1. 서 론
2. 리모델링 말뚝기초의 하중분담 특성
2.1 시공단계를 고려한 구조해석 및 선재하 공법
2.2 말뚝강성 및 하중분담비
2.3 스마트 선재하 시스템
3. 리모델링 하중분담 현장시험 방법
3.1 기존말뚝과 보강말뚝 설치
3.2 로드셀 및 선재하 가압장치 설치
3.3 하중분담시험 시험체 및 시험장치 설치
4. 현장 재하시험 결과 및 분석
4.1 말뚝강성 확인시험
4.2 선재하 가압시험
4.3 하중분담시험
4.4 장기계측
5. 결 론
1. 서 론
2013년 부동산 시장 활성화 및 노후 공동주택의 주거환경 개선을 위해 정부 주도로 구조안전성을 확보하는 범위에서 최대 3개층까지 수직증축 리모델링을 허용하였다(MOLIT, 2013). 이에 따라 2015년부터 사업성이 확보되는 서울 및 수도권의 여러 아파트 단지에서 수직증축형 리모델링을 추진하고 있는 상태이다. 수직증축 리모델링은 증축에 따른 하중이 증가하므로 높은 수준이 요구되는 구조보강 및 기초보강을 필요로 한다. 특히 국토교통부 고시 수직증축 리모델링 구조기준(MOLIT, 2014)의 하중분담 원칙에 의해 보강말뚝은 보강말뚝 시공 이후의 하중만을 기존말뚝과 분담할 수 있다. 그런데 수직증축 및 내진설계기준 강화에 따른 하중의 증가 확대로 인해 보강말뚝을 설치하여도 기존말뚝의 반력이 허용하중을 초과하는 경우가 자주 발생한다. 이러한 한계를 극복하기 위해 보강말뚝에 선재하를 가하여 기존말뚝에 작용하고 있던 하중 일부를 제거한 다음 그 이후 추가되는 하중에 대해서 기존말뚝과 보강말뚝이 분담하도록 하는 선재하 방법이 다양하게 개발되었다(Choi et al., 2014; Choi and Ha, 2020). 그러나 기존 선재하 방법은 선재하를 구역별로 순차적으로 도입함에 따라 후속으로 도입된 선재하로 인해 이전에 가해졌던 선재하량이 소실되는 문제, 그로 인한 소실량을 예측하기 어려운 문제점을 보완하기 위한 방안이 필요하였다. 따라서, 본 연구는 스마트 선재하 시스템을 고안하여 제안하고 이를 현장 실물 시험으로 확인하였다.
수직증축 리모델링에서 추가하중의 하중분담은 말뚝강성비에 좌우되나 정확한 말뚝강성 산정이 난해하여 하중분담을 예측하기 어려운 측면이 있다. 리모델링 말뚝설계에서 말뚝강성은 일반적으로 도로교설계기준해설(KHS, 2008) 또는 한국철도시설공단(KRC, 2012)의 경험식을 사용하고 있으나, 실제 리모델링 현장의 말뚝기초는 경험식보다 매우 큰 분포를 나타내는 것으로 알려져 있다(Choi et al., 2017). 결국 리모델링에서 말뚝의 강성에 대한 확인도 중요한 검증사항 중의 하나이다. 따라서, 본 연구는 실물 시험에서 말뚝 강성을 확인하여 적용방안을 도출하고 이를 이용하여 하중분담을 분석하였다.
본 연구는 수직증축 리모델링에서 기존의 선재하 방법의 문제인 선재하량의 소실 현상을 해결하기 위하여 구역별로 순차적 선재하 도입이 아닌 서로 다른 선재하 하중을 동시 가압하고 조절할 수 있는 스마트 선재하 시스템을 개발하였다. 이 시스템의 현장 적용성 검증을 위하여 신축 아파트 현장에서 기존 말뚝 인근에 보강말뚝을 설치하였고 스마트 가압 장치를 이용하여 선재하를 가하고, 하중분담시험을 통해 시공 단계별로 기존말뚝과 보강말뚝간의 하중분담을 검증하였다. 하중분담시험에 앞서 말뚝강성 확인시험을 실시하여 기존말뚝과 보강말뚝의 정확한 말뚝강성을 산정하여 정확도를 향상시켰다.
