표제지 2

국문요약 5

목차 7

기호 설명 17

제1장 서론 22

1.1. 연구목적 22

1.2. 연구동향 23

1.3. 연구내용 25

제2장 앵커의 손상과 유지관리에 대한 이론적 고찰 28

2.1. 고강도 케이블 구조물의 손상과 파단 28

2.2. 그라운드 앵커 구조물의 손상과 파단 사례 32

2.3. 그라운드 앵커의 유지관리 39

2.4. 가설 앵커의 안전관리 41

2.4.1. 앵커의 변형 및 손상 41

2.4.2. 앵커의 안전상태 확인을 위한 조사 및 시험 43

2.4.3. 앵커의 안전관리 방법 44

2.5. 앵커의 긴장력 보강을 위한 유지 및 대책공법 45

2.5.1. 앵커의 기능유지 및 향상 46

2.5.2. 앵커의 방식기능 유지 및 향상 48

2.5.3. 앵커의 재긴장 및 긴장력 완화 54

2.5.4. 응력부식균열과 파단 예측 모델 57

제3장 현장 특성 및 가설 앵커 설계 62

3.1. 개요 62

3.2. 광주도시철도 2호선 1단계 현장(A현장) 62

3.2.1. A현장의 지반 조건 62

3.2.2. A현장의 가시설 구조물 설계 조건 64

3.2.3. A현장의 설계 지반정수 65

3.2.4. A현장의 가설 앵커 설계 65

3.3. 용인시 처인구 교육시설 신축공사 현장(B현장) 75

3.3.1. B현장의 지반 조건 75

3.3.2. B현장의 가시설 구조물 설계 조건 77

3.3.3. B현장의 설계 지반정수 78

3.3.4. B현장의 가설 앵커 설계 79

3.4. 가설앵커의 과긴장 설계 85

3.4.1. 과긴장률에 따른 과긴장력 85

3.4.2. 과긴장 조건별 잔존긴장력 산정 결과 87

3.4.3. 구조계산에 의한 과긴장 앵커 효과 검토 90

제4장 가설앵커의 과긴장 시험 및 최적 설계 93

4.1. 개요 93

4.2. 시험방법 및 조건 93

4.2.1. 과긴장 시험시 가정조건 93

4.2.2. 시험방법 94

4.2.3. 시험조건 98

4.3. 현장 시험결과 100

4.3.1. A현장의 시험결과 및 분석 100

4.3.2. B현장의 시험결과 및 분석 101

4.4. 신뢰성 기반 최적 설계방법 107

4.4.1. 최적 설계기법 107

4.4.2. Kranz모델을 활용한 가설앵커의 신뢰성 기반 최적 설계방법 111

4.5. 목표 신뢰성지수에 대한 하중계수 및 저항계수 결정 114

4.5.1. 하중계수 및 저항계수 결정 114

4.5.2. 현장시험과 최적 설계 비교 118

4.5.3. 지반조건에 따른 앵커의 최적 설계 분석 122

제5장 수치해석을 통한 과긴장 앵커의 적용성 평가 132

5.1. 개요 132

5.2. 구성방정식 132

5.2.1. 해석기법 132

5.2.2. 해석모델 133

5.3. 수치해석 모델링 137

5.3.1. 수치해석 케이스 137

5.3.2. 해석 모델링 및 입력데이터 139

5.3.3. 해석 모델링 순서 141

5.3.4. 경계조건 모델링 143

5.4. 수치해석 결과 분석 144

5.4.1. 하중－변위 관계 144

5.4.2. A현장의 수치해석 결과 분석 145

5.4.3. B현장의 수치해석 결과 분석 148

제6장 결론 152

참고문헌 155

Abstract 160

부록 164

표 2.1. 부식에 의한 그라운드 앵커의 파단실태 조사결과 33

표 2.2. 앵커의 변형 및 손상 원인 42

표 2.3. 콘크리트 캡의 기능 저하 원인 및 대책 48

표 2.4. 두부 캡의 기능 저하 원인 및 대책 49

