PUS 공법에 의한 합성 부재의 휨성능 평가

Abstract

C.I.P (Cast In place Pile) 공법은 주열식 흙막이 공법으로 인접 구조물에 영향이 적고 비교적 협소지에도 시공이 가능하며 진동과 소음이 적은 장점이 있다. 하지만 굴착되는 말뚝과 말뚝 사이에 교차되는 부분이 없어 말뚝들이 서로 독립적으로 시공되어 이음부가 없어 별도의 보강 및 그라우팅 등의 차수 대책이 필요하다. 또한 측압에 대한 높은 강성을 가짐에도 불구하고 흙막이 지지를 위한 가설벽체로만 사용되어 지고 있으며 영구 지하 구조물의 외벽은 C.I.P 벽체를 무시하고 별도로 C.I.P 벽체 내부에 새로이 추가 시공되어진다. 특히, C.I.P 벽체는 인발에 대한 공사비 증가로 인하여 대부분의 건축현장에서 지중에 매립되어 환경오염을 초래할 수 있다. 이러한 단점을 보완하기 위하여 최근 Uni-wall 공법이라는 서로 독립된 말뚝을 연속시키기 위한 공법이 개발되었다. Uni-wall 공법은 말뚝간 독립시공을 막기 위해 기존에 천공 케이싱으로 사용되는 원형케이싱에 추가하여 원형의 양 측면을 오목하게 제작한 특수케이싱을 사용함으로써 굴착공 사이를 부분적으로 중첩되게 굴착 및 시공하고 있다. 이를 통하여 수밀한 벽체를 형성하고, 굴착시 수직도 불량을 해결 하고 있다. Uni-wall 공법이 가설 벽체로만 사용한다면 차수성능이 크게 요구되는 현장에는 큰 장점을 가지게 되겠지만 일반 C.I.P 공사현장에 적용할 경우 경제성이 떨어지게 된다. 하지만 Uni-wall을 지하 구조물의 영구벽체로 사용한다면 큰 장점이 있을 수 있다. 특히, 지하 굴착 심도 및 작용 횡압이 크지 않아 추가로 벽체를 합성시키지 않고 Uni-wall 만으로 영구 벽체에 요구되는 성능을 확보한다면 그 경제성 및 효율성은 매우 크질 수 있다. 본 연구에서는 초기에 차수가 가능한 C.I.P 공법으로 개발된 Uni-wall을 영구 벽체로 활용하는 공법을 P.U.S (Permanent Uni-wall System) 라 하고, P.U.S에 의하여 형성되는 원형케이싱과 특수케이싱의 단위 단면에 대한 휨성능을 평가하고자 실험 및 해석적 연구를 진행하였다. 이를 통하여 P.U.S 단위 단면의 종류에 따른 휨 강도 및 단면 설계의 특성을 분석하고, 대표적인 단면의 휨 실험에 의한 휨 거동 특성을 파악하고자 하였다. 제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다. 제 2장에서는 CIP공법과 CIP공법을 활용하여 영구벽체로 사용하기 위해 개발된 기존의 대표적인 공법을 소개하였으며, 이 공법들의 일관된 문제점을 제시하였다. 그리고 CIP공법의 문제점이 개선된 Uni-wall공법에 대해 설명하고, 이를 적용하여 개발하고자 하는 지하 영구벽체 공법(P.U.S)에 대해 기술하였다. 제 3장에서는 현행 구조설계기준에서 P.U.S를 설계하기 위한 방법 및 기준식을 제시하였다. 제 4장에서는 P.U.S의 휨실험을 통해 단면의 특성을 분석하고, 제 3장에서 제시한 설계방법의 타당성을 보였다. 제 5장에서는 제시된 설계방법으로 여러 변수가 적용된 단면들에 대해 내력을 검토하여 각 단면들의 축력-모멘트 상관곡선을 작성하였다. 제 6장에서는 연구결과를 정리하고, 이러한 결과를 통한 향후 연구방향에 대해 제시하였다.

본 연구내용의 결론을 정리하면 아래와 같다.

1) P.U.S 합성단면은 직경이 작은 케이싱을 이용할 경우 피복두께 및 트레미관 설치 등을 고려하여 특수케이싱 내부는 철근콘크리트로 설계하고, 원형케이싱은 하중조건을 고려하여 철골, 철근콘크리트, 철골철근콘크리트 등 다양한 형식으로 설계할 수 있다.

2) 모든 실험체가 압축측 콘크리트 압괴로 최종 파괴되었으나, 부재각 1/13 이상까지 급격한 하중저하가 나타나지 않았고, 원형케이싱을 철골철근콘크리트로 설계한 실험체가 철골로 설계한 실험체에 비하여 최대강도 이후의 보다 연성적인 거동을 하는 것으로 나타났다.

3) 원형케이싱과 특수케이싱 단면 각각의 강도를 누가한 강도 산정법과 전체 합성단면에 대한 강도가 유사하게 나타났다. 또한, 변형률 적합법을 사용하여 P.U.S 합성단면의 공칭휨강도를 산정한 결과 실험강도와 4%의 오차범위로 유사하게 평가되어 이러한 강도 산정법을 P.U.S 합성단면의 휨설계에 적용할 수 있을 것으로 사료된다.

4) P.U.S는 작용하중에 따라 적합한 단면형태가 달라질 수 있으며, 변형률 적합법을 사용하여 케이싱 크기와 재료강도 등 여러 가지 단면 설계 변수를 통해 축력-모멘트 상관곡선을 제시하여 효율적인 단면상세의 선정이 가능할 것으로 사료된다.