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문제 정의
- 그러나 콘크리트 및 재료의 개선에 따라 보다 큰 긴장력이 도입될 경우 정착부파열력의 증대로 정착부의 안정성 및 경제성 향상을 위해 강선 긴장순서를 합리적으로 결정하여야 될 것이다. 본 연구에서는 여러개의 강선이 도입되는 I형 PSC교와 PSC 박스거더교에 대하여 최소의 파열력발생을 위한 합리적인 강선의 긴장순서를 연구하였다.
제안 방법
- I형 PSC교와 PSC 박스거더교의 강선긴장순서에 따른 정착부의 파열력을 검토하기 위하여 유한요소해석을 수행하였으며, 이에 대한 결론을 정리하면 다음과 같다
- PSC교이다. 강선의 긴장에 의한 I 형 PSC의 정착부 내부 파열 응력을 해석하기 위해서 정착부를 포함한 I 형 PSC에해나 해석모델을 범용 FEM 프로그램인 3차원 solid 요소로 모델링하였다. 정착부 해석예제는 Fig.
- 긴 장력에 의한 정착부 내부의 파열응력을 해석하기 위해서 정착 부를 포함한 박스거더에 를 범용 FEM 프로그램을 이용하여 3차원 solid요소로 모델링하였다. 해석은 Fig.
- 박스거더 내부에 작용하는 긴장재의 상향력은 등가하중으로 치환하여 재하하였으며, 박스거더 자중에 의한 반력의 영향을 고려하기 위해 포트받침의 면적에 해당하는 무한강성의 스프링으로 구속하였다. 긴장력은 모든 강선에 동일하게 295 tonf를 적용하였으며 강선이 정착되는 위치에서 지압 판 면적에 해당되는 요소에 대해서 1개의 긴 장력을 지압판 면적으로 나눈 하중을 재하하였다.
- 5 이내로 제한하여 요소분할을 수행하였다. 박스거더 내부에 작용하는 긴장재의 상향력은 등가하중으로 치환하여 재하하였으며, 박스거더 자중에 의한 반력의 영향을 고려하기 위해 포트받침의 면적에 해당하는 무한강성의 스프링으로 구속하였다. 긴장력은 모든 강선에 동일하게 295 tonf를 적용하였으며 강선이 정착되는 위치에서 지압 판 면적에 해당되는 요소에 대해서 1개의 긴 장력을 지압판 면적으로 나눈 하중을 재하하였다.
- 5 이내로 제한하여 요소분할을 수행하였다. 빔 자중과 강선의 긴장력을 외력으로 작용시켰으며, 빔 내부에 작용하는 긴장재의 상향력을 등가하중으로 치환하여 고려하였다. 빔 자중에 의한 반력의 영향을 고려하기 위하여 탄성받침의 면적에 해당하는 범위에 탄성 받침의 수직탄성계수를 적용하여 스프링으로 구속하였다.
- 빔 자중과 강선의 긴장력을 외력으로 작용시켰으며, 빔 내부에 작용하는 긴장재의 상향력을 등가하중으로 치환하여 고려하였다. 빔 자중에 의한 반력의 영향을 고려하기 위하여 탄성받침의 면적에 해당하는 범위에 탄성 받침의 수직탄성계수를 적용하여 스프링으로 구속하였다.
- 실제 프리스트레스 교량의 대다수가 포스트텐션닝방식에 의하여 시공 계획되기 때문에 본 연구에서는 대상 교량을 포스트텐션딩으로 국한시키며, 이에 대한프리스트레스 교량의 포스트텐션닝 공사 시공 Flow Chart를 Fig. 4에 나타내었다.
- 적용 긴장력은 강선 No. 1부터 순서대로 16.6 kN, 16.1 kN, 15.7 kN, 15.2 kN이며 강선이 정착되는 위치에서 지압판 면적에 해당되는 요소에 대해서 1개의 긴장력을 지압판 면적으로 나눈 하중을 재하하였다. 강선 긴장에 의한 탄성변형으로 인해 선행 긴장시킨 강선의 긴장력 감소는 약 5% 정도이며 이러한 감소율은 미소할 뿐만 아니라 본 논문의 목적인 긴장 순서에 따른 파열응력의 상대비교와는 무관하므로 강선 긴장에 의한 탄성변형의 긴장력 감소율은 무시하였다.
대상 데이터
- 13에 나타내었다. 본 모델에 적용된 solid 요소의 수는 12, 032개이고, solid 요소의 Aspect Ratio는 1.5 이내로 제한하여 요소분할을 수행하였다. 박스거더 내부에 작용하는 긴장재의 상향력은 등가하중으로 치환하여 재하하였으며, 박스거더 자중에 의한 반력의 영향을 고려하기 위해 포트받침의 면적에 해당하는 무한강성의 스프링으로 구속하였다.
- 본 연구의 대상교량중 I 형 PSC교는 고속도로공사표준도에 적용된 지간 30m 교량을 대상으로 하였고, PSC 박스거더교는 국내고속도로 건설공사에 설계 적용된 것으로서 연장이 5@50=250m 인 MSS 공법을 적용한 교량을 대상으로 하였다.
