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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.15 No.4 pp.65-72
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2015.15.4.065

Structural Performance Evaluation of Bolt Connection for Half-sphere Joint between PHC Pile and Steel Column

Jintak Oh*, Sang-Bong Kim**, Young-Sik Kim***, Young K. Ju****
Civil, Environmental & Architectural Engineering Korea University, Ph.D
Civil, Environmental & Architectural Engineering Korea University, Master course
Young Structural Engineering Incorporation, CEO
Civil, Environmental & Architectural Engineering Korea University, Prof., Tel: 02-3290-3743 Fax: 02-921-2439,
December 4, 2015 December 13, 2015 December 13, 2015

Abstract

To overcome the weakness of spread foundation in large space structure, the research of precast pile for replace spread foundation have been conducted. The new type of joint between PHC pile and steel column is named HAT Joint(Hollow hAlf-sphere cast-sTeel Joint). It connected PHC Pile by bolt that verification of bolt connection should be accomplished. In this paper, pull-out test and flexural performance for HAT Joint to verifying the bolt connection is explained. As a result, the pull-out and flexural capacities of bolt were checked to use in real structure. Furthermore, the equation of pull-out strength was proposed.


강재기둥-PHC 파일 간 반구형 접합부(HAT Joint)의 볼트 연결에 대한 구조성능평가

오 진 탁*, 김 상 봉**, 김 영 식***, 주 영 규****
*주저자, 정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과, 공학박사
**정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과, 석사과정
***정회원, 영구조엔지니어링(주) 대표이사
****교신저자, 정회원, 고려대학교 건축사회환경공학과, 교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    15AUDP-B100343-01

    1.서론

    본 연구는 대공간 구조물에 보편적으로 사용되는 직접기초의 단점을 보완하기 위해 기성말뚝 중 상용 화가 가장 많이 진행된 PHC 파일로의 대체를 목적으 로 시작되었다. 보다 효율적인 PHC 파일 사용을 위 해서는 상부 철골기둥과의 접합부 개발이 요구되었 다. 기존의 PHC 파일과 기둥 간의 접합부에 대한 연 구는 ‘복합파일을 이용한 지하골조구조물 시공방법 (출원번호:10-2010-0066954)’, ‘기계식 이음 복합말뚝 의 자동 분석 방법 및 이에 의해 제작된 기계식 이음 복합말뚝(출원번호:10-2010-0068223)’ 등이 있다.

    <Fig. 1>은 이러한 PHC 파일과 강재 기둥을 연결 하기 위한 기존 접합부의 상세이다. 이러한 기존의 접합부는 PHC 파일 중공부에서 발생하는 휨을 제어 하기위해 필요이상으로 베이스 플레이트의 두께가 과 다해지며, 많은 리브플레이트(Rib-Plate)의 사용으로 인해 시공 또한 복잡하고 쉽지 않다<Fig. 2>.

    이에 비해 반구형 접합부(HAT Joint)는 반구의 형 상으로 인해 기둥에서 파일로 전달되는 하중이 축력 만으로 작용하게 되어 휨에 대한 우려를 최소화 하였 다<Fig. 3>.

    반구형 접합부는 공장에서 상부 철골 기둥의 일부 와 결합된 상태로 현장에 운반되어 공기 단축 및 시 공품질 관리 향상을 목적으로 PHC 파일과 볼트로 결 합하게 된다. 실제 현장에 적용을 위해서는 접합부의 내력평가와 더불어 볼트 연결에 대한 성능이 검증되 어야 한다. 접합부 내력 평가는 기존 연구를 통해 대 상 목표로 정한 직경 1,000mm PHC 파일의 허용압 축강도인 967ton의 안전율을 고려한 약 1.5배인 1,500ton을 충분히 만족하는 것을 유한요소해석과 구 조실험을 통해 확인하였다(이연승 등, 2014).

    본 연구에서는 볼트 연결에 대한 안정성 및 적합여 부를 확인하고 볼트 삽입 깊이에 대한 기준식을 도출 하기 위해 볼트 인발실험 및 휨 실험을 진행하였다.

    2.HAT Joint 시스템

    HAT Joint는 Hollow hAlf-sphere sTeel의 약자 로써 H형강용 접합부 외 왕(王)형 조립기둥, 각형 및 원형 강관기둥용 접합부들이 추가로 개발되었다.

