Analysis on the Rigid Connections of the Drilled Shaft with the Cap for Multiple Pile Foundations

Piles of a bridge pier are connected with the column through the pile cap (footing). Behavior of the pile foundation can be different according to the connection method between piles and the pile cap. Connection methods between pile heads and the pile cap are divided into two groups : rigid connections and hinge connections. Domestic design code has been specified to use rigid connection method for the highway bridge. In the rigid connection method, maximum bending moment of a pile occurs at the pile head and this helps the pile to prevent the excessive displacement. Rigid methods are also good to improve the seismic performance. However, some specifications prescribe that conservative results through investigations of both the fixed-head condition and the free-head condition should be reflected in the design. This statement may induce an over-estimated design for the bridge which has high-quality structures with casing covered drilled shafts and the PC-house contained pile cap. Because the assumption of free-head conditions (hinge connections) is unreal for the elevated pile cap system with multiple piles of the long span sea-crossing bridges. On the other hand, elastic displacement method to evaluate the pile reactions under the pile cap is not suitable for this type of bridges due to impractical assumptions. So, full modeling techniques which analyze the superstructure and the substructure simultaneously should be performed. Loads and stress state of the large diameter drilled shaft and the pile cap for Incheon Bridge which will be the longest bridge of Korea were investigated through the full modeling for rigid connection conditions.

현장타설말뚝을 적용한 다주식 기초에서 말뚝과 캡의 강결합에 대한 분석

다수의 말뚝을 캡(확대기초)으로 연결하여 하중을 지지하는 다주식 기초에 대하여 캡의 연결부를 강결합 조건과 힌지결합 조건으로 구분하여 말뚝 반력 해석의 합리성을 분석하였으며, 널리 사용 중인 탄성변위법과 라멘식 프레임 해석에 기반한 비선형 해석기법을 비교하여 검토하였다. 특히 실제 해상 장대교량의 조건을 대상으로 상부구조와 기초를 연계한 전체 구조계 해석 결과를 분석하여 말뚝머리 구속 조건에 대한 기초 부재 단면력 산정의 적정성을 파악하였다. 이를 위해 캡과 연결된 각 말뚝에서 발생하는 휨모멘트, 전단력, 압축력 등 반력을 산정하고 PM상관도 분석과 지지력 산정을 통해 말뚝 부재의 안정성을 검토하였다. 일반적인 규모의 교량, 또는 강성이 크지 않은 말뚝을 적용한 기초에서는 말뚝-캡 결합 조건에 따른 말뚝 단면 설계의 차이가 현저하지 않으나, 말뚝이 지면 위로 일정 길이 이상 돌출되는 다주식 기초의 해상교량에서는 말뚝머리를 힌지로 고려할 경우 지중부에서 매우 큰 휨모멘트와 전단력이 유발되며, 말뚝머리의 수평변위량이 극단적으로 증가하였다. 해상 장대교량에 대해서는 비현실적 가정조건에 기반한 탄성변위법 보다는 말뚝머리를 캡에 강결합하고 말뚝이 탄성판에 지지된 보로 간주하는 라멘(rahmen) 모델링을 통해 상부구조와 연계한 전체 구조계 해석을 수행하는 것이 바람직하다.