|
|
3
|
43.10
|
|
14
|
1
|
41.67
|
46.41
|
30,546.12
|
|
2
|
49.49
|
|
3
|
48.08
|
|
28
|
1
|
50.67
|
47.10
|
30,696.76
|
|
2
|
44.43
|
|
3
|
46.20
|
Table 2.
Mechanical Properties of Rebar (KS D 3504:2011)
|
Reinforcement
|
Type
|
Nominal Diameter[mm]
|
Modulus of Elasticity[MPa]
|
Poisson`s Ratio
|
|
Rebar
|
D16 (SD400)
|
15.9
|
200,000
|
0.3
|
Table 3.
Mechanical Properties PS Strand Wire (KS D 7002:2011)
|
Reinforcement
|
Type
|
Nominal Diameter[mm]
|
Norminal Area[mm2]
|
Relaxation
|
|
PS strand wire
|
SWPC7B
|
15.2
|
138.7
|
≤2.5
|
|
Load for 0.2% elongation [kN]
|
Elongation (%)
|
Modulus of Elasticity[MPa]
|
Poisson`s Ratio
|
Crpss-Section
|
|
≥222
|
≥3.5
|
200,000
|
0.3
|
|
3.2. 실험체의 제원
주열식 벽체용 중공 PSC 파일 실험체는 충청남도 당진에 위치한 제조사의 공장에서 제작하였으며, 실험체의 총 길이 는 7,200mm로 제작되었다.
PS강연선 (SWPC7B -ϕ15.2)은 실험체 단면의 상부와 하부에 8개씩 각각 배치하여 편심이 없이 전단면에 압축력이 도입되도록 배치하였다. 주열식
벽 체용 중공 PSC 파일 실험체 단면의 형태를 Fig. 3에 나타내 었다.
Fig 3.
Cross-Section of Hollow Prestressed Concrete Pile
Photo 1.
Manufacture Process of Hollow Prestressed Concrete Pile
3.3. 실험체 제작 과정 및 프리스트레스 도입 실험
롱라인공법으로 제작되는 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 제작공정은 Photo 1 에 나타내었다. 우선 철근망을 조립하는 과정에서 철근의 긴장력 도입량을 측정하기 위하여 변형률 게이지를 부착 (Photo 1(a))한다, 거푸집, 철근망, PS강연선, 자중감소재 (스티로폼)를 제작대에 배치하고 PS강연선에 긴 장력을 도입한다 (Photo 1(b)). 긴장을 완료하면 콘크리트 타 설 (Photo 1(c))을 실시한다. 콘크리트 타설 이후 3일간의 양 생을 거쳐 90% 이상의 콘크리트 압축강도가 발현됨을 확인 한 후 거푸집을 제거한다 (Photo 1(d)). 콘크리트 표면에 변 형률게이지를 설치하고 (Photo 1(e)), 강연선을 절단하여 디 텐셔닝을 실시 (Photo 1(f))하면 실험체의 제작이 완료된다.
3.3.1. 프리스트레스 도입 실험 계획
롱라인 방식으로 제작된 실험체의 프리스트레스 도입량을 확인하기 위하여 프리스트레스 도입 실험을 실시하였다. Fig. 4에 나타낸 바와 같이 변형률게이지를 부착하였다. PS강연 선의 형상에 의하여 직접적으로 게이지를 부착할 수 없으므 로 주변에 변형률게이지를 설치한
D13 철근을 매입하여 측 정하였다. 실험은 프리캐스트 콘크리트 부재 내에 위치한 16개 의 PS강연선에 총 2589.3kN의 긴장력을 도입하고 정착시키는
동안 철근에 발생한 변형률을 측정하는 방법으로 수행하였으 며, 측정된 변형률은 자료수집장치 (Data logger, TDS-302)를 통하여 컴퓨터에
자동으로 전달, 기록, 저장되도록 하였다.
Fig 4.
