KR101489707B1 - 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치 - Google Patents

기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법은, (a) 말뚝 하부 구조와 말뚝 상부 구조를 가지는 단일 현장타설말뚝에 관하여, 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조의 고정을 가정한 경계조건에 따라 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 지반 반력을 산정하는 단계, (b) 말뚝 상부 구조의 수치 해석을 통해 산정된 지반 반력을 단일 현장타설말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 단계, (c) 산정된 스프링 강성 행렬을 말뚝 상부 구조의 지표면에 관한 경계 조건으로 하여 말뚝 상부 구조를 수치 해석하는 단계, (d) 단계 (b)와 단계 (c)를 반복적으로 수행하고, 지표면의 경계에서 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조의 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 단계, (e) 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비의 값들에 따라 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계를 도출하는 단계 및 (f) 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ESTIMATING OPTIMAL COLUMN-PILE STIFFNESS RATIO OF BENT PILE STRUCTURE WITH VARYING CROSS-SECTION IN CONSIDERATION WITH COLUMN-PILE INTERACTION}
본 발명은 말뚝 해석 및 설계 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 단일 현장타설말뚝의 해석 및 설계 기술에 관한 것이다.
교량, 도로교, 경전철 철로 구조물 등 등은 일반 구조물에 비해 풍하중 및 지진하중 등 수평하중에 민감하여, 수평하중을 고려한 설계가 중요하다. 이에 따라, 지중 지장물에 대한 간섭 현상 및 소음 진동 문제를 최소화하면서 시공성과 경제성을 향상시킬 수 있도록, 단일 현장타설말뚝을 시공하는 사례가 늘고 있다.
단일 현장타설말뚝(Bent Pile)은, 종래에 말뚝기초에 적용되는 푸팅을 이용하는 대신에, 직경이 약 1.0 ~ 3.0 미터 정도의 철근 콘크리트를 이용하여 기초와 기둥을 연속적으로 시공하는 방식의 기초로서, 푸팅 시공 시에 문제가 되는 과다한 지반 절취 없이 다양한 지반 조건에 적용될 수 있고 지진에 대해서도 유연한 거동을 보인다.
반면에, 단일 현장타설말뚝은 말뚝 기초 방식에 비해, 지표 위의 기둥과 지표 밑의 말뚝(기초)의 중간에 말뚝 캡(pile cap)이 없이 기둥과 말뚝이 일체화되어 지상부로 돌출되는 구조적인 특성에 따라, 수평 하중에 민감하여 수평 거동의 해석이 매우 중요하다. 만약 지상부로 돌출된 기둥 재료가 수평 하중에 대해 소성 단계로 넘어가면 위험할 수 있다. 또한 지표 이하에 근입된 말뚝부에 대한 상세한 설계도 중요하다.
지금까지의 단일 현장타설말뚝의 설계와 해석은 단순히 기둥과 말뚝을 연속된 구조물로 간주하고 가상 고정점 이론에 의해 말뚝을 해석하므로, 지표면을 기준으로 하부 말뚝의 일부만 고려된다.
가상 고정점 이론은 지표면을 중심으로 하부 말뚝을 수평하중에 대해 저항하는 깊이인 가상 고정점까지만 고려하는 기법으로서, 단일 현장타설말뚝 전체를 그 가상 고정점에 고정된 하나의 말뚝으로 간주하는 등가 고정된 모델을 구축하고 해석하는 근사적 방법이다.
가상 고정점 이론은 말뚝을 하나의 탄성 캔틸레버 보로 가정하고, 지반은 선형 탄성체인 단일 지반으로 가정한다. 또한 가상 고정점이 수평 하중에만 관계된 특성치이기 때문에, 상부 구조물의 수평 하중에 대해 고려하지만, 수직 하중을 고려하지 못하게 되고, 지표 하부의 실제 말뚝 길이에 상관없이 가상 고정점이 항상 동일한 위치에 있는 것으로 모델링된다. 따라서, 지표 하부의 말뚝의 실제 거동과 지반의 변위를 반영하기 어렵다.
단말 현장타설말뚝은 상부 기둥과 하부 말뚝의 직경이 동일한 형식과 직경이 달라지는 변단면 형식으로 구분된다. 동일 단면 형식의 단일 현장타설말뚝의 최대 휨모멘트는 지표면 아래로 약 1~3D 정도의 깊이(D는 말뚝 직경)에서 발생하며, 이 범위에 구조적으로 취약한 부위인 소성 힌지가 존재한다고 알려져 있다.