    접합부 개발은 FEM 해석을 통한 Prototype을 도 출 후 압축성능평가를 통한 내력 및 응력 검증을 진 행하였다<Fig. 4>. 총 4가지 형상의 접합부 모두 목표 한 1,500ton을 만족하는 최적의 형상을 도출하였으며, 각 접합부의 형상은 <Fig. 5>와 같다.

    HAT Joint의 볼트연결은 크게 두 가지 형식으로 나눌 수 있다. 첫 번째는 파일 두부 정리가 필요 없을 때, PHC 선단캡과 직접 연결하는 방식이다<Fig. 6>. 이 때 사용되는 볼트는 M24 육각 고력볼트(F10T)이 며 길이 40mm로 총 15개가 설치된다. 두 번째는 파 일 두부 정리가 필요하여 HAT Joint용으로 특수 제 작한 선단캡을 사용할 경우이다. 커팅 후 설치될 선 단캡은 <Fig. 7>과 같으며 PHC 파일과의 연결과 HAT Joint와의 연결이 모두 이루어진다. <Table 1> 에서 확인할 수 있듯이 PHC 파일과 특수 선단캡은 100mm 길이의 M20 접시머리볼트 19개를 이용하여 연결하고, 선단캡과 HAT Joint의 연결에는 파일 두부 정리가 필요없는 은 첫 번째 방식과 동일한 40mm의 M24 육각 고력볼트(F10T)를 사용한다.

    첫 번째로 진행할 볼트 인발 실험은 PHC 파일과 특수 선단캡의 연결을 위한 M20 볼트에 대한 검증을 목표로 하였다. 즉, M20 볼트를 이용한 결합으로 PHC 파일의 이동 및 설치에 필요한 인장력을 만족하 기위해 요구되는 삽입길이와 인발력의 상관관계를 제 시하고자 한다.

    두 번째, 휨 성능평가 실험은 기성 PHC 파일과 HAT Joint 연결을 위한 M24 볼트에 대한 검증을 목 표로 하였다. HAT Joint는 15개의 볼트로 연결이 되 며 약 152ton의 무게를 견딜 수 있으므로, 직경 1,000mm PHC 파일의 무게가 1ton/m이고 시공 시 사용되는 최대 길이가 50m임을 고려할 때 인발력에 대한 우려는 없다고 판단하였다. 따라서 시공 시 횡 력이 가해졌을 때의 연결부 거동 및 성능을 검증하고 자 한다.

    3.볼트 인발 실험

    3.1.개요

    HAT Joint 시공 시 PHC파일-선단캡 간 결합에 사용되는 M20 볼트의 콘크리트 삽입 깊이별 인발 력을 파악하고 이를 이용하여 최대 PHC 파일 길이 50m의 무게인 46.1ton(452.27kN)에 대한 인장력을 만족하는지 검증하기 위함이다.

    3.2.실험체 선정

    M20 볼트는 <Fig. 8>과 같이 PHC 파일에 천공 후 선단캡과 함께 결합에 이용된다. 천공 직경이 18mm 이하일 때는 볼트 설치 시 과도한 힘을 필요 로 하여 시공 시 적합하지 않은 것으로 판단되어 19mm로 결정하였다.

    볼트의 삽입 깊이는 <Fig. 9>와 같이 제작된 선단 캡 볼트 구멍의 높이를 제외한 실제 콘크리트 설치 부분으로 정했으며, 접시머리볼트 길이의 기본치수 (KS B 1017)에 따라 시중 규격에 맞는 볼트 길이에 따른 변수를 선정하였다. 또한 삽입 시 발생할 수 있는 수직도에 대한 영향을 평가하기 위해 88.5mm, 93.5mm, 98.5mm, 113.5mm 변수에서는 0~2°, 103.5mm 변수에서는 2~4°, 108.5mm 변수에서는 4~6°의 수직도변수를 가지고 <Table 2>와 같은 총 19개의 실험체를 결정하였다.

    3.3.가력 및 측정방법과 실험체 설치

    볼트 인발 실험을 진행할 Actuator에 맞춰 인발 실험체 형상은 <Fig. 10>과 같이 고안되었다. 실험 체는 콘크리트와 M45 전나사, M20 전나사로 이루 어져 있다. M45 전나사는 콘크리트 양생 시 내부 너트와 함께 설치되어 실험체를 지그로 고정할 때 사용되며 M20 전나사는 너트를 이용해 Actuator의 지그에 설치 후 인발 가력함으로써 볼트와 콘크리 트가 분리되는 인발 하중을 측정하였다.

