1. 서 론
일반 원형 PHC말뚝의 단면 형상을 개량하여 PHC-W말뚝을 개발하였으며(Fig. 1 참조), PHC-W말뚝의 연결부는 연속시공에 유리할 수 있도록 오목부와 볼록부로 이루어졌다. PHC-W 흙막이는 주열식 가시설이며, 겹침부에 지하수유출을 차단하기 위해 차수재를 설치함으로서 별도의 차수공법이 필요하지 않은 공법이다(Choi, 2014)
PHC-W 흙막이 겸용 건축영구벽체(PHC-W type P.B.R.W.; The PHC-W type permanent building retaining wall)의 개념도를 Fig. 2에 나타내었다. 일반적인 흙막이 가시설의 경우 흙막이 벽체를 임시 가설용 부재로 시공하여 터파기 시에만 사용하므로 건축용 벽체를 별도로 시공하여 안정성을 확보 하여야 한다(Fig. 2(a) 참조). PHC-W 흙막이 공법의 경우 PHC-W흙막이를 시공하여 굴착을 실시한 후 200mm 내외의 두께를 가지는 증설벽체를 추가로 시공하여 건축용 영구벽체로 사용할 수 있다(Fig. 2(b) 참조). 이 경우 PHC-W말뚝을 공장에서 제작하여 현장에 설치하기 때문에 품질이 균질하고 내구성이 우수하므로 건축물의 지하 외부 벽체로 활용할 수 있어 경제적이고 공기를 단축할 수 있다.
PHC-W 흙막이 공법을 건축영구벽체로 활용하기 위하여 PHC-W말뚝과 증설벽체는 전단연결재를 이용하여 일체화 시켜야한다(Fig. 3 참조). PHC-W흙막이 벽체를 연구벽체로 활용하기 위해선 인발 거동 뿐만이 아니라 전단, 휨, 내진 거동에 대한 검토도 이루어져야 하지만 이 연구에서는 전단연결재에 대한 모형실험만을 수행하였다. 다른 항목에 대한 검토는 수치해석, 실물을 모사한 휨 및 전단모형실험 등을 통하여 향후 진행할 계획이며 차후 공식적으로 보고할 예정이다.
이 연구에서는 PHC-W말뚝과 증설벽체를 일체화시키는 데 사용하는 전단연결재의 인발 특성을 인발실험을 통하여 연구하였다.
2. 전단연결재의 인발시험 계획
2.1 전단연결재
PHC-W말뚝 흙막이를 활용한 건축영구벽체공법에서는 PHC-W말뚝에 천공을 하여 전단연결재를 이용하여 증설벽체와 일체화시켜야 한다. 전단연결재로서 강재 앵커 또는 이형 철근 등의 일반적인 구조용 부재를 사용하였으며, 그 제원을 Fig. 4와 Table 1에 나타내었다.
콘크리트 구조물을 이음타설 할 때 일반적으로 철근을 빼놓고 이음타설을 이어가지만 철근을 빼놓을 수 없을 때는 케미컬앵커를 시공하여 이음타설을 한다. 따라서 PHC-W말뚝을 흙막이로 적용한 후 건축영구벽체로 활용할 경우에 증설벽체와 일체화 시키기 위하여 케미컬앵커를 이용하여 이음타설을 하여야 하는데 전단연결재용 앵커부재로는 강재 앵커와 이형철근을 선정하였다.
2.2 인발시험 계획
전단연결재의 인발 거동은 부재 종류, 부재 직경 그리고 정착 길이에 따라 달라진다고 예상되었다. 인발실험 계획을 Table 2에 나타내었다. 전단연결재의 종류로는 강재 앵커와 이형 철근을 사용하였다. 강재 앵커의 직경은 20mm와 16mm, 이형 철근의 직경은 19mm와 16mm로 선정하였는데 여기서 강재 앵커와 이형 철근의 직경은 상용 제품 중에서 가장 유사한 제원을 선정하였다. 정착 길이를 100mm, 80mm, 50mm로 선정하였다. 또한, 인발실험 전경을 Fig. 5에 나타내었다.
