´r Ë³¿ ÀÝ a àw æ û3I à H£D Þºw æ û¸ è -3'% · · 2014-06-25In this paper, as a...

www�yooshin�co�kr_57

국내연구성과에기초한저항계수를이용한말뚝의하중저항계수설계법(LRFD)

1. 서론

기초구조물의설계시현재국내에서는일반적으

로 허용응력설계법(Allowable Stress Design,

ASD)을 적용하고 있다. 그러나, 미국과 캐나다에

서는신뢰성분석을기반으로한하중저항계수설계

법(Load Resistance Factor Design, LRFD)

을 적용하고 있으며, 유럽에서도 부분안전계수를

사용한 한계상태 설계개념을 적용하고 있다. 허용

응력설계법(ASD)은 지반조건과 설계공식에 포함

In this paper, as a part of study to develop LRFD codes for the foundation structures in Korea,

resistance factors for the static bearing capacity of driven steel pipe piles and drilled shaft have

been calibrated in the framework of reliability theory. Using the new resistance factors for driven

steel pile and drilled shaft fitting to Korea’s geotechnical condition, a comprehensive foundation

design case study on an actual bridge was performed. Comparing with Allowable Stress

Design(ASD), LRFD design method provides quantitative evaluation of the safety level of

designed foundation and exhibits considerable potential economy in the design.

1) 기초설계팀 지반본부 과장([email protected]) 2) 지반본부 전무·토질 및 기초기술사([email protected])3) 정성준 : 서울대학교 건설환경공학부 박사과정([email protected]) 4) 김명모 : 서울대학교 건설환경공학부 교수([email protected])5) 박재현 : 한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실 선임연구원([email protected]) 6) 곽기석 : 한국건설기술연구원 토질 및 기초연구실 책임연구원([email protected])

1. 서론2. 하중저항계수 설계법(LRFD)3. 국내 연구성과4. 항타강관말뚝의 설계5. 현장타설말뚝의 설계6. 결론


Load-Resistance Factor Design(LRFD) of Pile Foundation by using Resistance factor based on Research Results in Korea

장 학 성2)최 석1)

057-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지57

58_유신기술회보 제15호

유신기술회보 | 기술정보

된 불확실성을 고려하지 못하는 단점을 가지고 있

으므로, 미국은2007년부터교량설계시하중저항

계수설계법을 적용할 것을 의무화하고 있고, 유럽

은부분안전계수설계법을도입하여새기준을정비

하는 등 국제기술의 표준화 작업이 급속도로 이루

어지고 있는 상황을 고려해 볼 때 하중저항계수설

계법으로의변화는필연적이며연구개발을통한국

내의대비가필요한시점이다.

이에, 국내에서는『LRFD 기초구조물설계를위

한저항계수결정연구(한국건설기술연구원, 서울대

학교, 전남대학교)』라는주제로3년동안의기존말

뚝재하시험결과를분석하여국내지반조건에적합

한 말뚝별 저항계수를 제안하 고, 이 연구결과를

『도로교설계기준 해설(2008, 대한토목학회 & 교

량설계핵심기술연구단)』에수록하 다.

본논문에서는강관말뚝과현장타설말뚝에대해

결정한저항계수를이용하여기존허용응력설계법

으로설계된교량기초를LRFD로재설계함으로써,

교량기초의설계에있어서LRFD의적용성에대해

살펴보고자한다.

2. 하중저항계수설계법(LRFD)

허용응력설계법(ASD)은설계하중과안전율, 저

항력의관계로부터다음식(1)과표현된다.

Qd ≤ Rallow = (1)

여기서, Qd : 설계하중(작용하중)

Rallow : 허용설계하중

Rult : 극한저항력

Fs : 안전율

허용응력설계법은 구조물의 저항능력을 결정하

고, 이를작용하중과비교하는데있어주로경험과

판단에 근거한 획일적인 안전율을 적용하고 있다.

이는사용의편리성이있으나작용하중과구조물의

저항능력을산정할때각각의불확실성과변동성을

고려하지못하므로하중조건및저항조건이변함에

따라 설계된 구조물의 안전도(Safety Level)가

변하고위험성이가중될수있다는단점이있다.

이에 반해 하중저항계수설계법(LRFD)은 작용

하중과구조물의저항능력에포함된불확실성의정

도를정량적으로평가하여설계에반 하므로각기

다른하중조건과구조물의한계상태에대해서적합

한 안전수준을 유지할 수 있는 장점이 있다. 이를

통해구조물, 중요도, 요구되는안전도에따른경제

적이고합리적인설계가가능하다.