표 2.5. 방청유의 기능 저하 원인 및 대책 50

표 2.6. 긴장재의 기능 저하 원인 및 대책 51

표 2.7. 지압판 및 정착구의 기능 저하 원인 및 대책 52

표 2.8. 두부배면부의 기능 저하 원인 및 대책 53

표 2.9. 앵커의 재긴장 및 긴장력 완화 54

표 2.10. 앵커 정착구의 재긴장·긴장력 완화에 대한 요건 55

표 2.11. 재긴장·긴장력 완화의 표준적인 방법 56

표 2.12. 긴장재 내부 강연선의 손상형태 및 원인과 우선순위 59

표 3.1. A현장의 지층별 구성상태 및 표준관입시험 결과 63

표 3.2. A현장의 흙막이 가시설 설계 조건 64

표 3.3. A현장의 설계지반정수 65

표 3.4. A현장의 가설앵커 설계제원(P.C Strand D12.7mm) 67

표 3.5. A현장의 강연선 갯수에 따른 허용인장강도 67

표 3.6. A현장 가설앵커의 자유장 산정 68

표 3.7. A현장 가설앵커의 유효긴장력 산정 69

표 3.8. A현장 가설앵커의 정착장치 활동에 의한 긴장력 감소량 산정 70

표 3.9. A현장 가설앵커의 릴렉세이션에 의한 긴장력 감소량 산정 71

표 3.10. A현장 가설앵커의 긴장력 손실을 감안한 초기긴장력 산정 71

표 3.11. A현장 가설앵커의 강연선 소요갯수 산정 72

표 3.12. 앵커의 주면마찰저항력 73

표 3.13. A현장 가설앵커의 마찰저항장(Lₐ₁) 산정 73

표 3.14. A현장 가설앵커의 부착저항장(Lₐ₂) 산정 74

표 3.15. A현장 가설앵커의 적용 정착장(Lₐ) 산정 74

표 3.16. A현장 가설앵커의 총 소요장(Lₐₗₗ) 산정 74

표 3.17. A현장 가설앵커의 변위(δ) 산정 75

표 3.18. B현장의 지층별 구성상태 및 표준관입시험 결과 77

표 3.19. B현장의 공내전단시험 결과 전단강도 77

표 3.20. B현장의 흙막이 가시설 설계 조건 78

표 3.21. B현장의 설계지반정수 79

표 3.22. B현장 가설앵커의 자유장 산정 80

표 3.23. B현장 가설앵커의 유효긴장력 산정 81

표 3.24. B현장 가설앵커의 정착장치 활동에 의한 긴장력 감소량 산정 81

표 3.25. B현장 가설앵커의 릴렉세이션에 의한 긴장력 감소량 산정 82

표 3.26. B현장 가설앵커의 긴장력 손실을 감안한 초기긴장력 산정 82

표 3.27. B현장 가설앵커의 강연선 소요갯수 산정 82

표 3.28. B현장 가설앵커의 마찰저항장(Lₐ₁) 산정 83

표 3.29. B현장 가설앵커의 부착저항장(Lₐ₂) 산정 83

표 3.30. B현장 가설앵커의 적용 정착장(Lₐ) 산정 84

표 3.31. B현장 가설앵커의 총 소요장(L) 산정 84

표 3.32. B현장 가설앵커의 변위(δ) 산정 85

표 3.33. 현장 가설앵커에 대한 과긴장률 및 과긴장력 계산 결과 86

표 3.34. 허용인장강도에 대한 과긴장력의 안정성 검토 87

표 3.35. 과긴장 조건별 잔존긴장력 계산 88

표 3.36. 과긴장률에 따른 앵커의 긴장력비 비교 91

표 4.1. 과긴장 현장 시험조건 98

표 4.2. A현장의 과긴장 시험 결과 100

표 4.3. B현장의 과긴장 시험 결과 103

표 4.4. B현장 시험시 과긴장률에 따른 앵커의 파단 후 긴장력비 검토 106

표 4.5. 가설앵커의 신뢰성 기반 최적 설계기법 107

표 4.6. 목표 성능값 방법(PMA)에서의 파괴확률별 신뢰성지수 110

