KR102478289B1 - 기존 구조물 수직증축을 위한 신경망 기반 말뚝 재하형 기초 보강 공법 - Google Patents

Abstract

하중 재하를 이용한 기초 보강 공법이 개시되며, 상기 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법은, (a) 상기 구조물의 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브의 하측의 지반을 천공하여 천공홀을 형성하고 상기 천공홀에 신설 말뚝을 설치하는 단계; (b) 설치된 상기 신설 말뚝의 두부 상에 상기 신설 말뚝의 두부 위치에 대응하여 재하 장치를 설치하고, 결합 구조체로 상기 재하 장치와 상기 바닥 슬래브를 연결하는 단계; (c) 상기 재하 장치를 이용하여, 상기 신설 말뚝에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 상기 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하도록 하중 재하를 수행하는 단계; (d) 상기 하중 재하 중인 상태에서 상기 천공홀 내 잔여 공간의 적어도 일부에 경화재를 포함하는 충진재를 충진하는 단계; 및 (e) 상기 경화재가 미리 설정된 기간 이상 양생된 다음 상기 재하 장치를 상기 결합 구조체로부터 해체하는 단계를 포함한다.

Description

기존 구조물 수직증축을 위한 신경망 기반 말뚝 재하형 기초 보강 공법{FOUNDATION REINFORCEMENT METHOD FOR VERTICAL EXTENSION OF EXISTING STRUCTURE BASED ON NEURAL NETWORK}

본원은 말뚝 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법 및 이에 적용되는 보강 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본원은 기존 구조물 수직 증축시 추가 하중 분산을 위해 추가적으로 설치되는 신설 말뚝에 대한 하중 재하를 이용하는 말뚝 재하형 기초 보강 공법 및 이에 적용되는 보강 장치에 관한 것이다.

공동주택 등 건물의 리모델링과 같이 기존의 구조물의 규모를 확대(증축)할 필요가 있는 경우, 수직 증축이 이루어질 수 있는데, 이러한 경우, 기존의 바닥 슬래브와 바닥 슬래브 하측의 지반을 천공하여 추가로 말뚝을 시공하여 기초를 보강하는 공법이 적용되고 있다

구체적으로, 최근의 수직 증축을 위한 기초 보강 공법에 따르면, 말뚝이 받고 있는 하중이 수직 증축으로 한계 하중을 초과하는 일이 발생될 수 있다. 도 1을 참조하면, 기존 말뚝(8)에 설계하중의 80%의 하중이 작용되고 있는데, 수직 증축으로 50% 이상의 설계하중이 증가된다면 기초 보강이 이루어져야 한다. 그런데, 기존 말뚝(8)이 이미 받고 있는 80%의 하중은 추가로 하중을 설치해도 20%까지 여유가 있어 추가로 보강한 말뚝의 효율이 현저히 떨어진다. 따라서 이러한 효율을 높이기 위한 기술이 필요하다.

구체적으로, 도 1을 참조하면, 기존 말뚝(8)의 성능(설계 하중)이 100ton이라고 하고, 수직 증축으로 150ton이 증가한다고 할 때, 계산상으로 100ton의 성능을 갖는 신설 말뚝이 2개 필요하다고 생각하고 설치한다면, 수직 증축에 의한 하중이 기존 말뚝 및 신설 말뚝 각각에 동시에 작용되기 때문에 기존 말뚝 및 신설 말뚝 각각에 30ton씩 나누어 작용될 수 있다. 그러면 기존 말뚝에는 110ton이 작용되어 말뚝 허용을 초과하게 되고 새로 설치되는 말뚝은 30ton만 작용되어 성능의 30%만 작용될 수 있다.

이에 따라, 수직 증축에 의한 구조물의 추가 하중을 신설 말뚝에 분산할 수 있는 보강 공법에 대한 개발이 요구되고 있다.

본원의 배경이 되는 기술은 국내 등록특허공보 제10-1828804호에 개시되어 있다.

본원은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 수직 증축에 의한 구조물의 추가 하중을 신설 말뚝에 분산할 수 있는 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법 및 이에 적용되는 보강 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

다만, 본원의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 기술적 과제들로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본원의 일 구현예에 따른 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법은, (a) 상기 구조물의 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브의 하측의 지반을 천공하여 천공홀을 형성하고 상기 천공홀에 신설 말뚝을 설치하는 단계; (b) 설치된 상기 신설 말뚝의 두부 상에 상기 신설 말뚝의 두부 위치에 대응하여 재하 장치를 설치하고, 결합 구조체로 상기 재하 장치와 상기 바닥 슬래브를 연결하는 단계; (c) 상기 재하 장치를 이용하여, 상기 신설 말뚝에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 상기 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하도록 하중 재하를 수행하는 단계; (d) 상기 하중 재하 중인 상태에서 상기 천공홀 내 잔여 공간의 적어도 일부에 경화재를 포함하는 충진재를 충진하는 단계; 및 (e) 상기 경화재가 미리 설정된 기간 이상 양생된 다음 상기 재하 장치를 상기 결합 구조체로부터 해체하는 단계를 포함할 수 있다.

본원의 일 구현예에 따른 보강 장치는, 구조물의 바닥 슬래브와 상기 바닥 슬래브의 하측의 지반을 천공하여 형성되는 천공홀에 설치되는 신설 말뚝; 및 상기 신설 말뚝의 두부에 설치되는 재하 장치와 상기 바닥 슬래브를 연결하는 결합 구조체를 포함하며, 상기 결합 구조체는, 상기 재하 장치에 의해 상기 신설 말뚝에 하향 외력이 작용되면 반작용으로 상기 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하게 구비될 수 있다.

