말뚝의 동재하시험(E.O.I.D: End Of Initial Driving)

현장에서 말뚝을 시공한 후에는 설계 시 가정한 성능을 충분히 확보하고 있는지 확인해야 합니다. 말뚝 재하시험에는 정재하시험과 동재하시험으로 구분하는데, 정재하시험이 신뢰도가 높습니다. 여기서는 동재하시험에 대해 살펴보겠습니다.

■ PHC 말뚝 - 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝
■ 원심력 콘크리트 말뚝(PHC말뚝)의 시공
■ 말뚝의 정재하시험(반력말뚝방식)

동재하시험 개요

동재하시험은 1964년 미국의 Case Western Reserve대학의 Goble박사의 주도로 연구가 시작되었고, 1973년에 상용화 되기 시작하였다고 합니다. 1989년에 ASTM D-4945으로 기준이 확립되었습니다.

동재하시험의 원리는 파일 두부를 햄머로 타격할 때 발생되는 압축파에 대한 정보를 수집해서 파일의 지지력을 추정하는 것입니다. 주로 시험파일 몸체에 부착된 변형율계(Strain transducer)와 가속도계(Accelerometer)를 사용하여 파일에 가해지는 힘과 변위 데이터 등 파일에 대한 여러 정보를 해석해서 파일의 지지력뿐 아니라 깊이별 저항력, 파일 햄머의 성능, 파일의 손상위치 등의 여러 정보를 파악할 수 있습니다.

시험말뚝 내용

현장에서 시험한 시험말뚝의 사양은 다음과 같습니다.

말뚝종류	직경 (mm)	말뚝관입심도 (m)	시공방법	설계하중 (ton/본)	비고
PHC	500×80	26	D.R.A	120.0	E.O.I.D

E.O.I.D (End of initial Driving; 초기항타)는 지지력 평가를 위한 동재하시험의 실시시기를 정의하는 용어로서 항타 직후에 실시된 동재하시험

항타관리시험(PDA: Pile Driving Analysis) : 항타 중 말뚝에 발생하는 압축/인장응력, 전달되는 최대에너지, 관입저항 등을 연속적으로 측정하여 항타 중 말뚝의 건전도 확인, 해머 선정의 적정성과 지반의 관입저항을 측정하여 말뚝의 항타관입성 등을 확인하는 시험, 파동방정식에 의한 항타관리 기준(해머낙하고-최종관입량-지지력관계)을 확인/검증하거나 새로운 항타관리 기준을 만드는 시험

건전도지수: 항타로 인한 말뚝의 손상 정도를 알려주는 지수

시험장비의 제원은 다음과 같습니다.

• 항타분석기(Pile Driving Analyzer) : 1대
• 가속도계(Accelerometer) : 2조
• 변형율계(Strain Transducer) : 2조
• 항타기- Drop Hammer(weight 2.5ton) : 1대

시험은 다음 순서로 진행합니다.

1. 파일두부에서 약 1.5 Dia. 아래의 지점에 변형률계와 가속도계를 각 2쌍씩 부착하여 연 결케이블과 메인케이블을 이용하여 항타분석기(P.D.A)에 연결합니다.
2. 항타장비로 타격하여 변형률계와 가속도계에서 측정한 아날로그 신호를 A/D변환기를 통해 힘과 속도가 디지탈 데이타로 변환합니다.
3. 입력된 데이타로부터 Case method와 CAPWAP method로 파일지지력 및 기타 사항을 파악합니다.

표준시방서에 규정된 장치의 규격은 다음과 같습니다.

• 항타장비

항타장비는 말뚝에 충격력을 가하기 위하여 일반적인 항타기나 유사 장비를 사용할 수 있으며, 설계 지지력을 충분히 초과하는 지지층에서의 정적 저항을 만들어 낼 수 있는 말뚝 관입량을 유발할 수 있거나 최소 3/1,000초(3 ms)간 말뚝에 타격에너지를 작용시킬 수 있는 장비이어야 한다.

• 동적거동 측정기구

항타 중 말뚝 축을 따라 특정 위치에서 시간에 따른 가속도와 변형을 독립적으로 측정할 수 있는 변환기가 포함되어야 한다.
말뚝 중심축을 기준으로 반대편에 가속도 측정용 장비와 변형 측정용 장비가 하나씩 최소 2개 이상의 장비가 미끄러지지 않도록 안전하게 부착되어야 한다.