표 4.7. Kranz 모델의 입력 데이터 112

표 4.8. 앵커지지 흙막이 가시설의 파괴와 관련된 확률변수의 평균값 113

표 4.9. 하중조합 115

표 4.10. 하중 및 저항계수를 고려한 확률변수에 대한 최적해 117

표 4.11. A현장의 목표 신뢰성지수에 대한 설계하중 및 저항계수 118

표 4.12. B현장의 목표 신뢰성지수에 대한 설계하중 및 저항계수 118

표 4.13. A현장에 대한 앵커설계, 현장시험, 최적 설계 결과의 비교 119

표 4.14. B현장에 대한 앵커설계 결과, 현장시험 결과, 최적 설계 결과의 비교 120

표 4.15. 사질토 지반에 대한 N값별 정착장, 설계하중, 저항계수의 변화 124

표 4.16. 풍화암 지반에 대한 정착장, 설계하중, 저항계수의 변화 125

표 5.1. 프리스트레스트 철근의 응력－변형율 관계 매개변수 136

표 5.2. 수치해석 케이스 138

표 5.3. A현장의 수치해석 결과 146

표 5.4. A현장에 대한 앵커의 강성도 비교 147

표 5.5. B현장의 수치해석 결과 148

표 5.6. B현장에 대한 앵커의 강성도 비교 149

그림 1.1. 연구 흐름도 27

그림 2.1. 서울 정릉천에 발생한 PSC 박스거더 교량의 긴장재 파단 및 손상형태 30

그림 2.2. 긴장재(Tendon)의 응력부식균열－파단과 교량붕괴사건(2000년, 미국 North Carolina 주) 31

그림 2.3. 포스트텐션 긴장재(Tendon)의 응력부식균열－파단과 조치(2000년, 미국 Florida 주) 31

그림 2.4. ○○지역의 Pack 앵커지지 흙막이 붕괴 사례 34

그림 2.5. ○○지역 붕적층 흙막이 붕괴사례 34

그림 2.6. 서울 ○○현장 흙막이 붕괴사례 35

그림 2.7. ○○택지개발지구 흙막이 붕괴사례 36

그림 2.8. 경의선 ○○역 흙막이 붕괴사례 36

그림 2.9. 용인 ○○물류센터 흙막이 붕괴사례 37

그림 2.10. 제주도 ○○빌딩 현장 흙막이 붕괴사례 37

그림 2.11. 동소문 ○○아파트 단지 옹벽 붕괴사례 38

그림 2.12. 가설 앵커지지 구조의 붕괴 사례 39

그림 2.13. 영구 앵커지지 구조의 붕괴 사례 39

그림 2.14. 그라운드 앵커의 구성 40

그림 2.15. 그라운드 앵커의 분류 40

그림 2.16. 두부보호와 방청유의 대책공법 선정과정 46

그림 2.17. 긴장재, 정착구, 지압판, 두부배면 대책공법 선정과정 47

그림 2.18. 응력부식균열의 유한요소해석 절차 60

그림 2.19. 개략적인 응력부식균열의 유한요소해석 프로그래밍 코드 61

그림 3.1. A현장의 대표 굴착단면 및 지층구조 63

그림 3.2. A현장 가설앵커의 필요 자유장 산정 68

그림 3.3. B현장의 대표 굴착단면 및 지층구조 76

그림 3.4. B현장 가설앵커의 필요 자유장 산정 80

그림 3.5. A현장의 과긴장력 및 잔존긴장력과 변위 비교 89

그림 3.6. B현장의 과긴장력 및 잔존긴장력과 변위 비교 89

그림 3.7. 과긴장률에 따른 앵커의 긴장력비 비교 92

그림 4.1. 과긴장 시험 절차 95

그림 4.2. 과긴장 시험 전경(A 현장) 96

그림 4.3. 과긴장 시험 전경(B 현장) 97

그림 4.4. A현장의 과긴장 시험조건 99

그림 4.5. B현장의 과긴장 시험조건 99

그림 4.6. A현장 시험시 과긴장력과 변위 관계(Case3) 101

그림 4.7. B현장 시험시 5연선 앵커의 과긴장력과 변위 관계 105

