[논문]PSC 교량의 프리스트레스 손실에 관한 해석적 연구

김운학; 라정균; 김태훈; 신현목

PSC 교량의 프리스트레스 손실에 관한 해석적 연구
Analytical Study on the Prestress Losses of Prestressed Concrete Bridges 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.7 no.1 = no.23, 2003년, pp.131 - 138

김운학 (국립한경대학교 토목공학과) , 라정균 (국립한경대학교 토목공학과) , 김태훈 (성균관대학교 토목환경공학과) , 신현목 (성균관대학교 토목환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents an analytical prediction of the prestress losses of prestressed concrete bridges. In this study a numerical procedure and computer program is developed to analyze the behavior of prestressed concrete bridges considering the time-dependent properties of material. It accounts for the aging, creep and shrinkage of concrete and the stress relaxation of prestressed steel. The structural model uses two dimensional plane frame elements with three nodal degree of freedom and is analyzed based on the finite element method. Member cross section can consist of concrete, reinforcement and prestressing steel. Two different set of equations for the prediction of time-dependent material properties of concrete are presented, which are ACI, CEB-FIP. The proposed numerical method for the prestress losses of prestressed concrete bridges is verified by comparison with reliable experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 기존의 대부분의 연구는 실험을 통한 프리스트레스 손실 측정과 즉시손실을 산정하기 위한 해석기법에 관하여 주로 이루어졌다. 따라서, 이 연구에서는 프리스트레스의 즉시손실과 장기손실을 모두 고려한 손실 추정에 관한 해석적 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 각 해석단계마다 콘크리트의 하중재하에 따른 크리프 및 건조수축으로 인하여 발생되는 프리스트레스의 손실을 고려하였으며, 프리스트레스의 손실원인중 마찰에 의한 손실, 정착장치의 활동에 의한 손실, 그리고 PS 강재의 이완에 의한 손실들도 별도로 고려하였다.
이를 위하여 각 해석단계마다 콘크리트의 하중재하에 따른 크리프 및 건조수축으로 인하여 발생되는 프리스트레스의 손실을 고려하였으며, 프리스트레스의 손실원인중 마찰에 의한 손실, 정착장치의 활동에 의한 손실, 그리고 PS 강재의 이완에 의한 손실들도 별도로 고려하였다. 또한 신뢰성 있는 연구자의 실험결과⁽⁸⁾와 해석결과의 비교·분석을 통하여 프리스트레스 손실에 대한 현행 설계기준의 타당성을 평가하고자 하였다.

가설 설정

PS 강재는 포스트텐션(post-tension)방식으로서 콘크리트와 긴장재가 완전히 부착되어 일체로 작용한다고 가정하며, 각각의 PS 강재는 전체길이에 대해서 일정한 단면을 가진다고 가정하였다. 또한, 해석과정에서 콘크리트의 크리프, 건조수축 및 강재의 이완 등의 시간적 영향을 고려하도록 하였다.
이 연구에서는 다음 식을 이용하여 각각의 절점당 마찰손실을 구하고 절점과 절점사이의 손실은 직선으로 변화한다고 가정하여 PS 강재의 마찰에 의한 손실을 산정하였다.

