1. 서 론

기성말뚝은 재질에 따라 PHC말뚝과 강관말뚝으로 구분된다. PHC말뚝은 휨강도에 비해 압축강도가 커서 연직하중이 설계를 좌우하는 건축구조물에 주로 사용되고, 강관말뚝은 압축강도에 비해 휨강도가 우수하기 때문에 수평하중이나 휨하중이 설계를 지배하는 교대나 옹벽과 같은 토목구조물에 많이 사용된다. 그러나 강관말뚝은 동일 직경의 PHC말뚝보다 단위 길이당 가격이 4배 이상 비싸기 때문에 현장에서는 원가절감을 위해 강관말뚝을 강도 특성이 우수하고 가격은 저렴한 다른 종류의 말뚝으로 대체하려는 움직임이 계속되고 있다.

일반적으로 수평하중이 작용하는 구조물의 기초에 시공되는 말뚝의 경우 Fig. 1과 같이 지표면으로부터 일정 깊이까지만 큰 크기의 수평하중이 전달된다. 이러한 수평하중에 대한 하중전이특성을 고려해서 수평하중이 전달되는 말뚝 상부에는 휨강도가 큰 강관말뚝을 사용하고 수평하중이 전달되지 않은 말뚝 하부에는 휨강도는 작지만 압축강도가 크고 가격이 저렴한 PHC말뚝을 사용하는 강관 복합말뚝(hybrid composite pile)이 개발되었다(Piletech et al., 2008). 강관 복합말뚝은 기존 강관말뚝에 비해 하부 말뚝을 PHC말뚝으로 대체해서 재료비를 절감함으로써 말뚝기초 공사비를 절감하는데 크게 기여하였다. 그러나 강관 복합말뚝은 여전히 가격이 비싼 강관을 상부말뚝으로 사용하고 있을 뿐만 아니라 상부 강관말뚝과 구조물의 기초콘크리트를 연결하기 위해서 Fig. 2와 같은 고가의 두부보강장치를 사용해야 하므로 공사비 절감을 극대화하지 못했다는 한계를 갖고 있다. 또한 구조물 하중이 상부 강관말뚝에서 하부 PHC말뚝에 전달될 때 응력집중으로 인해 하부 PHC말뚝의 두부 가장자리가 파손되는 것을 방지하기 위해 상부와 하부말뚝 사이에 Fig. 3과 같은 고가의 말뚝 연결장치를 사용해야 하고, 상부와 하부말뚝을 연결할 때 상･하부 말뚝의 중심축을 일치시키고 직진도를 확보하기 현장에 설치한 롤러 구조물에 상･하부 말뚝을 수평으로 올려놓은 상태에서 두 말뚝을 연결하므로 현장에 넓은 작업공간이 필요하다는 단점도 갖고 있다.

Fig. 1.

Bending moment distribution in hybrid composite piles subjected to lateral loads

Fig. 2.

Reinforcement of the head of hybrid composite piles

Fig. 3.

Joining work of upper steel pipe to lower PHC piles

한편 강관 복합말뚝이 갖고 있는 여러 문제들을 해결하기 위하여 Hyun et al.(2012)과 Bang et al.(2013)은 Fig. 4와 같이 지반에 설치된 PHC말뚝의 중공부에 수평하중이 전달되는 깊이까지 종방향의 철근망을 삽입하고 콘크리트를 타설해서 PHC말뚝 상부의 휨강도를 향상시킨 ICP(infilled composite PHC)말뚝을 개발하였고, 직경이 450mm인 ICP말뚝은 동일 직경의 PHC말뚝보다 41∼48% 향상된 휨강도와 206∼254% 향상된 전단강도를 발현한다고 보고하였다. 일반적으로 ICP말뚝은 말뚝 중공부에 설치되는 철근망을 이용해서 말뚝 두부와 구조물 기초를 연결하기 때문에 두부보강 공사가 간단하고 강관 복합말뚝보다 기초 공사비 절감효과가 우수한 것으로 알려져 있다. 그러나 강관 복합말뚝보다 상부말뚝의 휨강도가 떨어져서 동일한 수평하중이 작용할 때 말뚝 시공수량이 증가하고, PHC말뚝 중공부에 철근망을 설치하고 콘크리트를 타설하는 작업이 현장에서 이루어지므로 시공조건과 작업자의 숙련도에 따라 말뚝의 품질이 크게 달라질 수 있다는 단점을 갖고 있다.