ΣγiQi ≤ R (2)

여기서, γi : 하중계수(Load Factor)

Qi : 공칭하중(Nominal Load)

: 저항계수(Resistance Factor)

R : 공칭저항(Nominal Resistance)

3. 국내연구성과

국내기초구조물에대한저항계수산정및하중저

항계수설계법 개발의 일환으로 항타강관말뚝과 현

장타설말뚝에대한지지력공식의신뢰성평가와저

항계수 결정 연구를 수행하 다. 국내에서 시행된

말뚝정재하시험자료를수집하여극한지지력확인

이가능한자료들을선별하여연구에활용하 다.

Rult

Fs

058-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지58



저항계수를산정하기위해서는현재국내실무에

서적용되고있는설계법에대한신뢰성해석과목

표신뢰도지수결정작업이선행되어야한다. 각지

지력산정방법에따른목표신뢰도별저항계수를결

정하고, AASHTO LRFD(2007)의 저항계수 결

정시 사용된 목표신뢰도 지수를 본 연구에 적용하

여국내지반에적합한저항계수를결정하 다.

3.1 항타강관말뚝의 저항계수

구조물기초설계기준(2003, 한국지반공학회)에

서 제안하고 있는 정역학적 지지력 방법과

Meyerhof에 의한 N값을 활용한 경험적 방법을

저항계수 연구대상으로 하 다. 각 재하시험에서

산정된극한지지력과위에언급된지지력산정법을

이용한극한지지력을비교하여다음<표2>에제시

된항타강관말뚝의저항계수를결정하 다.

AASHTO LRFD교량설계기준(2007)에서제

시하고 있는 항타강관말뚝의 저항계수가 0.45

~0.50인점을고려해볼때, 본연구를통해도출된

국내 항타강관말뚝의 저항계수는 AASHTO

LRFD저항계수와비슷한수준이다.

3.2 현장타설말뚝의 저항계수

암반에근입된현장타설말뚝에대하여국내외에

서널리사용하고있는Carter & Kulhawy방법

(1988), AASHTO 방법(1996), 그리고 FHWA

방법(1999)의 3가지 공식을 이용하여 극한지지

력을산정하 다.

암반 소켓말뚝은 토사 근입부의 지지력이 암반

근입부에비하여매우작으므로토사층의주면마

찰력은고려하지않았다.

각 재하시험에서 평가된 극한지지력과 위에 언

급된 지지력 산정법을 이용한 극한지지력을 비교

하여 다음 <표 3>에 제시된 현장타설말뚝의 저항

<표 1> 연구분석을 위한 말뚝재하시험 자료 수

구 분 항타강관말뚝 현장타설말뚝 비 고

수집자료

활용자료

2,000

63

84

21

-

극한지지력 확인

<표 2> 항타강관말뚝 저항계수

목표신뢰도지수선단부 N치 50 미만

정역학적 지지력공식 Meyerhof(1976) 정역학적 지지력공식 Meyerhof(1976)

선단부 N치 50 이상

2.0 (설계적용)

2.33

2.5

0.43

0.37

0.34

0.48

0.38

0.34

0.39

0.35

0.32

0.37

0.29

0.27

059-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지59



<표 3> 현장타설말뚝 저항계수

목표신뢰도지수 Carter & Kulhawy AASHTO(1996) FHWA(1999)

3.0

3.5 (설계적용)

0.70

0.54

0.51

0.39

0.20

0.16

계수를결정하 다.

AASHTO LRFD 교량설계기준(2007)에서제

시하고있는현장타설말뚝의저항계수가0.5~0.55

인점을고려해볼때, 본연구를통해도출된국내현

장타설말뚝의 저항계수는 AASHTO LRFD 저항

계수와비교하여편차가크게나타났다.

4. 항타강관말뚝의설계

4.1 대상교량 및 설계현황

본 연구에서 설계에 적용된 ○○교는 전라남도

○○군에위치하는총연장 390m, 폭24m, 왕복

4차로해안접속도로교량으로서경간장35m의9

경간 P.S.C Beam교이다. 8기의 교각과 양쪽 2

기의 교대는 모두 항타강관말뚝으로 구성되었으

며, 이중시추조사위치와가장근접하고지층상

태 분석이 용이한 P3 교각 기초를 대상으로 하

다<그림1>.