상술한 과제 해결 수단은 단지 예시적인 것으로서, 본원을 제한하려는 의도로 해석되지 않아야 한다. 상술한 예시적인 실시예 외에도, 도면 및 발명의 상세한 설명에 추가적인 실시예가 존재할 수 있다.

전술한 본원의 과제 해결 수단에 의하면, 재하 장치에 의해 신설 말뚝에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 바닥 슬래브 및 바닥 슬래브에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하는 하중 재하가 수행되므로, 기존 말뚝의 설계 허용 강도의 적어도 일부가 신설 말뚝에 전이될 수 있어, 수직 증축에 따라 기존 말뚝에 하중이 추가되더라도, 기존 말뚝에 작용하는 하중이 허용 하중이내가 될 수 있고, 신설 말뚝에 작용하는 하중이 증가될 수 있어 효율이 높아질 수 있다.

도 1은 종래의 수직 증축에 의한 추가 하중 분산을 설명하는 개략적인 개념 수직 단면도이다.
도 2는 본원의 일 실시예에 따른 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법이 적용되는 신설 말뚝의 개략적인 개념 수직 단면도이다.
도 3은 본원의 일 실시예에 따른 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법이 적용되는 구조물에 대한 추가 하중 분산을 설명하는 개략적인 개념 수직 단면도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본원이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본원의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본원은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본원을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에", "상부에", "상단에", "하에", "하부에", "하단에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

참고로, 본원의 실시예에 관한 설명 중 방향이나 위치와 관련된 용어(상측, 하측, 하부, 하단 등)는 도면에 나타나 있는 각 구성의 배치 상태를 기준으로 설정한 것이다. 예를 들면 도 1을 보았을 때, 전반적으로 12시 방향이 상측, 전반적으로 6시 방향이 하측, 전반적으로 6시 방향을 향하는 부분이 하부, 전반적으로 6시 방향을 향하는 단부가 하단 등이 될 수 있다.

본원은 신설 말뚝에 대한 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법 및 이에 적용되는 보강 장치에 관한 것이다. 여기서, 기초는 건물과 같은 구조물의 바닥을 이루는 기초 슬래브, 기초 슬래브와 연결되는 말뚝 구조물 등을 포괄하는 넓은 개념으로 이해될 수 있다. 예를 들어, 본원에서 기초 보강은 건물과 같은 구조물의 기초 바닥 슬래브에 대해 신설 말뚝을 추가적으로 배치하고, 기설치 말뚝들이 지지하고 있는 하중 또는 수직증축시 추가적으로 재하되는 하중을 신설 말뚝을 포함하여 분산시키고, 기초 바닥 슬래브 또한 소정의 보강을 하는 것을 의미할 수 있다.

먼저, 본원의 일 실시예에 따른 구조물보강 공법(이하 '본 보강 공법'이라 함)에 대해 설명한다.

본 보강 공법은, 구조물의 증축을 위한 보강 공법에 관한 것이다. 참고로, 본원에 있어서, 구조물이라 함은, 아파트, 상가 등과 같은 다양한 형태의 건축물을 의미할 수 있다. 다만, 구조물은 건축물에만 한정되지 않으며, 건축물 이외에도 다양한 형태의 공작물이 구조물에 포함될 수 있다.

도 2를 참조하면, 본 보강 공법은, 구조물의 바닥 슬래브(91) 및 바닥 슬래브(91)의 하측의 지반을 천공하여 천공홀(92)을 형성하고 천공홀(92)에 신설 말뚝(1)을 설치하는 단계(제1 단계)를 포함한다. 신설 말뚝(1)은 프리캐스트(사전 제작)된 기성 말뚝일 수 있다. 예를 들면, 강관 말뚝 또는 콘크리트 재질의 다양한 말뚝(PHC 말뚝, 강관-콘크리트 복합 말뚝 등)일 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 신설 말뚝(1)은, 길이 방향을 따라 연결되는 복수의 말뚝 세그먼트(11) 및 복수의 말뚝 세그먼트(11)를 연결하는 커플러(12)를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제1 단계는 복수의 말뚝 세그먼트(11)를 커플러(12)로 연결하며 천공홀(92) 내에 높이 방향으로 순차적으로 배치하여 신설 말뚝(1)을 설치할 수 있다.

신설 말뚝(1)은 프리캐스트된 말뚝일 수 있는데, 예를 들어, 본 보강 공법이 적용되는 구조물의 층고 높이에 따라, 사전 제작된 신설 말뚝(1)을 구조물의 내부로 들여와 천공홀(92)에 설치하는 것이 제한될 수 있다. 이 점을 고려하여, 본원은 신설 말뚝(1)을 복수의 말뚝 세그먼트(11)로 분할하여 구비하고, 말뚝 세그먼트(11)를 상측 또는 하측으로 이웃하는 이웃 말뚝 세그먼트(11)와 커플러(12)로 연결하며 천공홀(92)에 설치할 수 있다. 복수의 말뚝 세그먼트(11)를 연결하는 커플러(12)는 종래에 알려지거나 향후 개발될 다양한 말뚝 커플러 형태로 구비될 수 있다. 또한, 복수의 말뚝 세그먼트(11)를 커플러(12)로 연결하며 천공홀(92)에 설치하는 것은 설치 환경에 따라 종래에 공지되거나 향후 개발되는 다양한 방법으로 수행될 수 있다.