    3.3.1.가력 및 설치 계획

    실험체는 <Fig. 11>, <Fig. 12>와 같이 설치를 하 였으며, 콘크리트 시편과 볼트의 분리 및 콘크리트 파괴의 이유로 내력 감소가 일어날 때까지 변위제 어 방식으로 0.2mm/s의 속도로 가력 하였다.

    3.3.2.실험 결과

    <Fig. 13>은 볼트 인발 실험 결과 중 기본 실험체 인 88.5mm 깊이 변수에 대한 결과를 정리한 그래 프이다. 1회 천공 시 인발력은 35kN과 28kN, 2회 천공 시 18kN과 16kN으로 인발력 감소가 일어난 것을 볼 수 있다. 이는 93.5-c 실험체의 경우에서도 마찬가지로 2회 천공 시 발생할 수 있는 문제점이 나타났다.

    콘크리트에 설치되는 볼트의 인발력은 천공 시 생기는 콘크리트 가루와 나사산이 맞물리며 저항력 이 발생하므로 천공 후 콘크리트 가루를 제거하지 않고 볼트를 시공하는 것을 권장할 필요성이 있다 고 판단된다.

    인발 강도는 일반적인 경우 최소 28.7kN (88.5mm 실험체)으로 나타났으며, 이 실험 결과를 반영한 총 19개의 M20볼트로 연결되는 HAT Joint 는 최소 55ton의 인발력을 견딜 수 있다.

    <Table 3>은 시험 결과를 정리한 표이다. 앞에서 언급하였듯이 2번 천공을 한 실험체는 인발력이 크 게 감소하였고, 이 외에도 수직도 문제가 인발력에 영향을 끼치는 것으로 판단된다. 88.5mm의 삽입 깊 이로부터 113.5mm까지 수직도 2° 이내의 실험체들 은 볼트 깊이에 따른 인발력이 증가 추세를 보이고 있고 6° 이상의 수직도를 가지는 108.5mm 삽입깊 이의 실험체 3개는 다른 실험체들보다 낮은 인발력 을 가지는 것으로 확인되었다. 수직도가 클수록 볼 트 삽입을 위한 천공과 볼트 드릴링 사이의 이격을 발생시켜 2회 천공과 유사한 감소 문제를 발생한 것으로 판단된다. 따라서 HAT Joint 파일 길이 조 정방법에 따른 제작된 선단캡과 PHC 파일의 M20 볼트 연결 시 2° 이내의 수직도를 고려하여 1회 천 공 및 설치가 이루어져야한다.

    콘크리트 설치 볼트 인발에 대한 연구는 거의 이 루어지지 않고 있으며, 기존 대부분의 연구는 앵커 볼트를 위주로 이루어져 있다. 앵커의 파괴 양상은 ‘앵커 파괴(Steel Fracture)’, ‘뽑힘 파괴(Pull-Out)’, ‘콘크리트 콘 파괴(Concrete Breakout)’, ‘콘크리트 측면 파괴(Concrete Splitting)’로 나눌 수 있다.

    이 중 파괴 양상이 콘크리트 콘 파괴와 가장 유사 함을 확인하였다. 앵커볼트를 88.5mm 삽입한 경우 계산되는 콘크리트 파괴강도는 N cb = A N A N 0 ψ 2 ψ 3 N b 로 계산되며 실험체의 N b = k f ck h ef 1 . 5 = 61.12kN 이 므로 85.6kN이다.

    볼트 인발 실험과 동일한 삽입 깊이별 계산 값은 각각 85.6kN, 92.6kN, 100.5kN, 108.2kN, 116.2kN, 124.3kN이다. 이 값들은 실험을 통해 얻은 볼트 삽 입 깊이별 결과에 비해 큰 값으로써 이는 앵커 볼트 의 경우 콘크리트와의 결합 여부가 더욱 긴밀하고, 삽입된 부분의 끝부분 상세가 차이가 나서 생기는 현상으로 판단된다.

    실험결과를 고려하여, 앵커볼트 사용 시 계산되는 콘크리트 파괴강도에 감소계수 0.3을 제안하여 계산 한 값과 실험 결과를 <Table 3>에서 함께 나타내었 다. 2번 천공 하였거나 수직도가 2°를 초과하는 실 험체를 제외하고는 모든 삽입 길이별 실험체에서 감소계수가 적용된 파괴강도를 상회하는 값을 가지 는 것을 확인 할 수 있으므로 감소계수 0.3의 적용 은 적절한 것으로 판단된다.