○○교가 위치한 구간의 지반은 지형에 따라 매

립층, 퇴적층, 풍화토층, 풍화암층으로구성되어있

으며, 전반적으로 연약점성토와 하부 퇴적층이 발

달된특성을보이고있다. 매립층은모래와자갈섞

인점토및모래섞인점토, 모래섞인점토질실트

로구성되어있고, 퇴적층은점토, 자갈섞인점토

질모래, 실트(점토) 섞인자갈질모래, 모래섞인자

<그림 1> ○○교 종단면도

060-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지60



갈, 모래와 실트 섞인 자갈이 교호하며 나타났다.

풍화토층은 주로 실트질 모래로 구성되었으며, 지

지층은 코어회수율과 RQD가 낮은 풍화암층이다.

말뚝기초지지력설계에적용된P3 교각근처에서

실시된심도별시추조사결과는<표4>와같다.

<표 4> P3 교각 위치 시추조사 결과

심 도(m) 지 층 두 께(m) N값 유효단위중량(kN/㎥) 전단강도정수

0.0~5.0

5.0~10.2

10.2~13.8

13.8~14.3

점토

자갈섞인점토질모래

풍화토(실트질모래)

풍화암

5.0

5.2

3.6

0.5

2

15

30

50

6.86

8.82

9.80

11.0

Su=48kPa

=33°

=39°

=44°

<그림 2> ○○교 말뚝기초(P3) 단면ㆍ평면도

061-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지61



교각P3의제원및말뚝배치형태는 <그림2>와

같다. 교각은형교각으로서상부의하중이양쪽기

둥으로양분되어하부로전달되게하 다. 교각하

부로 전달된 하중은 강관말뚝으로서 지지되며, 상

세말뚝제원은<표5>와같다.

4.2 설계하중 산정

OO교말뚝기초는사하중과활하중및풍하중이

교축방향으로 작용할 때 기초 규모가 지배받는 것

으로설계되었다. 저항계수는사하중과활하중만을

고려한하중조합(Strength-Ⅰ)에대해서산정되

었지만, 교량기초 설계시 지배적인 하중조합에 대

해서도동일한저항계수를적용하기로한다.

사하중으로는 구조물 자중과 복토하중이 있고,

활하중은차량하중이존재한다. 하중집계의기준위

치는 Footing 저면의 도심으로 하여 무리말뚝해

석시입력하중으로활용하 다.

<표 5> 강관말뚝 제원

말뚝 직경(㎜) 말뚝 두께(㎜) 말뚝 길이(m) 말뚝 본수

508 12 14.3 4 × 8 = 32

구 분왼쪽기둥 하단 오른쪽 기둥하단 Footing

자중복토하중

모멘트증가

하중집계

V H M V H M V H M

사하중(D) 6,666 45 120 6,667 45 120 3,450 3,575 179 20,357 90 419

활하중(L) 300 20 18 1,289 20 92 - - 81 1,590 41 3,901

풍하중(W) 650 314 1416 650 314 1416 - - 1,257 1,299 628 4,088

설계 방법 허용응력설계법 LRFD

하중 조합 1.0D+1.0L+1.0W 1.25D+1.35L+0.4W

설계하중

연직력 (V, kN) 23,246 28,112

수평력 (H, kN) 759 418

모멘트 (M, kN-m) 8,408 7,425

<표 6> Footing 저면의 도심에 작용하는 하중(kN, kN-m)

<표 7> 설계 방법에 따른 설계하중

주 1) 모멘트 증가는 Footing 저면으로 집계되는 과정에서 수평력에 의한 증가량임.주 2) V : 연직력, H : 수평력, M : 모멘트

Footing저면도심에집계된각하중을각설계

방법에따른하중조합으로설계하중을산정한결과

는다음<표7>과같다.

062-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지62



4.3 무리말뚝 해석

도로교설계기준 해설(2008)에 제시된 변위법

을이용하여무리말뚝을수행하 다.

<표 7>에 제시된 설계하중을 32본의 무리말뚝

도심에교축방향으로작용시켜다음 <표 8>과같

은해석결과를얻었다.

<표 8> 무리말뚝 해석 결과

구 분단말뚝에 작용하는 반력 수평변위

(㎜)연직력(kN) 수평력(kN) 모멘트(kN-m)

허용응력설계법(ASD) 975 23.7 26.7 3.0

하중저항계수설계법(LRFD) 1,087 13.1 14.2 1.9

4.4 말뚝의 극한지지력 산정

4.4.1 정역학적지지력공식

①선단지지력

사질토 지반에 근입된 말뚝의 극한 선단지지력

(Qp)은다음식(3)과같이산정한다.

