62 건설기술/쌍용

▶▶ VE 사례 Ⅰ

교량 말뚝기초 재질변경을 통한 VE 사례

1. 머리말

글 이영탁 ＼ 부산신항 제2배후도로 민간사업 현장 차장 ＼ 전화 055-552-9815 ＼ E-mail youngtak@ssyenc.com

글 정효성 ＼ 부산신항 제2배후도로 민간사업 현장 대리 ＼ 전화 055-552-9815 ＼ E-mail hsjeong@ssyenc.com

건설VE의 개념은 요구되는 목적물을 달성하기 위한 공법, 자재 및

유지관리 등을 포함한 건설 Life Cycle 전반의 창의적 개선활동을

의미한다.

본 고에서는 본래의 기능수준을 유지하면서도 경제성과 생산성을

동시에 높일 수 있는 원가절감형 시공VE 사례 중 하나로 교량 말뚝

기초 재질변경(강관말뚝 → ICP(Infilled Composite PHC)말뚝) 건에

대해 소개하고자 한다.

표 1 공사개요

공사명 부산신항 제2배후도로 건설공사 제1공구

공사위치 경남 창원시 진해구 남문동 ~ 대장동

공사기간 2015. 07. 13 ~ 2017. 01. 12

연장 5.7km

폭원 23.4m(4차로)

표 2 주요시설

구분 개소 비고

출입시설 1개소 진해IC

영업시설 1개소 진해영업소

터널 1개소/2,045m웅천터널

(NATM공법, 양방향)

교량 4개소/960m

남문대교(ILM공법, 640m),소사1교(PSC BEAM교, 175m), 소사2교(PSC BEAM교, 105m),진해IC R-B교(강교, 40m)

2. 공사개요

[그림 1] 현장전경(남문대교)

[그림 2] 현장전경(소사1교)

[그림 3] 현장전경(소사2교)

632015 하반기호

4-2. ICP말뚝 선정사유

① 일반적인 교량 구조물에서 수평력 및 휨응력이 크게 작용하는

구조물에는 강관말뚝을 적용하여 왔다.

② ICP말뚝은 전단철근 보강과 내부콘크리트 충전으로 수평강성

및 휨강성을 증가시켜 강관말뚝과 대등한 성능을 발현하는 말

뚝이다.

③ ICP말뚝을 수평력 및 휨모멘트가 크게 작용하는 교량의 말뚝기

초에 적용 시 구조적 안정성을 확보함과 동시에 경제성이 매우

우수하여, 소사1교 및 소사2교의 말뚝기초 재료로 선정하게 되

었다.

현재 국내 건설현장에서 비교적 큰 수평하중이 작용하는 교대 등

의 토목 구조물에 대해서는 수평력을 안전하게 확보할 수 있는 강

관말뚝의 사용을 선호하고 있으며, 당 현장 교량 구조물 중 소사1

교 및 소사2교의 말뚝기초 또한 강관재질로 원설계에 반영되어 있

다. 그러나 강관말뚝은 원자재를 전적으로 수입에 의존하고 있어

재료비가 고가이며, 이에 따른 전체 공사원가의 증가로 이어지게

되는 바, 강관말뚝과 동등 이상의 안정성을 유지하면서도 경제적

인 말뚝재료로의 변경에 대한 검토를 시작하게 되었다.

4-1. 변경현황

구분강관말뚝(당 초)

ICP말뚝(변 경)

재료특성

· 말뚝강성이 커 수평 및 휨 저항성

우수

· 전단철근 보강과 내부 콘크리트

충전으로 전단강성 및 휨강성

우수

시공성

· 이음 및 절단이 용이하고 경량

으로 운반과 취급이 용이

· 단단한 토층에도 직접항타 가능

· 강관말뚝에 비해 중량이 무거워

운반과 취급에 다소 불리

· 단단한 토층에 직접항타 시 타입

능률 저하

장단점

· 수평력 및 모멘트에 대한 저항성

우수

· 강재부식으로 내구성이 저하되며

해안 인접부에서는 내구성 확보

방안 필요

· 개단(End-Open) 말뚝으로 PHC

말뚝에 비해 선단지지 확보가

불리

· 자재비가 고가로 경제성 저하

· 전단철근 보강 및 내부콘크리트

충전으로 전단강성 및 휨강성

우수

· 강재부식이 없어 내구성 우수

· 폐단(End-Closed)말뚝으로

강관말뚝에 비해 선단지지 확

보가 유리

· 타 말뚝에 비해 경제성이 우수

경제성· Ø508mm, T = 12mm

· 134,100원/m

· Ø500mm

· 74,800원/m

[그림 4] 현장전경(진해영업소)

3. VE 수행배경

4. 설계변경 현황

전단연결재

(전단철근)

주철근

전단

철근

, 주

철근

및 내

부충

전 콘

크리

트 보

강범

위

(L =

4.0

~5.

