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문제 정의
- 증분 법을 활용하여 초기재령 철근콘크리트 라멘교 상부 슬래브의 콘크리트 온도응력을 계산하는 시스템을 제시하고, 이를 현장 실측응력과 비교하여 그 타당성을 검토하고자 한다.
제안 방법
- 4개 교량에 대한 교량별 재령별의 온도이력을 헌 치부와 일반부로 구분하였다.
- ① 연구기간 동안 건설된 철근콘크리트 라멘교 4기에 대하여 초기 재령시의 슬래브부와 헌치부의 온도 이력을 현장실측을 통하여 제시하였고, 초기 재령 콘크리트 온도응력 해석시에 사용하기 위한 하강 온도 하중을 재령별로 제시하였다.
- ② 초기재령 철근콘크리트 라멘교의 온도응력을 해석하기 위한 알고리즘으로, 증분법에 의한 단계별 해석 시 요구되는 콘크리트의 탄성계수, 온도 하강 하중, 동바리 를 고려 하기 위 한 모델링 및 통상의 유한요소법에 적용하기 위한 해석기법을 제시하였다.
- 가장 큰 응력은 교축방향의 중앙 위치에서 발생되므로교축 중앙위치에 있는 요소들의 교축방향과 교축직각방향의 단면력과 응력을 집중적으로 분석하였으며 이들의 요소번호는 그림 14와 같다.
- 그리고 임의 재령에서 구한 인장응력이 인장강도를 초과하는 경우는 철근으로 보강하고, 균열에 대한 사용성을 검토하였다.
- 그림 3에서 보는 바와 같이 종점즉에 가각 처리가 되어있어서 시 점 부에 온도감지 센서 를 설치 하였으며 , 가천교의 온도측정 및 분석의 결과에 의하여 헌치 중간부, 헌치 끝단부 및 경간중앙부로 구분하여 교축부의 중간 하단에서 20cm 높이에 온도감지센서를 설치하였다.
- 그림 5에서 보는 바와 같이 종점측에 가각 처리가 되어있어서 시 점부에 온도감지 센서 를 설치 하였으며 , 가천교의 온도측정 및 분석의 결과에 의하여 헌치 중간부, 헌치 끝단부 및 경간 중앙부로 구분하여 교축부의 중간 하단에서 20cm 높이에 온도감지센서를 설치하였다.
- 그림 7에서 보는 바와 같이 시점부에 온도 감지 센서를 설치하였으며, 가천교의 온도측정 및 분석의 결과에 의하여 헌치중간부, 헌치끝단부 및 경간중앙부로 구분하여 교축부의 중간하단에서 20cm 높이에 온도감지센서를 설치하였다.
- 도, 의존적인 재료특성들(열팽창, 건조수축 등)을 동시에 다룰 수 있는 알고리즘을 제안하였다. De Borst와 Boogaard(1994) 는 초기재령 콘크리트에서 온도변형, 크리프변형, 분포형 균열의 복합작용에 대한 알고리즘을 수립하여 시간에 따른 균열진전 해석을 수행하였다.
- 본 논문의 연구에서는 다수의 철근콘크리트 라멘교의시공현장에서 상부 슬래브 초기재령의 온도를 실측하여온도이력의 특성 파악 및 추세선에 대한 식을 제시하며, 기존의 연구를 통하여 제시된 초기재령 콘크리트의 특성 등을 이용하여 탄성계수를 구한 후, 통상의 3차원 쉘 해석을 초기 콘크리트 재령 단계별로 실시하였다. 증분 법을 활용하여 초기재령 철근콘크리트 라멘교 상부 슬래브의 콘크리트 온도응력을 계산하는 시스템을 제시하고, 이를 현장 실측응력과 비교하여 그 타당성을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서 제안하는 설계기법에 의한 해석결과를 검증하기 위하여 해석예제로 채택한 성기교에 대하여 콘크리트 용 스트레인게이지와 철근 용 스트레인게이지를 설치하여 재령별 응력이력을 측정하였다.
- 성기교에 대해 본 연구에서 제안한 방법에 의하여 산출된 재령별 계산된 응력과 현장 실측 응력의 비교는 인장응력이 크게 발생하는 헌치끝단부(S157요소와 S158-2. 소의 중간 위치)에 대하여 실시하였다.
- 3차원 쉘 요소로 해석하였다. 쉘 요소는 하부 슬래브 357요소, 내외측 벽체 196요소, 상부 슬래브 357 요소로 분할하여 상부슬래부는 단면의 특성치를 정확하게 입력하기 위하여 헌치부의 변단면을 고려하여 모델링하였다.
- 재령별로 콘크리트의 재료특성 값과 하강 온도 하중이 변하므로 재령 50시간 간격의 7단계로 나누어서 단계별 해석을 실시하였다.
- 정밀한 해석을 위해서는 시간구간을 짧게 하여야 하며, 본 연구에서는 시간 간격을 50시간으로 정하였다. 4개 교량의 헌치부 평균 온도감소를 구하고 이 곡선들의 추세선을 다음과 같은 3차 다항식으로 표시하였다.
- 정밀한 해석을 위해서는 시간구간을 짧게 하여야 하며, 본 연구에서는 시간 간격을 50시간으로 정하였다. 4개 교량의 헌치부 평균 온도감소를 구하고 이 곡선들의 추세선을 다음과 같은 3차 다항식으로 표시하였다.