2. 리모델링 말뚝기초의 하중분담 특성
2.1 시공단계를 고려한 구조해석 및 선재하 공법
Fig. 1은 리모델링 시공단계에 따른 하중변화를 나타낸다. 해체작업 후 상부하중이 일반적으로 55~60% 수준까지 감소한다(Choi et al., 2014). 해체공사 후 보강말뚝이 설치되며, 마감하중, 증축하중 및 활하중이 리모델링 단계에 따라 누적하여 작용하게 된다. 보강말뚝 설치 이전에는 기존말뚝이 모든 상부하중을 지지하나, 보강말뚝이 설치된 이후에는 상부 중력하중이 기존말뚝과 보강말뚝의 강성과 기초 판의 휨강성에 의해 하중분담이 이루어진다. 개별 말뚝의 최종 설계하중은 리모델링 단계에 따른 누적된 하중분담과 증축완료 구조물의 구조해석을 통해 산정한 풍력 및 지진하중에 의한 추가 하중을 더하여 산정된다.
시공단계를 고려하지 않은 일반해석에서 기존말뚝과 보강말뚝이 모두 허용지지력을 만족하는 경우에도, 상기의 시공단계를 고려한 해석을 수행할 경우 기존말뚝에 허용지지력을 초과하는 하중이 작용하는 경우가 빈번히 발생한다. 기존말뚝의 하중이 허용지지력을 초과하는 경우 주변에 추가로 보강말뚝을 설치하여 재해석하는데, 보강말뚝 수량이 증가할 경우 비용 및 공사기간이 증가하게 되며, 때로 보강말뚝 설치로 말뚝중심간격 기준(=2.5D, D: 말뚝직경)을 만족하지 못하여 보강이 불가능한 경우도 발생한다. 이 경우 선재하 단계를 추가할 경우 시공단계를 고려하지 않은 일반해석 수준의 보강말뚝 수량으로 감소시킬 수 있다(Choi et al., 2014).
Fig. 2는 선재하 도입 및 추가하중에 따른 말뚝하중 변화를 나타낸다. 기존말뚝의 경우 해체공사시 말뚝하중이 감소하다, 상부 마감공사 진행시 말뚝하중이 증가하는데, 선재하를 도입하지 않을 경우 말뚝하중이 허용지지력을 초과할 수 있다. 이 경우 보강말뚝에 선재하 도입시 기존말뚝의 하중이 감소되어 추가 하중이 작용하더라도 허용지지력을 만족하게 된다.
2.2 말뚝강성 및 하중분담비
시공단계를 고려한 구조해석시 상부 하중은 개별 말뚝의 강성과 기초의 강성에 따라 분배된다(Choi et al., 2014; Wang et al., 2018; Jeong and Cho, 2019). Fig. 3과 같이 말뚝은 구조해석시 스프링으로 모델링되며, 말뚝강성은 말뚝두부에서의 하중-침하량 곡선에서 일정한 침하량에서의 기울기를 나타낸다.
말뚝강성은 말뚝재료의 탄성계수, 주면 및 선단지반 특성, 말뚝-지반 경계조건 등에 영향을 받으므로, 이를 고려한 해석을 위해서는 3차원 유한요소해석이나 하중-전이 해석이 필요하나, 일반적인 리모델링 현장의 경우 간단한 경험식으로 산정하는 실정이다. 대표적인 경험식은 식 (1)과 같다(KHS, 2008).
여기서,
Kv = 축방향 스프링 정수(kN/m)
Ap = 말뚝의 순 단면적(m2)
Ep = 말뚝의 탄성계수(kN/m2)
L = 말뚝 길이(m)
a = L/Db에 따른 상수
Db = 말뚝 직경(m)
여기서, 계수 a는 말뚝 길이, 타입, 공법에 따라 Fig. 4와 같이 다양한 식이 제안되었으며, 일반적으로 항타시공된 말뚝은 타입말뚝식, 매입시공된 말뚝은 프리보링말뚝식을 적용하고 있다. 경험식이 말뚝강성을 매우 간편하게 산정할 수 있는 장점이 있는 반면, 실제 말뚝강성이 경험식과 큰 편차를 나타낼 수 있으므로 정확한 하중분담을 예측하기 위해서는, 신뢰성 있는 개별 말뚝강성 산정이 중요하다고 할 수 있다.
