[논문]현장실험을 통한 외부 후긴장 Steel I-Beam의 휨 거동 특성

조두용; 박대열; 박선규

현장실험을 통한 외부 후긴장 Steel I-Beam의 휨 거동 특성
Flexural Behavior Characteristics of Steel I-Beam Strengthened by the Post-tensioning Method on the Field Experiment 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.6 no.3 = no.21, 2002년, pp.151 - 158

조두용 (성균관대학교 토목환경공학과) , 박대열 (건국대학교 토목공학과) , 박선규 (성균관대학교 토목환경공학과)

초록
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외부 후 긴장 공법은 설계에 수반되는 구조해석이 비교적 명확하여 강교량 구조물뿐만 아니라 건축 구조물 등 그 적용범위가 매우 넓다. 본 연구에서는 외부 비부착 강연선 및 강봉을 가진 Steel I-Beam의 휨거동과 보강효과를 연구하기 위하여 우선 합리적인 이론해를 제시하고, 긴장력 도입 후 정적 휨 재하 실험을 수행하여 긴장력 도입 정도에 따른 휨 보강정도를 분석하였다. 또한, 강봉을 사용한 경우와 강연선을 사용한 경우로 시험체를 분류하여, 긴장재 종류에 따른 휨거동 특성과 보강효과를 비교 분석하였다. 아울러 강봉의 개수와 편향부 유.무에 따른 Beam의 휨거동 특성과 부재의 처짐의 증가에 따른 Tendon 위치의 편심량 값이 변화하고, 그에 따른 프리스트레스트 I-Beam의 휨 거동에 미치는 영향을 규명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the externally prestressed unbonded steel I-beam bridges have been increasingly built. The mechanical behavior of prestressed steel I-beams which are with external unbonded tendon is different from that of normal bonded PSC beams in a point of that the slip of tendons at deviators and the change of tendon eccentricity occurs, when external loads are applied in external unbonded steel I-beams. The concept of prestressing steel structures has not been widely considered, in spite of long and successful history of prestressing concrete members. In this study, The field experiment on prestressed steel I-beams has been performed in the various aspects of prestressed I-beam including the tend on type and profile.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

후긴장 보강공법은 설계에 수반되는 구조해석이 비교적 명확하여 교량구조물 뿐만 아니라 건축구조물 등 그 적용 범위가 매우 넓은 보강방법으로서 보다 더 많은 연구가 필요한 실정이다. 본 논문에서는 구조해석과 실제 시공된 강교량의 해석을 비교·분석하였다.
본 연구에서는 보강공법의 하나인 후긴장 공법을 Steel I-Beam에 적용함에 있어, 현장실험을 실시하여 그 거동을 분석하였다. 프리스트레스트 Steel I-Beam을 긴장력과 적용된 하중하에서 처짐 및 변형률을 측정하였다.
현장재하시험은 대상 구조물의 실제 거동을 파악하여 안전성 및 내하력을 평가하기 위한 것이고, 본 구조물의 설계에 대한 이론적 타당성을 검증하여 외부 후긴장된 라멘교의 거동특성을 파악해 보았다.

가설 설정

해석을 위한 가정은 (1) Hooke's의 법칙을 따르고, (2)미소변형 (3) Slip은 무시한다. (4) 전단 변형은 무시한다. (5) 새들점에서의 마찰은 무시한다.
(4) 전단 변형은 무시한다. (5) 새들점에서의 마찰은 무시한다.
해석을 위한 가정은 (1) Hooke's의 법칙을 따르고, (2)미소변형 (3) Slip은 무시한다. (4) 전단 변형은 무시한다.