    또한 HAT Joint에는 총 19개의 콘크리트 설치 볼 트가 사용되며 감소계수를 적용하여 제안된 식을 통해 계산된 인장강도는 88.5mm가 삽입된 경우 487.92kN으로 국내 시공되는 PHC 파일의 최대 길 이인 50m의 자중인 48.35ton을 상회하는 것을 확인 할 수 있다.

    4.휨 성능평가 실험

    4.1.개요

    HAT Joint와 PHC 파일 간 조립에 사용되는 볼 트 연결부위에 대해 휨에 대한 성능 정도를 파악하 기 위한 실험을 진행하였다.

    휨 실험의 목적은 HAT Joint와 PHC 파일캡을 연결하는 M24 고력볼트의 안정성을 확인하는 것이 다. PHC 파일캡은 내부 PC 강봉으로 고정이 되어 있으며, 이 파일캡과 HAT Joint는 다시 M24 볼트 로 연결이 된다. 따라서 내부 PC 강봉과 볼트의 인 장강도가 같다면 접합부의 특성상 HAT Joint는 PHC 파일의 연장으로 봐도 무방하다. 사용된 PHC 파일 내부 PC 강봉(11.2mm)의 인장강도는 1514N/ mm2으로 전체 19개 PC 강봉의 인장강도의 합은 2,832kN이다. 휨 실험의 경우 PC 강봉의 절반이 인 장력으로 모멘트에 저항을 하게 되며 이는 볼트 또 한 마찬가지이다. 따라서 휨을 통해 인장을 받는 HAT Joint 볼트부분이 1416kN 이상의 인장력에도 파단이 일어나지 않는다면 이는 PC 강봉과 같거나 높은 인장성능을 갖고 있는 것을 뜻한다. 이와 같은 인장력을 HAT Joint의 볼트에 가할 때의 중앙부 하 중은 188.8kN이며 이를 실험 목표하중으로 결정하 였다. 목표 하중 이상에서도 HAT Joint에 설치된 M24 볼트에 파단 등의 문제가 발생하지 않는다면 볼트연결부위는 PC 강봉보다 높은 성능을 가지며 HAT Joint 볼트 연결부가 충분히 안정적인 것을 뜻 한다.

    4.2.실험체 선정

    실험체 전체 길이는 총 11.962m(용접 부위 제외) 이며 실험체 최대 높이는 PHC 파일 직경인 1,000mm이다<Fig. 14>.

    4.3.가력 및 측정계획과 실험체 설치

    <Fig. 15>, <Fig. 16>의 휨 실험체는 Actuator의 손상을 방지하고 실험체 중심부를 가력하기 위해 중심부에 가력을 받는 판을 설치하였으며, 0.05 mm/sec의 변위제어를 통한 단조압축 가력으로 진 행하였다.

    Strain gauge는 <Fig. 17>과 같이 총 19개를 부착 하였다. K1~7과 T1~7은 각각 양 HAT Joint의 볼트 부위에 장착되었으며, 가력 방향에 맞춰 1축 게이지 로 진행하였다. P1~4는 PHC 파일캡에 설치하여 SS400재질의 파일캡의 거동을 확인하는 목적을 갖 는다. C1은 H형강 가력부위의 반대쪽인 아래에 위 치하며 H형강의 변형을 확인하기 위해 설치하였다.

    LVDT는 아래 <Fig. 18>과 같은 총 3개의 지점에 LVDT를 설치하였다. L1, L3은 실험 목표인 볼트 접 합 부위의 변위를 확인하기 위해 설치하였으며 L2는 H형강의 휨에 의한 처짐을 확인하기 위함이다.

    4.4.실험 결과

    <Fig. 19>는 2개의 HAT Joint를 연결한 H형강이 양쪽 HAT Joint로 충분히 하중을 전달할 수 있는지 확인하기 위해 설치한 L2의 하중-변위 그래프이다. 목표하중인 188.8kN을 초과한 395kN에서 H형강이 항복함을 볼 수 있으며, 목표한 하중까지는 충분히 하중을 전달하였음을 확인할 수 있다.