국토교통부 수직증축형 리모델링 구조기준(MOLIT, 2014)에 따르면, 1차 조사시에는 지반조사를 통해 파악한 지반물성치와 말뚝길이를 통해 허용지지력을 산정하고, 철거공사 후 시행하는 2차 조사시에 아파트 동별로 2본의 정재하시험을 수행하여 허용지지력 및 기존말뚝기초의 강성을 산정하도록 되어 있다. 2차 조사에서 재하시험을 통해 산정한 말뚝강성을 적용할 경우, 경험식에 의한 예측값의 편차를 상당부분 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
신뢰성 있는 보강말뚝의 말뚝강성 산정을 위해서도 시험을 통해 산정하는 것이 필요하다. 본 연구에 적용한 보강말뚝인 잭파일은 내부 천공 압입공법으로 설치되었다(Byeon and Kim, 2014). 이 공법은 공압식 천공으로 주변지반 교란을 최소화하고, 시공 마지막에 가압을 통해 선단 슬라임을 통과하여 단단한 지지층에 안착시킬 수 있는 장점이 있다. 가압 과정에서 침하량을 측정할 경우 모든 보강말뚝의 말뚝강성 산정이 가능하다.
2.3 스마트 선재하 시스템
스마트 선재하 시스템은 기존 순차적 선재하 하중제어 방법의 선재하 하중 소실문제를 해결하기 위해 보강말뚝 동시가압과 자동제어가 가능한 시스템이다. Fig. 5와 같이 확장형 유압제어 유닛을 도입하고 이를 자동으로 제어하여 아파트 동 전체 반력말뚝의 동시가압이 가능하고, 서로 다른 선재하 하중 작용이 가능하다(Song et al., 2024). 본 연구에서는 총 8개의 유압장치를 동시 가압하여 스마트 선재하 시스템의 현장 검증을 수행하였다.
3. 리모델링 하중분담 현장시험 방법
리모델링 현장의 개별 말뚝하중 산정을 위한 구조해석기법은 이미 마련되어 있으나(Choi et al., 2014), 실제 건축구조물에서 선재하 효과와 추가하중의 하중분담이 예측한대로 이루어지는지 현장 검증이 부족한 상태이다. 특히 편차가 큰 경험식을 사용한 말뚝강성비 추정이 아닌, 실제 현장시험을 통해 산정한 말뚝강성을 사용하여 실제 구조물에서 강성비대로 하중분담이 이루어지는지 검증이 필요하다. 본 연구에서는 말뚝기초로 지지되는 신규 아파트 현장에서 보강말뚝을 추가로 설치하여 선재하 실시 및 실규모의 하중분담시험을 수행하였다.
3.1 기존말뚝과 보강말뚝 설치
시험 위치는 한강변에 위치하는 아파트 재건축 현장이며, 지반조건은 Fig. 6에 나타난 바와 같이, 상부 퇴적모래자갈층 아래 연암이 나타나는 지반이다. Fig. 7은 말뚝강성시험과 선재하시스템 검증을 위하여 현장시험을 실시한 기초구조물 평면도이다. PHC 말뚝으로 지지되는 아파트 구조물에서, 선재하 효과 및 하중분담비 확인을 위하여 기둥 1과 기둥 2 주변에 각각 직경 216mm와 318mm의 강관 보강말뚝을 시공하였다.
일반적인 리모델링 현장에 직경 200mm 이내의 강관말뚝이면 보강말뚝으로 충분한 강성을 나타낼 수 있다. 하지만 본 연구에서는 기존말뚝이 일반적인 리모델링 현장의 직경 300~400mm의 PC 말뚝과 달리, 200톤 설계하중을 받는 직경 600mm의 PHC 말뚝이므로, 일반적인 리모델링 현장에서 사용하는 보강말뚝보다 더 큰 강성을 갖는 보강말뚝 설치가 필요하였다. 초기 예측을 통해 리모델링 현장과 유사한 강성비를 모사하기 위하여, 보강말뚝을 두가지 Case로 설치하였다. 기둥 1에는 외경 216mm, 기둥 2에는 외경 318mm의 강관말뚝을 설치하였고, 내부에 직경 75mm 강봉을 추가로 설치하고 그라우팅으로 보강하였다. PHC 말뚝이 암반지지이기 때문에 보강말뚝도 암반에 충분히 근입되도록 시공하였다. Fig. 8은 보강말뚝 설치 광경이며, Table 1은 기존말뚝(PHC)과 보강말뚝(강관)의 제원을 나타낸다.