소성 힌지가 지표면 아래, 즉 지중에 있을 경우에 말뚝에 문제가 발생하면 발견이나 확인이 어렵고 보수는 더 어려울 수 있다. 이에 따라 소성 힌지가 지표 위에 존재하도록 설계하는 편이 유리하다. 이를 위해서는 기둥 직경이 말뚝 직경보다 작도록 변단면 설계하거나, 직경을 유지하면서 말뚝 상단부를 강관으로 보강하는 방법 등으로 변단면 설계와 동일한 효과가 나타나도록 설계하면, 소성 힌지가 변단면 위치에 나타나도록 유도할 수 있다.
이렇듯 변단면을 채택한 단일 현장타설말뚝의 설계는 시공성과 경제성을 동시에 만족할 수 있지만, 변단면 단일 현장타설말뚝은 동일 단면 형식의 단일 현장타설말뚝에 비해 소성 힌지의 형성 길이가 비교적 짧아 상대적으로 취성적(brittle) 거동이 유발되기 쉽다.
따라서 변단면 형식의 단일 현장타설말뚝의 최적의 설계를 위한 구조 해석 방법이 절실히 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 수직 하중과 말뚝 길이를 모두 감안하고 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기둥-말뚝의 최적 변단면비를 산정함으로써, 소성 힌지가 지표 상의 변단면에 나타나도록 설계할 수 있는 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법은,
(a) 말뚝 하부 구조와 말뚝 상부 구조를 가지는 단일 현장타설말뚝에 관하여, 지표면을 기준으로 상기 말뚝 하부 구조의 고정을 가정한 경계조건에 따라 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 지반 반력을 산정하는 단계;
(b) 상기 말뚝 상부 구조의 수치 해석을 통해 산정된 지반 반력을 상기 단일 현장타설말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라 상기 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 단계;
(c) 상기 산정된 스프링 강성 행렬을 말뚝 상부 구조의 지표면에 관한 경계 조건으로 하여 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하는 단계;
(d) 단계 (b)와 단계 (c)를 반복적으로 수행하고, 지표면의 경계에서 상기 말뚝 상부 구조와 상기 말뚝 하부 구조의 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 단계;
(e) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비의 값들에 따라 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계를 도출하는 단계; 및
(f) 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 구조 해석 모델은 등가 지반면 스프링 모델(Equivalent base spring model)에 기반할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 단계 (d)는,
단계 (b)와 단계 (c)를 반복적으로 수행하고, 지표면의 경계에서 상기 말뚝 상부 구조와 상기 말뚝 하부 구조의 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때에, 상기 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 상기 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증하고, 만약 안정성이 확인되면 상기 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 단계일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 단계 (e)는
(e-1) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정하는 단계;
(e-2) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출하는 단계;
(e-3) 상기 균열 모멘트를 상기 하중-최대 휨모멘트 관계식에 적용함으로써 수평 균열 하중을 산정하는 단계; 및
(e-4) 상기 기둥-말뚝 강성비를 변화시키면서 단계 (e-1) 내지 단계 (e-3)를 반복적으로 수행함으로써 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계는
가로축이 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)이고 세로축이 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)인 실수 공간 상의 그래프로 도식화되고,
상기 수평 균열 하중비의 분자 F는 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 기둥과 말뚝의 강성이 달라진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 수평 균열 하중비의 분모 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치는,
단일 현장타설말뚝의 말뚝 상부 구조에 대해서, 최초의 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에서 나타나는 지반 반력을 산정하고, 단일 현장타설말뚝의 말뚝 하부 구조에 대해서, 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 분리 수치 해석을 반복적으로 수행하여, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 말뚝 분리 해석부; 및
상기 최종 구조 해석 모델을 기초로 기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하고 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부를 포함하며,
여기서 수평 균열 하중비의 분자 F는 말뚝에 비해 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 분모 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중일 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 말뚝 분리 해석부는,
최초의 반복 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면의 지반 반력을 산정하는 상부 구조 모델링부;
상기 산정된 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 상기 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 하부 구조 모델링부; 및
지표면의 경계에서 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조에 관한 부재력과 변위의 각각 또는 모두를 모니터링하고, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 최종 구조 해석 모델 도출부를 포함하며,
상기 상부 구조 모델링부와 상기 하부 구조 모델링부는 각각 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조의 수치 해석을 반복 연산하도록 동작할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 말뚝 분리 해석부는,
부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증하는 안정성 검증부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 구조 해석 모델은 등가 지반면 스프링 모델에 기반할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부는,
상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 강성비-수평 균열 하중비 분석부에서 주어지는 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정하는 균열 모멘트 산정부;
상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 상기 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출하는 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부;
상기 균열 모멘트와 상기 하중-최대 휨모멘트 관계식에 기초하여 수평 균열 하중을 산정하는 수평 균열 하중 산정부; 및
기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 상기 수평 균열 하중 산정부에서 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라 도출되는 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계로부터 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 강성비-수평 균열 하중비 분석부를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라, 상기 강성비-수평 균열 하중비 분석부는,
기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계가 가로축이 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)이고 세로축이 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)인 실수 공간 상의 그래프로 도식화하될 경우에, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하도록 동작할 수 있다.