제안 방법

2) 콘크리트의 재령별 크리프와 건조수축량은 ACI, CEB-FIP의 모델을 선택적으로 사용하여 예측하도록 하였다.
PSC 거더의 해석모델은 17개의 절점과 16개의 2차원 골조요소로 모델링하였다. 또한 절점과 요소의 번호는 거더 끝단으로부터 시작하여 순차적으로 부여 하였다.
3) 프리스트레스트 힘은 콘크리트에 작용하는 외력으로 간주하며, 정착시의 초기손실뿐만 아니라 시간경과별 장기손실을 단계별로 계산하도록 하였다. 또한 이를 통해 PSC 교량의 정밀한 구조거동의 예측과 유지관리를 가능하게 하였다.
PS 강재는 포스트텐션(post-tension)방식으로서 콘크리트와 긴장재가 완전히 부착되어 일체로 작용한다고 가정하며, 각각의 PS 강재는 전체길이에 대해서 일정한 단면을 가진다고 가정하였다. 또한, 해석과정에서 콘크리트의 크리프, 건조수축 및 강재의 이완 등의 시간적 영향을 고려하도록 하였다.^(4),(11)
이 연구에서는 PSC 교량의 프리스트레스 손실을 추정할 수 있는 해석기법을 제시하고 이를 바탕으로 수치해석 프로그램을 개발하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
이 연구에서는 각 해석단계마다 콘크리트의 하중재하에 따른 크리프 및 건조수축으로 인하여 발생되는 인장력의 손실을 고려하였으며, 인장력의 손실원인중 마찰에 의한 손실, 정착장치의 활동에 의한 손실, 그리고 PS 강재의 이완에 의한 손실들도 별도로 고려하였다.
시간에 따라 변하는 콘크리트의 특성은 실제적인 실험에 의한 결과를 분석하여 예측할 수 있지만, 실험은 현실적으로 많은 제약이 있기 때문에 주로 콘크리트의 배합설계 및 주변환경변수에 따라 제안된 실험식을 이용한다. 이 연구에서는 시방서에서 보편적으로 이용되고 있는 ACI 209 모델⁽⁹⁾과 CEB/FIP 모델⁽¹⁰⁾을 선택적으로 사용할 수 있도록 하였다.^(4),(11)
이 연구에서는 요소의 설치 및 제거, PS 강재의 긴장, 경계조건의 변화, 이동식 작업차를 포함한 가설장비의 설치, 이동 및 제거 등과 같은 각각의 공정을 모사할 수 있는 부명령어(sub-command)를 이용하여 실제의 공정과정을 모사함으로써 시공단계를 고려한 PSC 교량의 해석을 수행할 수 있도록 하였다.
7%에 해당한다. 이 연구의 이론적 프리스트레스 손실 산정시에는 도로교 설계기준⁽¹⁾ 및 AASHTO 규준⁽¹⁵⁾에서 권장하고 있는 곡률 마찰계수( μ )=0.3/radian 및 파상 마찰계수( k )=0.0066/m를 적용하였으며 프리 스트레스의 즉시손실과 장기손실을 모두 고려한 손실 추정을 하였다. 해석결과가 실험결과 및 시방규정에 의한 계산결과와 약간의 편차를 보이고 있는 것은 국부적인 프리스트레스의 변동과 손실 산정시 사용한 마찰계수의 차이에 의한 영향으로 판단된다.
따라서, 이 연구에서는 프리스트레스의 즉시손실과 장기손실을 모두 고려한 손실 추정에 관한 해석적 연구를 수행하고자 한다. 이를 위하여 각 해석단계마다 콘크리트의 하중재하에 따른 크리프 및 건조수축으로 인하여 발생되는 프리스트레스의 손실을 고려하였으며, 프리스트레스의 손실원인중 마찰에 의한 손실, 정착장치의 활동에 의한 손실, 그리고 PS 강재의 이완에 의한 손실들도 별도로 고려하였다. 또한 신뢰성 있는 연구자의 실험결과⁽⁸⁾와 해석결과의 비교·분석을 통하여 프리스트레스 손실에 대한 현행 설계기준의 타당성을 평가하고자 하였다.

대상 데이터

이 연구에서 제시한 해석과정의 정확성을 검증하기 위해서 Fig. 3에 나타난 것 같은 실험체⁽⁸⁾를 선정하였다.
이 연구에서는 PSC 교량의 해석을 위해서 Fig. 1과 같이 축대칭인 단면을 가지며 길이방향으로 단면의 변화가 없는 2차원 골조요소를 사용하였다.

이론/모형

이 연구에서는 PS 강재의 이완을 고려하기위해 일반적으로 사용되고 있는 Magura의 식(13)을 사용하였다.

