KR102655616B1

KR102655616B1 - 리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법

Info

Publication number: KR102655616B1
Application number: KR1020240002085A
Authority: KR
Inventors: 송형민; 원진오; 손세욱; 김준성
Original assignee: 삼성물산 주식회사; 주식회사고려이엔시
Priority date: 2024-01-05
Filing date: 2024-01-05
Publication date: 2024-04-09

Abstract

본 발명은 리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법에 있어서, 정재하 시험 대상 말뚝을 선정하는 단계, 정재하 시험을 위한 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 결정하는 단계, 상기 말뚝의 상기 하부 절단면 보다 하부에 변형률게이지를 부착하는 단계, 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 절단하는 단계, 상기 상부 및 하부 절단면 사이에 로드셀 및 상기 로드셀에 하중을 인가하는 유압잭을 설치하는 단계, 상기 유압잭 및 로드셀을 이용하여 정재하 시험을 수행하는 단계를 포함하되 정재하 시험 대상 말뚝 이외의 주변 말뚝에 추가 변형률게이지를 부착하는 단계를 더 포함한다.

Description

리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법 {Non-destructive pile reaction force measurement method for remodeling work}

본 발명은 목적은 리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법에 관한 것이다.

신설현장에서 말뚝을 시공한 후, 시공된 말뚝의 하중 등을 평가하기 위해 관련 시험을 수행하는 방법 및 개수는 특별한 제한없이 자유롭게 가능하다.
그러나 구조물에 기 시공되어 있는 말뚝을 시험하는 방법은 매우 까다로울 뿐만 아니라, 시행할 수 있는 말뚝의 위치 및 개수에도 제한이 따를 수 밖에 없다.
따라서 구조물이 시공되어 있는 상태의 말뚝은 소수의 특정 말뚝에 대한 시험을 통해 전체 말뚝의 하중 등을 예측하는 방법을 이용하는데, 이러한 예측은 부정확하여 신뢰성을 확보하기 어렵다.
구체적으로, 현재는 구조물에 이미 시공되어 있는 말뚝에 작용하는 하중의 변화를 확인하기 위해, 일부 말뚝에 대해 정재하 시험을 실시하고, 이때 설치해 둔 로드셀을 이용하여 인가 하중을 측정하고 있다.
그러나 실제 정재하 시험을 할 수 있는 말뚝의 개수는 구조물당 1~2개 이상 실시하기 어려운 실정이다.
이렇게 전체 말뚝의 개수의 1% 정도에 해당하는 말뚝의 측정값을 이용하여 전체 말뚝의 하중을 예측하는 것은 매우 어려운 일이다.
구조물의 리모델링 또는 증축에 있어서, 기 구조물에 설치되어 있는 말뚝에 현재 작용하고 있는 반력은 관련 설계에 매우 중요한 요소이다.
그러므로 현재 기 설치 말뚝의 작용 하중을 정확하게 측정할 수 있다면 내진 설계에 따라 증가되는 하중 또는 수직 증축과 같이 하중이 증가할 경우에 요구되는 보강말뚝의 설계에 정확도와 신뢰성을 높일 수 있다.
따라서 구조물에 설치된 말뚝 전체에 대해 작용 하중을 정확히 측정할 수 있는 방법의 개발이 필요하다.

미국특허등록 제03934318호 대한민국등록특허 제10-2511531호

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 정재하 시험 과정에서 말뚝에 인가된 하중을 정확히 측정하고, 증축에 따른 증가 하중량을 측정하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명에 따른 리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법은 구조물의 말뚝 하중을 측정하는 방법에 있어서,
정재하 시험 대상 말뚝을 선정하는 단계, 정재하 시험을 위한 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 결정하는 단계, 상기 말뚝의 상기 하부 절단면 보다 하부에 변형률게이지를 부착하는 단계, 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 절단하는 단계 및 정재하 시험을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 정재하 시험 대상 말뚝의 주변 말뚝에 추가 변형률게이지를 부착하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 정재하 시험을 수행하는 과정에서 상기 변형률게이지의 보정을 수행하여 보정계수를 획득할 수 있다.
또한, 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 절단한 이후, 하부 절단면 하부에 부착된 변형률게이지의 변형량과 상기 변형률게이지의 보정계수를 이용하여 말뚝에 작용되었던 하중을 계산할 수 있다.
또한, 상기 정재하 시험 단계 이후 구조물을 증축하고, 증축에 의한 상기 추가 변형률 게이지의 변형량을 통해 말뚝의 증가 하중을 측정할 수 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 효과는, 정재하시험 과정에서 변형률게이지를 이용한 말뚝의 인가 하중을 정확하게 측정할 수 있고, 이를 통해 다른 말뚝에 대한 추가 작용 하중을 정확하게 측정할 수 있어, 구조물의 증축 등에 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 종래의 정재하 시험 방법을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 말뚝 하중 측정 방법을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 증축 후 말뚝에 증가된 하중을 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소(또는 영역, 층, 부분 등)가 다른 구성요소 "상에 있다", "연결된다", 또는 "결합된다"고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 배치/연결/결합될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 배치될 수도 있다는 것을 의미한다.