상기의 실험 계획은 설계 사례(Hill Engineering Structral Technology Co., 2017)을 참고하여 설정하였으며 전단연결재로는 직경 16mm의 이형철근을 일반적으로 사용하고 있는 점에 착안하여 직경 19mm에 대한 실험을 부가적으로 수행하도록 계획하였다. 또한 전단연결재를 PHC-W말뚝에 컴픽스(compix)로 정착시키는 방안이 가장 경제적이라고 판단되었으며 정착 길이에 관한 검토는 수치해석으로 분석하기가 어려워 모형실험으로 확인하고자 계획하였다.
3. 시험 결과 및 분석
Table 2에 나타낸 12 가지의 인발 실험에 대하여 각기 3 회씩 반복실험을 실시하였다. 인발실험 결과는 2 가지 인발 거동 유형으로 나타났으며 그 전형적인 결과를 Fig. 6에 나타내었다. 첫 번째 인발 거동 유형은 최대 인발저항력에 도달한 이후 정착부가 파괴되어 전단연결재가 정착부위에서 뽑혀 나오는 인발변위 거동을 나타내었으며 A-D20 사례이었다. 두 번째 인발 거동 유형은 최대인발저항력에 도달한 이후에도 정착부가 파괴되지 않고 인발변위가 점진적으로 증가하는 거동을 나타내었으며 A-D20 사례를 이외의 사례이었다.
여기서 A-D20 사례에서 최대 인발하중에서 정착부가 급작스럽게 파괴된 이유는 다음과 같이 설명할 수 있다. 다른 사례에 비해 직경이 커서 주면마찰력이 가장 크게 발현되므로 강재 앵커와 케미컬재료의 부착력이 가장 강할 것으로 예상되었으며 따라서 최대 인발력이 발현될 때까지는 부착력이 저항하고 최대 인발력에 도달하면 정착부에서 급작스런 파괴가 발생한다고 판단되었다.
강재 앵커 전단연결재와 이형 철근 전단연결재에 대한 인발하중 - 변위 관계의 결과를 Fig. 7에 나타내었는데 여기에는 각 3 회의 반복실험 중 전형적인 결과를 나타내었다. 여기서 인발 변위는 매우 낮은 수준의 인발 하중 단계에서 비탄성적인 인발변위를 나타내고 있는데 이것은 인발하중에 대한 자리 잡는 효과(Seating effect)로 유발된 인발변위로 생각되었다. PHC-W말뚝에 구멍을 내어 전단연결재를 넣고 케미컬소재의 정착재로 정착시켰는데 이 과정에서 전단연결재의 수직도를 정확하게 확보하기는 쉽지 않았다. 이로 인하여 매우 낮은 수준의 하중 단계에서 인발하중에 대한 자리 잡는 효과 (Seating effect)가 발생되었다고 생각된다. 따라서 이러한 효과를 보정하기 위하여 인발하중과 인발변위가 탄성적인 거동 부분에 대한 변위만을 순 인발변위를 계산하였다. Fig. 7에 나타낸 전형적인 결과에 대한 최대인발력 및 그에 상응하는 인발변위를 Table 3에 나타내었다. 여기에는 순인발변위도 나타내었다.
Table 3. Maximum pullout forces and corresponding pullout displacements of the steel anchor and deformed bar shear connectors
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Fig. 7을 살펴보면, 전반적으로 최대 인발저항력은 강재 앵커 전단연결재가 이형 철근 전단연결재보다 크게 나타났다. 동일 재료의 전단연결재에서는 직경이 클수록 그리고 정착 길이가 길수록 최대 인발저항력은 큰 값을 나타내었다.