참고로, 말뚝 세그먼트(11)는 상하 방향으로의 길이는 1.5m 이하일 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 본 보강 공법은, 설치된 신설 말뚝(1)의 두부 상에 신설 말뚝(1)의 두부 위치에 대응하여 재하 장치(2)를 설치하고, 결합 구조체(3)로 재하 장치(2)와 바닥 슬래브(91)를 연결하는 단계(제2 단계)를 포함한다.

재하 장치(2)는 신설 말뚝(1)의 두부 상에 배치될 수 있다. 재하 장치(2)는 실린더부(21) 및 실린더부(21)의 상측에 구비되는 상측 재하판(22)을 포함할 수 있다. 후술하는 제3 단계의 수행시 상측 재하판(22)에 상향 외력이 작용(상향 이동)될 수 있다. 이러한 재하 장치(2)는 통상의 기술자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다. 또한, 재하 장치(2)는 실린더부(21)가 신설 말뚝(1)의 두부 상에 위치하게 배치될 수 있다.

또한, 제2 단계에서, 결합 구조체(3)는 상측 재하판(22)과 바닥 슬래브(91)를 연결할 수 있다. 예를 들어, 결합 구조체(3)는 바닥 슬래브(91)와 재하 장치(2)를 결합하는 재하 장치 결합용 결합 부재(32)를 포함할 수 있다. 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 후술하는 제3 단계에서 재하 장치(2)에 의해 재하가 수행되면 바닥 슬래브(91)에 상향 외력이 작용되게 구비될 수 있다. 이를 테면, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 하단이 바닥 슬래브(91)에 정착되고 후술하는 슬래브 보강 부재(31)를 통과하며 상향 연장되어 상단이 상측 재하판(22)에 고정될 수 있다. 예를 들어, 재하 장치 결합용 부재(32)는 하단이 쐐기형, 볼트형, 갈고리형 등 중 하나인 앵커일 수 있다. 이러한 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 콘크리트 앵커일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 형태의 결합을 위한 부재가 재하 장치 결합용 결합 부재(34)로 적용될 수 있다.

또한, 결합 구조체(3)는 신설 말뚝(1)의 주변 말뚝(93)을 커버하도록 천공홀(92)의 주변 바닥 슬래브(91) 상에 배치되는 슬래브 보강 부재(31)를 포함할 수 있다. 슬래브 보강 부재(31)는 천공홀(92) 또는 신설 말뚝(1)을 감싸며 형성될 수 있고, 디스크 형태일 수 있다. 또한, 슬래브 보강 부재(31)는 바닥 슬래브(91)의 주변 말뚝(93)이 결합된 부분 상에 배치되므로, 주변 말뚝(93)을 커버하며 배치될 수 있다. 참고로, 여기서 주변 말뚝(93)이라 함은, 구조물의 기존 말뚝 중 신설 말뚝(1)과 이웃하는 말뚝을 의미할 수 있다.

또한, 슬래브 보강 부재(31)는 바닥 슬래브(91)를 보강할 수 있다. 구조물의 증축이 이루어지는 경우, 바닥 슬래브(91)에도 증축되는 추가 하중의 적어도 일부가 작용될 수 있고, 후술하는 제3 단계에 의하면 바닥 슬래브(91)에 상향 외력이 작용할 수 있으므로, 바닥 슬래브(91)의 보강이 필요할 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 본 보강 공법은 바닥 슬래브(91) 상에 슬래브 보강 부재(31)를 배치하고, 슬래브 보강 부재(31)와 바닥 슬래브(91)를 결합하여 단면 두께를 증가시킴으로써 바닥 슬래브(91)를 보강할 수 있다. 예를 들어, 슬래브 보강 부재(31)는 천공 홀(92)의 주변 바닥 슬래브 상에 배치되는 디스크 형태일 수 있다. 또한, 슬래브 보강 부재(31)는 철을 포함하는 재질로 이루어질 수 있는데, 이를 테면, 스틸(steel) 판일 수 있다. 다만, 슬래브 보강 부재(31)의 재질, 타입, 형태 등은 본원에 한정되지 않으며, 시공 여건에 따라 다양한 재질, 다양한 타입, 다양한 형태로 구비될 수 있다.

또한, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 신설 말뚝(1)으로부터 주변 말뚝(93)보다 더 이격된 지점에서 바닥 슬래브(91)의 슬래브 보강 부재(31)와 중첩되는 부분, 슬래브 보강 부재(31) 및 재하 장치(2)를 결합할 수 있다. 이를 테면, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 바닥 슬래브(91) 중 슬래브 보강 부재(31)에 덮인 부분, 슬래브 보강 부재(31)의 상기 부분을 덮은 부분 및 재하 장치(2)를 결합할 수 있다. 또한, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 신설 말뚝(1)을 중심으로 하는 반경 방향으로 주변 말뚝(93)보다 외측에서 슬래브 보강 부재(31)와 중첩되는 바닥 슬래브(91), 슬래브 보강 부재(31) 및 재하 장치(2)를 결합할 수 있다. 또한, 결합 부재(31)는 하단이 바닥 슬래브(91)에 고정되고 슬래브 보강 부재(31)를 통과하며 상측으로 연장되어 재하 장치(2)에 결합될 수 있다. 또한, 결합 부재(31)는 슬래브 보강 부재(31)에 고정될 수 있다.

재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 바닥 슬래브(91)에 후술하는 제3 단계에서의 상향 외력을 전달할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다.