Fig. 4.

Structural detail of ICP piles

이상에 언급한 바와 같이 강관 복합말뚝과 ICP말뚝은 강관말뚝을 사용할 때보다 말뚝기초 공사비를 절감하는데 일정부분 기여했으나, 기초 공사비 절감효과나 말뚝의 휨강도 증대효과를 극대화하지 못하고 시공성은 오히려 저하된 측면이 있다. 본 연구에서는 얇은 두께의 강관 내부에 프리스트레스를 도입한 중공형 PHC말뚝을 원심성형 방식으로 합성함으로써 강관에 의한 콘크리트의 구속효과(confining effect)를 통해 기존 강관 복합말뚝이나 ICP말뚝보다 휨강도와 전단강도가 대폭 향상되고 재료비는 더 저렴해진 프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT, hollow prestressed concrete filled steel tube)말뚝을 개발하였다. 그리고 HCFT말뚝의 강도 특성을 규명하기 위해 PHC말뚝과 강관말뚝을 포함해서 다양한 조건으로 제작된 HCFT말뚝에 대해 휨강도 및 전단강도 시험을 수행하고, 시험결과를 비교･분석함으로써 HCFT말뚝의 휨강도 및 전단강도 특성을 규명함은 물론 콘크리트에 대한 강관의 구속효과에 의한 HCFT말뚝의 휨강도 및 전단강도 증대효과에 대해서도 조사하였다.

2. HCFT말뚝의 구조 및 활용방안

2.1 HCFT말뚝의 구조

프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝은 Fig. 5와 같이 두께가 5∼6mm인 얇은 강관 내부에 프리스트레스를 도입한 PC강봉을 설치하고 콘크리트를 타설한 후 원심성형을 통해 강관 내에 프리스트레스를 도입한 중공형의 PHC말뚝을 합성한 것이다. 그 결과 두께가 12mm인 강관말뚝에 비해 강재 사용량을 50% 이하로 줄여서 가격이 저렴하고, 강관의 단면적 감소에 따른 강도 저하를 강관 내부에 충전된 콘크리트로 보강하면서 동시에 강관 내부에 합성된 콘크리트에 대한 강관의 구속효과로 인해 강관말뚝보다 압축 및 휨강도가 대폭 향상되는 특징을 갖고 있다.

그리고 HCFT말뚝은 강관 내부에 PHC말뚝이 결합된 합성부와 강관 없이 PHC말뚝으로만 구성되고 0.5∼1.0m의 길이를 갖는 절단부로 구성된다. 합성부는 하부 PHC말뚝의 두부에 연결되어 수평하중이나 휨하중을 지지하는 역할을 하고, 절단부는 지표면 상부에 노출되어 말뚝의 항타 및 경타에 사용되고 말뚝 시공이 완료되면 구조물 기초와 말뚝의 연결을 위해 절단 및 제거되는 부분이다. 특히 절단부에는 PHC말뚝 외부에 강관을 피복하지 않음으로써 재료비를 절감하고 동시에 구조물 기초와의 연결을 위한 두부정리 시 말뚝 두부의 절단작업이 용이하도록 하였다. 일반적으로 수평하중을 받는 말뚝의 경우 큰 크기의 수평하중이 말뚝에 전달되는 깊이가 대부분 지표면으로부터 말뚝 직경의 10배 깊이 이내이고 이때 사용되는 말뚝의 직경이 대부분 500∼600mm인 것을 고려할 때 HCFT말뚝의 최대 길이는 6∼7m면 충분할 것으로 판단되어 본 연구에서는 HCFT말뚝의 길이를 7m(합성부 6m, 절단부 1m)로 하였다.

Fig. 5.

