현장타설말뚝에대한강관합성부재적용성연구•AISC-1999 ：P o = A s F y+A r F yr...

현장타설말뚝에 대한 강관합성부재 적용성 연구

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Recently, the main span of the bridges being planned in domestic and international project is

getting longer. Large-diameter drilled shaft foundation has been applied to support the

superstructure of the long span bridges in the sea.

During construction of the drilled shaft, in order to establish the excavation stability of a

drilling hole a permanent steel pipe has been used. The steel pipe was not considered as a

structural member of the drilled shaft in Korea.

But AASHTO(2007) mentioned that the permanent steel pipe can be considered as a

structural member of composite materials(concrete filled steel tube, named as CFT ) and a lot

of researches on CFT have been done in Korea and abroad.

In this paper, we study the various domestic and international design criteria, such as AISC,

EURO CODE, KBC, for the concrete filled steel tube and introduce the applicability of steel-

concrete composite piles reflecting the specific site condition.

현장타설말뚝에대한강관합성부재적용성연구

임형준1) 윤명준2) 장학성3)

1. 개요

2. 콘크리트 충전강관 개요

3. 강관합성말뚝 구조설계

4. 강관합성말뚝의 기초설계

5. 맺음말

The Study on the Applicable of Steel-Concrete Composite Drilled Shafts

1) 지반부문 대리([email protected])2) 지반부문 사원([email protected]) 지반부문 전무, 토질 및 기초기술사([email protected])

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유신기술회보 _ 기술자료

1. 개요

국내에서 일반적으로 건설되는 현장타설말뚝은

하상 및 해상, 연약지반 등에서 강관 케이싱을 풍화

암 지지층 상단에 거치하고 내부 토사를 굴착 한다.

그하부기반암을나공상태로굴착완료후철근망을

건입하고 콘크리트를 타설하여 말뚝체를 형성한다.

이와 같이 말뚝체 형성 후 공벽유지를 위해 존치하

는 영구케이싱을 희생강관이라 하며, 현장타설말뚝

부재설계시구조부재로고려하지않고설계하는실

정이다. 하지만, AASHTO(2007)와같은기준서에

도희생강관을구조용강재로고려하여설계에반영

할 수 있다는 내용이 수록되어 있는 것을 보면 기존

의재료들을적절히조합하여설계에적용하려고하

는연구가진행되고있다.

2. 콘크리트충전강관개요

희생강관을 구조용 부재로 고려하는 방법인 콘크

리트 충전강관(Concrete filled steel tube)은 강

관의구속효과에의해충전콘크리트의압축내력상

승의 효과가 나타나게 된다. 강관과 콘크리트의 상

호작용에의해합성부재의강도(C)는강관과콘크리

트각각의강도를합한(A+B) 것보다더증가하는것

으로알려져있다(Kilpatrick & Rangan, 1999).

[그림 1] 강관-콘크리트 합성구조체의 보강효과4)

지금까지 국내의 현장타설말뚝 설계사례에서는

강관합성에대한보강효과를적용하지않았다. 희생

강관을 공벽유지 및 말뚝체 형성을 위한 거푸집 역

할로만 설계에 적용시켜왔기 때문이다. 또한, 지반

공학 분야에서 강관합성말뚝의 보강효과 등에 대한

연구가거의이루어지지않았으며그이유는말뚝의

재료강도가 커서 지반의 지지력이 설계를 지배하고

이에 따라 말뚝을 탄성체로 고려하였기 때문이다.

그러나, 최근의대구경현장타설말뚝은단단한암반

에 근입되어 암 상태가 좋은 경우 지반의 지지력이

말뚝의 재료강도보다 큰 경우가 발생하고 있다. 이

와 같은 경우에 말뚝의 설계방법에 강관-콘크리트

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합성거동을고려하여설계에적용할수있다면상당

히효율적인설계가가능할거라고판단된다.

3. 강관합성말뚝구조설계

지금까지 충전강관에 관한 대부분의 연구는 기둥

부재에 대하여 진행되어 왔으며, 충전강관에 대한

기준은 건축구조설계기준 강구조편 합성부재에 수

록되어있다. 건축구조설계기준은미국강구조학회

의 기준인 AISC-2005에서 많은 부분을 수렴하고

있다. 미국강구조설계기준은 설계시 최소 강재분담

비, 콘크리트 압축강도, 강재의 항복강도, 지름두께

비등에대한규준범위를제안하고있으며, 이는전

편의 미국강구조설계기준(AISC-1999)에 비하여

순차적으로 완화된 규정을 적용하고 있다. 이와 함

께 합성강관말뚝에 사용되는 콘크리트와 철근에 관

련된 설계, 배근상세 및 재료 성질 등은 콘크리트구

조설계기준과 도로교설계기준을 따르는 것이 바람

직할것으로판단된다.