동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

"및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다.

다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어 (기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상적인 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않는 한, 명시적으로 여기에서 정의된다.

"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.
기 설치된 구조물을 지지하고 있는 말뚝에 작용하고 있는 정확한 반력을 확인하는 것은 추가말뚝의 설계에 있어서 매우 중요한 기준이 되는 값이다.
그런데 이러한 기존 말뚝의 인가 하중 값을 확인할 수 있는 방법이 사실상 존재하지 않아 현재는 구조계산에 의해 추정하는 방법을 사용하고 있다.
본 발명에서는 기존 말뚝에 작용하고 있는 하중을 정확하게 측정할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
현재는 기존에 시공되어 있는 말뚝의 작용 하중을 확인하기 위해서, 기존의 설치 말뚝 중 일부에 대해 정재하 시험을 수행하고 있다.
이러한 정재하 시험하기 위해서는 말뚝을 반드시 절단하여야 한다.
도 1은 종래의 구조물 시공시 말뚝을 설치하고 말뚝의 정재하 시험을 통해 말뚝에 작용하는 하중을 측정하는 방법을 나타내는 도면이다.
도 1(a)에 도시된 바와 같이, 말뚝을 시공한다.
이후 도 1(b)에 도시된 바와 같이, 상부에 구조물을 설치한다.
상부 구조물이 설치되면 말뚝은 구조물 무게에 의해 수축하게 된다.
정재하 시험은 설치된 말뚝의 지지력을 확인하고 설계 연직지지력의 타당성을 확인하기 위한 목적으로 수행한다.
도 1(c)에 도시된 바와 같이, 정제하 시험을 수행하기 위해서는 기존 구조물 하부 기초바닥판을 일부 제거하게 된다.
이후, 도 1(d)에 도시된 바와 같이, 상부가 드러난 기존말뚝을 절단하고, 절단된 공간에 로드셀 및 유압잭 등을 설치하여 말뚝에 인가되는 하중을 측정하게 된다.
그러나 이러한 방법을 통해 말뚝의 하중을 측정하는 경우 극소수의 말뚝에 대해서만 절단을 통해 정재하 시험을 수행할 수 밖에 없는 단점이 있다.
본 발명은 이와 같은 기존 정재하 시험의 단점을 극복하기 위한 것이다.
도 2에는 본 발명에 따른 말뚝 하중 측정 방법이 도시되어 있다.
도 2(a) 및 2(b)에 도시된 바와 같이, 구조물 설치 및 말뚝의 시공은 기존과 동일할 수 있다.
본 발명에 따른 말뚝 하중 측정 방법은 도 2(c) 및 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 정재하 시험을 수행할 말뚝이 선정되면, 해당 말뚝을 절단하기 전에 두 개의 절단면 중 하부 절단면의 하부 말뚝에 변형률게이지(100)를 먼저 부착할 수 있다.
또한, 정재하 시험 대상이 아닌 말뚝에도 변형률게이지(100)를 부착할 수 있다.
이후, 도 2(d)에 도시된 바와 같이, 정재하 시험을 수행할 대상 말뚝을 절단한다.
도 2(e)에 도시된 바와 같이, 말뚝을 절단하면 절단된 하부 말뚝에는 인가되는 하중이 제거되어, 구조물에 의해 수축되어 있는 말뚝의 수축량이 복원될 수 있다.
이러한 복원량은 앞서 설치된 변형률게이지(100)를 통해 측정될 수 있다.
이와 같이 말뚝의 절단에 의한 인가 하중의 제거에 따라 발생하는 말뚝의 변형량을 측정하고 말뚝의 강성을 적용하여 말뚝의 반력을 계산할 수 있다.
한편, 도 2(f)에 도시된 바와 같이, 절단부 사이에 로드셀(300)과 유압잭(200)을 설치하여, 하중인가에 따른 변형량을 측정하는 정재하 시험을 수행할 수 있다.
이때, 추가적으로 LVDT(400)를 이용하여 변형량을 보다 정확하게 측정할 수 있다.
상기와 같은 구성을 통해 정재하 시험을 수행함으로써 말뚝의 허용지지력 및 수직강성 등의 특성값을 측정할 수 있다.
이러한 정재하 시험에서 로드셀(300)로부터 측정된 지지력과 수직강성은 실제 하중을 인가하고 그에 따른 변형량을 측정한 것이므로 정확한 것으로 추정할 수 있다.
또한, 변형률게이지(100)를 통해 측정된 말뚝의 변형량은 정확하게 측정된 값으로, 측정된 변형률에 말뚝의 탄성계수를 곱하여 단위 면적당 하중을 계산할 수 있고, 상기 단위 면적당 하중에 말뚝의 단면적을 곱하여 말뚝에 작용하는 하중을 계산할 수 있다.
구체적인 계산 식은 아래와 같다.
[식 1]

