2.1 기초판 설계 방법 검토

기초판은 휨모멘트와 전단력을 고려하여 설계하였다. 휨모 멘트는 위험단면에 대한 휨모멘트로 설계 하였으며 기둥의 경계면에서 산정하였다. Base Plate를 갖는 기둥에 대해서는 기둥 외면과 Base Plate단부와의 중간면에서 결정하였다. 전 단력은 1방향 전단 위험단면과 2방향 뚫림전단 위험단면에 대한 전단력으로 설계하였다. 1방향 전단의 경우 기둥 외면 으로부터 기초높이 d만큼 떨어진 지점으로 하였으며 2방향 뚫림전단의 경우는 기둥 외면으로부터 d/2~d만큼 떨어진 지 점으로 하였다. 이 때 Base Plate를 갖는 기둥은 기둥외면과 Base Plate단부와의 중간면을 기준으로 결정하였다.Fig .1

Fig. 1.

Foundation design

2.2 Base Plate 장치 개요

중공형 Base Plate 설치위치는 RC 기둥-기초 접합부이며, 재료는 일반구조용강 (SS400)으로 하였다. 설치 시 기초 콘 크리트를 따로 제작하고 PC기둥 타설시 Base Plate를 같이 일체형으로 제작한 뒤 기초판 콘크리트 내부에 앵커를 삽입 할 수 있는 홀을 뚫어 볼트로 연결하는 구조로 하였다. Base Plate는 PC기둥의 축방향 주철근에 간섭이 없고, 단면적 최 소화를 위하여 기둥의 피복두께 내부는 중공단면으로 제작 하였다.

2.3 압축응력 분산도 및 보강 효과 분석

Base Plate 설치시 압축응력 분산 영역은 Base Plate의 단 부까지 확대 되었다. 범용 구조해석 프로그램을 이용하여 일 반 무보강 기초와 폐쇄형 및 중공형 Base Plate를 설치한 기 초의 압축응력 분산을 비교하였다. 미설치된 기초의 경우 응 력 분산지역이 위험단면의 바로 아래방향으로 좁게 나타났 으나 폐쇄형과 중공형 Base Plate가 적용된 기초는 응력이 분산되는 양상의 큰 차이가 없음을 확인하였다.

3.1 실험체 계획

일반 기초판의 축소 모델과 기초판에 적용된 Base Plate의 확장 Size별 축소 실험체를 각각 제작하여 각 하중별 처짐과 변형률을 측정하였다. Base Plate의 두께와 기초판 두께의 변화에 따른 응력 전달평가를 위해 1800×1800의 기초판에 접합된 기둥의 크기를 2가지 (300×300, 400×400, 사각형 단 면)로 구분하여 기준 (Control)으로 하였으며, 이에 따른 실 험체의 변수는 Base Plate의 가로, 세로, 두께, 보강여부에 따른 기초판의 두께 등을 변수로 하였다. 추가적으로 실험 전 구조해석을 통해 응력의 분산도가 크게 차이가 없음을 확 인한 폐쇄형 Base Plate 를 적용한 기초판을 실험을 통해 확 인하기 위하여 중공형과 같은 조건으로 추가로 1기 제작하 였다. 설계강도 fck=27MPa, fy=400MPa, Axial P=1100kN (øVc=825kN, Vu=825/0.75=1100kN, 콘크리트 구조설계 2007) 기준으로 제작하였으며 실험 시 가력하는 하중에 의해 실험 체가 파괴될 때 까지 실험을 실시하여 파괴시 균열양상을 확 인하였다.Fig .2-3

Fig. 2.

Base Plate install concept on connection

Fig. 3.

Compressive stress in the Foundation section distributed

3.2 실험체 제원 및 제작

실험체의 기둥 및 기초부분, Base Plate는 따로 제작하여 조립 후 타설하였다. 조립 시 Base Plate의 앵커부분과 기초 부분 사이는 무수축 모르타르로 고정을 하였다. 기초판의 하 단 측면부 모서리는 하중 가력 시 파괴를 방지하기 위하여 L-50×50 형강으로 보강하였다.