또한, 결합 구조체(3)는 신설 말뚝(1)과 재하 장치(2) 사이에 배치되되, 평면 상에서 보았을 때 슬래브 보강 부재(31)와 적어도 일부 중첩되도록 슬래브 보강 부재(31) 상에 배치되는 중심 부재(33)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 중심 부재(33)는 원형 판일 수 있다. 다만, 중심 부재(33)의 형태는 이에 한정되지 않으며, 시공 여건에 따라 다양한 형태로 구비될 수 있다.

또한, 후술하는 제3 단계에 의하면, 슬래브 보강 부재(31)가 상향 이동되거나, 또는, 신설 말뚝(1)의 하향 이동에 의해 중심 부재(33)가 하향 이동될 수 있으며, 이에 따라, 슬래브 보강 부재(31)와 중심 부재(33) 사이의 상하 방향 간격이 줄어들 수 있다. 따라서, 중심 부재(33)는 제3 단계에서 슬래브 보강 부재(31)와 접촉되지 않게 구비될 수 있다. 다시 말해, 중심 부재(33)는 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31) 사이의 간격이 후술하는 제3 단계에서 줄어들더라도 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31)가 접촉되지 않도록 슬래브 보강 부재(31)로부터 간격을 두고 배치될 수 있다.

이를 테면, 중심 부재(33)는 신설 말뚝(1) 상에 배치되므로, 신설 말뚝(1)은 슬래브 보강 부재(31)보다 상측으로 돌출되게 구비되되, 그 돌출량은 신설 말뚝(1) 상에 설치되는 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31) 사이의 간격이 전술한 바와 같이 확보되게 설정될 수 있다. 또한, 필요한 경우, 신설 말뚝(1)과 중심 부재(33) 사이에 별도의 높이 보강 부재가 구비되어 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31) 사이의 간격이 전술한 바와 같이 확보될 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 결합 구조체(3)는 바닥 슬래브(91), 슬래브 보강 부재(31) 및 중심 부재(33)를 연결하는 중심 부재 결합용 결합 부재(34)를 포함할 수 있다. 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 상하로 연장되며 구비되되, 하단이 바닥 슬래브(91)에 고정되고 슬래브 보강 부재(31)를 통과하며 연장되어 중심 부재(33)에 연결될 수 있다. 또한, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 신설 말뚝(1)의 둘레 방향으로 간격을 두고 복수 개 구비될 수 있다. 또한, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 하단이 바닥 슬래브(91)에 정착될 수 있다. 이를 테면, 결합 부재(34)는 하단이 쐐기형, 볼트형, 갈고리형 등 중 하나인 앵커일 수 있다. 예를 들어, 이러한 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 콘크리트 앵커일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외의 다양한 형태의 결합을 위한 부재가 중심 부재 결합용 결합 부재(34)로 적용될 수 있다.

또한, 신설 말뚝(1)은 그 상단이 중심 부재(33)와 연결(고정)될 수 있다.

또한, 제2 단계에서, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는, 하단이 바닥 슬래브(91)에 고정되고 슬래브 보강 부재(31) 및 중심 부재(33)를 통과하며 배치되되, 중심 부재(33)에 대해서는 가고정된 상태(수직 방향으로는 소정 범위 내에서 이동 가능하고 수평 방향으로는 이동이 제한된 상태)일 수 있다. 이러한 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 제3 단계의 수행시 신설 말뚝(1)의 수직도를 가이드하는 역할을 할 수 있다. 또한, 상기 가고정된 상태에서, 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31)는 서로 간격을 두고 상하 방향으로 이격 배치될 수 있다. 후술하겠지만, 제3 단계의 수행시 재하 장치(2)의 작용에 의해 중심 부재(33)는 하향 이동되고, 재하 장치(2)의 작용에 대한 반작용으로 바닥 슬래브(91) 상에 배치된 슬래브 보강 부재(31)는 상향 이동되면서, 상기 간격 부분은 좁아지거나 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31)의 상호 접촉에 의해 없어질 수 있다.

또한, 결합 구조체(3)가 중심 부재(33)를 포함하는 경우, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 중심 부재(33)의 외측에 구비될 수 있다. 구체적으로, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 중심 부재(33)의 외측에서 바닥 슬래브(91)의 슬래브 보강 부재(31)와 중첩되는 부분으로부터 상향 연장되어 슬래브 보강 부재(31)를 통과하며 재하 장치(2)에 연결됨으로써, 바닥 슬래브(91), 슬래브 보강 부재(31) 및 재하 장치(2)를 결합할 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 본 보강 공법은, 재하 장치(2)를 이용하여, 신설 말뚝(1)에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 바닥 슬래브(91) 및 바닥 슬래브(91)에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하도록 하중 재하를 수행하는 단계(제3 단계)를 포함한다.

제3 단계에 의해 재하 장치(2)가 하중 재하를 수행하면, 재하 장치(2)의 실린더부(21)의 하측에 위치하는 신설 말뚝(1)에는 하향 외력이 작용될 수 있고, 재하 장치(2)의 재하장치 결합용 결합 부재(32)에 의해 상측 재하판(22)에 결합된 신설 말뚝(1) 주변의 바닥 슬래브(91), 바닥 슬래브(91)에 결합된 기존 말뚝(주변 말뚝(93) 포함할 수 있음) 및 슬래브 보강 부재(31)에 상향 외력이 작용되어, 들어올려질 수 있다.

이에 따라, 제3 단계에 의하면, 주변 말뚝(93)의 설계허용강도의 적어도 일부가 신설 말뚝(1)에 전이되어, 신설 말뚝(1)에 작용하는 하중이 증가되고, 주변 말뚝(93)에 작용하는 하중이 경감될 수 있다.