Table 1.
Information of existing pile (PHC) and reinforcing pile (steel)
3.2 로드셀 및 선재하 가압장치 설치
Fig. 9는 기존말뚝과 보강말뚝의 말뚝강성시험을 위한 가압장치 개념도이다. 말뚝강성 확인시험 및 시공단계별 하중분담시험을 위해서 상부하중을 작용시켜야 하나 구조물 지하에서 큰 중량의 재하대 설치가 불가 하였다. 대안으로 두께 1.2m의 기초슬라브 타설 전에 지압판을 하부 철근 위치에 설치하여 지하구조물의 중량을 반력으로 이용하여 하중재하 시험을 수행하였다.
Fig. 10은 기존말뚝 위 로드셀, 강관 및 상부 정착판 설치 사진이다. PHC 말뚝 위에는 1,000kN 용량의 진동현식 로드셀 3개를 설치하였고 수평력에 저항할 수 있도록 캡으로 보강하였다. 강관말뚝 상부에는 동일 용량의 로드셀 1개를 설치하였다. Fig. 7에서 PHC-1과 PHC-5는 가압장치는 설치하지 않고 로드셀만 설치하여 시험기둥 외측 기초로 전이되는 하중을 측정하였다.
계측기 설치 이후 안정적으로 데이터를 취득하기 위해 전원 차단을 대비하여 UPS 전원 공급 장치를 구축하였으며, 모든 계측기는 통신시스템을 통해 자동화 계측을 수행하였다.
3.3 하중분담시험 시험체 및 시험장치 설치
하중분담시험을 위하여 Fig. 11과 같이 기둥 주변으로 두 개의 철골보 구조물을 상하로 설치하였다. 하부 철골보는 보강말뚝에 선재하를 가하기 위한 반력대이며, 상부 철골보는 골조 공사가 완료된 시점의 최대하중을 작용시키기 위한 반력대이다. 보강말뚝 위 유압장치는 선재하 하중 가압용이며, PHC 말뚝을 하부 철골보와 밀착시키기 위하여 PHC말뚝 위에도 유압장치를 설치하였다. 상부 철골보와 하부 철골보 사이에 4개의 유압장치를 통해서 골조공사 완료시 최대 기둥하중인 3,000kN의 추가하중을 하부 철골보에 작용시켰다. 추가하중 작용시 하중분담은 개개 말뚝에 설치된 로드셀을 통해 실시간 측정하였다.
Fig. 7에 나타난 바와 같이, 기둥과 벽체 아래에 PHC말뚝들이 촘촘히 배치되어 있고 두께 1.2m의 매트기초(Mat Foundation)로 연결되어 있기 때문에, 기둥하중이 아래 PHC말뚝과 보강말뚝으로만 전달되지 않고 인접 말뚝으로도 전달될 것으로 예상되어, 인접 말뚝(PHC-1, PHC-5)에도 측정용 로드셀을 하나씩 설치하여 말뚝하중을 측정하였다.
재하시험시 기둥과 접한 기초슬라브에도 변위가 발생할 수 있어서, 본 연구에서는 Fig. 12와 같이 변위가 발생하지 않을 것으로 예상되는 먼 거리(5m 이격)에 있는 벽체에 변위측정대를 연결하였으며, 연결된 벽체의 변위도 측정하여 고정점을 확인하였다.
하중분담시험은 기둥 1과 기둥 2에 독립적으로 수행하였다. 하중은 3,000kN의 하중을 총 10단계로 나누어 작용시켰으며, 각 단계별로 5분의 대기시간을 두었으며, 각 대기시간 중에 하중변화가 없는 것을 확인하였다.