다음의 Table 1은 전체 실험체에 대한 제원 및 특징이며 Fig. 4는 실험체 상세도 및 실물 모습이다. 실험체명은 보강 여부-기둥규격-기초두께-보강재 두께-보강재 내민길이로 표 기하였다. 실험체 중 신규 1부터 3까지는 PC기둥 단면크기 가 가로, 세로 300mm이며 접합부에서 Base Plate의 내민길 이를 점차적으로 증가시켜 설치하였고. 신규 4부터 6까지는 PC기둥의 크기가 가로, 세로 400mm이며 같은 방법으로 내 민길이에 변화를 두었다. 그 외 BF와 NF 실험체는 Base Plate의 보강 유무에 따른 분류이고, NF 실험체 중 보강형식, 보강재의 두께, 내민길이에 따라 각각 구분하였다.Table 2

Fig. 4.

Design and arrangement of specimens

3.3 실험방법

기둥-기초판 연결부 보강이 없는 일반 실험체와 내민 길이 가 50, 100, 150mm의 중공형 Base Plate를 보강한 실험체 를 제작하였다. 보강 실험체는 보강효과를 고려하여 기초 두 께를 감소하였다. 실험체 가력 하중은 2,000kN급 유압프레 스를 사용하여 중심축 하중으로 재하하였으며, 100mm 용량 의 LVDT 변위계를 이용하여 재하단계별 처짐을 측정하였 다. 스트레인 게이지는 각 Base Plate의 가로, 세로 방향으로 중앙부에 부착하여 측정하였고, 각 부분의 거동을 동시에 모 니터링하기 위하여 Data Logger에 일괄적으로 센서를 연결 하여 하나의 그래프로 확인 가능하도록 실험을 진행하였다. 축하중 가력시 수직 및 하중편재를 방지하기 위하여 가력지 점에 힌지를 두었으며, 가력방법은 실험체가 최대 하중에 이 를 때 까지 가력하는 것으로 하였다.Fig .5-6-7-8

Fig. 5.

Design details of Base Plate

Fig. 6.

Reinforced specimens by Base Plate

Fig. 7.

Experimental setup for loading test

Fig. 8.

Experimental scene of loading test

4.1 Base Plate의 내민길이에 따른 하중-변형률

Base Plate 내민길이가 100mm, 150mm인 실험체의 내측 (기둥방향)과 외측에 strain gauge를 설치하여 하중 재하시 각 Base Plate의 거동을 확인하였다. strain gauge는 내민길 이 50mm 마다 설치를 하였고 Base Plate 외측부분과 중간 부분의 거동을 확인한 결과 각각 압축과 인장이 발생하며 응 력이 증가함에 따라 변형률 또한 점차 증가하였으나, 내민길 이 100mm의 경우 내측 및 외측의 변형률 변화폭이 거의 없 이 거동하였으나 내민길이 150mm의 경우 압축 및 인장의 발생에 따라 변형률 변화폭이 Base Plate의 내민부분 외측면 으로 갈수록 급격히 작아짐을 확인하였다. 실험체의 전체적 인 거동은 Base Plate의 내민길이가 100mm인 경우에 조금 더 효과적인 것을 확인하였다. Base Plate의 면적이 증가함 에 따라 기초의 지압강도에 대하여 부담하는 변형률이 커지 고 따라서 Base Plate의 내민길이가 기초판을 비롯한 구조물 전체 거동에 영향을 줄 수 있다고 판단된다. 실험체의 파괴시 까지 최대응력은 약 1666N /cm² 에 해당하며 각 Base Plate 의 최대변형률은 모두 콘크리트의 극한변형률 0.002~0.003 이내로 나타났다. Base Plate와 기초 사이에 무수축 모르타 르로 연결을 한 부분에 대해서 균열은 보이지 않았다.Fig .9-10

Fig. 9.

Strain of Base Plate 100mm (inside, outside)

Fig. 10.