또한, 도 2를 참조하면, 본 보강 공법은, 하중 재하 중인 상태에서 천공홀(92) 내 잔여 공간의 적어도 일부에 경화재를 포함하는 충진재를 충진하는 단계(제4 단계)를 포함한다. 제4 단계는 하중 재하 중인 상태에서 충진재를 충진함으로써, 바닥 슬래브(91)의 적어도 일부 또는 주변 말뚝(93)의 적어도 일부가 상향 이동되어, 주변 말뚝(93)의 설계허용강도의 적어도 일부가 신설 말뚝(1)에 전이된 상태로 신설 말뚝(1), 바닥 슬래브(91) 및 주변 말뚝(93)이 위치 고정되게 할 수 있다. 경화재는 몰탈, 그라우트재, 시멘트질 재료 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 제4 단계는 천공홀(92)의 내주면과 신설 말뚝(1)의 외주면 사이를 충진재로 충진할 수 있다.

또한, 제3 단계에 의해, 바닥 슬래브(91)가 상향 이동되어 바닥 슬래브(91)와 바닥 슬래브(91) 하측의 지반 사이에 공극이 형성될 수 있다. 제4 단계는 상기 공극에 충진재를 충진하여 바닥 슬래브(91)가 지지되게 할 수 있다.

또한, 충진재는 팽창성 물질을 포함할 수 있다. 팽창성 물질은 충진 후 팽창할 수 있고, 이에 따라, 충진재에 의해 바닥 슬래브(91)는 충진재가 팽창성 물질을 포함하지 않는 경우 대비 안정적으로 지지될 수 있다. 또한, 충진재가 팽창하므로, 충진재에 의해서도 바닥 슬래브(91)에 상향 외력이 작용될 수 있다. 예를 들어, 충진재는 발포 우레탄을 포함할 수 있다. 충진재는 통상의 기술자에게 자명하므로 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 보강 공법은 제3 단계 이후에, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)를 이용해 중심 부재(33)를 바닥 슬래브(91)에 대하여 고정시킬 수 있다. 이를 테면, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 제2 단계 및 제3 단계에서 중심 부재(33)에 대해서는 가고정된 상태(수직 방향으로는 소정 범위 내에서 이동 가능하고 수평 방향으로는 이동이 제한된 상태)였을 수 있고, 상기 가고정된 상태에서, 중심 부재(33)와 슬래브 보강 부재(31)는 서로 간격을 두고 상하 방향으로 이격 배치된 상태였을 수 있는데, 제3 단계 수행에 따라, 중심 부재(33)와 바닥 슬래브(91) 상의 슬래브 보강 부재(31)는 상기 간격을 줄이며 서로 가까워질 수 있으며(이를 테면, 서로 접촉[밀착]될 수 있음), 제3 단계 이후에, 본 보강 공법은, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)를 이용해 슬래브 보강 부재(31)에 가까워진 중심 부재(33)를 바닥 슬래브(91)에 대하여 완전히 고정할 수 있다. 이를 테면, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)가 하단이 볼트형인 앵커인 경우, 중심 부재 결합용 결합 부재(34)는 제2 단계 및 제3 단계에서 단순 배치된 상태(중심 부재(33) 및 슬래브 보강 부재(31)를 가로지르며 하단이 바닥 슬래브(91)에 고정된 상태)일 수 있는데, 제3 단계 이후에, 조임을 통해 중심 부재(33)를 바닥 슬래브(91) 측으로 가압하여 중심 부재(33)가 슬래브 보강 부재(31)에 밀착되고 슬래브 보강 부재(31)가 바닥 슬래브(91)에 밀착되게 하며 중심 부재(33) 및 슬래브 보강 부재(31)를 바닥 슬래브(91)에 고정할 수 있다.

또한, 도2를 참조하면, 신설 말뚝(1)의 커플러(12)는 제4 단계에서 충진되는 충진재에 대한 전단키 역할을 하도록, 말뚝 세그먼트(11)의 외면보다 외측으로 더 돌출되게 구비될 수 있다. 커플러(12)는 신설 말뚝(1)의 상하 이동을 억제하는 전단키 역할을 할 수 있다. 예를 들어, 본원의 커플러(12)에는 전술한 바와 같이 기존재하거나 향후 개발될 다양한 커플러가 적용될 수 있는데, 이때 충진재에 대한 전단키 역할을 고려하여, 커플러의 외측 방향으로의 돌출량, 돌출형태 등을 설정할 수 있고, 그에 맞추어 적정한 커플러를 선택하거나 변형(개량)하여 적용할 수 있다.

또한, 본 보강 공법은, 경화재가 미리 설정된 기간 이상 양생된 다음 재하 장치(2)를 결합 구조체(3)로부터 해체하는 단계(제5 단계)를 포함한다. 예를 들어, 제5 단계는, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)를 재하 장치(2)로부터 탈거하여, 재하 장치(2)를 결합 구조체(3)로부터 해체할 수 있다. 다만, 제 5 단계 이후에도, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)에 의해 결합된 슬래브 보강 부재(31)와 바닥 슬래브(91)는 결합 상태를 유지할 수 있다. 또한, 제5 단계는 재하 장치(2)를 제거할 수 있다.