Structural detail and picture of HCFT piles

2.2 HCFT말뚝의 활용

HCFT말뚝은 PHC말뚝을 감싸는 얇은 두께의 강관이 PHC말뚝을 구성하는 콘크리트의 변형을 억제해서 콘크리트의 강도를 향상시키고 동시에 강도가 커진 콘크리트는 강관의 형상변형과 국부좌굴을 억제함으로써 기존 PHC말뚝과 ICP말뚝은 물론 강관말뚝에 비해서도 휨내력과 전단내력이 큰 특징을 갖고 있다. 그러나 HCFT말뚝을 제조하기 위해 강관 내부에 트레미관을 사용해서 콘크리트를 충전하는 작업이 쉽지 않아 말뚝을 긴 길이로 제작하는 것이 쉽지 않다는 단점이 있다. 따라서 말뚝의 생산성과 경제성 등을 고려할 때 HCFT말뚝은 Fig. 6과 같이 수평하중을 받는 말뚝에서 수평하중이 전달되는 상부에만 사용하고 수평하중이 크게 전달되지 않는 하부에는 가격이 저렴한 PHC말뚝을 사용하는 복합말뚝의 형태로 현장에 적용하는 것이 바람직하다.

Fig. 6.

Hybrid composite piles using HCFT piles

Fig. 6과 같이 상부 HCFT말뚝과 하부 PHC말뚝을 연결한 HCFT 복합말뚝을 현장에 시공하기 위해서는 먼저 상부 HCFT말뚝을 구성하는 합성부 하단을 하부 PHC말뚝의 상단에 용접 또는 볼트체결 방식으로 연결해서 복합말뚝을 제작하고, 이렇게 제작된 HCFT 복합말뚝은 굴착공 천공 후 복합말뚝을 삽입하고 경타를 가하거나 처음부터 복합말뚝을 타입하는 매입공법이나 항타공법으로 말뚝을 설치하게 된다. 그리고 HCFT 복합말뚝의 설치가 완료되면 HCFT말뚝의 절단부를 제거하고 두부보강재를 사용해서 구조물의 기초와 복합말뚝의 두부를 연결하는 두부보강 작업을 진행함으로써 HCFT 복합말뚝의 시공을 완료하게 된다.

3. CFT구조체의 휨거동 특성에 대한 선행연구

콘크리트 충전 강관(CFT, concrete filled steel tube)은 강관 내부에 콘크리트를 충전한 것으로, 강관이 내부에 충전된 콘크리트의 변형을 구속해서 콘크리트의 압축강도가 커지고 강도가 커진 콘크리트는 다시 강관의 형상변화나 압축영역에서 발생하는 국부좌굴을 지연 또는 억제함으로써 강관이나 콘크리트 단일구조에 비해 휨, 전단 및 압축에 대한 저항성능이 우수하고 연성(ductility)이 뛰어난 것으로 알려져 있다(Kang et al., 2011; Chin et al., 2009). CFT부재는 일반적으로 압축을 받는 기둥부재로 사용되어 왔으나 최근에는 구조적 특성과 시공성이 우수해서 순수휨을 받는 교량 거더나 초고층구조의 장경간 보로 적용 범위가 넓어지고 있다(Nakamura et al., 2009). 

기존 연구결과에 따르면 Chin et al.(2009)은 원형 CFT거더에 대해 휨시험을 수행하였고, 시험을 통해 강관에 충전되는 콘크리트의 강도가 커지고 CFT거더에 프리스트레스를 도입할수록 그리고 강관 내벽에 강관과 콘크리트 사이에 미끄러짐을 방지하는 전단연결재를 설치할수록 CFT거더의 휨내력이 증가한다는 시험결과를 보고하였다. Elchalakani et al.(2004)은 직경 100mm의 원형 CFT보에 대한 휨시험을 통해 CFT보는 속이 빈 강관보에 비해 3∼37%의 휨내력 향상이 있었으며, 강재와 충전 콘크리트 사이의 미끄러짐은 CFT보의 휨내력에 영향을 주지 않을 정도로 매우 작다고 보고하였다. 또한 Lee et al.(2009)은 비선형 유한요소해석을 통해 강관에 충전되는 콘크리트의 강도보다 강관의 두께 대비 직경 비(D/t)가 CFT부재의 휨내력에 더 큰 영향을 미치며, D/t가 작을수록 CFT부재의 휨내력은 증가한다고 보고하였다.

