• 1978년 한반도 지진 관측 이래 사상 최대 규모인 5.8의 경주지진에 따른 여진이 640회나 이어지고 있는 가운데, 포항에서 규모 5.4의 역대급 지진이 발생하여 지진에 잘 견딜 수 있는 설계 방법이 주목받고 있다. 내진설계의 종류에는 내진구조, 면진구조, 제진구조으로 구분될 수 있는데, 지진에 잘 견딜 수 있는 구조물을 어떻게 설계 하느냐가 공학인으로서 추구해야 할 관심사이며, 지진에 대한 내구성 및 경제성이 뛰어난 내진 설계 공법이 절실히 요구되고 있습니다.

  더욱이 내진설계 중 댐퍼와 같은 면진 장치를 건물의 하부에 설치하여 지면의 흔들림이 건물 구조에 전달되는 것을 막아 지진 피해를 최소화 할 수 있는 면진구조가 내진설계 중에서 가장 안정적 구조이지만, 총 공사비의 약 20% 이상이 소요되어 실상 한국에서는 면진구조가 거의 사용되고 있지 않은 실정입니다.

• 따라서 이러한 기초공법의 일환으로 1974년 일본에서 개발되어 1990년부터 우리나라 현장에도 사용된 팽이말뚝 기초공법이 있으며, 이 공법은 경제적이고 안정적이며 시공이 간단하여 현재까지도 구조물 기초공법으로 많이 사용되고 있습니다.

   

  하지만, 일반적인 팽이말뚝기초 공법으로는 지진 시 발생하는 지반 진동으로 인한 구조물 피해를 충분히 감당하기 어렵다.

• 내진형 팽이말뚝은 지반 진동이 상부 구조물에 전달되지 않도록 하여야 하고, 진동에너지를 기초(팽이말뚝)에서 흡수하여야 한다. 지반 진동에너지를 흡수하기 위해서는 기초(팽이말뚝)의 변형(소성변형)이 되어야 하고, 이런 변형을 고려하기 위하여 상호 연결을 하는 연결점을 힌지로 하는 방안을 고려하고 있다. 이때 팽이말뚝 상호를 어떤 방향으로 연결해야 하는 지, 어떤 형태의 힌지를 적용해야 하는지, 얼마의 규격으로 적용해야 하는지가 어려운 문제인 동시에 본 연구개발에서 가장 중요한 요소라 생각합니다.

• 그리고 기존의 일반적인 팽이말뚝기초는 경제성과 시공성이 탁월하여 많이 사용되고 있지만, 구조물 기초 부분에서 내진설계에 적용하기에는 어려움이 있다. 내진형 팽이말뚝기초는 기존 팽이말뚝기초와 가격 차이도 크지 않고, 내진 효과가 있기 때문에 내진설계에 적극 활용될 것으로 판단된다.

• 이에 본 연구는 일반적인 팽이말뚝기초의 장점(경제성, 안정성, 시공성)을 살리면서 구조물과 팽이말뚝 사이에 댐퍼 효과와 같은 쇄석층을 두어 진동 전달을 차단하고, 팽이말뚝 상호를 힌지로 연결하여 지반 변형에 따라 유기적으로 변형을 갖게 함으로써 진동 충격을 흡수하여 지진 시 피해를 줄일 수 있는 약 70% 이상의 면진 효과를 얻을 수 있는 내진형 팽이말뚝에 대한 적용 검토를 검증하고자 합니다.

   

   

2. 수행기간

• 내진설계 자료 조사
• 기존 팽이기초 설계 비교 검토
• 내진형 팽이기초 해석 설계
• 내진설계 마이다시 GTS 설계
• 내진형 팽이기초 결과 비교
• 최종보고서

3. 개발작품 설명

• 본 연구는 기본 팽이말뚝기초와 상부구조물 사이에 쇄석을 깔아 면진원리를 적용시켜 하중의 분담효과가 있는지에 대해 검토하고 쇄석을 깐 기초분리형 팽이말뚝의 말뚝 간에 연결장치를 삽입하여 하중재하시 팽이말뚝의 유동변화와 침하량을 수치해석 프로그램으로 산정하고, 기본 팽이말뚝기초와 그 수치를 비교하였습니다.