4. 현장 재하시험 결과 및 분석
4.1 말뚝강성 확인시험
말뚝의 하중분담은 개별 말뚝강성과 직접적인 상관관계가 있으므로 시험을 통한 정확한 말뚝강성 산정이 필요하다. 하중분담시험을 수행하기 앞서, 기존말뚝(PHC600) 4본과 보강말뚝(강관D216 & D318) 4본에 대한 말뚝강성 확인시험을 수행하였다. 일반적인 설계하중의 2~3배까지 재하하는 재하시험은 리모델링 현장의 말뚝파손을 초래할 수 있으므로, 사용하중을 10회 반복재하하여 산정하는 방법을 채택하였다. 기존말뚝의 설계하중은 160톤이며, 보강말뚝의 설계하중은 70톤이다.
Fig. 13은 말뚝강성 확인시험 결과 중, PHC-2와 JP-1의 하중-침하량 곡선이다. 매 하중주기마다 2단계로 하중 재하-제하를 반복하였으며, 각 하중단계마다 5분간 유지하여 침하량 변화가 없음을 확인하였다.
Fig. 14와 Fig. 15는 각각 기존말뚝과 보강말뚝의 하중주기별 말뚝강성 변화를 나타낸다. 반복재하 횟수가 증가함에 따라, 말뚝강성은 계속적으로 감소하는 경향을 나타내었다. 이는 반복재하로 인해 PHC 말뚝의 경우 양생된 주면그라우팅의 깨짐 현상이, 강관말뚝의 경우 주면지반 교란 현상이 발생하여 주면마찰력 감소 및 추가 침하발생이 일어난 것으로 판단된다.
Fig. 14에서 PHC 말뚝은 동일한 말뚝직경과 동일 길이, 동일한 공법(SDA)으로 시공되었어도 말뚝별 강성이 최대 70,000kN/m 정도 차이를 나타내었다. 경험식 중 프리보링의 계수값보다 내부굴착의 계수값을 적용한 예측값이 측정치에 근접한 것으로 나타났다.
Fig. 15에서 보강말뚝 역시 동일 제원, 동일 공법(내부천공 압입공법)으로 시공되었으나, 말뚝강성이 말뚝별로 큰 차이를 나타내었다. 특히 JP-4의 경우 매우 큰 말뚝강성을 나타내었는데, 이는 잭파일 시공을 에어해머로 경타하여 마무리 하였는데, 다른 말뚝보다 경타 에너지가 크고 선단지반도 강한 암반이어서 높은 말뚝강성 값이 산정된 것으로 추정된다. 보강말뚝 역시 프리보링의 계수값보다 내부굴착의 계수값을 적용하여 예측한 값이 보수적인 값을 보였고 설계에 적합할 것으로 판단되었다.
말뚝강성이 하중주기에 따라 감소하다가 5주기 이후 대체적으로 일정한 경향을 나타내었다. 따라서 본 연구에서는 10하중주기 중 6~10주기 강성값의 평균값을 해당말뚝의 적용 말뚝강성(Kv)으로 산정하였으며, 전체 결과를 Table 2에 요약 정리하였다.
Table 2.
Summary of pile stiffness test results of existing piles and reinforcing piles
4.2 선재하 가압시험
4.2.1 개별 선재하 가압시험
Fig. 16은 보강말뚝에 선재하 하중 작용시 기존말뚝(PHC)의 하중변화 실측값이다. 선재하를 가함과 동시에 인접한 PHC 말뚝의 하중이 감소하였다. 특이한 점은 선재하 작용시점에 말뚝하중이 최대로 감소하였다가 선재하 하중 변화가 없었음에도 감소된 하중이 일부 회복되는 것을 볼 수 있었다. 또한 거리가 떨어진 말뚝(PHC-5)에도 하중 감소 영향이 미치는 것을 확인할 수 있었다.
Table 3은 선재하에 따른 기존말뚝의 하중감소량을 정리한 표이다. 1번과 2번 기둥의 보강말뚝들에 각각 150kN과 100kN의 선재하 하중을 작용시켰다. 이때 기둥 1의 기존말뚝에 20kN, 기둥 2의 기존말뚝에 15~26kN의 반력 감소현상이 발생하였다. 이 측정된 반력 감소값은 해석값보다 작은 값이었으며, 해석값 역시 선재하 하중에 비하면 작은 값이다. 선재하 하중 대비 작은 반력감소가 예측되고 실측된 이유는 기초가 매트구조여서 주변 말뚝들의 하중 감소에도 영향을 미쳤기 때문인 것으로 판단된다.