성능/효과

1) PSC 교량의 시간의존적 특성인 크리프, 건조 수축 등의 영향을 고려한 해석을 수행할 수 있으며, 부명령어(sub-command)를 이용하여 시공 단계를 모사함으로써 여러 가지 다양한 가설공법을 고려한 해석을 수행 할 수 있을 것으로 판단된다.
3) 프리스트레스트 힘은 콘크리트에 작용하는 외력으로 간주하며, 정착시의 초기손실뿐만 아니라 시간경과별 장기손실을 단계별로 계산하도록 하였다. 또한 이를 통해 PSC 교량의 정밀한 구조거동의 예측과 유지관리를 가능하게 하였다.
해석결과가 실험결과 및 시방규정에 의한 계산결과와 약간의 편차를 보이고 있는 것은 국부적인 프리스트레스의 변동과 손실 산정시 사용한 마찰계수의 차이에 의한 영향으로 판단된다. 그러나 해석에 의한 결과를 볼 때 해석결과가 실험결과 및 다른 추정식의 결과와 전반적으로 잘 일치함을 알 수 있다. 이와 같은 결과들을 함께 비교하여 Fig.
또한 절점과 요소의 번호는 거더 끝단으로부터 시작하여 순차적으로 부여 하였다. 마지막으로 측정한 거더의 프리스트레스의 손실은 1754 kgf/cm²로서 초기 긴장력의 15%에 해당하며 수십년의 공용기간이 경과한 후 측정한 프리스트레스의 손실은 2039 kgf/cm²로서 초기 긴장력의 17.5%에 해당한다. 그리고 AASHTO의 규정⁽¹⁵⁾에 의해 계산된 프리스트레스의 손실은 2325 kgf/cm²이며 초기 긴장력의 20%에 해당한다.

후속연구

위와 같은 후처리 기능에 의해 사용자가 해석결과를 즉시 화면상으로 검토할 수 있도록 하여 해석결과의 분석에 소요되었던 시간과 노력을 절감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
이 연구에서 제시한 해석기법에 의해 각종 PSC 교량의 시간에 따른 거동을 고려하는 정밀해석이 가능하며, 특히 단계별 분할시공방식이 적용되는 교량을 비롯한 각종 콘크리트 구조물의 해석에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트의 강도증가현상이란 무엇인가?	콘크리트의 시간의존적인 특성은 강도증가(aging) 현상, 크리프(creep), 건조수축(shrinkage)의 3가지로 분류할 수 있다. 강도증가현상은 시간이 경과함에 따라 콘크리트의 탄성계수 및 압축강도가 증가하는 현상을 말하며, 크리프는 응력이 일정한 상태에서 시간이 경과함에 따라 변형이 증가하는 것을 말한다. 그리고 건조수축은 응력과는 무관한 변형으로 온도의 변화나 하중의 재하가 없어도 콘크리트의 경화(hardening)에 따라 발생하는 변형을 말한다.
	프리스트레스트 콘크리트(이하 PSC) 구조물은 어떠한 기술의 발전으로 인해 토목구조물에 사용되게 되었는가?	프리스트레스트 콘크리트(이하 PSC) 구조물은 초기에는 재료의 개발부족으로 인하여 실용화되지 못하였으나 고강도 콘크리트의 개발, PS 강재의 강도증가 및 질적 향상, 컴퓨터를 이용한 구조해석기술의 발전으로 인하여 오늘날 다양한 토목구조물에 사용되고 있으며 PSC 교량은 대표적인 PSC 구조물이다. PSC 교량은 교량 상부구조물의 주요 가설단계마다 프리스트레스를 도입한다.
	프리스트레스 손실의 원인인 즉시손실과 장기 손실이란 무엇이며 어떤 종류가 있는가?	프리스트레스 손실의 원인은 크게 즉시손실과 장기 손실로 나누어진다. 즉시손실은 프리스트레스를 도입할 때 생기는 손실로써 PS 강재와 쉬스관 사이의 마찰에 의한 손실, 정착장치의 활동(anchorage slip)에 의한 손실, 그리고 콘크리트의 탄성변형에 의한 손실이 있다. 장기손실은 프리스트레스를 도입한 후 시간의 경과에 따라 일어나는 손실을 말하여 콘크리트의 크리프와 건조수축, PS 강재의 이완(relaxation)에 의한 손실이 있다.(16)

저자의 다른 논문 :

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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