해상에 시공되는 강관합성말뚝은 구조부재로서

안정성 확보를 위해 부식에 대한 적절한 처리가 선

행되어야한다. 본연구에서강관합성말뚝은강관의

방식처리를 전제로 하며, 강관합성말뚝의 단면저항

력은허용응력설계법을적용하여산정하였다.

3.1 강관합성말뚝 단면의 공칭강도 및

재료강도

강관합성말뚝의공칭강도결정은소성응력분포법

을 사용하며, 강관합성말뚝의 공칭강도를 결정하는

데있어콘크리트의인장강도는무시한다. 소성응력

분포법에서는 강재가 인장 또는 압축으로 항복응력

에도달할때콘크리트는변형률0.003과대응하는

응력인 0.85fck에 도달한 것으로 가정하여 공칭강도

를 계산한다. 충전형 원형강관합성구조의 콘크리트

가균일한압축응력을받는경우구속효과를고려한

다.3)

콘크리트 압축강도에 관한 규정은 현재 한국건축

구조설계기준과 미국강구조설계기준에서 하한치를

21MPa, 상한치를 70MPa로 규정하고 있으며, 경

량콘크리트의 경우 하한치를 21MPa, 상한치를

42MPa이 되도록 규정하고 있다. 또한 Eurocode

에서는 압축강도의 하한치를 20MPa, 상한치를

50MPa로 제한하고 있다. 한국건축구조설계기준은

2005년까지 콘크리트 설계기준 압축강도를

20.5MPa 이상으로만규정하였으나, 2009년개정

안에서 21MPa 이상, 70MPa이하로 수정되었다.

미국강구조학회규정은2005년개정안에서콘크리

트 설계기준 압축강도 상한치를 70MPa로 조정하

였으며, 하한치는 1999년 기준과 동일한 21MPa

이다.

합성부재에사용되는강재및철근의설계기준항

복강도는 건축구조설계기준과 미국강구조설계기준

이 동일하게 415MPa이하로 제시되었으며, 각각

2009년과 2005년개정안에440MPa로상향되었

다. Eurocode는 450MPa로 제시하고 있다. 상기

의 강도는 실험과 해석을 통하여 정당성이 증명될

경우, 440MPa를 초과하는 고강도강을 사용할 수

있다. 국내외합성부재에대한재료강도를정리하면

다음의표와같다.

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강관합성말뚝에 사용되는 콘크리트와 강재, 철근

의 탄성계수 산정은 콘크리트 구조설계기준(2007)

에제안된값을적용하며, 합성강관말뚝에적용되는

강재의 허용응력은 도로교설계기준(2008)을 표준

으로적용하는것이바람직한것으로판단된다.

3.2 구조제한

강재단면적조건은건축구조설계기준(2005)에총

단면적대한강재분담비3% 이상, 미국강구조설계

기준(1999)은 4% 이상으로 제시되어 있었으나,

2005년 미국강구조설계기준이 1%로 변경되었고

이에 맞추어 2009년 건축구조설계기준도 1% 이상

으로개정되었다. Eurocode에서제시하고있는합

성부재의 강재분담비는 2%~9%로 제시하고 있으

며, 미만은 콘크리트 부재로 고려하여 설계하고,

9%를 초과하는 강재분담비에 대해서는 강부재로

고려하여설계하는것으로제시하고있다.

국내외 합성부재 설계기준에 제시되어있는 강관

직경과 두께에 대한 지름두께비 제한은 압축응력을

받는판요소의국부좌굴을방지하기위한규정이다.

이 규정은 건축구조기준과 미국강구조설계기준 모

두 동일한 지름두께비를 제시하고 있으며, 각각

2009년과 2005년 개정안에서 E/Fy로 변경되었다.

[표3]에국내외설계기준에대한강종별지름두께비

한계치를정리하였다. 지름두께비가큰압축재의경

우 국부좌굴을 일으키면 압축재는 소성강도에 도달

하고강도가감소한다. 따라서지름두께비의제한은

충분한강도에도달하고압축력에의한충분한변형

이생길수있도록보장하기위함이다. [표3]과같이

Eurocode는 다른 기준식에 비해 지름두께비 한계

치가강화된것으로나타났으며강종에따른항복강

도가 커질수록 지름두께비는 감소하는 경향을 보인

다.