본 발명의 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치에 따르면, 수직 하중과 말뚝 길이, 지반의 구조를 모두 감안하여 단일 현장타설말뚝의 실제 거동을 예측할 수 있다.
본 발명의 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치에 따르면, 소성 힌지가 지표 상의 변단면에 나타나도록 기둥-말뚝의 최적 변단면비를 산정할 수 있다.
본 발명의 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치에 따르면, 기둥-말뚝의 최적 변단면비를 산정함으로써 최적의 경제성과 유지보수의 용이성을 도모할 수 있다.
본 발명의 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법 및 장치에 따르면, 지표면 이하의 토목공학적 접근 방식과 지표면 이상의 건축공학적 접근 방식 각각의 해석 기법, 이론, 엔지니어링 관점, 철학과 커뮤니케이션의 차이 및 이해관계의 충돌 등을 적절히 충족시킬 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법을 예시한 순서도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법에서 최적의 강성비가 나타나는 지점을 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치를 예시한 블록도이다.
본문에 개시되어 있는 본 발명의 실시예들에 대해서, 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본문에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 된다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법을 예시한 순서도이다.
도 1을 참조하면, 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법은 먼저 단계(S11)에서, 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건(boundary condition)에 따라 말뚝 상부 구조(superstructure)를 수치 해석(numerical analysis)하여 지표면, 즉 말뚝 두부에서 나타나는 지반 반력(reaction force)을 산정한다. 수치 해석은 예를 들어 3차원 유한요소해석을 이용할 수 있고, 이를 위한 구조 해석 모델링 기법은 등가 지반면 스프링 모델(Equivalent base spring model) 또는 이와 유사한 모델링 기법이 바람직할 수 있다. 등가 지반면 스프링 모델은 반복 연산이 필요하지만 기존의 탄성 스프링 모델(Equivalent soil spring model)이나 등가 고정단 모델(Equivalent cantilever model)의 여러 한계들을 극복한 장점이 있다.
이어서, 단계(S12)에서, 말뚝 상부 구조의 수치 해석을 통해 산정된 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라 말뚝 하부 구조(substructure)를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬(Coupled Stiffness Matrix, CSM)을 산정한다. 스프링 강성 행렬은 예를 들어 6x6 스프링 강성 행렬일 수 있다.
단계(S13)에서, 산정된 스프링 강성 행렬을 말뚝 상부 구조의 지표면에 관한 경계 조건으로 하여 말뚝 상부 구조를 다시 수치 해석한다. 구조 해석 모델링 기법은 등가 지반 스프링 모델에 기반할 수 있다.
단계(S14)에서, 단계(S12)와 단계(S13)을 반복적으로 수행하여 지표면의 경계에서 말뚝 상부 구조의 기둥과 말뚝 하부 구조의 기초에 관한 부재력(member force)과 변위(displacement)의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출한다.
특히, 수렴이 일어났을 때에, 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증하고, 안정성이 확인되면 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 승인할 수 있다.
단계(S15)에서, 반복적인 수치 해석에 따라 얻어진 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계(moment-curvature relationship) 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정한다.
기둥-말뚝 강성비는 단일 현장타설말뚝의 기둥과 말뚝의 단면 및 물성을 변화시킴으로써 말뚝의 강성에 대비하여 기둥의 강성이 변화하는 비율을 의미한다.