Location of Strain Gauge Attachment
3.3.2. 프리스트레스 도입 실험 결과
실험은 총 1,053초간 진행되었으며, 프리스트레스 도입 전 과정에 걸쳐 지속적으로 측정하였고, 도입 후 변형률이 안정 화 되도록 시간을 두어 즉시손실을
반영한 긴장력을 측정하 였다. 계측은 유압잭 릴리즈 (0초~130초), 강연선 절단 (131 초~190초), 안정화 구간 (201초~1,053초)의
순서로 이루어 졌으며 시간에 따른 변형률을 Fig. 5에 나타내었고, 각 변형 률게이지별로 안정화 구간의 평균변형률과 이때의 콘크리트의 응력을 Table 4에 나타내었다. 디텐셔닝 공정은 콘크리트를 3 일 양생한 후에 이루어졌으므로 콘크리트의 응력은 Table 1에 나타낸 재령 3일의 탄성계수를 이용하여 구하였다.
Table 4.
Maximum Strain and Average Strain at Each Point
|
Rebar
|
S1/2-1
|
S1/2-2
|
S1/2-3
|
S1/4-1
|
S1/4-2
|
|
Avg. Strain [mm/mm]
|
0.000367
|
0.000320
|
0.000218
|
0.000277
|
0.000243
|
|
Avg. Stress[MPa]
|
10.937
|
9.537
|
6.497
|
8.255
|
7.242
|
|
Rebar near PS Strand Wire
|
P1/2-1
|
P1/2-2
|
P1/4-1
|
|
Avg. Strain [mm/mm]
|
0.000299
|
0.000294
|
0.000281
|
|
Avg. Stress[MPa]
|
8.911
|
8.762
|
8.374
|
|
Concrete
|
R1/2-1
|
f(stress) = E3일ε
= 29801.95 MPa× ε |
|
Avg. Strain [mm/mm]
|
0.000257
|
|
Avg. Stress[MPa]
|
7.659
|
이 파일처럼 단면이 대칭으로 구성되어 있고 편심거리가 없는 경우에는 이론적으로는 전단면이 동일한 압축을 받는 것으로 가정할 수 있으나, 실제에서는
긴장력의 전달거리에 따라 다른 값을 보일 수 있다. 실험 결과 각 위치에 따라 최 대 10.937MPa에서 최소 6.497MPa의 응력이 분포됨을
알 수 있었다. 대체로 단면의 상부에서 측정된 결과에 비하여 단면의 하부의 값이 작게 나타났으며, 이것은 프리스트레스 도입 과정에서 상부의 거푸집만을
제거하고 하부는 남겨둔 채로 프리스트레스를 도입하여 하부의 거푸집과 콘크리트의 부착 및 마찰에 따른 영향으로 생각된다.
실험결과를 종합해보면 단면내에서의 각 지점에 따른 응 력의 차이가 존재하지만, 하부 거푸집을 제거한 후에는 마찰 과 부착의 영향이 없어지므로, 전단면의
응력이 거의 유사해 질 것이라고 생각된다. 따라서 실험결과에서 중앙부 콘크리 트 상부 표면에서 측정된 응력인 7.659MPa을 전단면에 분 포된 것으로
판단하였으며, 이 응력은 콘크리트에서 직접 측 정된 값이며, 측정된 응력 중에서 2번째로 작은 값을 나타내 고 있으므로 안전측이라고 판단하였다.
4. 주열식 벽체용 중공 PSC 파일 휨실험
4.1. 실험 계획
주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 휨에 대한 구조적 거동을 파악하기 위하여 4점 재하휨실험 (4-point bending test)을 실시하였다.
실험은 한국건설기술연구원 구조실험동에서 실 시하였으며, 하중은 3,500kN용량의 엑츄에이터 (Actuator)를 사용하여 2mm/min의 속도로
재하하였다. 휨실험의 형태를 Fig. 6에 나타내었고 Photo 2에 휨실험 전경을 나타내었다. 휨실험의 지점간의 거리는 한쪽 단부에 삽입된 H형강의 영 향이 없도록 중공단면의 양쪽이 같은 길이가 되도록 결정하 였다.
Fig. 6b에 나타낸 바와 같이 중앙부 단면의 응력을 측 정하기 위하여 변형률게이지를 설치하였고 휨거동에서의 변 위를 측정하기 위하여, 중앙단면에 와이어변위계
(DP-1000) 2개와 LVDT 1개를 설치하였다. 측정된 데이터는 자료수집 장치 (TDS-302)를 통하여 컴퓨터로 전달, 기록, 저장하였다.