[표 1] 국내외 합성부재 재료강도

적용범위KBC AISC

Eurocode2005 2009 1999 2005

f ′c 20.5MPa이상 21-70MPa 21-55MPa 21-70MPa 20-50MPa

Fymax 415 MPa 440 MPa 415 MPa 440 MPa 450 MPa

[표 2] 합성부재의 강재분담비 및 지름두께비 기준

적용범위

(D/t)max

KBC AISCEurocode

2005 2009 1999 2005

As min 3%Ag 1%Ag 4%Ag 1%Ag 2% - 9%

형상 원형 원형 원형 원형 원형

8EFy

0.15EFy

0.15EFy

235Fy

8EFy

90

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3.3 강관합성말뚝 압축강도 산정식 검토

국내외 강관과 콘크리트 합성부재의 압축강도 산

정식은강관에대한항, 보강철근에대한항, 콘크리

트에 대한 항의 합으로 산정 되는 것으로 나타나 있

다. 국내건축구조설계기준의기본이되는미국강구

조학회 산정식은 기본적으로 보강철근에 대한 항과

콘크리트에 대한 항에 대해 보정정계수를 적용함으

로써 합성에 대한 효과를 고려하고 있다. 하지만

2005년 개정된 AISC-2005에 의해 보강철근에

대한 보정계수는 1.0으로 적용되어 계수가 없는 것

으로반영되고, 콘크리트에대한보정계수는0.95로

상향조정되었다.

개정 이전의 건축구조설계기준(KBC-2005)과 미

국강구조설계기준(AISC-1999)을 비교해 보면 아

래와같다.

[표 3] 강종에 따른 원형 지름두께비의 한계치 (단위:mm)

강 종Fy

(MPa)AISC-1999KBCS-2005

AISC-2005KBCS-2009

Eurocode

SS400 235 82.5 127.7 90

SM490 325 70.2 92.3 65.1

SM570 440 60.3 68.2 48.1

•AISC-1999：Fmy = Fy + C1Fyr + C2f ′c (식1)ArAs

AcAs

•KBC-2005：Fmy = Fy + C1Fyr + C2f ′c (식2)ArAs

AcAs

tD

1+1.8Fyf ′c

여기서,

As : 강재의단면적

Ac : 콘크리트의단면적

Ay : 총단면적

Es : 강재의탄성계수

Fy : 강재의강도

f ′c : 콘크리트압축강도

Is : 강재의단면2차반경

Ec : 콘크리트탄성계수

[표 4] AISC-1999와 KBCS-2005의 합성기둥계수

계수 C1 C2 C3

AISC 1.0 0.85 0.4

KBC 1.0 0.6 0.4

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위와 같은 합성부재의 압축강도 산정식은 미국강

구조설계기준(AISC)이 개정되면서 국내 건축구조

설계기준(KBC)도 개정되었다. AISC-2005와

KBC-2009의압축강도산정식은다음과같다.

•AISC-1999：Po = AsFy+ArFyr +0.95 f ′c Ac (식3)

•KBC-2005：P0 = AsFy +ArFyr + 0.85Acf ′c (식4)tD

1+1.8Fyf ′c

국내 건축구조설계기준에 제시된 압축강도 산정

식과 미국강구조학회의 개정된 산정식의 차이는 콘

크리트와강관의합성에의한강도증가를고려한콘

크리트의강도에대한항목이며, 콘크리트와강관에

대한 합성효과를 고려한 계수 C2는 건축구조설계기

준(KBC)에서 0.6에서 0.85로 상향 조정되었고, 미

국강조설계기준(AISC)에서는0.85에서0.95로상

향되었다.

국내 건축구조설계기준에 제시된 산정식은 기본

적으로 미국강구조설계기준과 동일한 형식으로 구

성되어있으나강관-콘크리트합성효과에대한계수

는차이를보이고있다. 건축구조설계기준의산정식

의 합성효과에 대한 보정계수는 Eurocode에 제시

된보정식으로강관직경과두께에따른비와콘크리

트 압축강도와 강관의 항복강도에 따른 비에 따라

결정되며, 압축과휨에따른편심의영향을받는다.

Eurocode에 제시된 압축강도 산정식은 다음과

같다.

Eurocode에서는 2가지 설계법을 제안하고 있

다. 첫번째로비대칭또는비균일단면인경우수치

해석법을 사용하고 설계법으로 검증하도록 하고 있

으며, 단면이2축대칭단면또는균일한단면인경우

단순화설계법으로검토하는방법을제시하고있다.