또한, 본 보강 공법은, 제3 단계 이전에, 바닥 슬래브(91)의 제원, 신설 말뚝(1)과 기존 말뚝(93)간의 거리(신설 말뚝 주변의 기존 말뚝이 복수개인 경우 각각에 대한 거리), 기존 말뚝(93)의 제원, 신설 말뚝(93)의 제원 중 적어도 하나를 포함하는 제1 정보(재하 장치의 하중 재하시 기존 말뚝에 대한 작용에 영향을 줄 수 있는 주변 요인을 고려한 제1 정보)와 제3 단계에서의 재하 장치(2)의 하중 재하량을 포함하는 제2 정보를 입력 값으로 하고, 제3 단계에서 재하 장치(2)가 수행하는 하중 재하에 의해 기존 말뚝(93)에 작용하는 상향 외력을 출력값으로 하는 학습에 의해 생성된 신경망을 이용하여 제3 단계에서의 재하 장치(2)의 재하량을 산정하는 단계를 포함할 수 있다.

여기에서 바닥 슬래브(91)의 제원이라 함은, 바닥 슬래브(91)의 규격(두께, 폭 등), 바닥 슬래브(91)에 사용된 콘크리트 강도 등 콘크리트 재료 특성, 바닥 슬래브(91)에 포함된 철근량, 철근직경, 철근 배치 간격 등 철근 특성, 바닥 슬래브(91)의 자중 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 또한, 신설 말뚝(1)과 기존 말뚝(93) 간의 거리라 함은, 본 보강 공법이 수행되는 신설 말뚝(1)에 대한 복수의 기존 말뚝(93) 각각간의 거리를 의미할 수 있다. 또한, 기존 말뚝(93)의 제원이라 함은, 기존 말뚝(93)의 타입(강관, PHC말뚝, 현장타설 말뚝 등), 재질, 사용 콘크리트 제원/양 또는 사용 강재 제원/양, 자중, 규격(직경, 길이) 등 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 이외에도 제1 정보는 제2 정보 외에 제3 단계에 따라 기존 말뚝에 작용하는 상향 외력 값을 산출하는데 필요한 다양한 요소와 관련된 정보를 포함할 수 있다. 또한, 상기 학습에서의 출력 값은, 복수의 기존 말뚝(93) 각각의 상향 외력 값으로 출력될 수 있다.

즉, 본 보강 공법은, 제1 정보(필요한 경우, 복수의 기존 말뚝(93) 각각에 대해서는 각각과 관련된 값을 포함할 수 있음) 및 제2 정보를 입력 값으로 하고, 제3 단계에 따른 복수의 기존 말뚝(93) 각각에 작용하는 상향 외력 값을 출력 값으로 하여, 제1 정보 및 제2 정보에 따른 기존 말뚝(93) 각각에 작용하는 상향 외력 값을 미리 학습시킨 신경망을 구축해 둔 다음, 실제 현장에서 재하 장치(2)의 재하량이 어떠한 설정 값을 가지는 것으로 측정(파악)될 때, 제1 정보 및 제2 정보를 기구축된 신경망에 입력함으로써 기존 말뚝(93)에 작용하는 상향 외력값을 판단(출력)할 수 있다. 즉, 이러한 학습을 통한 신경망 구축을 위해, 선행되는 시뮬레이션, 실내실험, 현장시험 등을 통해 상기 입력값과 상기 출력값을 다양하게 설정한 트레이닝셋을 마련하여 신경망 구축이 선행하여 진행될 수 있다.

또한, 본 보강 공법은, 이러한 신경망(예를 들면 딥러닝 모델)에 기초하여, 제3 단계에서의 재하 장치의 재하량을 정할 수 있다. 이를 테면, 신경망 모델에 의해, 재하 장치(2)의 재하량을 얼마로 해야 기존 말뚝(93)에 어느 정도의 상향 외력이 작용하는 지가 산출될 수 있고, 이에 근거하여, 본 보강 공법은 기존 말뚝(93)에 미리 설계된 상향 외력 값이 작용하게 하는 재하 장치의 재하량을 산출할 수 있고, 제3 단계에서 산출된 재하량으로 재하 장치(2)로 하중 재하를 수행할 수 있다. 또는 본 보강 공법은, 변형된 신경망(예를 들면 딥러닝 모델)에 기초하여, 제3 단계에서의 재하 장치의 재하량을 정할 수 있다. 이를 테면, 전술한 바와 달리, 제1 정보와 재하 장치의 기존 말뚝의 상향 외력을 입력값으로 하고, 제2 정보(재하 장치의 재하량)를 출력값으로 하는 학습을 통해 구축된 변형된 신경망을 이용하여, 기존 말뚝(93)에 작용이 필요로 되는 상향 외력을 입력하면 재하 장치(2)의 재하량을 얼마로 해야 하는지가 산출(출력)될 수 있고, 제3 단계에서 산출된 재하량으로 재하 장치(2)에 하중 재하를 수행할 수 있다.

이러한 본 보강 공법에 의하면, 결합 구조체(3)는 신설 말뚝(1)과 함께 잔존할 수 있다.

본 보강 공법에 의하면, 신설 말뚝(1)의 두부에 바닥 슬래브(기초 슬래브)(91)에 결합하는 결합 구조체(3)를 설치하고, 재하 장치(2)로 재하를 할 수 있다. 이에 따르면, 새로 설치되는 신설 말뚝(1)에 하중이 작용되고, 기존 말뚝(이를 테면, 주변 말뚝(93))은 하중이 경감되어 설계 하중의 여유가 생겨서 더 효율적인 상태가 될 수 있다. 다시 말해, 전술한 바에 따르면, 바닥 슬래브(91)에 보강된 슬래브 보강 부재(31)와 신설 말뚝(1)을 결합시켜 일체화시킨 다음 수직 증축이 이루어질 수 있으므로, 기존 말뚝(93)의 설계 허용 강도를 새로 설치되는 신설 말뚝(1)으로 전이시켜 새로 설치되는 신설 말뚝(1)의 효율이 극대화될 수 있다.