Qp=qpAp (3)

여기서, Ap : 말뚝선단면적(㎡)

qp : 단위극한선단지지력(kPa)으로다음식과같다.

qp=σv′Nq

σv′: 말뚝선단부유효연직응력(kPa)

Nq : 내부마찰각에따른지지력계수

풍화암의 내부마찰각 44°에 대한 지지력계수

(Nq)는 145이고, 말뚝선단부의 유효연직응력은

121kPa이므로, 극한선단지지력은다음과같다.

Qp=qpAp=121×145× ( 0.504)2=3,500(kN)

②주면마찰력

말뚝의극한주면마찰력(Qs)은다음식(4)와같이

산정한다.

Qs=∑fsAs (4)

여기서, As : 말뚝주면면적(㎡)

fs : 단위극한주면마찰력(kPa)으로다

음식과같다.

i) 사질토의경우: fs=Ksσvtanδ

Ks : 말뚝면에작용하는토압계수

(=1.4(1-sinø))

δ: 말뚝과 주변 흙 사이의 마

찰각(=20°)

ii) 점성토의경우 : fs=αSu

α: 부착력계수(=1.0)

Su : 점착력(kPa)

점성토와사질토에제시된지지력공식을산정한

극한주면마찰력은다음<표 9>와같다.

π4

063-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지63



따라서, 말뚝의전체극한지지력은다음과같다.

Qu=Qp+Qs=3,500+607=4,107(kN)

4.4.2 Meyerhof(1976)

N치를이용하여말뚝의극한지지력(Qu)을산정하

는Meyerhof의경험적방법은다음식(5)와같다.

Qu=mN60Ap+nN60 As (5)

여기서, N60 : 해머의타격에너지효율60%로보정한

N값

m, n : 말뚝의시공법에따른계수

m=3(Lb/B)≤30(mN60≤15,000kPa)

n=0.2(nN≤100kPa)

①선단지지력(Qp)

m=3(9.3/0.504)=55≥30, N60=50이므로,

Qp=30×50× ×(0.504)2=2,993(kN)

②주면지지력(Qs)

n = 0.2, N60=14이므로, Qs= 0.2×14×π×

0.504×14.3=634(kN)


Qu=Qp+Qs=2,993+634=3,627(kN)

4.5 허용응력설계법과 LRFD의 비교

허용응력설계법은 극한지지력(Qu)을 안전율

(Fs)로 나눠 저항력인 허용지지력을 산정하 고,

LRFD는 극한지지력에 저항계수( )를 곱하여 저

항력인 공칭저항을 산정하 다. 위와 같은 설계방

법에 따른 설계반력과 저항력을 비교한 결과는 다

음<표10>과같다.

π4

심도 (m) 지 층 단위 극한 주면마찰력(kPa) 극한 주면마찰력(kN)

0.0 ∼ 5.0 점토 47.77 378

5.0 ∼ 10.2 자갈섞인 점토질 모래 13.12 108

10.2 ∼ 13.8 풍화토(실트질 모래) 18.51 106

13.8 ∼ 풍화암 18.50 15

계 607

<표 9> 극한 주면마찰력 산정 결과

구 분정역학적 지지력공식 Meyerhof 경험식

ASD (Fs=3.0) LRFD( =0.39) ASD (Fs=3.0) LRFD( =0.37)설계반력 (kN) 975 1,087 975 1,087

극한지지력(kN) 4,107 4,107 3,627 3,627

저항력(kN) 1,369 1,602 1,209 1,342

설계 비율(%) 71 68 81 81

판 정 O.K O.K O.K O.K

<표 10> 허용응력설계법과 LRFD의 기초설계 비교

주) 설계비율은 저항력에 대한 저항력의 비율값으로, 81%라 함은 19%만큼의 설계여유를 갖는 것을 의미한다.

064-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지64



PY2 위치의 지반조사 결과<표 11>, 수심이

2~3m로얕고상부로부터 23m 두께의자갈·전

석층(매립층 및 붕적층)과 40m 두께 이상의 풍화

대(풍화토및풍화암)가존재하 다. 붕적층은모래

및자갈섞인호박돌과모래섞인점토질자갈로구

성되어있다. 또한, 풍화토층과풍화암층은섬록반

암의 암편섞인 실트질 조립모래로 구성되어 있다.

이와같은지반조건으로인해 PY2 기초가위치하

는 지역을 매립하여 육상화시공 조건을 형성한 후

풍화암층에 지지되는 대구경 현장타설말뚝기초를

계획하 다.