이상과 같이 현재까지 사용되고 있는 거의 모든 CFT부재는 강관 내부 전면적에 콘크리트가 충전된 중실형이며, 관련 연구도 중실형으로 콘크리트가 충전된 CFT부재에 대한 것이 대부분이다. 그러나 본 연구에서 개발한 HCFT말뚝은 강관 내부에 콘크리트가 중공형으로 충전되고 더욱이 콘크리트에 프리스트레스를 도입한 구조이다. 따라서 강관 내부를 채우는 콘크리트가 중공형으로 변경됨에 따라 콘크리트에 대한 강관의 구속효과가 달라질 수 있고, 그에 따라 HCFT말뚝의 휨 및 전단거동이 CFT부재의 경우와 달라질 수 있다.

4. HCFT말뚝에 대한 강도시험

4.1 시험방법

말뚝에 대한 휨강도시험과 전단강도시험은 KS F 4306 (2003)에 규정된 방법을 참고해서 수행되었다. 휨강도시험은 Fig. 7(a)와 같이 말뚝 양쪽 단부로부터 안쪽으로 1m 떨어진 지점에 지지점을 설치하고, 말뚝 중앙에서 양쪽으로 0.5m 떨어진 두 지점에 각각 P/2의 압축하중을 작용하는 방법으로 진행되었다. 이처럼 하중을 가하면 말뚝 중앙부 1.0m 구간에는 전단력이 작용하지 않고 오직 휨하중만 작용하게 되며, 이때 말뚝의 자중과 말뚝에 가해지는 2점 하중에 의해 말뚝 중앙부에 발생하는 휨모멘트는 식 (1)과 같이 산정된다.

Fig. 7.

Test methods for measuring flexural and shear strengths

･ (1)

여기서 는 말뚝의 단위 길이당 중량(직경 450mm 말뚝의 경우 PHC말뚝은 2.13kN/m, 두께 12mm 강관말뚝은 1.27kN/m, HCFT말뚝은 2.56kN/m이고, 직경 500mm 말뚝의 경우 PHC말뚝은 2.69kN/m, 두께 12mm 강관말뚝은 1.41kN/m, HCFT말뚝은 3.17kN/m)이고, 은 말뚝의 길이, 는 말뚝 중앙부에 가해진 2점 하중의 합을 나타낸다. 

말뚝에 대한 전단강도시험은 Fig. 7(b)에서 보듯이 길이가 4m인 말뚝의 양쪽 단부로부터 안쪽으로 1m 떨어진 지점에 지지점을 설치하고, 말뚝 중심에서 양쪽으로 0.5m 떨어진 지점에 각각 P/2의 하중을 가하는 방법으로 진행되었다. 이러한 상태로 하중을 가하면 시험말뚝을 지지하는 지지점과 하중이 가해지는 지점 사이에는 아래 식과 같은 전단력이 가해지게 된다.

 (2)

4.2 시험조건

기존 PHC말뚝과 강관말뚝, ICP말뚝 대비 HCFT말뚝의 휨강도 및 전단강도 특성을 규명하기 위하여 Table 1과 같이 직경이 450mm와 500mm이고 길이가 7m(합성부 6m, 절단부 1m)인 HCFT말뚝을 제작하여 PHC말뚝 및 두께가 12mm인 강관말뚝과 함께 휨강도시험을 수행하였다. 이때 두께 12mm 강관말뚝과 HCFT말뚝의 제작에 사용된 두께 6mm의 강관은 모두 SKK400 강재로 하였고, PHC말뚝과 HCFT말뚝 내부에 충전된 콘크리트의 28일 압축강도는 80MPa로 하였다. 그리고 강관 내벽에 전단연결재의 설치 유무와 전단연결재의 형상에 따라 CFT부재의 휨거동이 달라진다는 Chin et al.(2009)의 연구결과를 고려해서 강관 내벽에 설치한 전단연결재가 HCFT말뚝의 강도특성에 미치는 영향을 조사하기 위해 전단연결재를 설치한 것과 설치하지 않은 HCFT말뚝을 제작하여 강도시험을 수행하였다. HCFT말뚝의 합성부에 설치한 전달연결재는 Fig. 8과 같이 HCFT말뚝의 합성부를 구성하는 두께 6mm 강관의 절단부측 단부로부터 안쪽으로 150mm 들어간 지점의 강관 내벽에 90° 간격으로 총 4개를 설치하였고, 전단연결재로 사용된 길이 150mm 직경 19mm인 이형철근은 말뚝 길이방향에서 30° 회전시켜 강관 내벽에 용접하였다.