Table 3을 살펴보면, 낮은 수준의 인발하중에서 발생하는 자리잡음 인발변위는 3∼7mm 내외가 발생하였는데 이는 PHC-W말뚝에 증설벽체를 결속하여 일체화하는 데에 크게 영향을 미칠 수 있다고 생각되었다. 이 실험에서는 전단연결재 1 개에 대한 실험 결과이며 실제 상황에서는 자리잡음 인발변위의 영향은 크지 않다고 생각되었다. 이 실험에 사용한 4 가지 전단연결재에 대한 수치해석 결과에 의하면 전단연결재의 배치 간격이 260∼300mm로 나타나고 있으므로 이렇게 배치되는 무리 전단연결재에 의하여 자리잡음 인발변위는 거의 나타나지 않는다고 예측되었다. 이와 관련한 실증실험은 조만간 실시할 예정이며 향후 공식적으로 보고할 예정이다.
최대인발력에 상응하는 인발변위는 A-D20 전단연결재의 경우 8∼10mm이었으며 A-D16, D-D19 그리고 D-D16 전단연결재의 경우 14∼20mm이었는데 정착길이가 50, 80mm에서는 6∼10mm로 나타났다.
Table 3을 이용하여 최대 인발저항력 및 그에 상응하는 인발변위를 Fig. 8에 나타내었다. 여기서 상기에 설명한 정성적 및 정량적인 경향들을 잘 확인할 수 있었다.
전단연결재의 동일 직경 변화에 따른 최대 인발저항력의 발현 양상을 Fig. 9에 나타내었다. 여기서 동일 직경의 최대 인발력은 앵커 전단연결재에서 이형 철근 전단연결재보다 더 크게 발현되었으며 정착 길이가 클수록 더 크게 발현되었다.
전단연결재의 정착 길이 변화에 따른 최대 인발저항력의 발현 양상을 Fig. 10에 나타내었다. 여기서 전단연결재의 재료 및 직경에 상관없이 정착 길이가 길수록 더 큰 인발력이 발현되었다. PHC-W 흙막이 겸용 건축연구벽체에 대한 사례 설계(Hill Engineering Structral Technology Co., 2017)에서 전단연결재의 정착 길이는 50mm 이상이면 충분하다고 분석되었다. 그러나 굴착 깊이가 깊어지면 전단연결재의 정착 길이가 더 필요할 수도 있으므로 향후 실시될 실물 모형 실험에서 이러한 상황을 검토하여 보고할 예정이다.
4. 결 론
PHC-W 흙막이를 건축영구벽체로 활용하기 위하여 PHC-W말뚝과 증설벽체의 일체화에 사용되는 전단연결재의 인발 거동을 분석하였으며 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
(1)전단연결재의 인발 거동은 2가지 인발 거동 유형으로 나타났다. 첫 번째 인발 거동 유형은 최대 인발저항력에 도달한 이후 정착부가 파괴되어 전단연결재가 정착부위에서 뽑혀 나오는 인발변위 거동을 나타내었다. 두 번째 인발 거동 유형은 최대인발저항력에 도달한 이후에도 정착부가 파괴되지 않고 인발변위가 점진적으로 증가하는 거동을 나타내었다.
(2)최대 인발저항력은 강재 앵커 전단연결재가 이형 철근 전단연결재보다 크게 나타났다. 동일 재료의 전단연결재에서는 직경이 클수록 그리고 정착 길이가 길수록 최대 인발저항력은 큰 값을 나타내었다.
(3)최대인발력에 상응하는 인발변위는 재료, 직경 및 정착길이에 상관없이 다양한 범위를 나타내었다. 즉 최대인발력에 상응하는 인발변위는 A-D20 전단연결재의 경우 8～10mm이었으며 A-D16, D-D19 그리고 D-D16 전단연결재의 경우 14～20mm이었는데 정착길이가 50, 80mm에서는 6～10mm로 나타났다.
(4)이 연구에서는 PHC-W말뚝과 증설벽체의 일체화에 사용되는 전단연결재의 인발력을 인발실험을 통하여 확인하였으며, 전단연결재를 이용하여 PHC-W말뚝과 증설벽체를 일체화 시키고 슬래브를 결합시킨 실물크기의 모형체를 제작하여 전단시험을 준비 중에 있다.