0m

)모래채움

[그림 5] ICP말뚝 개요도

내부충전 콘크리트

주철근

주철근

전단연결재

(전단철근)

PC강봉

(8EA)

64 건설기술/쌍용

5-1. 공법의 특징

ICP말뚝은 상부 구조물 하중을 지지할 수 있는 기초공법 중 수평

하중 등에 대한 저항력이 큰 강관말뚝에 대비하여 휨성능과 전단

성능이 취약한 PHC말뚝에 전단연결재, 주철근, 콘크리트를 충전

하여 전단과 휨성능을 강관말뚝 수준으로 성능을 개선하였다.

표 3 ICP말뚝의 특징

작용력 및 저항개념 하중에 의한 변위

※ 구조적 안정성 확보와 말뚝 효율 극대화를 위해서 말뚝상단부의 보강구간(전단철근배치 및 콘크리트채움)과 비보강구간을 구분하여 결정함

전단철근 Dowel 작용 저항응력 증가

5-2. ICP말뚝의 성능 평가

본 항에서는 ICP말뚝의 휨 및 전단 성능을 직접적인 시험을 통하

여 평가한 결과를 기술하였다.

1) P-M 상관도

철근콘크리트 설계기준에 의하면 프리스트레스 콘크리트 구조물

을 설계할 때 단면의 강도는 강도설계법에 준해 산정한 후 허용응

력에 의해 강도를 감소시켜 허용단면력으로 검토하도록 명시되어

있으며, 동 기준에 의하면 콘크리트의 허용응력은 0.45fck를 사용하

도록 명시되어 있다.

ICP말뚝은 이러한 설계기준에 부합되도록 단면의 강도는 프로

그램을 이용한 정밀해석을 통하여 강도설계법에 의해 산정하고,

허용응력은 기준에 의한 0.45fck보다 작고 관례적으로 사용되는

0.25fck를 적용하여 허용 P-M 상관도를 작성함으로써 안전성 검토

를 수행하였다.

2) 검토결과

검토결과는 아래의 <표 4 및 5>와 같으며 강관말뚝 대비 우수한 강

도를 발현하는 것으로 검토되었다.

표 4 강관말뚝과 ICP말뚝의 P-M 상관도(극한)

표 5 강관말뚝과 ICP말뚝의 P-M 상관도(허용)

3) 교량의 교대 기초에 대한 적용성 검토

<표 6 및 7>에 나타난 바와 같이 ICP말뚝의 휨 및 전단시험을 바탕

으로 분석한 결과 휨-압축 저항력과 전단 저항력 모두 기존의 설

5. ICP말뚝 설계개요

저항응력 증가

저항 휨응력 증가

기성 PHC 내부충전 콘크리트

내부충전 콘크리트 중립축

내부충전 콘크리트

전단철근 배근(Dowel 작용에 의한 강제합성거동)

M

PH

작용력

(휨 및

전단

)

비보

강구

간보

강구

간

변위발생구간(4.0~5.0m정도)

두부고정 조건

두부힌지 조건

수평저항

주변 마찰 저항

지지력 선단 저항

M

PH

Mm

ax

21

Mm

ax

21

P(kN)

P(kN)

M(kN•m)

M(kN•m)

ϕ508×9t

ϕ508×9t

ϕ508×12t

ϕ508×12t

ICP(H29-8EA)

ICP(H29-8EA)

652015 하반기호

계 사례(교대의 말뚝)에서 조사된 작용력을 상회하는 것으로 나타

나 강관말뚝이 주로 사용되던 교대 말뚝에 ICP말뚝을 충분히 적용

할 수 있을 것이라 판단된다.

표 6 교대 작용력과 ICP말뚝 허용력 비교

표 7 말뚝의 전단력 비교

5-3. ICP말뚝의 속채움 콘크리트 합성화

① ICP말뚝은 PHC말뚝 내부의 슬러지에 의한 부착력 감소를 보

완하기 위해 전단연결재를 도입하였고, 이러한 전단연결재는

PHC말뚝 제작 전 철근망 내부에 미리 배근하고 콘크리트를 타

설하여 PHC말뚝 본체와 전단연결재 철근이 일체가 되도록 제

작되었다.

② ICP말뚝과 내부 속채움 콘크리트의 일체화를 보장하기 위해 신

구 콘크리트의 부착력은 슬러지의 영향을 고려하여 무시하고,

단지 전단연결재의 강도에 의해 신구 콘크리트가 합성이 되도

록 하였다.

③ 따라서, ICP말뚝 내부에 콘크리트를 속채움하면 전단연결재에

의해 ICP말뚝과 내부콘크리트가 일체로 거동하는 것을 보장할

수 있어 합성구조로 볼 수 있다.