여기서, P = 말뚝에 작용하는 하중
A = 말뚝의 단면적(콘크리트 또는 강관등)
E = 콘크리트(또는 강재)의 탄성계수
ε= 변형률게이지 측정 값
상기 식 1에서 강관말뚝의 경우라면, 단일재료이기 때문에 탄성계수가 일정하여 변형률을 이용하여 하중값을 계산하는데 문제가 없다.
그러나 콘크리트 말뚝은 내부에 철근이 들어있으므로, 탄성계수의 정확한 값을 알 수 없어, 상기 식 1을 적용하기 어렵다.
한편, 리모델링 현장에 시공된 말뚝은 종류가 다양할 뿐만 아니라 각 현장에 시공된 말뚝의 제작사 및 제작 시기에 따라 탄성계수의 차이가 발생할 수밖에 없다.
또한, 사용된 변형률게이지(100) 자체도 캘리브레이션(calibration)을 통한 기준 조정이 요구된다.
따라서 식 1과 같이 말뚝의 변형률을 측정하여 말뚝에 작용하는 하중을 계산할 경우에는 실제 하중값과 차이가 발생할 수 있다.
그러므로 말뚝에 작용하는 하중을 보다 정확하게 파악하기 위해서는 변형률 측정값을 이용하여 하중으로 환산할 수 있는 보정값이 필요하다.
이러한 보정값은 정재하 시험을 통해 획득된 값과, 측정된 변형률을 통해 얻어질수 있다.
구체적으로 정재하 시험으로 말뚝에 하중을 가할 때 나타나는 정확한 하중을 로드셀(300)을 이용하여 계측하고, 동시에 LVDT(400) 등 변형량 측정 장비를 통해 변형량을 계산하여 말뚝의 하중 및 탄성계수를 측정한다.
이러한 시험을 수행하는 과정에서, 시험 전에 말뚝 하부에 부착된 변형률게이지(100)에 나타나는 변형률을 측정함으로써 변형률게이지(100)의 보정계수를 획득할 수 있다.
보정계수가 획득되면, 말뚝의 절단에 의해 발생한 변형률게이지(100)의 변형에 따른 하중값은 식 2에 의해 계산될 수 있다.
[식 2]