제안 방법

프리스트레스트 Steel I-Beam을 긴장력과 적용된 하중하에서 처짐 및 변형률을 측정하였다. 강성도법에 의해 제시된 이론해와 실제 가설교량의 실험치와 비교하여 응답비를 얻었다.
부재력 및 처짐은 각 하중 재하 위치에 따라 똑 같은 조건으로 하중 재하하여 얻어진 값을 사용하였다. 거더와 교각 및 횡방향 보강재는 프레임요소를 사용하였고, 강봉은 직선 트러스 요소로 모델링하여 해석하였다.
기존 연구에서 I-Beam에 프리스트레싱을 도입함으로써 항복하중과 극한하중을 현저하게 증가시킬 수 있다는 결론을 바탕으로 본 연구에서는 제안된 외부 긴장된 I-Beam의 현장 적용을 위해 라멘 형태의 실 구조물을 제작 시공한 결과를 분석 하였다.¹⁾
셋째, 실제 구조물에서 절단된 Tendon의 상대변위는 0이므로 하중발생 후 Tendon 증가량 ΔX를 상대변위를 없애기 위하여 절단된 Tendon 양단에 도입한다. 이 때 계산을 간단하기 위하여 Fig.
9에서 보는 바와 같이 주형 상부, 하부 플랜지 및 tendon에 배치하였고, 최대 부재력 발생 부재에 Steel Gauge를 부착하였다. 수직 변위 측정기(LVDT)는 경간 1/2 지점에 설치하여 수직 변위를 측정하였다.
해석은 범용 유한요소 해석 프로그램(SAP2000)에 의해 수행되었고, 실 구조물 설계시에는 윤하중을 재하하여 해석하였다. 여기서는 15tonf 덤프트럭을 정적 재하하여 데이터를 비교 분석하여 내하력을 평가하였다.
직선으로 배치된 Tendon을 가진 보를 강성도법으로 해석하기 위해서, PS Tendon은 정착부와 편향부에 해당되는 Frame요소의 절점에 강체 연결된 Bar 요소를 이용하였으며 Fig. 1과 같다. 프리스트레스 힘은 등가절점력을 계산 후 I-Beam에 하중으로 작용시켰으며 프리스트레스 힘에 의한 하중벡터는 다음 식 (1)과 같음을 알 수 있다.
본 연구에서는 보강공법의 하나인 후긴장 공법을 Steel I-Beam에 적용함에 있어, 현장실험을 실시하여 그 거동을 분석하였다. 프리스트레스트 Steel I-Beam을 긴장력과 적용된 하중하에서 처짐 및 변형률을 측정하였다. 강성도법에 의해 제시된 이론해와 실제 가설교량의 실험치와 비교하여 응답비를 얻었다.
하중 경우별 처짐이나 응력의 실측치를 계산치와 비교한 응답비를 가지고 프리스트레스트 I-Beam의 안전성을 평가하였다. 응답비가 1보다 작다는 것은 실제 구조물이 가지고 있는 내하력이 계산된 내하력 보다 커서 구조물이 안전하다는 것을 의미하는데, 본 연구에서 수행한 프리스트레스트 I-Beam의 처짐에 대한 응답비는 0.

대상 데이터

Fig. 7에서 보는 것과 같이 실험용 차량은 15tonf 덤프트럭을 이용하였고, 시험용 차량을 계량소에서 계량하였으며 축하중은 Table 3과 같다.
강봉은 36mm Dywidag Bar를 사용하였고 허용응력은 f_ta= 6,200 kgf/ cm²이다. 가설교량의 실제 모델은 Fig. 4, 5와 같이 주형 588x300빔에 하부 플랜지에서 40cm되는 편심에 고강도 강봉으로 외부 후긴장한 형태이고, 상부는 복공판으로 덮여져 있다.
이 가설교량은 라멘형식으로 주형의 허용응력은 f_sa= 1,400 kgf/ cm²이고, 허용 전단응력은 τ_a= 800kg/ cm²이다. 강봉은 36mm Dywidag Bar를 사용하였고 허용응력은 f_ta= 6,200 kgf/ cm²이다. 가설교량의 실제 모델은 Fig.
실제 시공된 가설교량의 주요 제원은 다음 Table 2와 같다. 본 가설 교량은 낙동강을 횡단하는 삼랑진에 위치하고 있으며 유수의 영향을 최소화하고, 경제성 및 시공성등을 고려하여 지간장 4@22m=88m로 시공되었다. 이 가설교량은 라멘형식으로 주형의 허용응력은 f_sa= 1,400 kgf/ cm²이고, 허용 전단응력은 τ_a= 800kg/ cm²이다.

데이터처리

단계별 하중에 대한 구조해석은 재하 하중에 의한 구조해석값과 현장측정값과의 비교분석하여 응답비를 구하였다. 이때 실측응력은 측정된 변형률에 Steel의 탄성계수값을 곱하여 얻어진 값이다.
해석은 범용 유한요소 해석 프로그램(SAP2000)에 의해 수행되었고, 실 구조물 설계시에는 윤하중을 재하하여 해석하였다. 여기서는 15tonf 덤프트럭을 정적 재하하여 데이터를 비교 분석하여 내하력을 평가하였다.