또한, 강재분담비가 0.2보다 작으면 콘크리트 부

재로 Eurocode 2로 설계, 0.9보다 크면 강부재로

Eurocode 3로설계한다. (Eurocode 2 : Design

of concrete structures, Eurocode 3 :

Design of steel structures) 합성부재에 대해

서는 Eurocod 4 : Design of composite steel

and concrete structures를참조하기바란다.7)

3.4 강관합성부재의 강도 산정

강관합성부재의강도산정은미국강구조학회기준

(AISC-2005)을 기준으로 하였다. 축하중을 받는

충전형 강관합성말뚝의 압축강도는 휨좌굴 한계상

태로부터 구하며 공칭압축강도는 다음과 같은 식을

적용한다.

축하중을 받는 강관합성말뚝의 설계압축강도는

세장비에 따른 휨좌굴 한계상태로부터 다음과 같이

구해진다.

①Pe ≥0.44 Po인경우

Po = AsFy+ArFyr +0.95 f ck Ac (식5)

Pn = Po 0.658 (식6)P

Pe ( )

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②Pe ＜ 0.44 Po인경우인경우

합성강관말뚝의좌굴하중(Pe )은다음과같다.

합성강관말뚝의좌굴하중(Pe ) 산정시적용되는합성

단면의 유효강성은 강관과 콘크리트의 구속효과를

고려한 합성유효강성을 고려하여 적용하며, 합성단

면의유효강성에대한산정식은(식9)와같다.

콘크리트 단면에 대한 유효강성의 보정계수는 다음

의(식10)과같다.

여기서,

As : 강관합성말뚝중강관의단면적, mm2

Ar : 강관합성말뚝중철근의단면적, mm2

Ac : 강관합성말뚝중콘크리트의단면적, mm2

Ec : 콘크리트의탄성계수, MPa

Es : 강재의탄성계수, MPa

Ic : 콘크리트의단면2차모멘트, mm4

Is : 강재의단면2차모멘트, mm4

Isr : 철근단면의단면2차모멘트, mm4

fck : 콘크리트의설계기준압축강도, MPa

Fy : 강재의설계기준항복강도, MPa

Fyr : 철근의설계기준항복강도, MPa

K : 부재의유효좌굴길이계수

L : 부재의횡지지길이, mm

ωc : 콘크리트의단위체적당무게

(1,500 ≤ ωc≤ 2,500 kg/m3)

EIeff : 합성단면의유효강성N·mm2

도로교 설계기준 하부구조편 말뚝본체의 설계에

서는‘전길이가땅속에근입된말뚝은좌굴을고려

하지 않아도 되며, 지반 위로 돌출된 말뚝에서는 좌

굴에 의한 단면을 정할 수도 있다.’고 명시되어 있

다. 이와 같이 전체 길이가 지중에 되메워진 말뚝은

일반적으로좌굴의영향을고려하지않는단기둥으

로 설계할 수도 있으며, 이런 경우에는 말뚝을 구성

하고 있는 재료에 따라서 관련된 항목에 따라 설계

해야 된다. 이는 말뚝의 측면이 연약한 지반일지라

도좌굴을구속할수있다고보기때문이다.6)

말뚝의일부가지상에돌출된경우는좌굴을고려

한 긴 기둥으로 설계할 필요가 있고 기초푸팅 및 지

반의 구속 조건을 설정하여 말뚝 구성재의 특성을

고려하여설계한다.14)

또한, 말뚝을 이음 시공하는 경우 이음에 의한 저

감율을 적용하여 말뚝의 허용압축하중을 저감시켜

야한다.6)

강관합성말뚝의 전단강도는 강관의 전단력 또는

철근콘크리트의전단강도둘중하나만을고려하며,

전단강도산정식은다음과같다.

①강관과전단보강철근을고려한경우

Ω= 1.67(ASD)

②철근콘크리트(전단철근)로고려한경우

Pn = 0.877 Pe (식7)

EIeff = Es Is + Es Isr + C3Ec Ic (식9)

C3= 0.6 + 2 ≤0.9 (식10)

Pe = π2 (식8)(EIeff)(KL)2

AcAs+Ac

Vn = 0.6 Fy + Ar Fyr (식11)As2

ds

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( 는psi단위)

Ω= 2.00(ASD)

여기서,

As : 강관합성말뚝중강관의단면적, mm2

Ar : 강관합성말뚝중철근의단면적, mm2

Ac : 강관합성말뚝중콘크리트의단면적, mm2

fck : 콘크리트의설계기준압축강도, MPa

Fy : 강재의설계기준항복강도, MPa

Fyr : 철근의설계기준항복강도, MPa

강관합성말뚝의 휨 강도는 강관에 대한 단면저항

력만고려하여산정하며, 내부콘크리트에휨철근이

보강된 경우 보강 휨 철근에 대한 단면저항력도 고

려하여야한다.