[그림 6] 말뚝길이 15m이하

[그림 8] ICP말뚝 Joint 구조도

[그림 7] 말뚝길이 15m이상

V(kN)

A교

240

210

180

150

120

90

60

30

0

교대말뚝의 상시 전단력

교대말뚝의 지진시 전단력

ICP말뚝의 상시 허용 전단력

ICP말뚝의 지진시 허용 전단력

B교 C교 D교

보강

구간

6.0~

8.0m

말뚝

길이

에 따

라 V

AR 적

용

전단철근

내부충전 콘크리트

모래채움

ICP말뚝

JOINT

기성 PHC말뚝

PC 강봉

PC 강봉

보강밴드

STEEL 좌판

용접이음

(홈 용접)

보강밴드

비보

강구

간

기성 PHC말뚝(Φ500-80t)

강관말뚝(Φ503-12t)

저하중용 ICP말뚝

고하중용 ICP말뚝

교대작용력(상시)

기성 PHC말뚝(Φ500-80t)

강관말뚝(Φ503-12t)

저하중용 ICP말뚝

고하중용 ICP말뚝

교대작용력(상시)

P(kN)

M(kN•m)

66 건설기술/쌍용

5-4. ICP말뚝의 두부보강 및 성능

① 기존 PHC말뚝의 두부정리는 본체의 강선을 절단하는 원컷팅방

법이 주로 사용되나, 본체 강선이 절단되므로 강선의 긴장력이

손실되어 기초와의 연결부인 두부의 PHC본체가 매우 취약한

구조이다.

또한, PHC말뚝 내부에 철근을 보강한 후에 콘크리트로 속채움

하나 강도가 매우 약한 PHC말뚝 내부의 슬러지에 의해 일체화

가 보장되지 않아 강결조건을 만족시키기가 곤란하다.

② 이에, ICP말뚝의 두부보강은 긴장력이 손실(약 30㎝ 이내)된 두

부에 철근을 보강하여 콘크리트로 속채움하고 일체화하여 ‘말

뚝본체 + 속채움 콘크리트 + 두부보강철근’의 RC구조로 저항

하도록 하여 기초 연결부의 안전성을 확보하고 강결조건을 만

족시켰다.

③ 중공부에 기 설치된 전단철근으로 속채움 콘크리트와 말뚝본체

를 합성시키고 중공부에 배치된 보강철근을 기초에 연결하여

말뚝머리 휨모멘트에 저항하는 방법으로, 시공성이 양호하며

말뚝과 확대기초 철근보강으로 결속력이 우수하다.

④ ICP말뚝은 연성적인 거동으로 인하여 과도한 전단력이나 휨모

멘트에 저항하고 지진과 같은 반복하중에 대해 우수한 에너지

흡수율을 발휘하는 것으로 나타나 내진성능이 우수하다.

표 8 ICP말뚝의 시공순서

① 자재반입 ② 천공

③ 파일근입 ④ 용접이음

⑤ 동재하시험 ⑥ 두부정리

⑦ 두부보강 ⑧ 속채움 콘크리트 타설

당 현장은 말뚝기초 재질 변경을 통해 약 5억원의 공사원가 절감

을 실현하였다(<표 9> 참조).

표 9 말뚝기초 재질변경 적용효과 (단위 : 백만원)

자재비강관말뚝(당초) ICP말뚝(변경) 증감

1,307 801 ▽506

본 고에 게재된 시공VE 사례는 강관말뚝과 동등 이상의 안정성을

유지하면서 경제적인 말뚝을 적용하여 원가절감을 실현한 사례로

현장소장 이하 전직원의 관심과 노력의 결과물이라고 할 수 있다.

VE란 결코 어려운 것이 아니라 평상시에 해오던 업무의 일부라는

인식의 변화를 갖게 되는 계기가 되었으며, 목적의식을 가지고 적

극적인 자세로 임한다면 다방면으로 VE를 실현할 수 있을 것이라

생각된다.

끝으로 공정추진과 원가절감이라는 두마리 토끼를 잡기 위해 불철주야 노

력하고 있는 국내외 모든 현장 직원들에게 박수를 보내고, 상기 VE 사례가

유사공사 시공 시 참고가 되어 원가절감에 기여하기를 기대해본다.

6. 적용효과

7. 맺음말

[그림 9] ICP말뚝의 두부보강 철근 배치도

주철근

확대기초 띠철근

확대기초 아래면

주철근

H22PC 강봉

나선철근

전단철근

H10@200

H13@150

H10@200

T T

D

D′

기초철근

전단철근

원컷팅 두부정리선

100

AB

PC 강봉

8.3mm-12ea

H22-8EA내부충전 콘크리트(fck = 24MPa 이상)