Fig. 8.

Shape and installation method of shear keys

Table 1. Summary of test program

또한 콘크리트에 대한 강관의 구속효과가 HCFT말뚝의 휨강도와 전단강도에 미치는 영향을 조사하기 위하여 HCFT말뚝과 함께 HCFT말뚝을 구성하는 두께 6mm의 강관과 PHC말뚝에 대해서도 휨강도 및 전단강도시험을 수행하였다. 강도시험에서 측정된 두께 6mm의 강관과 PHC말뚝에 대한 강도 특성치를 단순 합산한 값과 HCFT말뚝에 대해 측정된 강도 특성치를 비교함으로써 강관의 구속효과에 따른 HCFT말뚝의 강도특성 변화를 규명하였다. 참고로 Table 1에서 1열에 있는 시험명에서 첫 번째 항은 말뚝 종류(특히 ST는 강관말뚝을 의미)를 나타내고, D로 시작되는 두 번째 항은 말뚝의 직경을 그리고 마지막 세 번째 항은 말뚝의 특성(S는 전단연결재 설치, NS는 전단연결재 미설치, 6T와 12T는 강관의 두께)을 나타낸다.

한편 각 시험말뚝의 휨강도나 전단강도의 극한치는 휨강도시험이나 전단강도시험에서 측정된 휨하중-처짐 곡선이나 전단하중-처짐 곡선에서 휨하중이나 전단하중이 추가로 가해지지 않아도 처짐이 계속 발생하는 상태에서 말뚝에 가해진 하중으로 결정하였다. 그리고 말뚝의 종류별 강도 특성치 비교는 강도시험에서 얻어진 극한휨강도나 극한전단강도를 비교하는 것으로 진행하였다.

5. 강도시험 결과

5.1 휨강도시험 결과

Fig. 9는 직경이 450mm와 500mm인 말뚝의 휨강도시험에서 측정된 휨하중-중앙부 처짐량 곡선을 나타낸 것으로, 강관 내벽에 전단연결재가 설치된 HCFT말뚝과 압축강도가 80MPa인 콘크리트로 제작된 PHC말뚝, 그리고 두께가 12mm이고 SKK400 강재로 제작된 강관말뚝에 대한 시험결과를 함께 보인 것이다. 그리고 Table 2는 휨강도시험에서 측정된 휨하중-중앙부 처짐량 곡선으로부터 결정된 말뚝 종류별 극한휨강도를 정리한 것으로, 여기서 ICP말뚝의 극한휨강도는 Bang et al.(2013)이 직경이 450mm인 PHC말뚝 중공부에 길이방향으로 직경 16mm의 이형철근 4개를 보강하고 강도가 40MPa인 속채움 콘크리트를 충전한 ICP말뚝에 대해 휨강도시험을 수행해서 측정한 값이다.

Fig. 9.

Flexural test results of various pile types with the same diameter

Table 2. Results of flexural and shear tests

(1) Test result reported by Bang et al. (2013)