합성강관말뚝의공칭모멘트는합성부재제한조건

을 만족하므로 판요소의 국부좌굴은 발생하지 않는

것으로 고려한다. 또한, 단면의 응력이 모두 항복응

력에도달한것으로고려하여소성상태에대한소성

모멘트를 산정하여 공칭모멘트에 적용하는 것이 바

람직하리라판단된다.

여기서,

Mn : 공칭모멘트, N-mm

Mp : 소성모멘트, N-mm

Fy : 강관부재의항복강도, MPa

Z : 단면계수, mm3

3.5 허용안전율 및 압축과 휨의 조합

국내건축구조설계기준은한계상태설계법을기반

으로제시되어있으며, 허용응력설계법에대한적용

은 없는 실정이다. 미국강구조설계기준에서는 합성

부재의휨과축력에대한조합하중검토는2차해석

과 같은 해석적 방법 외에는 명확한 제안식이 없으

며, 이를대신하여허용응력설계법에대한허용안전

율을제시하고있다.

미국강구조설계기준에 따르면 합성부재가 아닌

일반 강부재에 대하여 압축강도에 대한 안전율(Ωc)

을 1.67로 제시하고 있으며, 합성부재에 대한 압축

강도의 안전율(Ωc)은 2.00으로 제시하고 있다. 이

안전율의 적용으로 합성부재에 대한 조합하중 검토

를대신하는것이바람직할것으로판단된다.

공칭전단력에 대한 안전율(Ωv)는 전단강도에 명

기한 바와 같이 콘크리트와 전단보강철근을 고려할

경우안전율1.67을제시하였고, 강관과전단보강철

근을고려한경우안전율2.00을제시하고있다.1)

3.6 OO대교 주탑기초 적용성 검토

국내에서 설계가 완료된 OO대교 주탑기초 현장

타설말뚝(Φ3,000)에 대하여 강관합성말뚝의 적용

성을 검토하였다. 본 연구에서는 허용응력설계법을

적용하여 강관합성말뚝 단면저항력을 평가 하였으

므로, 이에 부합하기 위해 사용하중을 적용하여 현

장타설말뚝의단면저항력을산정하고강관합성말뚝

의단면저항력과비교하였다.

사용하중은 최대하중으로 축력 48,588kN, 전단

력843kN, 모멘트14,864kN.m를적용하여단면

Vn = + Ar Fyr (식12)Ac2

ds

2 fck

Mn = Mp = Fy Z (식13)

2 fck

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저항력을산정하였다.

OO기초 주탑기초 현장타설말뚝은 22mm 희생

강관을적용하여구조부재로고려하지않고설계되

었으나, 강관합성부재로 고려하기 위해 AISC

(2005)에제시된강재단면적비1% 이상과지름두

께비0.15E/Fy(=131.25)를만족시켜야하므로 강

관의 두께를 26mm로 증가시켜 강재단면적비

3.66%, 지름두께비 107.14로 제한조건을 충족시

켰다. 위의 [표 5]와 같이 OO대교 주탑기초에 대해

현장타설말뚝에서 강관합성말뚝으로 적용할 경우,

강관두께 증가에 대한 면적비는 18% 증가하였다.

이에따른단면저항력은축력약89%, 모멘트는약

61% 증가하는것으로나타났다.

따라서, 강관두께증가에따라강재비는단면적에

대하여 약 18% 증가하나, 말뚝본체에 배근되는 철

근량이 현저히 감소되므로 현장타설말뚝에 대한 강

관합성말뚝 적용시 경제적으로 유리할 것으로 나타

났다. 단, 강재의 방청 등에 대한 기타 비용은 추후

적절히고려되어야할것으로판단된다.

3.7 선단부 보강

강관합성말뚝은콘크리트말뚝을강관이에워싸고

있는 구조로 강관과 콘크리트의 합성작용으로 뛰어

난 단면저항력을 가진다. 반면 기반암에 소켓된 선

단부는 상대적으로 강관에 의해 둘러싸인 콘크리트

에비해작은단면저항력을가지고있으므로말뚝에

작용하는설계하중에대해저항할수있는철근보강

이필요하다.