Strain of Base Plate 150mm (inside, middle, outside)

4.2 실험체의 하중-처짐량 관계

4.2.1 일반 및 Base Plate보강 실험체 비교

실험체는 작용하중이 증가함에 따라서 기초 외측부에서 초기균열이 발생하였고 뚫림 전단 파괴와 기초판 하부면에 균열이 발생하였다. 모든 실험체의 상부면에서 지압강도의 작용으로 인해 하중접지면적에 해당되는 부위가 국부적으로 하중 작용방향으로 함몰되어 급작스럽게 파괴되는 뚫림전단 파괴 양상을 보였다. 기존의 실험체에 비하여 Base Plate 보 강 후 기초두께는 15% 이상 줄어들었으나 뚫림전단 저항내 력이 최대하중 대비 약 7% 정도 상승하여 최대처짐량이 줄어 들었다. 기둥의 크기가 클수록 최대하중이 소폭 상승하였으며, 기초판의 두께에 따라 작용하는 최대하중의 크기가 비례함을 알 수 있었다. 또한, 기둥의 단면크기가 300mm, 400mm에서 유사한 거동을 보였다. 일반적으로 400mm의 기둥에서 응력 분산을 위한 접합단면의 크기가 커짐에 따라 최대하중의 성능 이 상향되었고, 보강재의 내민길이가 100m인 경우가 150mm 보다 성능이 좋은 것으로 판단된다. Base Plate의 보강유무 로 인한 실험체의 전체적인 보강효과가 나타나는 것을 정량 적으로 확인하였다.Fig .11-12Table 3

Fig. 11.

Comparisons with load-displacement curve of column size 300mm

Fig. 12.

Comparisons with load-displacement curve of column size 400mm

Table 3

Comparisons according to different section size of column

Specimen No.	MAX. Load (KN)	MAX. Displ (mm)	Others
NF30-35	1478.53	17.95	Control
NF40-32	1522.23	21.29	Control
BF30-29-20-100	1576.92	11.36
BF40-27-20-100	1606.51	17.62
BF30-27-20-150	1485.39	10.97
BF40-25-20-150	1499.69	16.70

4.2.2 기둥 단면크기에 따른 비교

각 실험체는 기둥이 300mm, 400mm에서 상당히 유사한 거동을 보였다. 다만, 400mm 의 경우 기둥+Base Plate 길이 로 인한 단면크기가 300mm 단면크기보다 더 커지기 때문에 최대하중에 대한 저항내력이 상향되었다. 이것은 기둥-기초 접합부에서 보강재로 인한 강성증가 및 단면확대의 영향으 로 판단되며 기존의 무보강 실험체에 비하여 상당한 연성능 력을 확보하는 것으로 보여진다. 각 실험체는 최대하중시 변 위관계에서 각 10% 이상의 변위연성이 증가하였다. 기둥의 단면크기는 상부구조의 하중을 지반으로 전달할 경우, 기초 판에 작용하는 지압응력에 중요한 영향을 줄 수 있다. 최근 에 효율적인 설계 및 시공을 위하여 부재의 크기를 줄이려고 노력하는 현상에 비추어 볼 때, 기둥단면을 확대하는 것 이 외에도 기둥-기초 접합부에 높은 강성재료를 통한 국부적인 단면확대의 성능이 효율적이며 상당한 효과를 나타내는 것 으로 판단된다.Fig .13-14-15Table 4

Fig. 13.

Comparisons with load-displacement curve of Nonreinforced specimens

Fig. 14.

Comparisons with load-displacement curve of different column size (same reinforced extension 100mm)

Fig. 15.

Comparisons with load-displacement curve of different column size (same reinforced extension 150mm)

Table 4

Comparison according to different thickness of Base Plate

Specimen No.	MAX. Load (KN)	MAX. Displ (mm)	Others
NF40-41	1960.98	4.976	Control
BF40-36-20-100	1945.40	8.998
BF40-36-30-100	1900.61	6.355

4.2.3 Base Plate 두께에 따른 비교

실험체에 2,000kN의 하중을 파괴까지 가력 하였으며, 최 대 처짐은 약 5~9mm에 해당되었다. Base Plate보강 후로 기 초두께는 초기의 Control 실험체에 비해 17% 줄어들었다.Fig .16