국내외대구경현장타설말뚝은일반적으로연암

이상을지지층으로설계·시공되고있지만, 기반암

이GL-80m 이상에서출현하는본현장과같은

OO교교각P3의말뚝기초는허용설계응력법에

의하면Meyerhof에의한허용지지력(=1,209kN)

이 정역학적지지력 공식에 의한 허용지지력

(=1,369kN)보다작아Meyerhof에의한지지

력산정법으로설계가지배되었다.

또한, 정역학적 지지력공식에 의한 저항계수

(=0.39)가 Meyerhof 경험식에 의한 저항계수

(=0.37)보다 크므로, 설계여유가 더 많이 발생하

다.

본연구에의한국내항타강관말뚝의저항계수값

(0.37~0.39)을 이용한 LFRD에 의한 기초설계

결과는기존의허용응력설계법에의한결과와거의

비슷하게도출되었다.

5. 현장타설말뚝의설계

5.1 대상교량 및 설계현황

본 연구에서 설계에 적용된 OO교는 전라남도

OO군에위치하는총연장464m, 폭24.2m의왕

복4차로교량으로, 상부구조는5경간콘크리트사

장교이고, 하부구조는 직접기초(P1), 우물통기초

(PY1), 현장타설말뚝기초(PY2, P2)로 구성되어

있다. 본설계예제에서는풍화암에지지된현장타

설말뚝으로설계된PY2기초를대상으로하 으며

교량의종단면도는<그림3>과같다.

<그림 3> ○○교 종단면도

065-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지65



지반조건에서는연암지지현장타설말뚝은경제성

이떨어지는것으로판단되었다. 또한, 최근풍화암

의주면마찰력과선단마찰력이크게발현된다는연

구결과를토대로풍화암지지현장타설말뚝으로설

계하 다.

다음 <그림4>는주탑기초(PY2)의말뚝배치형

태를보여주며말뚝의상세제원은<표 12>에제시

되어있다.

5.2 설계하중 산정

OO교 말뚝기초는 사하중, 풍하중, 온도하중 및

지점침하하중이교축직각방향으로작용할때기초

규모가지배받는것으로설계되었다.

저항계수는사하중과활하중만을고려한하중조

합(Strength-Ⅰ)에대해서산정되었지만, 교량

기초설계시지배적인하중조합에대해서도동일한

저항계수를적용하기로한다.

하중집계의기준위치는Footing 저면의도심으

로하여무리말뚝해석시입력하중으로활용하 다.

<그림 4> OO교 말뚝기초(PY2) 단면ㆍ평면도

구 분 심도 (m) N치 비 고

매립층 0 ∼ 1.6 - -

붕적층 1.6 ∼ 24.6 29/30 ∼ 50/25 Em=40MPa

풍화토 24.6 ∼ 39.1 25/30 ∼ 50/15 -

풍화암 39.1 ∼ 55.0 50/15 ∼ 50/3 Em=150MPa

말뚝직경 말뚝 길이 지지층 소켓길이 말뚝 본수

2,500mm 55m 풍화암 14.9m 3×5 = 15

<표 11> PY2 교각 위치 시추조사 결과

<표 12> 현장타설말뚝 제원

066-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지66



5.4 말뚝의 극한지지력 산정

본연구에서는암반에근입된현장타설말뚝에대

하여국내외에서널리적용하고있는지지력공식들

중 Carter와 Kulhawy 방법(1988), AASHTO

방법(1996), 그리고 FHWA 방법(1999)의 3가지

5.3 무리말뚝 해석

도로교설계기준해설에제시된변위법을이용하

여무리말뚝을수행하 다. <표14>에제시된설계

하중을 15본의무리말뚝도심에교축직각방향으로

작용시켜다음<표15>와같은해석결과를얻었다.

Footing 저면도심에집계된각하중을각설계

방법에따른하중조합으로설계하중을산정한결과

는다음<표14>와같다.

<표 13> Footing 저면의 도심에 작용하는 하중(kN, kN-m)

<표 14> 설계 방법에 따른 설계하중

<표 15> 무리말뚝 해석 결과

주 1) 모멘트 증가는 Footing 저면으로 집계되는 과정에서 수평력에 의한 증가량임.주 2) V : 연직력, H : 수평력, M : 모멘트

구 분Footing 상단하중 Footing

자중모멘트증가

하중집계

V H M V H M

사하중(D) 137,200 0 0 92,250 - 229,450 0 0

풍하중(W) 10,711 5,730 284,748 - 25,785 10,711 5,730 310,533

온도하중(T) 25 0 2 - - 25 0 2

지점침하하중(Q) 136 1 19 - 5 136 1 24

설계 방법 허용응력설계법 LRFD

하중 조합 1.0D+1.0W+1.0T+1.0Q 1.25D+1.4W+0.0T+0.0Q

설계하중

연직력 (V, kN) 240,322 301,808

수평력 (H, kN) 5,731 8,022

모멘트 (M, kN-m) 310,559 434,746

구 분단말뚝에 작용하는 반력 수평변위

(㎜)연직력(kN) 수평력(kN) 모멘트(kN-m)