말뚝에 대한 부재설계는 말뚝본체에 작용하는 최

대설계하중으로 설계하는 경우가 일반적이며, 깊이

에 따른 하중전이 거동이 명확히 예측될 경우 말뚝

설계자의 의도에 따라 말뚝에 대해 구간을 나누어

각 구간에 작용하는 최대설계하중을 산정하여 보강

철근을산정할수도있다. 강관합성말뚝이암소켓에

지지되어소켓부에강관이근입되지않는경우부재

에대한명확한해석을통해합성강관말뚝의단면저

항력을산정하여야한다.

(1) 암소켓부의 재료 허용지지력 보강방안

강관합성말뚝에대한재료허용지지력의경우, 일

반적으로 말뚝 상부의 강관부분보다 암소켓부의 재

료지지력이작게산정될것이다. 이것이지반의지

지력보다 작은 경우에 재료의 허용지지력을 증가시

켜말뚝의허용지지력을증가시키는데목적이있다.

따라서, 하나의예시를기준으로암소켓부에서의철

근배근을 D41 1단 배근의 경우와 2단, 3단 배근할

경우에따른재료의허용응력증가량을검토해 보았다.

일반적인 현장타설말뚝의 경우 희생강관을 구조

용강재로 고려하지 않기 때문에, 말뚝 상부에서 휨

현장타설말뚝 3,000 22 30 66 31

강관합성말뚝 3,000 26 30 125 50

증가율 - 18% - 89% 61%

[표 5] OO대교 주탑 말뚝기초 강관합성말뚝 적용 및 비교

구 분직경(mm)

강관두께(mm)

fck(MPa)

축력(MN)

모멘트(MN.m)

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강성을확보하기위해철근배근을보강해야할경우

말뚝상단에더많이배근하는것으로계획하는것이

일반적인 방법이다. 하지만, 합성말뚝의 경우, 강관

을구조용강재로고려하여단면력을산정하기때문

에상부휨강성이확보되므로단면력확보에균형을

이루기 위하여 말뚝 암소켓부의 단면력을 증가시키

기 위한 방안이 필요하다. 이는 암소켓부 추가 철근

배근 혹은 강재배치를 통한 단면 보강을 통하여 단

면저항력을확보하는단순한방법외에도다른여러

가지 방법이 있을 수 있지만, 가장 단순한 방법으로

재료의허용지지력증가비율을확인해보았다.

단, 지반의 허용지지력이 재료의 허용지지력보다

큰 경우에만 이 같은 말뚝 재료지지력 증가 방법이

필요로할것이다.

3.8 강관합성말뚝의 전단연결재

강관합성말뚝은일반적인합성부재의구조적조건

을반영하고있다. 합성부재로서의충전형강관기둥

은 강관과 콘크리트코어 사이에 응력 전달 현상에

대해 인정되고 있다. 그러나 많은 실험결과들을 보

면, 부착강도와충전형합성부재의전체적인거동에

끼치는영향에대한확신은아직부족하다.

부착응력과강도에관한연구중오카마토의연구

(Okamato, T., and Maeno, T.(1988). “Expe-

rimental study on rectangular steel tube

columns in filled with ultra high strength

concrete hardened by centrifugal force.”

Proc., Annual Meeting of AIJ, Chiba,

Japan, 1339)에서는 부착강도는 충전형 합성기둥

의휨내력성능에는큰영향을주지않으며, 휨내력

성능은 축력을 증가시킴으로써상당히증가하는것으

로결론지어져있다.

국내외 합성부재 관련 설계기준에서도 충전형 합

성부재중일반적인원형단면에대한전단연결재검

토 사항은 찾아보기 어려우며, 합성 슬래브 등의 휨

부재인경우전단스터드를검토하여콘크리트와강

부재가 합성거동을 하도록 하고 있는 실정이다. 또

한휨모멘트에비해압축력이현저히크게작용하는

기둥과 같은 압축부재에서는 강관과 콘크리트코어

사이의응력전달에의해합성거동을하는것으로판

[표 6] 구조물 기초설계기준(2009) 제안식을 적용한 결과 (Φ3000 말뚝)

구 분 D41-44EA 1단배근 D41-44EA 2단배근 D41-44EA 3단배근

재료의 허용지지력 51.9 MN 60.8 MN 78.6 MN

철근비 0.9% 1.9% 3.8%

증가비율 - 17% 증가 51% 증가

[그림 2] ㅇㅇ대교 주탑기초 현장타설말뚝암소켓부 철근 배근 단면도

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단된다. 하지만, 합성부재에서 확실한 응력의 전달

이 필요한 경우에는 계산을 통해 내부에 전단 연결

재를연결하여콘크리트와강재의합성거동을확보

해야할것으로판단된다.