그림과 표에서 보듯이 직경 450mm 말뚝의 경우 HCFT말뚝은 PHC말뚝 대비 3.98배 그리고 ICP말뚝 대비 2.88배의 극한휨강도를 발휘하였고, 직경 500mm 말뚝의 경우에는 PHC말뚝 대비 5.40배 그리고 두께 12mm 강관말뚝 대비 1.19배의 극한휨강도를 발휘하였다. 그리고 PHC말뚝 대비 HCFT말뚝의 극한휨강도 증분은 말뚝 직경이 450mm에서 500m로 커짐에 따라 35.7% 증가하였다. 일반적으로 HCFT말뚝에 휨하중이 가해지면 중립축 위쪽에서 압축을 받는 강관과 콘크리트는 구속효과 등으로 인해 변형이 억제되고 강도가 증가하여 충분히 큰 압축하중을 지지하는 반면, 인장을 받는 중립축 아래쪽에서는 콘크리트가 인장하중에 거의 저항하지 못하고 강관이 주로 인장하중을 지지하게 된다. 그리고 중립축은 압축부에서 저항하는 모멘트와 인장부에서 저항하는 모멘트가 평형을 이루는 위치에서 결정된다. HCFT말뚝의 직경이 커지면 압축하중이 작용하는 압축부의 면적은 말뚝 직경의 제곱에 비례해서 커지고 압축 모멘트 팔의 길이가 말뚝 직경에 비례해서 커지므로 압축부 모멘트는 말뚝 직경의 세제곱에 비례해서 커지는 반면, 인장하중이 작용하는 인장부의 면적과 인장 모멘트 팔의 길이는 모두 말뚝 직경에 비례해서 커지므로 인장부 모멘트는 말뚝 직경의 제곱에 비례해서 커지게 된다. 따라서 압축부와 인장부 모멘트가 평형을 이루기 위해서는 말뚝 직경이 커질수록 중립축 위치가 압축부인 위쪽으로 이동하게 되고, 그로 인해 인장하중이 작용하는 강관의 면적과 인장 모멘트 팔의 길이가 커지게 되므로 휨강도시험의 결과와 같이 말뚝 직경이 커질수록 PHC말뚝 대비 HCFT말뚝의 극한휨강도 증분이 커지는 것으로 판단된다.

또한 Fig. 9로부터 PHC말뚝과 강관말뚝은 휨하중이 극한치에 도달한 이후에 시험이 계속 진행됨에 따라 휨하중이 급격히 감소하는 반면, HCFT말뚝은 휨하중이 극한치에 도달한 이후에도 시험이 계속됨에도 불구하고 휨하중이 거의 일정한 크기를 유지하는 것을 알 수 있다. 그리고 재하 초기단계에 해당하는 탄성구간에서 말뚝에 휨하중이 가해졌을 때 HCFT말뚝의 중앙부 처짐량은 강관말뚝의 50%에 불과한 것으로 나타났다. 이러한 시험결과에 근거할 때 수평하중을 받는 구조물의 기초에 PHC말뚝이나 강관말뚝 대신 HCFT말뚝을 사용하면 동일 조건에서 말뚝의 수평변위를 작게 할 수 있을 뿐만 아니라 말뚝에 극한휨강도에 상응하는 하중이 작용하더라도 말뚝의 휨내력이 일정하게 유지되는 연성(ductility)의 거동을 하기 때문에 말뚝의 휨내력 저하로 인해 구조물이 급격히 불안정하게 되는 것을 방지할 수 있다. 

Fig. 10은 직경이 450mm인 HCFT말뚝의 강관 내벽에 전단연결재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 휨강도시험에서 측정된 휨하중-중앙부 처짐량 곡선을 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 휨하중 재하 초기단계인 탄성구간은 물론 항복점 이후의 극한상태에서도 강관 내벽에 전단연결재를 설치한 말뚝과 설치하지 않은 말뚝의 휨거동은 거의 동일한 것으로 나타났다. 또한 휨강도시험이 종료될 때까지 HCFT말뚝의 합성부와 절단부의 경계부에서 강관과 강관 내부에 합성된 PHC말뚝 사이에 미끄러짐이 발생하는지 여부를 육안으로 관찰한 결과 휨강도시험이 진행되는 동안 강관 내부에 전단연결재를 설치한 말뚝과 설치하지 않은 말뚝 모두 합성부에서 강관과 PHC말뚝 사이에서 미끄러짐 현상이 발생하지 않은 것으로 나타났다. 이러한 시험결과는 전단연결재를 설치하지 않아도 HCFT말뚝의 합성부를 구성하는 강관과 그 내부에 합성된 PHC말뚝이 완전히 합성된 상태로 거동한다는 것을 의미하는 것으로, 원형 CFT부재에 휨하중 작용 시 강관과 내부 충전 콘크리트 사이에 미끄러짐 현상이 발생한다는 Chin et al.(2009)의 시험결과와 상반되는 것이다.