그림 4.8. B현장 시험시 4연선 앵커의 과긴장력과 변위 관계 105

그림 4.9. B현장의 과긴장률과 긴장력비 비교 106

그림 4.10. 신뢰성기반 최적설계법(RBDO)과 확정론적 최적설계법 비교 108

그림 4.11. Kranz 모델의 파괴기준 112

그림 4.12. 신뢰성기반 최적설계를 이용한 하중계수 및 저항계수 115

그림 4.13. 한계상태식의 안전영역 115

그림 4.14. A현장에 대한 앵커설계, 현장시험, 최적 설계의 앵커 강성도 비교 121

그림 4.15. B현장에 대한 앵커설계, 현장시험, 최적 설계의 앵커 강성도 비교 121

그림 4.16. 사질토 지반에서 주면마찰저항력에 따른 정착장의 길이 126

그림 4.17. 풍화암 지반에서 주면마찰저항력에 따른 정착장의 길이 126

그림 4.18. 사질토 지반에서 주면마찰저항력에 따른 설계하중 127

그림 4.19. 풍화암 지반에서 주면마찰저항력에 따른 설계하중 127

그림 4.20. 사질토 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₁ 128

그림 4.21. 풍화암 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₁ 128

그림 4.22. 사질토 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₂ 129

그림 4.23. 풍화암 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₂ 129

그림 4.24. 사질토 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₃ 130

그림 4.25. 풍화암 지반에서 주면마찰저항력에 따른 저항계수 Ф₃ 130

그림 5.1. Menegoto-Pinto(1973) 모델 134

그림 5.2. Menegoto and Pinto모델을 적용한 ABAQUS프로그램 해석 결과 136

그림 5.3. 수치해석 모델링 140

그림 5.4. 구조해석에 적용된 요소 종류 141

그림 5.5. 해석 모델링 순서 및 작용점 142

그림 5.6. 경계조건 모델링 143

그림 5.7. A현장의 과긴장 시험과 수치해석 결과의 하중－변위 관계 144

그림 5.8. B현장의 과긴장 시험과 수치해석 결과의 하중－변위 관계 145

그림 5.9. A현장의 파단 여부에 따른 하중－변위 관계 146

그림 5.10. A현장의 과긴장률에 따른 앵커의 강성도 변화 비교 147

그림 5.11. B현장의 파단 여부에 따른 하중－변위 관계 149

그림 5.12. B현장의 과긴장률에 따른 앵커의 강성도 변화 비교 150

 기존의 가설 앵커 유지관리 방식은 사후 유지관리를 통해 안정성을 관리하여 왔으나 이는 두부배면에 설치된 강연선 상태를 직접 확인하기 어렵다는 문제가 있다. 만약 강연선이 손상될 경우에는 재시공이 이루어져야 하나 이는 구조물의 안전문제와 공기지연, 경제성 손실문제를 야기한다. 따라서 가설앵커는 손상 후에도 흙막이 가시설의 안정성이 유지될 수 있도록 시공 중 또는 시공 후가 아닌 시공 초기에 선제적인 유지관리 조치를 취함이 적절하다. 본 연구에서는 시공 초기 가설앵커에 본래 요구되는 초기긴장력보다 더 큰 하중인 과긴장력을 재하하여 강연선 한가닥이 손상되더라도 남아 있는 강연선의 긴장력 만으로 전체 흙막이 가시설의 안정성을 유지할 수 있는 과긴장 앵커에 대한 과긴장력 및 저항계수 설계방안을 제시하였다.