Table 3.
Load decrease of existing piles caused by preloading
4.2.2 동시 선재하 가압시험
Fig. 17은 스마트 선재하 시스템을 통해, 기둥 1의 보강말뚝(JP-1, JP-2)에 선재하 하중 150kN, 기둥 2의 보강말뚝(JP-3, JP-4)에 선재하 하중 100kN을 동시에 작용시켰을 때, 기존말뚝과 보강말뚝의 로드셀을 통해 측정한 하중값의 변화를 나타낸다. 동시 선재하 방법은 먼저 4개의 보강말뚝에 동일하게 선재하 하중 100kN을 작용시킨 다음, 기둥 2의 보강말뚝의 유압장치는 밸브를 닫아 고정시키고 기둥 1의 보강말뚝의 유압장치만 선재하 하중 50kN를 추가 작용시킨 후 밸브를 닫아 고정시켰다.
로드셀을 통해 측정된 보강말뚝의 하중 변화를 보면, 하중이 동시에 작용하다가 기둥 1의 보강말뚝(JP-1, JP-2)의 경우 중간에 한번 더 하중이 증가한 것을 볼 수 있다. 보강말뚝들을 동시 가압하는 동안 기존말뚝들의 하중이 감소하는 것을 볼 수 있다. 특이한 점은 선재하 하중 가압 후 밸브를 닫아 선재하 하중의 변화가 없었는데도, 보강말뚝의 선재하 하중이 일부 감소하는 경향을 보였고, 반대로 기존말뚝은 감소하였던 하중이 일부 회복되는 경향을 보였다. 이는 개별 말뚝 가압시에도 나타났던 현상인데, 매트로 연결되는 말뚝기초 구조물이 안정화를 찾아가는 하중 재분배 과정으로 판단된다. 기둥을 개별로 100kN 또는 150kN 선재하 하중 가압시 하중이 재분배된 후 가압하중의 80% 정도 유지했는데, 동시 가압시에는 재분배량이 줄어들어 85% 정도 유지되었다. 따라서 기둥 2개가 아니라 동 전체 반력말뚝을 스마트 선재하 시스템을 통해 동시 가압할 경우 이런 재분배량이 거의 없어질 것으로 사료된다.
4.3 하중분담시험
기둥 1과 기둥 2에서 개별적으로 시행한 하중분담시험 결과를 각각 Fig. 18과 Fig. 19에 나타내었다. 그래프에서 점선은 말뚝강성 확인시험을 통해 산정한 강성비를 적용한 예측값이며, 실선은 하중분배시험을 통해 개별 말뚝두부의 로드셀을 통해 측정한 실측값이다.
Fig. 18에서 기둥하중 800kN 도달시 보강말뚝에 선재하 하중 150kN을 도입하였을 때, Fig. 16에서 설명한 바와 같이 선재하로 인해 기존말뚝의 하중이 감소하는 경향을 볼 수 있다. 이후로 상부 철골보와 하부 철골보 사이의 유압장치를 통해 상부하중을 3,000kN까지 순차적으로 가하였을 때, 예측값은 기존말뚝과 보강말뚝에 말뚝의 강성비대로 하중이 분배되어 증가한다. 예측값이 말뚝별로 기울기가 다른 이유는 시험을 통해 산정된 말뚝강성이 상이하기 때문이다. 기둥 1에서 각 말뚝이 분담하는 하중의 실측값이 개별 시험 말뚝강성을 사용한 예측치와 유사한 기울기로 증가하는 것을 볼 수 있었다.
Fig. 19는 기둥 2의 하중분담시험 결과이다. 기둥 2의 경우 기둥하중이 700kN에 도달한 시점에 보강말뚝에 각각 100 kN의 선재하 하중을 도입하였다. 선재하 하중에 의해 기존말뚝의 하중이 감소하는 현상을 볼 수 있었다. 보강말뚝의 경우 JP-4의 말뚝강성이 이례적으로 큰 값이 산정되어 하중분배값도 JP-3에 비해 크게 증가할 것으로 예측되었는데, 실측값도 JP-4의 분담하중이 JP-3에 비해 크게 증가하는 것을 볼 수 있었다.