단계(S16)에서, 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출한다.
단계(S17)에서, 단계(S15)의 균열 모멘트를 단계(S16)에서 산정된 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식에 적용함으로써 수평 균열 하중을 산정한다.
단계(S18)에서, 기둥-말뚝 강성비를 변화시키면서 단계(S15) 내지 단계(S17)를 반복적으로 수행함으로써 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출한다.
이때, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계는 그래프로 도식화될 수 있다. 여기서 수평 균열 하중비의 분자를 이루는 F는 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 기둥과 말뚝의 강성이 달라진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 분모에 해당하는 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이다.
단계(S19)에서, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정한다.
한편, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프를 예시하기 위해 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법에서 최적의 강성비가 나타나는 지점을 예시한 도면이다.
앞서 설명한 바와 같이, 취약한 소성 힌지의 출현 위치를 지표로 끌어올리기 위해서는 말뚝의 강성에 대비하여 기둥의 강성을 점점 줄일 필요가 있는데, 기둥의 강성을 줄이는 것은 상부 구조물에 구조적인 문제를 일으킬 수 있다.
따라서, 최적의 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)를 찾는다는 것은, 상부 구조물에 구조적 문제를 최소화하면서 동시에 취약한 소성 힌지를 지표면에 존재하게 하는 기둥의 강성을 찾는 것을 의미할 수 있다.
취약한 소성 힌지의 출현 위치를 지표로 끌어올리기 위해 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중 FSc=Sp을 시작으로 점점 기둥의 강성을 줄이면서, 변단면을 갖게 되는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중 F의 변화를 살펴보면, 기둥의 강성이 점점 줄어듦에도 어느 기둥 강성이 특정한 값에 도달하기 전까지는 수평 균열 하중 F의 변화는 크게 나타나지 않는다.
이는 기둥의 강성이 줄어들더라도 변단면 적용의 효과가 거의 나타나지 않아 동일 단면의 단일 현장타설말뚝과 마찬가지로 지중부의 말뚝 하부 구조에 취약부가 존재하며, 파괴가 일어날 정도의 수평 균열 하중이 가해지면 지중에서 말뚝이 파괴된다는 것을 의미한다.
또한, 기둥의 강성이 줄어들더라도 이 단일 현장타설말뚝이 견딜 수 있는 수평 균열 하중은 기둥 강성이 줄기 전과 거의 같다는 점을 의미하기도 하는데, 이는 기둥의 강성을 말뚝과 동일하게 설계하더라도 전체적으로 단일 현장타설말뚝이 견디는 수평 균열 하중 측면에서 이점이 없다는 의미이고, 기둥의 과다 설계 가능성을 내포한다.
기둥의 강성이 좀더 감소하면 결국 변단면 적용의 효과가 나타나기 시작하고, 지상부의 말뚝 상부 구조에 취약부가 나타나서, 파괴가 일어날 정도의 수평 균열 하중이 가해지면 지상에서 기둥이 파괴된다는 것을 의미한다.
이러한 관점에서 도 2를 참조하면, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프은 가로축이 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)이고, 세로축이 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)이다.
단일 현장타설말뚝의 기둥과 말뚝의 강성이 동일할 때에는, 가로축에서 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)는 1이고 세로축에서 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)도 1이다.
(1,1) 좌표의 A 지점에서 기둥의 강성(Sc)을 말뚝 강성비(Sp)에 비해 줄이기 시작할 때의 그래프는, 가로축의 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp) 값은 점점 줄어들지만, 세로축의 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 값이 거의 변화가 없는 모습이다. 앞서 설명하였듯이, 줄어든 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)에서나 줄기 전의 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)에서나, 거의 비슷한 값의 수평 균열 하중 F 이상의 수평 하중이 변단면 단일 현장타설말뚝에 가해지면 파괴가 일어나며 더구나 지중부의 말뚝에서 파괴가 일어난다. 따라서 이러한 경향이 유지되는 한, 기둥(Sc)의 강성을 낮출수록 경제적으로나 유지보수 측면으로나 바람직하다.