Fig 6.
Test Scheme and Cross-section
4.2. 실험 결과
실험체는 하중이 재하됨에 따라 중앙 하부의 휨균열이 발 생한 후, 상부로 균열이 진전되었으며, 이후 중앙에서 양측 지점방향으로 새로운 균열이 계속적으로
발생하였다. 실험은 최대하중 1,351.4kN,최대하중시의 변위 32.4mm에 도달하 며 휨에 의한 최종적인 파괴가 발생하였다. 실험이 종료될 때,
실험체의 형태를 Photo 3에 나타내었다.
4.2.1. 하중-변위관계
엑츄에이터로부터 입력된 하중과 실험체 중앙에 설치한 LVDT와 와이어 변위계로부터 얻은 변위를 사용하여 하중- 변위 관계를 조사하고, 실험 결과를
종합하여 최대하중, 최 대하중시의 변위, 최대모멘트, 균열하중, 균열하중시의 변위, 균열모멘트를 Table 5에 정리하여 나타내었다. 또한 실험체 의 하중-변위 관계를 Fig. 7에 나타내었다.
Table 5.
|
|
Cracking
|
Failure
|
|
Max. Load [kN]
|
530.0
|
1,351.4
|
|
Deflection on Max. Load [mm]
|
4.4
|
32.4
|
|
Bending Moment (Load) [kN•m, ➀]
|
530.0
|
1,351.4
|
|
Bending Moment (Self Weight) [kN•m, ➁]
|
32.4
|
32.4
|
|
Max. Bending Moment [kN•m, ➀+➁]
|
565.3
|
1,386.7
|
일반적으로 휨실험에서 엑츄에이터에서 재하되는 하중과 함께 파일 실험체의 자중이 등분포로 작용하고 있지만 측정 된 데이터는 자중에 의한 영향을 포함하지
않게 된다. 따라 서 최대모멘트 또는 균열모멘트를 계산할 때는 자중에 의한 모멘트를 추가로 포함시켜야 한다. 실험결과에서 최대모멘트 는 사용한계상태로
규정한 균열모멘트에 비하여 59.2% 큰 것을 확인 할 수 있다.
Fig 7.
Load-Deflection Relationship
4.2.2. 하중-변형률 관계
실험체의 중앙부 단면에 부착된 총 8개의 콘크리트 변형률 게이지를 통하여 측정된 하중-변형률 관계를 Fig. 8에 나타 내었다. 단면의 상부에 부착된 변형률게이지는 CT-1, 2, 3으 로 휨압축을 받는 구간으로 균열하중 이후 기울기가 감소하 면서 계속적으로
변형률이 증가하다가 평균적으로 0.002의 변형률에서 실험이 종료되었다. CC-1, 2는 단면의 중앙에 변 형률게이지가 부착되었으며 균열하중 전까지는
변형률이 거 의 0이었으나 균열하중 이후 변형률이 변화하여 인장변형률 을 나타내게 되었다. 이러한 현상으로 균열이 발생함에 따라 중립축이 상승하는
것을 확인할 수 있었다. CB-1, 2, 3은 단 면의 하부에 부착된 변형률게이지로서 408.5kN의 하중까지 는 휨인장으로 인한 인장변형률이 선형으로
증가하였으나, 이후 변형률이 감소하였다. 이 현상은 육안으로 검사된 균열 하중과 다소 차이가 있는 것으로 보아 변형률게이지의 부착 에 문제가 생긴
것으로 판단하였으며, 이 경우에는 인장부의 변형률게이지의 데이터는 408.5kN의 하중에 대한 것까지만 유효한 것으로 판단하였다.
Fig 8.
Load-Strain Relationship at the Center Cross-Section
실험을 통하여 얻어진 변형률에 프리스트레스 도입시 측 정되었던 안정화구간의 평균변형률을 더해준 값으로 각 하 중별 단면내의 응력분포를 Fig. 9 에 나타내었다. 408.5kN의 하중에서 인장응력은 0.970MPa로 나타났으며, 콘크리트의 휨인장강도로 나타내는 콘크리트의 파괴계수 (fr=4.324 MPa)에는 아직 도달하지 않았음을 알 수 있다.