• 가속도계

사용되는 가속도계는 궁극적으로 적분에 의해 속도로 환산되어 분석에 사용되므로 이러한 기능을 갖는 가속도계 및 변환장치가 사용되어야 한다.
가속도계는 공명 주파스가 2,500 ㎐ 이상인 것이 사용되어야 하며 최소한 2개가 말뚝중심축을 기준으로 원주방향으로 대칭이 되도록 부착되어야 한다.
콘크리트 말뚝인 경우 사용되는 가속도계는 최소한 9.81 N 레벨 및 1,000 ㎐범위 내에서 선형을 보이는 것이 요구되며 강관말뚝인 경우에는 최소한 19.62 Ng 및 2,000 ㎐범위 내에서 선형을 확보할 수 있는 성능을 가져야 한다.

• 변형률계

변형률계는 전체 변형 가능 범위에서 선형 결과가 있어야 한다. 말뚝에 설치하는 힘 또는 변형률계의 고유 주파수는 2,000 ㎐ 이상이어야 한다.
측정된 변형률은 그 위치에서의 말뚝 순단면적과 동적탄성계수를 이용하여 힘으로 전환되어야 한다.
강재의 동적탄성계수는 (200~207)×106 kPa 정도이다.
콘크리트와 목재 말뚝의 동적탄성계수는 KS F 2438과 KS F 2206에 따라 압축 시험 중 측정된 것으로 추정할 수 있다.

• 항타분석기

말뚝에 부착된 가속도계 및 변형률계로부터 측정되는 데이터가 전송되어 변위 및 힘으로 변환되어 화면(주로 LCD)에 출력되는 기기가 필요하다.
이 기기 내에는 자료 취득 및 처리, 신호변환 등의 기능을 실행할 수 있어야 하며 파형분석 프로그램에 적합한 자료처리 기능을 가져야 한다.
이 기기는 신호저장 장치, 자료처리 장치, 변환자료 저장 장치 및 화면출력 장치 등으로 구성된다.

시험결과의 분석

동 재하시험결과의 분석으로는  Case method와 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program) method가 있습니다.

Case method는 지지층의 토질상태에 따라 Damping 계수(Jc)를 입력하여 항타와 동시에 파일의 지지력, 손상정도를 계산할 수 있습니다. Case method는 항타와 동시에 시험파일의 지지력을 즉시 계산하므로 항타관리에 편리하지만 극한지지력 측정 시 Damping계수인 Jc를 시험자가 경험적으로 가정, 입력해야 하는 등 오차 유발 요인이 포함되어 있어 참고자료로만 활용하며 허용지지력의 결정은 CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program) method로 결정합니다.

CAPWAP(CAse Pile Wave Analysis Program) method는 항타분석기(PDA)를 통해 얻은 힘과 가속도를 Wave Matching Technique으로 분석하여 최종적으로 파일의 지지력, 하중-침하량 관계등을 결정할 수 있습니다. CAPWAP method는 Case Western Reserve University의 Rausche(1970)에 의해 최초로 개발되었으며 항타분석기(PDA)로 부터 얻어진 힘과 가속도를 이용, 파일에 작용하는 힘과 파일의 변위를 정량화하여 Signal matching을 통해 파일의 경계조건(파일의 지지력, 지반저항력의 분포, quake 및 damping특성)을 결정하는 방법입니다.

위 시험에서 얻어진 결과는 다음과 같습니다.

• 시험파일의 응력평가 요약표

동재하시험시 파일에 작용한 응력은 상기와 같으며 압축응력(허용한계 : 0.480ton/cm2) 및 인장응력(허용한계 : 0.063 ton/cm²) 모두 허용범위 이내로 측정되었다.

• CAPWAP 정밀분석결과 요약표

금번 시험은 파일시공 직후 실시한 E.O.I.D로써 시간이 경과함에 따라 주입된 시멘트의 양생이 진행됨으로써 주면마찰력의 증가가 예상되므로 결국 보다 더 안정적인 전체지지력의 증가가 예상된다.

• 항타관리기준

■ PHC 말뚝 - 프리텐션 방식 원심력 고강도 콘크리트 말뚝
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■ 말뚝의 정재하시험(반력말뚝방식)


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