반면에 기둥의 강성(Sc)을 크게 줄여서 원점에 근접하는 경우의 그래프는, 가로축의 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp) 값이 변함에 따라, 세로축의 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 값도 거의 선형적으로 변하는 모습을 나타낸다. 이는 기둥의 강성(Sc)에 따라 단일 현장타설말뚝이 견디는 수평 균열 하중이 좌우된다는 것과, 변단면 적용에 따른 수평 균열 하중 F가 동일 단면일 때의 수평 균열 하중 FSc=Sp에 비해 크게 작아져서, 파괴가 일어날 때 지상부의 기둥에서 파괴가 일어남을 의미한다. 따라서 이러한 경향이 유지되는 한, 기둥(Sc)의 강성을 높일수록 구조적으로 바람직하다.
이에 따라, 두 가지 경향의 곡선들이 서로 만나는 B 지점이, 최적의 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)를 얻을 수 있는 지점임을 알 수 있다.
B 지점의 기둥 강성(Sc)은 변단면 적용의 효과로서 취약부를 지표면으로 옮겨놓으면서, 동시에, 변단면 적용에 따른 수평 균열 하중 F를 최대로, 다시 말해, 동일 단면일 때의 수평 균열 하중 FSc=Sp과 거의 같은 값으로 확보할 수 있는 기둥 강성 값이다.
이때의 기둥 강성(Sc)은 말뚝 강성(Sp)에 비해 상당히 감소하였으므로 기둥에 투입될 자재 및 시공 기간을 줄일 수 있으므로 시공의 경제적 이점을 가진다. 또한 부수적으로, 동일 단면의 경우에 비해 기둥이 덜 두껍게 시공될 것이므로, 지상의 상부 구조물에서 기둥이 점유하는 공간이 줄어들고 사용자들의 실제 가용 공간은 늘어날 수 있는 이점도 누릴 수 있다.
나아가 앞서, 단계(S11)과 단계(S13)은 건축공학에 속하는 구조공학적 접근 방식이 적용되는 단계라 할 수 있고, 단계(S12)는 토목공학에 속하는 지반공학적 접근 방식이 적용되는 단계라 할 수 있다. 따라서, 본 발명은 현실적으로 하나의 부재이면서도 설계나 시공 시에는 이질적으로 다뤄지는 경향이 있는 변단면 단일 현장타설말뚝에 대해 토목 엔지니어와 구조 엔지니어가 합리적으로 협업할 수 있는 방안을 제시한다고 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기둥-말뚝 상호 작용을 고려한 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치를 예시한 블록도이다.
변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치(30)는 말뚝 분리 해석부(31) 및 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부(32)를 포함할 수 있다.
말뚝 분리 해석부(31)는, 단일 현장타설말뚝의 말뚝 상부 구조에 대해서, 최초의 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에서 나타나는 지반 반력을 산정하고, 단일 현장타설말뚝의 말뚝 하부 구조에 대해서, 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 분리 수치 해석을 반복적으로 수행하여, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출한다.
좀더 구체적으로, 말뚝 분리 해석부(31)는 상부 구조 모델링부(311), 하부 구조 모델링부(312), 최종 구조 해석 모델 도출부(313) 및 안정성 검증부(314)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 말뚝 하부 구조와 말뚝 상부 구조를 가지는 단일 현장타설말뚝에 관하여, 상부 구조 모델링부(311)는 최초의 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면, 즉 말뚝 두부에서 나타나는 지반 반력을 산정한다.
수치 해석은 예를 들어 3차원 유한요소해석을 이용할 수 있고, 이를 위한 구조 해석 모델링 기법은 등가 지반면 스프링 모델에 기반할 수 있다.
하부 구조 모델링부(312)는 상부 구조 모델링부(311)에서 말뚝 상부 구조의 수치 해석을 통해 산정된 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정한다. 스프링 강성 행렬은 예를 들어 6x6 스프링 강성 행렬일 수 있다.
상부 구조 모델링부(311)와 하부 구조 모델링부(312)는 각각 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조의 수치 해석을 반복적으로 수행한다.
최종 구조 해석 모델 도출부(313)는 지표면의 경계에서 말뚝 상부 구조의 기둥과 말뚝 하부 구조의 기초에 관한 부재력과 변위의 각각 또는 모두를 모니터링하고, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출한다.
안정성 검증부(314)는 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증한다.
이에 따라, 최종 구조 해석 모델 도출부(313)는 안정성 검증부(314)에서 안정성이 검증되는 조건 하에, 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출할 수 있다.