Base Plate의 두께는 30mm의 경우보다 20mm일 때의 거동 이 우수하였는데, Fig. 13에서 BF40-36-20-100의 경우 가장 완만한 곡선을 그리며 곡선 내에서의 최대 면적을 가지고 최 대 처짐 8.998mm를 나타냈다. 그래프의 곡선 아래면적을 통 해 거동특성에 따라 에너지 흡수량을 하중-변위 곡선으로부 터 구할 수 있었다. 이러한 에너지 흡수량은 구조물 연성능 력의 정량적 평가에 기준이 되는데, 실험에서 Base Plate의 두께에 따라 실험체의 연성능력도 달라짐을 확인하였다. 각 실험체의 최대처짐은 다소 차이가 있으며 이는 각 실험체의 휨강성 때문에 차이를 보인다. Base Plate보강으로 기둥-기 초 접합부에서 위험단면으로의 하중집중을 분산시켜 뚫림전 단 저항내력을 증가시키고 취성적 거동을 완화 시킨 것으로 보인다. 이후, 추가적인 하중에 대해서 중공형 Base Plate의 두께 20mm일 때 뚫림전단 저항내력이 최대로 나타날 것으 로 판단된다.Table 5

Fig. 16.

Comparisons with load-displacement curve of different base plate thickness (in case of 400mm)

Table 5

Comparisons with Hollow and Fill Base Plate

Specimen No.	MAX. Load (KN)	MAX. Displ (mm)	Note
BF30-41-20-50	1877.88	8.152	Hollow
BF30-41-20-50	1960.69	5.866	Fill

4.2.4 폐쇄형, 중공형 Base Plate 비교

실험체에 폐쇄형 (Fill)과 중공형 Base Plate를 각각 실험 체에 보강 후 같은 조건에서 실험을 실시하였다. 결과적으로 중공형 (No.1)의 경우가 최대처짐 8.152mm로 완만한 곡선 을 나타냈다. 실험 비교 결과 폐쇄형의 경우 기둥-기초 접합 부가 보강된 폐쇄형 Base Plate에 의해 일체가 되지 못하여, 연속되지 못한 상태에서 보강된 Base Plate시공부위 주위로 응력집중현상이 발생하는데 비해 중공형의 경우에는 기둥에 서 전달되는 지압강도에 대하여 기초판까지 연속적으로 분 산이 되어 뚫림전단 저항내력이 최대로 나타난 것으로 보인다.Fig .17

Fig. 17.

Comparisons with load-displacement curve of different base plate type (hollow and fill)

4.3 균열 및 파괴양상

대부분의 실험체는 최대하중이 약 700kN 정도에서 기초 측면의 외측부에서 초기균열이 발생하였으며, 점차적인 하중 증가와 더불어 기초-기둥 접합부로 균열이 진행되면서 균열 폭이 증가하였다. 하중이 증가함에 따라 변위도 일정구간까 지 비례하여 증가하고 점차적으로 기초 하부의 기둥 바로 밑 부분으로 균열이 집중되며 기초바닥판에서 X형을 띄면서 기 초 전 구간으로 균열이 확대되어 파괴되는 양상을 보였다. X 형으로 교차되는 중심점에 응력이 집중되며 바닥면에 균열 의 교차형상을 나타내었다. 취성적 거동을 보인 실험체 (무 보강, Control)는 기초의 하부 바닥면 부분이 구조적 균열과 함께 뚫림전단에 의해 완전파괴가 일어났고 보강 실험체는 연성적 거동을 보이며 파괴 후에도 항복상태를 유지하였다. 이는 위험단면에 응력이 집중되어 파괴되던 무보강 실험체 와 달리 응력 집중현상을 방지하여 기초 전부분에 균일한 응 력 분배 효과를 갖는 것으로 판단된다. 보강된 실험체의 실 험 후 균열양상은 무보강 실험체에 비하여 균열폭 및 균열 개소에 대해 매우 양호하였다.Fig .18

Fig. 18.

Experimental aspect of the crack