A Study for Improved Design Criteria of Composite Pile Joint Location based on Case Analysis

사례 분석을 통한 복합말뚝 이음위치의 설계 기준식 개선 연구

Abstract

Composite pile, which is composed of the steel pipe pile in which the large horizontal force acts and the PHC pile in which the small horizontal force acts by a special connecting devices, is being commercialized as a base material for civil engineering structures. The core of such a composite pile can be said to be a design criterion for estimating the joint position and stability of the connection device between steel pipe pile and PHC pile. In Korea, there is no precise specification for the location of composite pile joints. In the LH Design Department (Korea Land & Housing Corporation, 2009), "Application of composite pile design and review of design book marking" was made with reference to Road Design Practice Volume 3 (Korea Expressway Corporation, 2001). this is used as a basis of the design of the composite pile. It can not be regarded as a section change of the composite pile, so it has a limitation in application. Therefore, In this study, we propose a design criterion for the location of the section of the composite pile (joint of steel pipe pile and PHC pile) and evaluate the stability and economical efficiency of it by using experimental method and analytical method. Analysis of composite pile design data installed in 79 domestic bridges abutment showed that the stresses, bending moments, and displacements acting on the pile body and connection of the pile were analyzed. Through the redesign process, it was confirmed that the stresses generated in the connecting device occur within the allowable stress values of the connecting device and the PHC pile. In conclusion, the design proposal of composite pile joint location through empirical case study in this study is an improved design method considering both stability and economical efficiency in designing composite pile.

복합말뚝(Composite Pile)이란, 수평력이 크게 작용하는 구간에는 강관말뚝, 작게 작용하는 구간에는 PHC말뚝을 특수한 연결 장치로 결합한 말뚝으로서 토목 구조물의 기초 재료로써 상용화되는 추세에 있다. 이러한 복합말뚝의 핵심은 강관말뚝과 PHC말뚝을 연결하는 연결 장치의 안정성과, 이음 위치를 산정하는 설계기준이라고 할 수 있는데 국내에서는 복합말뚝 이음부 위치에 대한 정확한 시방규정이 없어서, LH 설계처(한국토지주택공사, 2009)에서는 도로설계요령 제3권(한국도로공사, 2001)을 참고하여 작성한 "복합말뚝 설계적용 및 설계도서 표기 방안 검토"를 복합말뚝 설계의 기준으로 사용해 오고 있지만 복합말뚝의 단면변화라고 볼 수 없어 적용에 한계성을 가지고 있는 실정이다. 이에 따라 본 연구에서는 복합말뚝의 단면 변화부(강관말뚝과 PHC말뚝의 이음부) 위치에 대한 설계기준을 제안하고 이에 대한 안정성 및 경제성을 검토하고자 실험적인 방법과 해석적인 방법을 이용하여 연결장치에 대한 안정성을 검증하였으며, 국내 교량공사 교대 79개소에 시공된 복합말뚝 설계자료를 분석하여 말뚝 본체 및 이음부에 작용하는 응력, 휨모멘트, 변위 등의 경향성을 파악하였고, 개선식이 적용된 재설계 과정을 통해 이음부에서 발생한 응력들이 연결장치와 PHC말뚝의 허용응력 수치 내로 발생하는 것을 확인하였다. 결론적으로 사례분석을 통한 복합말뚝 이음위치의 설계 제안식은 복합말뚝을 설계함에 있어서 안정성과 경제성을 모두 고려한 개선된 설계기법임을 알 수 있었다.

Fig. 1. Loading - deflection graph (Composite pile vs PHC pile)

Fig. 2. Loading - deflection graph (Composite pile vs PHC pile)

Fig. 3. Results of horizontal loading test (Composite pile)

Fig. 4. Load - displacement (Composit pile vs. Steel pile)

Fig. 5. Result of L - pile program analysis

Fig. 6. Correlation between pile characteristics (β) and steel pile length

Fig. 7. Shear stress vs Permissible shear stress at joint (Abutment) - [Proposed formula]

Fig. 8. Bending stress vs Permissible bending stress at joint (Abutment) - [Proposed formula]

Table 1. Bending strength test with various types of composite pile

Table 2. Analysis of displacements of composite piles

Table 3. Maximum shear and shear stress tables

Table 4. Maximum bending moment and bending stress table

Table 5. Stress analysis table on composite pile joints

Table 7. Stress comparison table when applying existing formula vs proposed formula

Table 8. Comparison of design criteria of composite pile and field test results, numerical analysis results

Table 6. Stress analysis table on composite pile joints [Proposed formula]