최적 기둥-말뚝 강성비 산정부(32)는 말뚝 분리 해석부(31)에서 도출된 최종 구조 해석 모델을 기초로 기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하고 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정한다.
이를 위해 구체적으로, 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부(32)는 균열 모멘트 산정부(321), 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부(322), 수평 균열 하중 산정부(323), 강성비-수평 균열 하중비 분석부(324)를 포함할 수 있다.
균열 모멘트 산정부(321)는 말뚝 분리 해석부(31)에서 제공된 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 강성비-수평 균열 하중비 분석부(324)에서 주어지는 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정한다.
수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부(322)는 말뚝 분리 해석부(31)에서 제공된 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출한다.
수평 균열 하중 산정부(323)는 균열 모멘트 산정부(321)에서 산정된 균열 모멘트와 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부(322)에서 산정된 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식에 기초하여 수평 균열 하중을 산정한다.
강성비-수평 균열 하중비 분석부(324)는 기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 균열 모멘트 산정부(321), 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부(322) 및 수평 균열 하중 산정부(323)에서 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하고 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정한다.
여기서 수평 균열 하중비의 분자를 이루는 F는 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 기둥과 말뚝의 강성이 달라진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 분모에 해당하는 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 본 발명의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽힐 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 기록매체의 예로는 ROM, RAM, 광학 디스크, 자기 테이프, 플로피 디스크, 하드 디스크, 비휘발성 메모리 등을 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
30 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치
31 말뚝 분리 해석부
311 상부 구조 모델링부
312 하부 구조 모델링부
313 최종 구조 해석 모델 도출부
314 안정성 검증부
32 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부
321 균열 모멘트 산정부
322 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부
323 수평 균열 하중 산정부
324 강성비-수평 균열 하중비 분석부

Claims (13)

  1. 컴퓨터에 의해 수행되는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법으로서,
    상기 컴퓨터가,
    (a) 말뚝 하부 구조와 말뚝 상부 구조를 가지는 단일 현장타설말뚝에 관하여, 지표면을 기준으로 상기 말뚝 하부 구조의 고정을 가정한 경계조건에 따라 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 지반 반력을 산정하는 단계;
    (b) 상기 말뚝 상부 구조의 수치 해석을 통해 산정된 지반 반력을 상기 단일 현장타설말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라 상기 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 단계;
    (c) 상기 산정된 스프링 강성 행렬을 말뚝 상부 구조의 지표면에 관한 경계 조건으로 하여 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하는 단계;
    (d) 단계 (b)와 단계 (c)를 반복적으로 수행하고, 지표면의 경계에서 상기 말뚝 상부 구조와 상기 말뚝 하부 구조의 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 단계;
    (e) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비의 값들에 따라 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계를 도출하는 단계; 및
    (f) 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 단계를 포함하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 구조 해석 모델은 등가 지반면 스프링 모델(Equivalent base spring model)에 기반하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (d)는,
    단계 (b)와 단계 (c)를 반복적으로 수행하고, 지표면의 경계에서 상기 말뚝 상부 구조와 상기 말뚝 하부 구조의 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때에, 상기 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 상기 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증하고, 만약 안정성이 확인되면 상기 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 단계인 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 단계 (e)는
    (e-1) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 주어진 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정하는 단계;
    (e-2) 상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출하는 단계;
    (e-3) 상기 균열 모멘트를 상기 하중-최대 휨모멘트 관계식에 적용함으로써 수평 균열 하중을 산정하는 단계; 및
    (e-4) 상기 기둥-말뚝 강성비를 변화시키면서 단계 (e-1) 내지 단계 (e-3)를 반복적으로 수행함으로써 산출되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계는
    가로축이 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)이고 세로축이 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)인 실수 공간 상의 그래프로 도식화되고,
    상기 수평 균열 하중비의 분자 F는 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 기둥과 말뚝의 강성이 달라진 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 수평 균열 하중비의 분모 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중인 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법.
  6. 컴퓨터에서 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 청구항의 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 방법을 구현할 수 있도록 설계된 컴퓨터 프로그램이 수록된 컴퓨터로 독출할 수 있는 기록 매체.