도 3을 참조하면, 기존 말뚝(8)의 성능(설계 하중)이 100ton이라고 하고, 수직 증축으로 150ton이 증가한다고 할 때, 계산상으로 100ton의 성능을 갖는 신설 말뚝이 2개 필요하다고 생각하고 설치할 수 있는데, 본 보강 공법에 의하면, 기존 말뚝(8)에 작용하던 하중이 신설 말뚝(1)으로 전이될 수 있으므로, 기존 말뚝(8)의 하중이 경감(도 3의 경우, 기존 말뚝(8) 3개 각각 20t씩 총 60t의 하중이 2개의 신설 말뚝(1)에 30t씩 나누어져 전이됨으로써, 기존 말뚝(8)의 하중은 80t에서 60t으로 경감될 수 있고, 신설 말뚝(1)에는 30씩 하중이 작용)될 수 있고, 이 후 수직 증축이 이루어지면, 수직 증축에 의한 하중이 기존 말뚝 및 신설 말뚝 각각에 동시에 작용(기존 말뚝(8) 3개 및 신설 말뚝(1) 2개 각각에 30ton씩 나누어 작용)될 수 있다.

종래의 경우에는 수직 증축에 따른 추가되는 하중과 기존 하중이 모두 작용되는 하중으로 말뚝을 전체 설치해야했다. 그런데 이에 따르면, 기존 말뚝은 폐기 처리하고, 전체 하중을 받는 말뚝을 새로 설치하도록 설계가 이루어져야할 수 있다. 반면에, 본 보강 공법에 따르면, 수직 증축이 이루어지기 전에 반력을 가하여 기존 말뚝(8)의 하중을 신설 말뚝(1)에 전이시키고, 그러한 상태에서 수직 증축이 이루어질 수 있으므로, 기존의 말뚝(8)에는 한계 하중 이내로 하중이 작용될 수 있고, 추가로 설치된 신설 말뚝(1)에도 30% 효율에서 60% 효율로 효율이 높아질 수 있다. 수직 증축의 경우, 이와 같은 말뚝 구조 시스템이 구비된 후 이루어져야 기존 말뚝의 허용 하중 이내로 하중이 작용되게 안전한 시공이 이루어질 수 있다.

이하에서는 본원의 일 실시예에 따른 보강 장치(이하 '본 보강 장치'라 함)에 대해 설명한다. 다만, 본 보강 장치는 전술한 본 보강 공법에 적용되는 것으로서, 본 보강 공법과 동일하거나 상응하는 기술적 특징 및 구성을 공유한다. 따라서, 본 보강 공법에서 설명한 내용과 중복되는 설명은 간략히 하거나 생략하며, 동일 내지 유사한 구성에 대해서는 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

본 보강 장치는, 구조물의 바닥 슬래브(91)와 바닥 슬래브(91)의 하측의 지반을 천공하여 형성되는 천공홀(92)에 설치되는 신설 말뚝(1)을 포함한다.

또한, 본 보강 장치는 신설 말뚝의 두부에 설치되는 재하 장치와 바닥 슬래브(91)를 연결하는 결합 구조체(3)를 포함한다.

결합 구조체(3)는 재하 장치(2)에 의해 신설 말뚝(1)에 하향 외력이 작용되면 반작용으로 바닥 슬래브(91) 및 바닥 슬래브(91)에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용되게 구비될 수 있다.

이에 따라, 재하 장치(2)에 의해 신설 말뚝(1)에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 바닥 슬래브(91) 및 바닥 슬래브(91)에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하는 하중 재하가 수행되면, 신설 말뚝(1)은 기존 말뚝(93)의 설계허용강도의 적어도 일부를 전이 받아 기존 말뚝(93)에 작용하는 하중을 경감시키도록 제공될 수 있다.

결합 구조체(3)는 신설 말뚝(1)의 주변 말뚝(93)을 커버하도록 천공홀(92) 주변 바닥 슬래브(91) 상에 배치되는 슬래브 보강 부재(31)를 포함할 수 있다.

또한, 결합 구조체(3)는 신설 말뚝 신설 말뚝(1)으로부터 주변 말뚝(93)보다 더 이격된 지점에서 슬래브 보강 부재(31)와 중첩되는 바닥 슬래브(91), 슬래브 보강 부재(31) 및 재하 장치(2)를 결합하는 재하 장치 결합용 결합 부재(32)를 포함할 수 있다.

재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 바닥 슬래브(91)에 전술한 상향 외력을 전달할 수 있다.

결합 구조체(3)는 신설 말뚝(1)과 재하 장치(2) 사이에 배치되되, 슬래브 보강 부재(31)와 평면 상에서 보았을 때 적어도 일부 중첩되도록 슬래브 보강 부재(31) 상에 배치되는 중심 부재(33)를 포함할 수 있다.

결합 구조체(3)가 중심 부재(33)를 포함하는 경우, 재하 장치 결합용 결합 부재(32)는 중심 부재(33)의 외측에 구비될 수 있다.

신설 말뚝(1)은, 길이 방향을 따라 연결되는 복수의 말뚝 세그먼트(11) 및 복수의 말뚝 세그먼트(11)를 연결하는 커플러(12)를 포함할 수 있다.