허용응력설계법(ASD) 18,427 382 1,028 1.6

하중저항계수설계법(LRFD) 23,489 535 1,439 2.3

067-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지67


공식을이용하여극한지지력을산정하 다. 암반소

켓말뚝은토사근입부의지지력이암반근입부에비

하여매우작으므로토사층의주면마찰력은고려하

지않았다.

암반근입말뚝의지지력을산정하기위해서는암

반물성값들(일축압축강도, RQD 등)이 필요하다.

그러나본설계예제의지반조사결과에서는암반물

성값이 주어지지 않아 국내 연구에서 수집된 자료

의평균값으로서말뚝주면에대하여풍화암일축압

축강도 35.2MPa, RQD 40%, 그리고 암선단에

대하여 풍화암 일축압축강도 36.7MPa, RQD

37%를 적용하 다. 그리고 콘크리트의 일축압축

강도값은28MPa을적용하 다.

5.4.1 Carter & Kulhawy(1988)

①주면마찰력

Carter & Kulhawy(1988)는단위극한 주면

마찰력(fmax)을 다음의 식 (6)과 같이 제안하 다.

이 식은 무결함 암에 대한 식으로, 절리가 심하게

발달되었거나풍화된암반에대하여사용될경우에

는 저감계수를 적용하여 지지력을 보정한다(본 연

구에서는저감계수0.45를적용함).

(6)

여기서, pa : 대기압

qu : 암의일축압축강도

fc : 콘크리트설계강도

Qs=fmaxAs=(0.05×28)×π×2.35×14.9×

0.45=69.30MN

②선단지지력

절리가 발달된 암에 대한 단위 극한선단지지력

(qp)은다음식(7)과같다. 본연구의기반암은섬

록반암으로암분류에서E에해당되며, 암반의풍

화상태는 대부분의 풍화암이 불량한 암질이므로

불량에해당된다.

qp=[s0.5+(ms0.5+s)0.5]qu (7)

여기서, s : 암반의 풍화정도에 따른 계수

(=10E-5)

m : 암종과풍화정도에따른계수(=0.13)

Qp=qpAp=[(10-5)0.5+[(0.13×10-5)0.5+10-5]0.5

×36.7× (2.35)2=3.77MN


Qu=Qp+Qs=3.77+69.3=73.07(MN)

5.4.2 AASHTO(1996)

AASHTO(1996)에 제시된 현장타설말뚝의 극

한지지력(Qp)은다음식(8)과같다.

Qp=Qs+Qp=πBrDr(0.144qsR)+ B2r (NmsCo)

(8)

여기서, Br : 암근입부의직경(m)

Dr : 암근입부의깊이(m)

qsR : 소켓과암반접촉면에서의극한주

면마찰응력(=517kPa)

Nms : 지지력계수(불량한암질일경우

0.024적용)

Co : 말뚝선단부암석코아의일축압축

강도(=36.7MPa)

π4

π4


fmax={1.42pa( )0.5qu

pa

0.05×fc

for fc≥qu

for fc qu

068-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지68


암반의단위선단지지력이토사지반의단위선단

지지력(=4.3MPa)보다 작아서 이 값을 사용하여

말뚝의극한지지력을산정하 다.

Qp=π×2.35×14.9×(0.144×0.517)+ ×

2.352×4.3=8.19+18.65=26.84MN

5.4.3 FHWA(1999)

①주면마찰력

다음식(9)는무결함암에제시된주면마찰력산

정식으로, 절리가 심하게 발달되었거나 풍화된 암

반에 대하여 적용할 경우 Carter & Kulhawy

(1988)와동일하게지지력감소계수를적용한다.