    이러한 결과는 볼트 연결부위의 게이지 분석을 통해서도 확인할 수 있다. HAT Joint 재료실험 시 SCW550은 0.0012의 변형률에서 항복함을 확인하였 으며<Fig. 20>, 휨 시험 시 측정된 각 부근의 변형 률을 이와 비교하여 재료의 항복을 확인하였다.

    <Table 4>와 같이 각 볼트 위치의 최대 변형률 검토 결과 SCW550의 재료 실험 결과 항복 변형률 인 0.0012에 모두 크게 미치지 못하는 것을 확인할 수 있다. K1~7의 볼트 변형률의 경우 평균 15.7%, T1~7의 경우 16.3%로 모두 검토 기준의 25%에도 미치지 못한다. 이를 통해 HAT Joint의 볼트 결합 이 PHC 파일 선단캡과 충분히 강한 결합을 하고 있어 휨에 의한 인발 성능을 만족한다는 것을 확인 할 수 있다. 목표하중인 188.8kN은 PC강봉의 강도 를 기준으로 잡은 만큼 볼트의 결합력이 PHC 파일 의 강봉보다 우수함을 나타내며, 접합부의 특성상 결합부위의 강함은 접합부가 PHC 파일의 연장으로 봐도 무방하다고 판단된다.

    5.결론

    본 연구는 PHC 파일과 철골기둥을 연결하기 위 한 반구형 접합부(HAT Joint) 개발과정 중 접합부 의 실제 시공 시 볼트 연결에 대한 안정성 및 적절 성 판단을 위해 볼트 인발실험과 휨 성능평가를 진 행하였다. PHC 파일의 두부정리 후 특수 제작한 선 단캡과 PHC 파일을 연결하는 M20 볼트에 대한 인 발력 확인을 위해 볼트 인발실험이 진행되었으며, HAT Joint와 선단캡을 연결하는 M24 볼트는 단순 인발의 경우 PHC 파일 제작 시 선단캡의 M24 볼 트 구멍 용도가 PC 강봉의 인장을 위해 존재하는 것이므로 인발력 평가의 일환으로 휨 성능 평가가 진행되었다.

    이 두 가지 실험을 통해 HAT Joint의 볼트 연결 에 대해 타당성을 검증하였으며 그 내용을 정리하 면 다음과 같다.

    • 1) 볼트 인발실험 결과와 앵커볼트의 콘크리트 파 괴강도 식으로 도출된 파괴강도를 비교하여 천공 후 설치한 M20 볼트의 삽입 깊이에 따른 인발 강도 식 0.3*Ncb을 제안하였다.

    • 2) 볼트 인발실험 결과 1회 천공을 통한 2° 이내 의 수직도를 가지는 실험체는 제안된 인발 강도식 0.3*Ncb을 만족하는 것을 확인하였고, 이는 50m의 PHC 파일을 지지할 수 있는 정도로 우수한 인발 성능을 지닌다.

    • 3) PHC 파일 내부 PC 강봉과 M24 볼트와의 인 장력 비교를 위한 휨 실험 결과 목표한 하중 내의 모든 위치에서 작은 변형률 값을 보이고 있으며, 이 를 통해 HAT Joint와 선단캡 연결을 위한 M24 볼 트의 안정성을 검토하였다.

    개발된 반구형 접합부(HAT Joint)의 실제 현장 적용을 위한 볼트 연결부위에 대한 검토는 두 가지 실험을 통해 문제가 없음을 판별하였다. 또한 추가 연구를 통해 콘크리트 설치 볼트의 인발 강도식의 보완 및 검증이 필요할 것으로 사료된다.

    Figure

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    Detail of existing joint between PHC pile and steel column

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    Moment stress at opening in PHC pile

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    Half-sphere joint between PHC pile and steel column

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    Process of development

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    Shapes of HAT joint

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    Bolt connection between pure PHC pile and HAT joint

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    Developed cap of PHC pile

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    Insert bolt process

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    Variables of specimen

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    Actuator for pulling test

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    Installation plan

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    Picture of test

    KASS-15-65_F13.gif

    Graph of the results

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    Details of flexural test specimen

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    Concept of loading

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    Photo after setting

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    Location of strain gauge

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    Location of LVDT

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    Load-distance graph(L2)

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    Material property of SCW550

    Table

    Connecting bolt

    [Normal PHC pile]

    Variables for the test

    Summary of results

    Maximum strain value

    Reference

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