여기서, P= 말뚝에 작용하는 하중
A = 말뚝의 단면적(콘크리트 또는 강관등)
E = 콘크리트(또는 강재)의 탄성계수
ε= 변형률게이지 측정 값
C = 변형률게이지의 보정계수
앞서 도 2(c) 및 2(d)에서 말뚝의 절단시 하부 절단면 하부의 말뚝에 부착된 변형률게이지(100)의 변형량에 상기 계산된 보정계수와 탄성계수를 곱해 절단전 말뚝에 인가된 하중을 보다 정확하게 계산해 낼 수 있다.
이와 같이, 정재하 시험에 앞서 하부 절단면 하부에 변형률게이지를 부착하고, 절단 이후 정재하 시험을 통해 말뚝의 탄성계수와 변형률게이지의 보정계수를 획득하여, 절단에 따른 변형률게이지의 변형량에 측정된 탄성계수와 보정계수를 적용하여 말뚝의 인가 하중을 정확하게 측정해낼 수 있다.
이러한 실제 측정된 말뚝의 인가 하중 값은, 구조 계산에 의해 계산된 말뚝의 하중과 비교하여 구조 계산의 정확성을 확인할 수 있고, 동시에 구조계산 방법을 상기 실제 측정값에 맞춰 최적화 할 수 있다.
정재하 시험이 수행된 모든 말뚝에 대해 실제 말뚝이 받고 있는 하중을 정확하게 측정해 낼 수 있으므로, 이러한 측정값을 통해 구조계산 및 설계를 최적화할 수 있다.
도 3은 증축구조물이 설치된 후의 모습을 나타낸다.
앞서 도 2(c)에서, 정재하 시험 대상이 아닌 말뚝에도 변형률게이지(100)를 부착하였다.
상기 증축 전에 말뚝에 설치된 변형률게이지(100)의 값은 증축 후 변경될 것이고, 이때, 변형률게이지(100)로부터 획득된 변형률과 앞서 구한 보정계수 및 탄성계수를 통해 증축에 따른 말뚝의 하중 증가량 또한 정확하게 측정할 수 있다.
구조물 증축 또는 리모델링에 있어서 기존 말뚝에 작용하고 있던 하중값(P1)과 증축 또는 리모델링으로 인해 발생하는 정확한 하중의 변화(P2)를 측정하는 것은 구조물 말뚝 설계에 있어서 매우 중요한 사항이다. P1과 P2값은 리모델링 기초(말뚝)설계에 있어서 매우 중요한 값으로서 보강이후 기존말뚝과 보강말뚝의 하중분배량의 확인 및 기초의 안전성을 확인하는 기본적인 값이 된다.
이와 같이, 본 발명에 따른 말뚝 하중 측정 방법은 종래의 정재하 시험과 비교하여, 말뚝이 받고 있던 하중을 보다 정확하게 측정할 수 있는 것과 동시에 정재하 시험을 하지 않는 말뚝에 대해서 구조물 등의 증축에 따른 하중 증가량을 정확하게 확인할 수 있는 장점이 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.

삭제

100: 변형률게이지
200: 유압잭
300: 로드셀
400: LVDT

Claims

리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법에 있어서,
정재하 시험 대상 말뚝을 선정하는 단계;
정재하 시험을 위한 말뚝의 상부 및 하부 절단면을 결정하는 단계;
상기 말뚝의 상기 하부 절단면 보다 하부에 변형률게이지를 부착하는 단계;
말뚝의 상부 및 하부 절단면을 절단하는 단계;
상기 상부 및 하부 절단면 사이에 로드셀 및 상기 로드셀에 하중을 인가하는 유압잭을 설치하는 단계;
상기 유압잭 및 로드셀을 이용하여 정재하 시험을 수행하는 단계;를 포함하되,
정재하 시험 대상 말뚝 이외의 주변 말뚝에 추가 변형률게이지를 부착하는 단계를 더 포함하고,
또한, 상기 정재하 시험을 수행하는 단계에서 상기 로드셀과 상기 말뚝의 하부 절단면 보다 하부에 부착된 상기 변형률게이지 사이의 보정을 수행하여 상기 변형률게이지의 보정계수를 획득하는 단계를 포함하는,
리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법.
제1항에 있어서,
말뚝의 상부 및 하부 절단면을 절단하는 단계 이후, 상기 하부 절단면 하부에 부착된 변형률게이지의 변형량과 상기 변형률게이지의 보정계수를 이용하여 말뚝에 작용되었던 하중을 계산하는 단계를 더 포함하는,
리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법.
제1항에 있어서,
상기 정재하 시험을 수행하는 단계 이후 구조물을 증축하고,
증축에 의한 상기 추가 변형률 게이지의 변형량을 통해 말뚝의 증가 하중을 측정하는 단계를 더 포함하는,
리모델링공사 비파괴 말뚝 반력 추정방법.