(9)

여기서, pa : 대기압

qu : 암의일축압축강도

fc : 콘크리트설계강도

Qs=fmaxAs=0.65×1.101×( )0.5×π×

2.35×14.9×0.45=56.01MN

②선단지지력

퇴적에의해절리가발생되었거나절리의대부분

이수평인경우에다음식(10)을적용하여극한선

단지지력을 산정한다. 그러나 본 현장에서는 암반

절리면에대한상세한조사가이루어지지않아가장

불량한상태로가정하여지지력계수를적용하 다.

qp=3Kspdqu (10)

여기서, qu : 암석시편의 평균 일축압축강도

(MPa)

Ksp : 암반의절리상태에따른무차원지지력계수

(=0.1)

d : 무차원깊이계수(=1+0.4(Ls/Ds) 3.4)

Ls : 암반에근입된말뚝의근입깊이(mm)

Ds : 암반근입부의말뚝지름(mm)

Qp=Apqp= ×2.352×(3×0.1×3.4×

36.7)=162.36MN


Qu=Qp+Qs=162.36+56.01=218.37(MN)

5.5 허용응력설계법과 LRFD의 비교

허용응력설계법은 극한지지력(Qu)을 안전율

(Fs)로 나눠 저항력인 허용지지력을 산정하 고,

LRFD는극한지지력에저항계수( )를곱하여저

항력인 공칭저항을 산정하 다. 위와 같은 설계방

법에 따른 설계반력과 저항력을 비교한 결과는 다

음<표16>과같다.

Carter & Kulhawy 방법의경우LFRD가허

용응력설계법보다설계비율이더작은것으로나타

났다. 즉, LRFD 방법이작용력에비하여저항력을

크게산정하여설계여유율이증가하므로경제성있

는설계결과를도출하는것을알수있다.

FHWA 방법은 선단지지력을 과대평가하여 설

계비율이허용응력설계법의경우25%, LRFD 설계

법의 경우에는 67%로 산정되었다. 극한지지력이

크게 평가되는 FHWA 방법에 대해 LRFD는 저항

계수로서저항력을보정하여적절한설계가되도록

하 다.

π4

280.101

π4


fmax={0.65pa( )0.5qu

pa

0.65pa( )0.5fc

pa

for fc≥qu

for fc qu

069-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:15 PM 페이지69



허용응력설계법을 적용할 경우 Carter &

Kulhawy에의한허용지지력과FHWA의허용지

지력 차이는 약 3배 정도 차이 나는데 비하여,

LRFD를적용할경우이차이가 1.12배로감소하

다. 즉, LRFD방법이설계식에따른불확실성을

고려함으로써최적의기초구조물설계가가능해짐

을알수있다.

다만, AASHTO 방법의경우지지력이매우과

소평가되었다. 이 결과는 <표 16>에서 알 수 있듯

이, AASHTO방법의주면마찰력이다른두방법에

비하여약10배정도과소평가되기때문이다. 또한,

본 예제말뚝은 풍화암 근입깊이가 14.9m로 매우

크기때문에선단지지력에비하여주면마찰력이과

소평가되는 향이 더욱 크게 나타났기 때문이다.

향후이러한결과를향상시키기위해서는선단마찰

력과주면마찰력에대한저항계수를각각분리하여

산정하는연구가필요할것으로판단된다.

<표 16> 허용응력설계법과 LRFD의 기초설계 비교

<표 17> 동일한 설계비율에서의 극한지지력

주) 설계비율은 저항력에 대한 저항력의 비율값으로, 77%라 함은 23%만큼의 설계여유를 갖는 것을 의미한다.

구 분Carter&Kulhawy AASHTO FHWA

ASD LRFD ASD LRFD ASD LRFD

작용력 설계반력(MN) 18.43 23.49 18.43 23.49 18.43 23.49

저항력

극한지지력(MN) 73.07 73.07 26.84 26.84 218.37 218.37

Fs 또는 Fs=3.0 =0.54 Fs=3.0 =0.39 Fs=3.0 =0.16

저항력(kN) 24.36 39.46 8.95 10.47 72.79 34.94

설계 비율(%) 77 60 206 224 25 67

판 정 O.K O.K N.G N.G O.K O.K

구 분Carter & Kulhawy

ASD

암반 소켓길이(m) 14.9 14.9 11.3

작용력 최대 연직반력(kN) 18.43 23.49 23.49

저항력

극한지지력(kN) 73.07 73.07 56.50

안전율 또는 저항계수 Fs=3.0 =0.54 =0.54

저항력(kN) 24.36 39.46 30.51

설계비율(=작용력/저항력) 77 60 77

판 정 O.K O.K O.K

LRFD

070-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지70


Carter & Kulhawy 방법으로 말뚝을 설계할

경우 두 방법 모두 동일한 설계여유를 가질 경우

LRFD 설계법에서의 경제성을 확인하 다. <표

17>에서보는바와같이, LRFD 설계법에서설계

비율을허용응력설계법의77%와동일하게만들려

면저항력( Ru)이39.46MN에서56.50MN으로

작아져야 한다. 이는 말뚝의 암반 소켓길이가

14.9m에서 11.3m로 감소되어 경제적인 설계가

가능해지는것을의미한다.