4. 강관합성말뚝기초의적용성검토

강관합성말뚝기초는 설계개념의 특성으로 인해

아래의설계조건과같은조건이충족되는경우에적

용성이 우수한 것으로 판단된다. 또한, 강관합성말

뚝기초로 설계하는 경우, 강관의 두께는 구조적 안

정성이확보되는적절한두께를적용하는것이바람

직한것으로판단된다.

4.1 강관합성말뚝의 설계 조건

강관합성말뚝의경우는아래의몇가지조건이만

족되는경우에그적용효과가우수하다.

(1) 수심이깊은돌출형현장타설말뚝으로수평안

정성확보가관건인조건

(2) 지층상부에연약한점토층이두껍게존재하여

공벽유지및수평저항력확보가어려운조건

(3) 풍화암층의 두께가 얕은 조건. 즉 다시 말하면

강관거치를연암상단에해야하기때문에풍

화암층이 두꺼울 경우 항타 및 풍화암 굴착이

용이하지 않아 경제적인 비용부담이 늘어나기

때문

(4) 기반암의 절리가 없고 강도특성이 우수한 조

건. 즉 연직 지지력 측면에서 지반의 허용지지

력이 충분히 커서 말뚝 본체의 재료 허용지지

력보다크거나비슷하게확보되는경우에강관

합성말뚝의설계적용성이우수하기때문

희생강관을 이용한 현장타설말뚝 시공의 경우 지

반 위로 돌출되는 형태의 현장타설말뚝을 시공하는

경우이거나 연약한 점토층이 존재하여 공벽유지가

어려운 경우에 적용을 하는 게 일반적이며, 보통의

경우풍화암상단에희생강관을거치하는것으로설

계에 적용한다. 하지만, 강관합성말뚝의 경우에는

풍화암 상단이 아닌 연암 이상의 강도를 가진 기반

암상단에강관을거치할수있도록해야한다.

강관합성말뚝으로 설계를 하는 경우, 상대적으로

강관과콘크리트나공(암소켓부) 연결부분이수평력

에취약하게되는데말뚝의나공으로시공되는부분

의 시작점이 풍화암인 경우에 수평 안정성 확보에

상대적으로 부족하게 되고 이는 단면저항능력이 우

수한 강관합성말뚝 아래에 추가로 철근 혹은 철골

콘크리트부재의소요길이가길어질경우그시공성

및경제성이떨어지기때문이다.

4.2 강관합성말뚝 강관 두께 결정

대한 토목학회에서 발간한 도로교 설계기준 해설

에 따르면‘AASHTO 시방서(2002)에서는 두께

3mm 이상인 영구 강관케이싱은 하중을 지지할 수

있도록규정하고있으며부식의영향을공제한희생

강관의 부재력을 부가적으로 고려하여 말뚝 본체의

허용하중을 정할 수 있다’고 제시하고 있다.10) 그리

고 미국 API RP 2A(American Petroleum

Institute, 2000)에서강관을구조용강재로적용

하는경우강관말뚝의직경에대한두께의비를D/t

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≤40 로 규정하였다. 이 경우 직경 3000mm 강관

을구조용강재로적용하는경우최소두께는75mm

여야 한다는 조건이 나온다.13) 하지만, 이와 같은 규

정은 내부에 콘크리트와 철근을 채운 강관합성말뚝

이 아닌 타입에 의한 강관말뚝인 경우에 적용되는

것이므로 강관합성말뚝에 적용하기에는 과도할 수

도 있다. 하지만 아직까지는 희생강관의 두께에 대

해규정된설계기준이없다. 지금까지의희생강관은

그저 거푸집과 같은 역할만을 하고 있는 것으로 설

계에 적용되었고 강관직경 3,000mm인 경우 두께

는 18mm~24mm까지 다양하게 적용되어 왔다.

대구경강관에대하여구속효과를발휘하기위한최

소강관두께에대한조건은아직까지는규정된것이

없다. 따라서강관합성말뚝으로설계에적용하는경

우에강관두께의결정에대해서는항타관입성분석

을 통해 필요 깊이까지 항타가 가능한 강관 두께로

두께를결정하는것도하나의방법이라고판단된다.

4.3 말뚝의 재료에 대한 허용지지력

현장타설말뚝의콘크리트재료의허용압축강도를

규정하는 방법은 국내에서는 구조물기초설계기준

(2009)과 도로교설계기준해설(2008)에 제시되어

있다. 강관합성말뚝의 재료에 대한 허용압축응력은

암소켓부의 경우는 콘크리트와 보강철근으로 구분

하여 두 부분의 허용압축하중을 각각 산정한 다음

두 값을 합하여 산정하는 것으로 나타나 있으며, 말

뚝 본체의 허용하중은 말뚝 구성재료의 허용압축응

력에유효단면적을곱하여구할수있다.