  먼저, 수치를 비교할 기본적인 자료를 수집하며 일반 팽이말뚝기초에 대하여 특성 및 원리를 조사하여 기초분리형 팽이말뚝의 원리와 구분해서 알고 있어야 한다. 이는 면진원리를 적용하고 있기 때문에 이론상으로는 상부구조물과 기초사이의 하중 분담효과를 보일 수 있으나 프로그램에 실제적인 물성치를 입력하였을 경우 시뮬레이션으로 그 결과를 분석하기 위해서입니다.

  기초분리형 팽이말뚝은 연결재를 삽입하여 힌지방식을 적용하기 때문에 말뚝의 유동변화가 자유로워지는지에 대해서도 중요하다. 어느 정도의 하중을 재하 시 그에 대한 침하량이 감소하는지에 대한 결과를 분석하고 수평하중의 재하시 구조물의 이동변위가 어떻게 변화되는지에 대한 결과를 알아보기 위하여 재하하중에 변화를 주어 다음과 같이 연구를 진행하였습니다.

   

  1) 기초적인 자료조사

  - 팽이말뚝의 특성, 원리 조사

  - 얕은 기초에 대한 지지력 및 침하량 이론 자료 조사

  - 팽이말뚝의 지지력 및 침하량 이론 자료 조사

  - 적용할 기초 지반의 물성치 조사

  3) 기초분리형 팽이말뚝 및 팽이말뚝의 연결장치 특성 연구

  - 기초와 분리할 채움쇄석의 물성치 선정

  - 연결장치의 연결 모양 및 재료 선정

  - 기초분리형 팽이말뚝의 모델링

  - 팽이말뚝 연결장치의 연결 방법에 따라 팽이말뚝의 도면 작성

  - 연결장치 삽입한 팽이말뚝 모델링

   

  4) 수치해석 실행

  - 기본 팽이말뚝의 물성치를 기초분리형 팽이말뚝과 연결장치에 적용

  - GTS NX 프로그램으로 기본 팽이말뚝의 침하량 및 이동변위 해석

  - 프로그램으로 기초분리형 팽이말뚝의 침하량 및 이동변위 해석

  - 프로그램으로 기초분리형 팽이말뚝에 연결장치 삽입할 경우 하중재하시

  침하량 및 말뚝의 이동 변위 해석

   

  5) 결과 데이터 분석

  - 해석 결과 데이터 분석

  - 기초 분리형 팽이말뚝과 연결 장치(연결재)에 관한 활용 가능성 검토

4. 활용방안        

• 지진하중에서 가장 효율적인 공법은 면진설계이지만, 총 공사비의 약 20%의 비용 부담과 지진이 많이 발생하지 않는 우리나라에서는 시공건설에 적용하지 않고 있으며, 앞으로도 비용부담 측면에서 면진설계를 이용한 시공은 없을 거라 생각됩니다.

• 현재 국내에서 적용하고 있는 내진구조도 지진의 한계점에 도달하면 구조물 파괴로 인한 재사용이 불가능하여 지진 발생 시 문제점을 발생시킬 수 있으며, 경제적으로나 효율적인 설계공법이 절실히 필요한 실정입니다.

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  본 연구에서 제시된 내진형 팽이말뚝기초는 면진설계 대비 약 1~3%의 비용부담으로 면진 대비 효과 약 60%~70%까지 근접하는 효과를 얻을 수 있습니다.

   

  그리고 팽이말뚝과 다양한 연결 형식을 통해 내진효과를 극대화 할 수 있으며, 본 연구개발을 통해 얻어지는 결과를 토대로 실증적 검토를 통해 신기술 지정을 받을 수 있으며, 건설 신기술 품셈에 등록이 이루어지면 이에 대한 활용 가치는 보다 더 확대될 것이라 생각되어 집니다.

   

  - 건축 기초 적용 : 중소규모의 건축 구조물 기초에 적용하는 공법 중에 일반적인 팽이말뚝을 적용하는 시설에 대해 작은 비용 증가로 내진형 팽이말뚝을 적용하여 건축설계에 적극 홍보하고 활용한다면 현 팽이말뚝시장의 50%는 확보할 수 있으리라 봅니다.

   

  - 토목 기초 적용 : 중소규모 토목 구조물 기초에 내진 성능을 가진 내진형 팽이말뚝의 사용은 그 적용이 충분히 설득력을 가질 것으로 판단됩니다. 특히 공공 시설물에 대한 내진 설계의 필요성을 강조한다면 충분한 적용성을 갖고 있을 것이라 생각됩니다.