6. 결론

『LRFD 기초구조물 설계를 위한 저항계수 결정

연구』에따른저항계수를이용하여허용응력설계법

으로실제설계된항타강관말뚝과현장타설말뚝에

대해LRFD를재설계하여그적용성에대해살펴

본다음과같은결론을얻을수있었다.

(1) 강관말뚝은정역학적지지력공식과 Meyerhof

경험식에 의한 지지력 산정으로 말뚝설계를 비

교하 다. 정역학적 지지력공식에 의한 저항계

수(=0.39)가Meyerhof 경험식에의한저항계

수(=0.37)보다 크므로, 설계여유가 더 많이 발

생하 다.

(2) 본 연구에 의한 국내 항타강관말뚝의 저항계수

값(0.37~0.39)을 이용한 LFRD에 의한 기초

설계 결과는 기존의 허용응력설계법에 의한 결

과와거의비슷하게도출되었다.

(3) 현장타설말뚝은 Carter & Kulhawy 방법,

AASHTO방법 및 FHWA 방법으로 지지력을

산정하여말뚝설계를비교하 다. FHWA방법

의경우허용응력설계법은저항력을매우과대

평가하는데 비하여 LRFD는 Carter &

Kulhawy방법과유사한저항력을도출하 다.

즉, 허용응력설계법을 적용할 경우 Carter &

Kulhawy 방법과 FHWA의 허용지지력(저항

력) 차이는약3배정도인데비하여, LRFD의경

우이차이가1.18배로감소하 다. 이러한결과

는LRFD방법이FHWA 방법에서일반적으로

지지력을매우과대평가하는 향을저항계수로

서보정하여안전한설계를가능하게하 기때

문이다. 즉, LRFD 방법이설계식에따른불확

실성을고려함으로써최적의기초구조물설계가

가능해짐을알수있다.

(4) Carter & Kulhawy 방법의 경우 LFRD가

허용응력설계법보다 설계비율이 더 작은 것으

로나타났다. 즉, LRFD 방법이작용력에비하

여 저항력을 크게 산정하여 설계여유율이 증가

하므로 경제성 있는 설계결과를 도출하는 것을

알수있다. 즉, 두설계법에의한동일설계여유

율로 비교할 경우 허용응력설계법에 의한 말뚝

의 암반 소켓길이가 14.9m를 LRFD에서는

11.3m로감소시킬수있는것으로분석되었다.

(5) AASHTO방법의경우지지력이매우과소평가

되었다. 이 결과는 AASHTO방법의 주면마찰

력이다른두방법에비하여약10배정도과소

평가되기때문이다. 또한, 본예제말뚝은풍화암

근입깊이가14.9m로매우크기때문에선단지

지력에비하여주면마찰력이과소평가되는 향


071-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지71



이 더욱 크게 나타났기 때문이다. 향후 이러한

결과를향상시키기위해서는선단마찰력과주면

마찰력에 대한 저항계수를 각각 분리하여 산정

하는연구가필요할것으로판단된다.

감사의

본 논문은 본사가 참여한『건설교통부 2005 건

설기술기반구축 연구과제 : LRFD 기초구조물 설

계를위한저항계수결정연구』에대한연구성과를

바탕으로작성되었으며, 이에감사드립니다.

참고문헌

1. LRFD 기초구조물 설계를 위한 저항계수 결

정연구, 한국건설기술연구원, 2008

2. 국내 연구성과를 이용한 항타강관말뚝의

LRFD설계, 지반구조물의 신뢰성 기반

/LFRD 설계워크샵, 2008

3. 국내 연구성과를 이용한 현장타설말뚝의

LRFD설계, 지반구조물의 신뢰성 기반

/LFRD 설계워크샵, 2008

4. 구조물 기초설계기준 해설, 한국지반공학회,

2003

072-05-21국내연구성과.ps 2008.12.27 2:16 PM 페이지72

´r Ë³¿ ÀÝ a àw æ û3I à H£D Þºw æ û¸ è -3'% · · 2014-06-25In this paper, as a...

Documents

Transcript of ´r Ë³¿ ÀÝ a àw æ û3I à H£D Þºw æ û¸ è -3'% · · 2014-06-25In this paper, as a...