Fig. 10.

Flexural test results of HCFT piles with and without shear key

일반적으로 CFT부재가 합성상태로 거동하는지 아닌지를 결정하는 가장 중요한 요소는 강관과 충전 콘크리트 사이에 작용하는 부착력이다. Chin et al.(2009)이 실험에 사용한 CFT부재는 강관 내부에 충전된 콘크리트의 강도가 8∼27MPa로 크지 않을 뿐만 아니라 콘크리트를 중력식으로 타설해서 콘크리트와 강관 사이에 부착상태가 치밀하지 않아 강관과 충전 콘크리트 간에 부착력이 크지 않았고, 그 결과 강관과 충전 콘크리트의 경계면에서 미끄러짐 현상이 발생한 것이다. 반면, HCFT말뚝의 합성부는 강관에 강도가 80MPa 이상인 콘크리트를 충전한 후 원심성형을 통해 콘크리트를 강관 내벽에 밀실하게 부착시켰기 때문에 강관과 충전 콘크리트 간에 부착력이 매우 커서 그 경계면에서 미끄러짐이 발생하지 않은 것으로 추정된다.

Fig. 11은 HCFT말뚝과 HCFT말뚝을 구성하는 강관 및 PHC말뚝에 대한 휨하중-중앙부 처짐량 곡선을 보인 것이다. 말뚝 직경이 450mm인 경우 HCFT말뚝을 구성하는 두께 6mm의 SKK400 강관과 그 내부에 합성된 PHC말뚝 각각의 극한휨강도 합산치는 467.5kN･m인 반면 HCFT말뚝의 극한휨강도는 구성 요소의 극한휨강도 합산치의 1.35배에 해당하는 629.1kN･m로 측정되었다. 그리고 직경이 500mm인 경우에도 HCFT말뚝의 극한휨강도는 1,035.7kN･m로 HCFT말뚝을 구성하는 강관과 내부 합성 PHC말뚝 각각의 극한휨강도를 합산한 것보다 1.63배가 큰 것으로 나타났다(Table 2 참조). 이처럼 HCFT말뚝을 구성하는 요소인 강관과 PHC말뚝의 개별 휨강도 합산치보다 HCFT말뚝의 휨강도가 훨씬 큰 것은 HCFT말뚝의 경우 휨하중이 작용할 때 강관이 콘크리트의 변형을 구속해서 콘크리트의 압축강도가 커짐에 따라 압축영역과 인장영역을 구분하는 중립축이 위쪽으로 이동해서 인장력에 저항하는 말뚝 단면적이 증가함과 동시에 강도가 커진 콘크리트가 압축부에서 강관의 국부적인 좌굴발생을 억제해서 강관의 압축성능도 함께 커지기 때문으로 판단된다.

Fig. 11.

Flexural test results of HCFT piles and its component parts

5.2 전단강도시험 결과

Fig. 12는 말뚝 직경이 500mm인 경우 HCFT말뚝과 압축강도가 80MPa인 콘크리트로 제작된 중공형 PHC말뚝, 그리고 두께가 12mm인 SKK400 강재로 제작된 강관말뚝에 대해 전단강도시험에서 측정된 전단하중-중앙부 처짐량 곡선을 나타낸 것이다. 그림과 각 시험말뚝의 극한전단강도를 나타낸 Table 2에서 보듯이 HCFT말뚝의 극한전단강도는 각각 1,944.6kN으로 강관말뚝의 3.18배 그리고 PHC말뚝의 7.66배로 측정되었다. 특히 탄성구간에서 HCFT말뚝과 PHC말뚝의 단위 침하량에 대한 전단하중 증분 비는 거의 동일한 반면 강관말뚝의 경우에는 말뚝 단면의 찌그러짐으로 인해 단위 침햐량에 대한 전단하중 증분 비가 HCFT말뚝이나 PHC말뚝에 비해 매우 작게 나타났다. 따라서 수평하중을 받는 구조물의 기초에 PHC말뚝이나 강관말뚝 대신 HCFT말뚝을 사용하면 말뚝의 전단내력 증가로 인해 구조물의 안전성을 향상시킬 뿐만 아니라 전단하중에 의한 수평변위 감소에도 효과적일 것으로 추정된다. 