- 철근콘크리트 라멘교의 슬래브부에 대한 수화열 응력해석은 3차원 쉘요소로 모델링하고 상부 슬래브 콘크리트 타설을 위하여 설치된 동바리의 영향을 고려하여 유한요소 해석 프로그램인 SAP2000을 사용하였다.
- 초기재령 시의 콘크리트 강도는 증진되어가는 과정에 있고 온도이력도 재령에 따라 변하므로 임의 재령 시의 응력해석은 증분법을 적용하여 각 단계별 응력을 구하고 임의 재령 시까지의 응력을 누적함으로써 구하였다.
- 콘크리트 교량의 초기재령 시 구조해석은 성기교를 대상으로 3차원 쉘 요소로 해석하였다. 쉘 요소는 하부 슬래브 357요소, 내외측 벽체 196요소, 상부 슬래브 357 요소로 분할하여 상부슬래부는 단면의 특성치를 정확하게 입력하기 위하여 헌치부의 변단면을 고려하여 모델링하였다.
- 하부 슬래브를 지지하고 있는 지반은 스프링요소로 모델링 하였는데, 이는 암반 상에 기초가 놓여지는 고정지점으로 모델링되는 일반 라멘교가 아니라 评=30 정도의 지반에 놓이는 박스형 라멘교임을 감안한 것이며 스프링 계수는 도로교 표준시방서의 제안식을 활용하여 구하였다.
- 교각부. 헌치 끝단부, 경간 중앙부로 구분하여 설치하고, 슬래브 두께방향의 온도 변화를 알아보기 위하여 상부 표면에서 10cm, 40cm, 70cm의 깊이에 온도감지센서를 배치하였다. 사용된 온도측정기는 TEST300을 사용하였다.
대상 데이터
- 헌치 끝단부, 경간 중앙부로 구분하여 설치하고, 슬래브 두께방향의 온도 변화를 알아보기 위하여 상부 표면에서 10cm, 40cm, 70cm의 깊이에 온도감지센서를 배치하였다. 사용된 온도측정기는 TEST300을 사용하였다.
- 위치는 경남 거창군 남상면에 있으며, 교량형식은 1경 간 라멘교이고, 교량 평면 형식은 경사교(사각:85°)이다. 총연장은 16.
- 위치는 경남 거창군 주상면에 있으며, 교량형식은 3경간 박스형 라멘교이고, 교량 평면 형식은 경사교(사각:74°) 이다. 총연장은 53.
- 총연장은 16.0m이며, 교폭은 7.5m이다. 철근의 설계 기준항복강도 爲는 4000kgf/cm2이며, 콘크리트의 설계 기준강도 fck: 270kgf/cm2이 다.
- 총연장은 45.0m이며, 교폭은 10.0m이다. 철근의 설계기준 항복강도 爲는 4000kgf/cm2이며, 콘크리트의 설계기준강도 以는 270kgf/cm2이 다.
- 총연장은 53.0m이며, 교폭은 7.5m이다. 철근의 설계기준 항복강도 九는 4000kgf/cm2이며, 콘크리트의 설계 기준강도 厶는 270kgf/cm2이다.
성능/효과
- 1) 콘크리트의 상부 표면부는 열발산이 용이하여 최고온도가 중간 높이부와 하부에 비하여 상대적으로 낮고, 중간 높이부와 하부의 온도이력은 비슷한 양상을 나타내었다.
- 2) 콘크리트 단면의 두께가 두꺼운 벽체 상단부의 수화온도는 두께가 상대적으로 얇은 경간중앙부보다 높게 나타났으므로, 수화온도 이력은 헌치부와 일반부로 나누어서 분석되어야 함을 알 수 있었다.
- ③ 제시한 해석법을 조사대상 교량 중 1기의 교량에 대하여 적용하여 이를 검증하기 위해 현장 실측값과 비교하여, 초기 부분을 제외한 나머지 부분은 1~ 8% 정도의 오차 범위 내에 있어 만족한 결과를 얻을 수 있었다.
- ④ 본 연구에서 제시한 해석기법을 이용하여 초기 재령 철근 콘크리트 라멘교에 발생되는 균열 폭을 계산하여 균열을 제어하기 위한 철근량 산정방법을 제시하였고, 설계하중 재하시 배력철근으로만 취급되는 헌 치부의 철근이 초기재령 철근콘크리트 라멘교의 온도 응력에 대한 주철근이 됨을 알 수 있었다.
- 교각부 온도감지센서 그룹(No.l, No.2, No.3, No. 10, No.11)의 온도하강이 헌치끝단부 감지봉 그룹(No.4, No.5, No.6, No.14, No.15) 및 경간중앙부 온도감 지센서 그룹(No.7, No.8, No.9, No.18, No. 19)에 비하여 매우 큼을 알 수 있고, 헌치끝단부 온도감지센서 그룹과 경간 중앙부 온도감지센서 그룹은 비슷한 온도하강 이력을 보임을 확연하게 알 수 있었다.
- 콘크리트용 변형률 게이지와 철근용 변형률 게이지의 평균값을 구하고, 이를 근거하여 구한 추세선도 성기 교와 비슷한 양상을 보이며, 재령이 증가해 감에 따라 변형률이 점차 증가해감을 알 수 있으며, 재령 300~350시간에는 그 증가폭이 둔화됨을 알 수 있다.
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