이론/모형

이 해석법은 외부 비부착 프리스트레스트 I-Beam의 해석에 사용된다. 이러한 형태의 Tendon을 I-Beam에 적용할 경우 Tendon은 I-Beam 끝단에 정착되고 편향부에서의 마찰을 무시하면 편향부에서 Tendon은 자유롭게 이동할 것이다.
하중 변화에 의한 프리스트레스 Tendon의 인장력 증가량을 산정하기 위해서 Flexibility method를 이용한다.

성능/효과

1) 프리스트레스트 Steel I-Beam을 후긴장하는 이론을 바탕으로 현장에 실무적으로 적용 가능하였다.
2) 본 실험에 대한 분석 결과 도입 긴장력의 증가에 따른 주형 하부 플랜지의 초기 압축 변형률 상승에 의하여 상당한 보강 효과가 분석되었으며, 삼랑진 가교의 실험 결과에서 얻은 실험치와 이론해의 처짐에 대한 응답비는 0.7∼1.071, 응력의 경우는 0.6∼1.0사이로 일정한 분포를 보여줌으로써 실제 프리스트레스트 I-Beam의 안전성을 확보할 수 있었다.
3) 정적 재하 실험에 있어서 동일 하중의 발생 변형률은 도입 압축 변형률이 높을수록 낮아지는 것으로 분석되어 긴장력 증가에 따른 보강 효과의 상승이 나타났다.
8로 나타나 프리스트레스트 I-Beam은 구조적으로 안전성을 확보함을 알 수 있다. 따라서, 실험대상인 삼랑진 프리스트레스트 I-Beam은 소요의 안전성을 확보하고 있어 실 구조물로 사용이 가능하다고 판단된다.
하중 경우별 처짐이나 응력의 실측치를 계산치와 비교한 응답비를 가지고 프리스트레스트 I-Beam의 안전성을 평가하였다. 응답비가 1보다 작다는 것은 실제 구조물이 가지고 있는 내하력이 계산된 내하력 보다 커서 구조물이 안전하다는 것을 의미하는데, 본 연구에서 수행한 프리스트레스트 I-Beam의 처짐에 대한 응답비는 0.7∼1.071 정도로 그 값들이 일정한 분포로 나타났고, 응력의 경우는 0.6∼1.0 사이로 일정한 분포를 보여 주고 있다. 현장 재하시험 결과는 하중-처짐 응답비가 0.
0 사이로 일정한 분포를 보여 주고 있다. 현장 재하시험 결과는 하중-처짐 응답비가 0.88로 나타났고, 변형률도 평균 0.8로 나타나 프리스트레스트 I-Beam은 구조적으로 안전성을 확보함을 알 수 있다. 따라서, 실험대상인 삼랑진 프리스트레스트 I-Beam은 소요의 안전성을 확보하고 있어 실 구조물로 사용이 가능하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Tendon을 이용하여 강교량에 외부 긴장하는 기술은 어디에 사용되는가?	Tendon을 이용하여 강교량에 외부 긴장하는 기술은 새로운 교량을 신설할 경우나 기존 교량의 내하력 증진을 위한 보강공법에 사용할 수 있다. 프리스트레싱의 기술적, 경제적 유용성은 콘크리트에 도입하면서 폭넓게 발전되었다.
	프리스트레스 강구조물의 비용에 영향을 미치는 것은?	프리스트레스를 강구조물에 적용하면, 강재의 양을 줄일 수 있어 비용을 절감할 수 있는데 주로 구조물, 새들(saddle), 앵커, Tendon의 중량, 운송과 재하 비용, 프리스트레스를 포함한 건설비, 붕괴방지 비용과 같은 요인이 프리스트레스 강구조물의 비용에 영향을 미친다. 강재의 경제성은 구조물에 사용된 강재와 Tendon에 사용된 고강도 강재의 허용응력 차이만큼 증가한다.
	구조해석과 실제 시공된 강교량의 해석을 비교 분석하기 위한 해석 가정은?	해석을 위한 가정은 (1) Hooke's의 법칙을 따르고, (2)미소변형 (3) Slip은 무시한다. (4) 전단 변형은 무시한다. (5) 새들점에서의 마찰은 무시한다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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