Fig. 12.

Shear test results of various pile types with the same diameter

6. 결 론

본 연구에서는 중공형의 PHC말뚝과 강관말뚝, 그리고 PHC말뚝의 중공부에 종방향으로 철근을 배근하고 콘크리트를 충전한 ICP말뚝보다 휨강도와 전단강도가 대폭 향상된 프리스트레스를 도입한 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝을 개발하였다. 얇은 두께의 강관 내부에 PC강봉을 설치하고 콘크리트를 충전한 후 원심성형을 함으로써 제작된 HCFT말뚝의 강도특성을 평가하기 위해 PHC말뚝 및 강관말뚝과 함께 다양한 조건으로 제작된 HCFT말뚝에 대해 휨강도시험과 전단강도시험을 수행하였고, 시험결과에 대한 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1)얇은 두께의 강관 내부에 원심성형 방식으로 중공형의 PHC말뚝을 합성하여 수평하중을 지지하는 역할을 하는 합성부와 PHC말뚝으로만 구성되어 지표면에 노출된 상태에서 말뚝의 항타에 사용된 후 절단･제거되는 절단부로 구성되며, 수평하중을 받는 구조물의 기초에 사용되는 복합말뚝에서 상부말뚝으로 사용될 수 있는 프리스트레스가 도입된 중공형 콘크리트 충전 강관(HCFT)말뚝을 개발하였다. 

(2)두께가 6mm인 SKK400 강재로 제작된 강관 내부에 중공형의 PHC말뚝이 합성된 직경 450∼500mm의 HCFT말뚝은 PHC말뚝 대비 3.98∼5.40배, ICP말뚝 대비 2.88배, 그리고 두께가 12mm이고 SKK400 강재로 제작된 강관말뚝 대비 1.19배의 휨강도를 발현하였고, 말뚝 직경이 450mm에서 500mm로 커짐에 따라 PHC말뚝 대비 HCFT말뚝의 휨강도 증가율도 35.7% 증가하는 것으로 나타났다.

(3)HCFT말뚝은 강관 내벽에 전단연결재의 설치 여부와 관계없이 거의 동일한 휨거동을 보였고, 말뚝이 극한휨상태에 도달했을 때에도 합성부를 구성하는 강관과 PHC말뚝 사이에서 미끄러짐 현상이 전혀 발생하지 않고 이들 2개 요소가 완전 결합된 상태로 존재하였다.

(4)직경이 450∼500mm인 HCFT말뚝의 휨강도는 HCFT말뚝을 구성하는 두께 6mm의 강관과 그 내부에 합성되는 중공형 PHC말뚝의 휨강도를 단순히 합친 것보다 35∼63% 컸으며, 이러한 HCFT말뚝의 휨강도 증가는 휨하중 작용 시 강관이 콘크리트의 변형을 구속하는 구속효과로 인해 콘크리트의 강도가 증가함과 동시에 강도가 커진 콘크리트가 압축영역에서 강관에 발생할 수 있는 국부좌굴을 억제하기 때문으로 판단된다.

(5)직경이 500mm인 HCFT말뚝의 전단강도는 콘크리트에 대한 강관의 구속효과로 인해 동일 직경을 갖는 강관말뚝의 3.18배 그리고 PHC말뚝의 7.66배에 달하는 것으로 나타났다.

(6)HCFT말뚝은 강관말뚝에 비해 휨강도와 전단강도가 클 뿐만 아니라 탄성구간에서 휨하중 및 전단하중에 대한 변위량이 작기 때문에 복합말뚝에서 상부말뚝으로 강관말뚝 대신 HCFT말뚝을 사용하면 수평하중을 받는 구조물의 수평변위 억제에 매우 효과적일 것으로 사료된다.