Fig 9.
Stress Distribution at the Center Cross-Section
4.3. 결과 분석
일반적으로 철근콘크리트 구조물은 균열이 발생한 이후에 도 일정 수준의 균열폭까지 사용가능한 상태로 판단하고 있 다. 그러나 앞에서 언급하였듯이 주열식
벽체용 중공 PSC 파일은 자립식 영구옹벽 혹은 물양장 및 안벽의 차수벽으로 사용하기 위하여 개발되었다. 따라서 차수성능을 만족하는 것이 매우 중요하며,
이러한 경우에는 균열이 발생할 경우, 미세한 균열일지라도 구조물의 성능 및 내구성을 크게 저하 시킬 수 있다. 따라서 이러한 경우에는 균열모멘트를
사용한 계상태로 규정하는 것이 적절하다고 판단된다. 균열모멘트는 식 (1)을 이용하여 계산되며, 강연선이 상하 대칭으로 배치된 이 파일 단면의 경우에는 식 (1)에서 ep (편심거리)가 0이 되 어 식 (2)와 같이 정리된다. 여기서, Mcr 은 균열모멘트, fr 은 콘크리트의 휨인장강도 (콘크리트의 파괴계수=
0.63
f
ck
), Z 는 하연의 단면계수, Pe 는 유효 프리스트레스 힘, r2c/y2 는 단면의 상핵 거리이다 (Shin, 2008). 식 (2)를 통하c에서 나타난 균열모멘트를 비교하여 Table 6에 나타내었다. Table 6에서 알 수 있듯이 계산식에 의한 균열모멘트보다 실험에 의한 균열모멘트가 약 34% 크 게 나타났다.
Table 6.
Comparison of Cracking Moment
|
|
Experiment ➀
|
Equation (2) ➁
|
➀÷➁
|
|
Cracking Moment [kN•m]
|
565.3
|
421.8
|
1.340
|
5. 결 론
이 연구에서는 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 구조적 거 동에 대한 연구를 수행하였고, 연구결과를 통하여 도출된 결 론은 다음과 같다.
-
주열식 벽체용 중공 PSC 파일에 대한 구조적 거동 평 가 실험을 수행하였다. 실험체에 작용한 최대하중은 1,351.4kN, 최대변위 32.4mm,
균열하중은 530.0kN으 로 나타났다. 이를 통하여 구조물이 저항할 수 있는 최 대모멘트는 1,386.7kN•m, 균열모멘트는 565•3kN⋅m
임을 알 수 있었다.
-
수밀성을 보장해야하는 차수용 흙막이공의 특성을 고 려하여 균열모멘트를 사용한계상태로 규정하였으며, 구조적 거동 평가 실험 결과에서 도출된 균열모멘트와
이론적으로 구한 균열모멘트를 비교하였다. 비교 결과 균열모멘트의 실험값이 설계값에 비하여 약 34%의 여 유가 있음을 확인하였으며, 주열식 벽체용
중공 PSC 파일의 설계는 충분한 사용성을 확보하고 있음을 알 수 있었다.
-
결론적으로 주열식 벽체용 중공 PSC 파일의 구조적 거동 실험결과, 설계상에 적용되는 계수에 의한 안전 율을 제외하고도 사용한계상태인 균열모멘트에
대하 여 충분한 사용성을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 또한 극한한계상태인 최대모멘트는 실험시의 균열모 멘트에 대하여 59.2%의 추가적인 안전여유를
확보하 고 있음을 알 수 있었다.
이 연구에서는 1개의 시편만으로 실험을 수행하였다. 따라 서 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위해서는 향후 추가적인 실험 또는 유한요소해석을 통한 연구가
수행되어야 할 것이 다. 또한 안정적인 차수벽으로 사용하기 위해서는 말뚝과 말 뚝 사이의 연결구조물을 포함한 추가적인 연구가 필요하다.
감사의 글
이 연구는 2011학년도 홍익대학교 학술연구진흥비와 ㈜에 스앤씨산업의 연구비 일부의 지원에 의해 수행된 것으로 연 구비 지원에 감사드립니다.
References
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