기둥 2는 기둥 1과 달리 상부하중이 증가하는데도 기둥하중이 1,500kN에 이르기까지 기존말뚝에 분배되는 하중이 예측치만큼 증가하지 않았다. 이는 하중분담시험때 PHC 말뚝 위의 연결강관이 기존 하중만큼 받고 있지 않아서 상부 추가하중이 PHC 말뚝으로 충분히 전이되지 못한 이유로 판단된다. 기둥하중이 1,500kN 이후부터는 PHC 말뚝으로 상부하중이 전이되어 PHC 말뚝의 기울기가 증가하였다. 총하중이 2,700kN 이후 기존말뚝과 보강말뚝의 하중이 더 이상 증가하지 않는 것으로 나타났는데, 이유는 현 하중재하 시스템이 기둥 주변 기초슬라브와 상부구조물의 무게를 반력으로 이용하여 하중을 작용시키는데, 2,700kN 이상에서는 기둥부에 떨어지는 하중과 들어올리려는 하중이 평형을 이루어 더 이상 말뚝들에 하중이 분배되지 않은 이유로 추정된다. 기둥 1에서는 이러한 현상이 없었는데 이는 1번 기둥 시험시 1개층 추가 타설 이후에 하중분배시험을 실시했기 때문에 구조물 하중증가 및 구조물 강성증가 때문으로 사료된다. 장기계측의 경우 이러한 현상이 없기 때문에, 강성비대로 계속 하중이 증가할 것으로 예상된다.
4.4 장기계측
Fig. 20은 장기계측 결과를 하중분담시험 결과와 비교한 그래프이다. 기둥 1의 경우 기둥하중이 800kN 시점에서 보강말뚝에 각각 150kN의 선재하 하중을 도입하였으며, 현재 상부하중 1,000kN 재하한 경우까지 계측하였다. 기둥 2의 경우는 기둥하중이 700kN 시점에서 보강말뚝에 각각 100kN의 선재하 하중을 도입하였으며, 현재 상부하중 1,000kN 재하한 경우까지 계측하였다.
기둥 1의 경우 기존말뚝의 장기계측 결과가 기둥 상부하중 800~1,000kN 시점에 다소 상이한 측면이 있으나, 기둥 1과 기둥 2의 전반적인 하중분담 기울기 형태는 하중분담시험 결과와 유사하게 측정되었다. 장기계측을 계속 수행하면서 지속적으로 하중분담시험 결과와 비교 검토할 계획이다.
5. 결 론
본 연구에서는 선재하 하중 소실 문제를 해결하기 위해 개발한 스마트 선재하 시스템을 검증하기 위해 실규모의 하중분담시험을 실시하였다. 본 연구의 주요 결론은 아래와 같다.
(1) 기존말뚝(PHC) 4본과 보강말뚝(강관) 4본에 말뚝강성 확인시험을 실시한 결과, 동일 제원과 동일 공법에서도 말뚝강성이 말뚝별로 큰 편차를 나타내었다. 말뚝강성 경험식과 비교하였을 때, 프리보링공법의 계수값 적용시 다소 과다한 말뚝강성이 산정될 수 있어 설계에 적합하지 않았고, 내부굴착공법의 계수값이 설계에 비교적 적합한 것으로 나타났다.
(2) 하중분담시험을 통해 보강말뚝에 선재하 하중 도입시 기존말뚝의 하중이 감소하는 것을 확인하였다.
(3) 스마트 선재하 시스템을 통해 두 기둥에 선재하 하중을 동시 가압 하였을 때, 기존말뚝의 하중이 감소되고 유지되는 것을 확인하였다.
(4) 하중분담시험에서 추가되는 상부하중이 기존말뚝과 보강말뚝으로 분담되었는데, 시험을 통해 산정한 말뚝강성비와 유사하게 하중분담이 이루어지는 것을 확인하였다.
(5) 각 말뚝에 분담되는 말뚝반력을 측정한 장기계측결과는 하중분담시험을 통해 산정한 시공단계별 말뚝반력과 유사한 경향을 나타내고 있었으며, 이는 장기간 지속적으로 확인될 계획이다.