이를 위해 본 연구에서는 우선 2개의 앵커지지 흙막이 가시설 현장에 대한 과긴장 앵커 설계를 실시하였으며 가설앵커 조건은 앵커의 파단전(5연선)과 파단후(4연선)에 대하여 실시하였다. 현장시험시에는 5연선 앵커의 경우 설계시 산정한 초기긴장력을 재하하여 변위를 측정하였으며 강연선 중 하나가 파단된 상황을 가정하여 4연선을 대상으로 동일한 시험을 진행하였다. 그 후에는 각 케이스별 과긴장력을 재하한 후 변위를 측정하였고 현장 여건에 따라 긴장력이 안정화된 후의 잔존긴장력을 측정하였다. 그리고 과긴장 앵커 설계와 현장 시험 결과를 바탕으로 과긴장률에 따른 파단 후 앵커의 지지효과를 분석하였으며 이를 통해 강연선 파단후에도 흙막이 가시설의 안정성을 유지할 수 있는 최적의 과긴장률을 산정하였다.

또한 과긴장 앵커의 안정성과 경제성을 고려한 최적 설계방안을 제시하기 위하여 신뢰성 기반 최적 설계기법을 이용하였으며 이를 위해 현장조건을 반영한 Kranz모델의 해석 결과를 활용하였다. 이때 목적함수는 정규확률분포에 대한 목표 신뢰성 지수로 하였으며 AASHTO LRFD 교량설계 시방서를 참고하여 하중계수 한계상태식을 선정하고 최적 설계를 통해 지반조건별 저항계수를 제안하였다.

마지막으로 현장시험 조건을 바탕으로 3차원 수치해석을 실시하였으며 이때 경계 조건은 고정단조건과 스프링조건으로 달리하였다. 그리고 수치해석 결과와 현장시험 결과 및 최적 설계 결과의 강성도를 비교함으로써 본 연구에서 제안한 과긴장 앵커의 저항계수에 대한 검증을 실시하였다.

구조계산 및 현장시험 결과 과긴장에 의한 가설앵커의 지지효과는 풍화토/풍화암 지반의 경우 과긴장률을 125% 적용하고 연암/경암 지반의 경우 과긴장률을 125%~130% 적용한다면 강연선이 파단되더라도 유효긴장력보다 큰 긴장력을 유지할 수 있는 것으로 분석되었다. 따라서 강연선이 파단된 후에도 흙막이 가시설의 안정상태를 유지할 수 있는 지지효과를 나타내었다. 또한 Kranz모델을 이용한 신뢰성 기반 최적 설계 결과 지반조건과 과긴장률에 따른 저항계수의 차이는 거의 발생하지 않으며 Ф₁, Ф₂, Ф₃은 각각 0.7, 0.5, 0.6 정도의 값을 적용하는 것이 적절한 것으로 나타났다.

최적 설계 결과는 현장시험 결과 및 스프링 경계조건의 수치해석 결과와 비교적 일치하는 하중-변위 거동을 나타내어 최적 설계를 통해 산정한 과긴장 앵커의 저항 계수 적용은 가능한 것으로 판단되었다. 또한 수치해석 결과 가설 앵커의 경계조건은 고정단과 스프링 중 정착장과 지반간의 마찰저항 특성이 반영된 스프링 경계조건이 고정단 경계조건보다 현장시험 결과와 높은 일치성을 보였다. 따라서 정착장이 고정단으로 가정되는 기존의 앵커 설계법은 다소 현실과 상이하므로 스프링 조건과 비교적 높은 유사성을 보이는 본 연구의 저항계수를 반영하여 설계가 이루어질 필요가 있다.