지하 영구벽체 말뚝단면 구조형식의 효용성 분석

Abstract

지반굴착 시 토사나 지하수의 유입을 막으면서 토압 및 수압 등의 측압에 저항하는 가설 흙막이 구조물은 벽체를 구성하는 재료와 지보공의 형식 등에 따라 크게 엄지말뚝 및 토류판, 주열식벽, 지하연속벽식 흙막이 공법들로 구분된다. 흙막이 공법의 구조형식 선정에 있어서는 흙막이 벽의 차수성이나 시공성, 지보재의 강성이나 시공성 등의 특징을 잘 파악하여 각종 형식이나 시공법을 조합시켜 공사의 규모, 토질이나 지하수 등의 지반조건, 시공조건, 주변 환경조건 및 안전성, 방재성 등에 따른 적절한 형식과 공법을 선정하여야 한다. 이러한 흙막이 공법 중 H형강과 철근을 콘크리트의 보강재로 사용하여 주열식 벽체를 형성하는 Cast-In-Place Concrete Pile(CIP) 공법으로 형성된 벽체는 보강재의 사용으로 인해 측압에 대한 강성이 확보됨에 따라 벽체 내에 발생하는 변위가 크지 않아 주변지반에 미치는 영향이 작다. 그러나 CIP 공법은 수직도의 유지가 어려운 가운데 개별말뚝이 독립적으로 형성되므로 말뚝 간 연속성의 유지에 큰 어려움이 있다. 이로 인하여 지하수의 누수에 취약한 말뚝 간 이음부에 별도 차수공법이 요구되며 영구벽체의 응력 부담재로써 역할을 하지 못하고 지중에 매립, 방치됨으로 재료의 낭비와 환경오염을 초래하게 된다. 이러한 CIP 공법의 단점을 개선하여 개발된 공법으로 Uni-wall 공법이 있다. 이 공법 역시 지중차수벽 혹은 가설벽체로만 사용되는 한계로 인해 성능을 개선하여 영구벽체로 사용하기 위한 공법(Permanent Uni-wall System, PUS)을 개발 중에 있다. PUS 공법에 대한 선행 연구를 바탕으로 본 연구에서는 Prototype 구조물의 단면 해석을 실시하여 PUS 공법에 적용되는 3가지 단면 형식에 대한 축력-모멘트 상관도를 작성하고 이를 활용한 효율적인 단면설계의 지표를 제시하고자 한다. 그리고 지하층수, 층고 등의 변수를 고려한 선택된 단면의 공사비를 분석하므로 효용성이 우수한 단면을 제시하고자 한다. 본 논문은 총 7장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 CIP 공법을 개량한 지하 영구벽체 공법 개발, 제 3장은 PUS 단면설계방법, 제 4장은 PUS 유닛 단면 해석, 제 5장은 Prototype 구조물 설계, 제 6장은 효용성 분석, 제 7장은 결론으로 기술하였으며, 각 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다.

제 2장에서는 CIP 공법에 대한 소개, 공법의 문제점에 대해 조사하였다. 그리고 CIP 공법의 문제점이 개선된 Uni-wall 공법에 대해 설명하고, 이를 적용하여 개발하고자 하는 지하 영구벽체 공법(PUS)에 대해 기술하였다.

제 3장에서는 현행 구조설계기준 분석을 통하여 PUS 단면 설계를 위한 방법 및 기준을 제시하였다.

제 4장에서는 제 3장에서 제시한 기준을 근거로 PUS 유닛 단면을 설계하고, 각각의 단면에 대한 해석을 통해 축력-모멘트 상관곡선을 작성하였다.

제 5장에서는 PUS 벽체를 적용하기 위한 Prototype 구조물을 가정하여 최종 완공상태 뿐만 아니라 시공과정 중에 발생하는 외력에 대하여 충분한 내력을 보유할 수 있는 단면을 축력-모멘트 상관곡선을 활용하여 선택하였다.

제 6장에서는 지하층수, 층고의 변수를 고려하여 선택된 단면에 대한 공사비 비교를 통해 효용성을 분석하고, 이를 바탕으로 효율적인 단면설계의 지표를 제시하였다.

제 7장에서는 본 연구로부터 얻어진 결과를 기술하였다.

이상의 연구로부터 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.

1) PUS는 작용하중에 따라 적합한 단면형태가 달라질 수 있으며, 변형률 적합법에 근거하여 케이싱 크기와 재료강도 등 여러 가지 단면 설계 변수에 대해 축력-모멘트 상관곡선을 제시할 수 있다.

2) 케이싱의 직경과 보강재의 종류에 따른 축력-모멘트 상관곡선을 바탕으로 구조설계자는 주어진 하중조건에 대한 단면설계를 효율적으로 수행할 수 있다.

3) 층수 및 층 높이 변수에 대한 PUS 공법의 Type 별 총 공사비를 분석한 결과 동일한 환경 및 조건에 시공될 경우 경비는 2%내의 큰 차이를 보이지 않는 반면 재료비와 노무비 항목이 비교적 공사비의 영향을 미치는 것으로 나타났다.

4) 효용성 분석 결과 단면의 높은 내력이 요구될 경우 3가지 Type중 비교적 큰 내력을 보유할 수 있는 Type 2를 선택하는 것이 경제적일 수 있지만, 동일한 하중에 대해 단면을 설계할 경우 강재량이 적게 소요되고 케이싱의 직경이나 띠철근의 제약에 대해 유동적으로 철근 배치가 가능한 Type 3가 경제적일 것으로 판단된다.