  7. 단일 현장타설말뚝의 말뚝 상부 구조에 대해서, 최초의 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면에서 나타나는 지반 반력을 산정하고, 단일 현장타설말뚝의 말뚝 하부 구조에 대해서, 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 분리 수치 해석을 반복적으로 수행하여, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 말뚝 분리 해석부; 및
    상기 최종 구조 해석 모델을 기초로 기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라, 기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계를 도출하고 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부를 포함하며,
    여기서 수평 균열 하중비의 분자 F는 말뚝에 비해 기둥의 강성을 감소시킴에 따라 변단면을 가지는 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중이고, 분모 FSc=Sp는 기둥과 말뚝의 강성이 동일한 때의 단일 현장타설말뚝의 수평 균열 하중인 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  8. 청구항 7에 있어서, 상기 말뚝 분리 해석부는,
    최초의 반복 연산 시에는 지표면을 기준으로 말뚝 하부 구조가 고정되었다고 가정한 경계조건에 따라, 그 이후의 반복 연산 시에는 산정된 스프링 강성 행렬의 경계 조건에 따라, 상기 말뚝 상부 구조를 수치 해석하여 지표면의 지반 반력을 산정하는 상부 구조 모델링부;
    상기 산정된 지표면의 지반 반력을 말뚝에 작용하는 수직 하중으로 적용한 경계조건에 따라, 상기 말뚝 하부 구조를 수치 해석하여 지표면에 대한 스프링 강성 행렬을 산정하는 하부 구조 모델링부; 및
    지표면의 경계에서 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조에 관한 부재력과 변위의 각각 또는 모두를 모니터링하고, 부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델을 최종 구조 해석 모델로 도출하는 최종 구조 해석 모델 도출부를 포함하며,
    상기 상부 구조 모델링부와 상기 하부 구조 모델링부는 각각 말뚝 상부 구조와 말뚝 하부 구조의 수치 해석을 반복 연산하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 말뚝 분리 해석부는,
    부재력과 변위의 각각 또는 모두가 소정 레벨 이하로 수렴할 때의 구조 해석 모델에 나타난 반력을 이용하여 말뚝 하부 구조의 안정성을 검증하는 안정성 검증부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  10. 청구항 7에 있어서, 상기 구조 해석 모델은 등가 지반면 스프링 모델에 기반하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  11. 청구항 7에 있어서, 상기 최적 기둥-말뚝 강성비 산정부는,
    상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여, 강성비-수평 균열 하중비 분석부에서 주어지는 기둥-말뚝 강성비에 따른 모멘트-곡률 관계 특성을 도출하고, 모멘트-곡률 관계 특성으로부터 단일 현장타설말뚝의 재료에 균열이 발생하였을 경우의 균열 모멘트를 산정하는 균열 모멘트 산정부;
    상기 최종 구조 해석 모델에 기초하여 수평 하중의 변화에 따른 상기 단일 현장타설말뚝의 수평 거동을 분석함으로써 도출된 수평 하중 대비 최대 휨모멘트로부터 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식을 도출하는 수평 하중-최대 휨모멘트 관계식 도출부;
    상기 균열 모멘트와 상기 하중-최대 휨모멘트 관계식에 기초하여 수평 균열 하중을 산정하는 수평 균열 하중 산정부; 및
    기둥-말뚝 강성비를 변화시킬 때마다 상기 수평 균열 하중 산정부에서 산정되는 수평 균열 하중의 데이터에 따라 도출되는 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계로부터 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하는 강성비-수평 균열 하중비 분석부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  12. 청구항 11에 있어서, 상기 강성비-수평 균열 하중비 분석부는,
    기둥-말뚝 강성비와 수평 균열 하중비의 관계가 가로축이 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)이고 세로축이 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)인 실수 공간 상의 그래프로 도식화하될 경우에, 기둥-말뚝 강성비(Sc/Sp)와 수평 균열 하중비(F/FSc=Sp)의 관계 그래프의 변곡점에 상응하는 기둥-말뚝 강성비를 최적 기둥-말뚝 강성비로 산정하도록 동작하는 것을 특징으로 하는 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치.
  13. 컴퓨터를 청구항 7 내지 청구항 12 중 어느 한 청구항의 변단면 단일 현장타설말뚝의 최적 기둥-말뚝 강성비 산정 장치로 동작시킬 수 있도록 설계된 컴퓨터 프로그램이 수록된 컴퓨터로 독출할 수 있는 기록 매체.
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