현장타설말뚝에서 강관 내부에 있는 콘크리트에

대해서는구속효과가발생한다고고려할수있지만,

암반에 소켓된 말뚝의 콘크리트의 구속효과에 대해

서는 아직까지는 입증된 내용은 없다. 하지만, 여러

가지방법에의한시험, 현장실험및그외다른방법

으로 구속효과에 대한 연구를 지속적으로 진행하여

희생강관 + 현장타설말뚝 강관합성말뚝

[그림 3] 강관 거치 모식도

연암 상단에 강관 거치풍화암 상단에 강관 거치

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[그림 4] 수평안정성 검토 개요도

보다 면밀한 검토를 통하여 검증해 볼 필요가 있는

것으로판단된다.

4.4 말뚝의 수평 안정성

말뚝기초는수평방향외력을받게되면휨에의해

모멘트 및 변위가 발생하게 되는데 강관합성말뚝의

경우적용지반조건들이수평안정성에주요한요인

으로작용하는경우가많기때문에수평지지력과변

위에대한안정성검토를수행하여야한다.

말뚝의 수평안정성 검토시 강관합성말뚝의 영향

은 말뚝 부재의 강성인 값에 따라 달라지게 되는데,

지지력및수평변위검토시말뚝의강성을합성강성

계수인 를 적용함으로써 강관합성말뚝의 수평 저항

성을반영할수있다.

Broms 방법에의한수평지지력산정에서β값과

η값에 대하여 ΕIeff를 적용함으로써 말뚝의 장단이

변화된다. Chang 방법에 의한 수병변위 산정에서

도 마찬가지로 말뚝 본체의 강성을 합성강성계수로

적용함으로써 합성효과를 식에 반영할 수 있다. 또

한, p-y커브를적용한비선형말뚝해석프로그램인

Group과 L-pile 검토에서도 합성강성계수를 적

용함으로써 말뚝 본체를 강관합성말뚝으로 고려하

여반영하는것이가능하리라판단된다.

5. 맺음말

OO대교 주탑기초 말뚝을 설계함에 있어 희생강

관을 구조부재로 사용하기 위하여 강관합성부재

(CFT)의 적용성을 검토하였다. 합성부재로 사용하

기 위한 최소 기준인 지름/두께비를 충족하는 강관

의 두께는 26mm로 산정되었다. 이를 고려하여 단

면저항력을 검토한 결과, 철근 콘크리트 단면에 비

해강재단면적은약18% 증가되나강관합성말뚝의

단면저항력은압축력의경우약89%, 모멘트는약

61%가증가하는것으로나타났다.

또한, 합성강관말뚝은 강관과 콘크리트의 합성효

수평방향 안정조건 검토방법 안 정 조 건

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과로 인해 합성강성(ΕIeff)의 적용으로 휨 강성이 증

가하여 말뚝 본체의 수평저항력이 우수하며 수평변

위제어가상대적으로용이하다.

반면말뚝선단암소켓부는암의절리나균열등의

불확실성을 고려할 때 암의 구속효과를 반영하기에

는아직더많은연구가필요한실정이므로단면저항

력을철근콘크리트로검토하여야할것으로판단된

다. 말뚝과 같이 압축력을 주로 지지하는 구조물에

있어서는 강관과 콘크리트코어 사이의 상대적인 응

력전달을 위한 전단연결재의 필요성은 적을 것으로

판단되나, 보와같은휨부재의경우에는계산을통해

내부전단연결재를적극설치하여야할것이다.

상기 검토내용을 토대로 판단할 때, 희생강관이

사용되는 현장타설말뚝의 경우에 강관의 두께를 일

부 증가시켜 강관합성말뚝으로 설계한다면 효율적

인 단면의 사용으로 경제적인 설계가 가능하다. 단

지, 말뚝선단 나공부의 말뚝단면에 대한 철근 혹은

철골보강설계의강관과콘크리트의일체거동을위

한 내부 전단 연결재의 배치에 대한 상세 기준 설정

에대한연구가필요한실정이다.

이와같은추가적인연구의진행으로명확한설계

기준이 제시된다면, 희생강관을 구조용강재로 사용

하는강관합성말뚝적용에따른경제적인효과는매

우우수할것으로기대된다.

참고문헌

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현장타설말뚝에대한강관합성부재적용성연구•AISC-1999 ：P o = A s F y+A r F yr...

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