- 7에 나타낸 것처럼 강선의 수가 4개이며 길이 30m인 I 형 PSC이다. 본 예제에 대한 정착부의 해석모델은 Fig. 8에 나타내었으며, 본 모델에 적용된 solid 요소의 수는 2, 160개이고, solid 요소의 Aspect Ratio는 1.5 이내로 제한하여 요소분할을 수행하였다. 빔 자중과 강선의 긴장력을 외력으로 작용시켰으며, 빔 내부에 작용하는 긴장재의 상향력을 등가하중으로 치환하여 고려하였다.
- 강선의 긴장에 의한 I 형 PSC의 정착부 내부 파열 응력을 해석하기 위해서 정착부를 포함한 I 형 PSC에해나 해석모델을 범용 FEM 프로그램인 3차원 solid 요소로 모델링하였다. 정착부 해석예제는 Fig. 7에 나타낸 것처럼 강선의 수가 4개이며 길이 30m인 I 형 PSC이다. 본 예제에 대한 정착부의 해석모델은 Fig.
- 해석을 수행한 대상 교량은 국내 고속도로에 시공 예정으로 연장이 3@30=90m인 I 형 PSC교이다. 강선의 긴장에 의한 I 형 PSC의 정착부 내부 파열 응력을 해석하기 위해서 정착부를 포함한 I 형 PSC에해나 해석모델을 범용 FEM 프로그램인 3차원 solid 요소로 모델링하였다.
- 해석을 수행한 대상교량은 국내 고속도로 건설공사 구간에서 시공예정인 교량으로 연장은 5@50=250m이며 MSS공법이 적용된 PSC 박스거더교이다. 긴 장력에 의한 정착부 내부의 파열응력을 해석하기 위해서 정착 부를 포함한 박스거더에 를 범용 FEM 프로그램을 이용하여 3차원 solid요소로 모델링하였다.
성능/효과
- ② PSC 박스거더교 처럼 여러개의 강선을 긴장시킬 경우 동일한 크기 및 개수의 강선을 긴장하더라도 긴장 순서에 따라 정착부의 파열력의 크기는 상이하므로 정착부의 파열력을 최소화하는 순서로 강선을 긴장시켜야 하며, 이때 긴장순서는 내측에서 외측으로 긴장시키는 것이 파열력을 최소로 하는 방법이며, 최소파열력은 강선긴장 순서에 따라 최대 파열력 대비 82% 수준으로 감소되었다.
- 5에 정리하였다. 그 결과, 정착부 내부의 파열 응력을 최소화시키기 위한 강선의 긴장순서는 No. 5-2-3-1-6-4로, 최대 파열응력이 발생되는 긴장 순서인 No. 6-2-4T-3-5인 경우에 비해 긴장 단계에 따라 각 단계별로 파열응력은 8〜82%의 범위로 나타났으며, 파열응력 최소가 되는 긴장순서에서 정착부에발생되는 최대 파열응력은 26.436 MPa로 파열 응력 최대가 되는 긴장순서에서 정착부에 발생되는 최대 파열 응력인 32.204 MPa에 비해 82%에 불과하다. 설계 기준강도가 40 MPa인 콘크리트의 허용인장응력은 8.
- 그 결과, 정착부 내부의 파열응력을 최소화시키기 위한 강선의 긴장순서는 No. 3-4-2-1로, 최대파열응력이발생되는 긴장순서인 No. 42-3-2인 경우에 비해 긴장 단계에 따라 각 단계별로 파열응력은 33.3- 61.2%의 범위이다. 또한 파열응력 최소가 되는 긴장 순서에서 정착부에 발생되는 최대 파열응력은 6.
- 204 MPa에 비해 82%에 불과하다. 설계 기준강도가 40 MPa인 콘크리트의 허용인장응력은 8.4MPa이므로 모든 경우 콘크리트의 허용 인장 응력을 초과하는 것으로 나타났다. Fig.
- 14은 긴장순서에 따라 최대파열력이 발생하는 경우의 응력도를 나타내었다. 현행 강선긴장 순서에 의해 강선을 긴장하는 경우 최소파열응력이 발생하는 강선긴장순서에 ' 의해 강선을 긴장할 때 보다 파열 응력이 12.1% 크게 나타났으며 콘크리트의 허용 인장 응력을 초과하므로 보강철근이 필요한 것을 알 수 있다. Table 6과 같이 강선을 단독으로 긴장할 경우 강선의 위치에 따라 파열응력은 매우 큰 편차가 있으며, 강선을 전부 긴장시켰을 경우에 비해 8.
후속연구
- ③ 정착부 및 강선의 기하학적인 변형에 대해서 파열력은 민감하게 반응하므로 본 예제에서 적용한 정착 부와 형상이 다를 경우 정확한 파열력 및 합리적인 긴장순서를 파악하기 위해서는 제시한 순서에 기초하여 유한요소해석을 수행하여야 할 것이다.
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