신설 말뚝(1)의 커플러(12)는 천공홀(92)에 충진되는 충진재에 대한 전단키 역할을 하도록, 말뚝 세그먼트(11)의 외면보다 외측으로 더 돌출되게 구비될 수 있다.

또한, 본 보강 장치는, 전술한 신경망에 기초하여 재하 장치의 재햐랑을 결정하는 제어부를 포함할 수 있다. 또한, 제어부는 산출된 재하량으로 재하 장치(2)가 하중 재하를 수행하게 재하 장치(2)를 제어할 수 있다.

전술한 본원의 설명은 예시를 위한 것이며, 본원이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본원의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본원의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본원의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

1: 신설 말뚝
11: 말뚝 세그먼트
12: 커플러
2: 재하 장치
21: 실린더
22: 상측 재하판
3: 결합 구조체
31: 슬래브 보강 부재
32: 재하 장치 결합용 결합 부재
33: 중심 부재
34: 결합 부재
91: 바닥 스랠브
92: 천공홀
93: 주변 말뚝

Claims (11)

1. 기존 구조물의 수직증축을 위한 보강 공법에 있어서,
   (a) 상기 구조물의 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브의 하측의 지반을 천공하여 천공홀을 형성하고 상기 천공홀에 신설 말뚝을 설치하는 단계;
   (b) 설치된 상기 신설 말뚝의 두부 상에 상기 신설 말뚝의 두부 위치에 대응하여 재하 장치를 설치하고, 결합 구조체로 상기 재하 장치와 상기 바닥 슬래브를 연결하는 단계;
   (c) 상기 재하 장치를 이용하여, 상기 신설 말뚝에 하향 외력이 작용되고 반작용으로 상기 바닥 슬래브 및 상기 바닥 슬래브에 결합된 기존 말뚝에 상향 외력이 작용하도록 하중 재하를 수행하는 단계;
   (d) 상기 하중 재하 중인 상태에서 상기 천공홀 내 잔여 공간의 적어도 일부에 경화재를 포함하는 충진재를 충진하는 단계; 및
   (e) 상기 경화재가 미리 설정된 기간 이상 양생된 다음 상기 재하 장치를 상기 결합 구조체로부터 해체하는 단계를 포함하되,
   상기 (c) 단계 이전에,
   상기 바닥 슬래브의 제원, 상기 신설 말뚝과 상기 기존 말뚝간의 거리, 상기 기존 말뚝의 제원, 상기 신설 말뚝의 제원 중 적어도 하나를 포함하는 제1 정보와 상기 재하 장치의 재하량을 포함하는 제2 정보를 입력 값으로 하고, 상기 (c) 단계에서 상기 재하 장치가 수행하는 하중 재하에 의해 상기 기존 말뚝에 작용하는 상향 외력을 출력값으로 하는 학습에 의해 생성된 신경망을 이용하여 상기 (c) 단계에서의 상기 재하 장치의 재하량을 산정하는 단계, 또는
   상기 바닥 슬래브의 제원, 상기 신설 말뚝과 상기 기존 말뚝간의 거리, 상기 기존 말뚝의 제원, 상기 신설 말뚝의 제원 중 적어도 하나를 포함하는 제1 정보와 상기 (c) 단계에서 상기 재하 장치가 수행하는 하중 재하에 의해 상기 기존 말뚝에 작용하는 상향 외력을 입력 값으로 하고, 상기 재하 장치의 재하량을 포함하는 제2 정보를 출력값으로 하는 학습에 의해 생성된 신경망을 이용하여 상기 (c) 단계에서의 상기 재하 장치의 재하량을 산정하는 단계,
   를 더 포함하는, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 결합 구조체는,
   상기 신설 말뚝의 주변 말뚝을 커버하도록 상기 천공홀의 주변 바닥 슬래브 상에 배치되는 슬래브 보강 부재; 및
   상기 신설 말뚝으로부터 상기 주변 말뚝보다 더 이격된 지점에서, 상기 바닥 슬래브의 상기 슬래브 보강 부재와 중첩되는 부분, 상기 슬래브 보강 부재 및 상기 재하 장치를 결합하는 재하 장치 결합용 결합 부재를 포함하며,
   상기 (c) 단계는,
   상기 재하 장치 결합용 결합 부재를 통해 상기 바닥 슬래브 및 상기 기존 말뚝에 상기 상향 외력을 전달하는 것인, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 결합 구조체는,
   상기 신설 말뚝과 재하 장치 사이에 배치되되, 평면 상에서 보았을 때 상기 슬래브 보강 부재와 적어도 일부 중첩되도록 상기 슬래브 보강 부재 상에 배치되는 중심 부재를 더 포함하고,
   상기 결합부재는 상기 중심 부재의 외측에 구비되는 것인, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
4. 제1항에 있어서,
   상기 신설 말뚝은, 길이 방향을 따라 연결되는 복수의 말뚝 세그먼트 및 복수의 말뚝 세그먼트를 연결하는 커플러를 포함하고,
   상기 (a) 단계는,
   상기 복수의 말뚝 세그먼트를 상기 커플러로 연결하며 상기 천공홀 내에 높이 방향으로 순차적으로 배치하여 상기 신설 말뚝을 설치하는 것인, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 커플러는, 상기 (d) 단계에서 충진되는 충진재에 대한 전단키 역할을 하도록, 상기 말뚝 세그먼트의 외면보다 외측으로 더 돌출되게 구비되는 것인, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
6. 제1항에 있어서,
   상기 충진재는 팽창성 물질을 포함하는 것인, 하중 재하를 이용한 기초 보강 공법.
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