노후된 PSC I 거더교에 대한 내하력 평가 방법과 외부 강선으로 보강된 교량의 성능 평가 및 보강 효과 검증 방법은 재하 차량을 이용한 현장 실험이 많이 사용된다. 하지만 재하 차량에 의한 실험은 탄성 범위 내의 사용하중 상태에서 이루어지므로 활하중에 의한 교량의 거동 특성 분석만 유효하며, 균열하중 이후에 나타나는 비선형 거동과 극한 상태에서의 내하력을 평가하는 것은 불가능하다. 이 실험 연구에서는 27년 동안 공용된 PSC I 거더교를 대상으로 여러 가지 재하 시험을 실시하여 사용하중 및 극한하중에 대한 교량의 거동 특성과 내하 능력을 분석하였다 또한 외부 강선 보강 방법의 보강 효과를 검증하기 위하여 기존 교량의 내부 PS 강선을 절단하여 인위적으로 손실을 유도하고 평가하였으며, 절단된 양 만큼을 외부 강선으로 보강하여 보강 전후의 거동 변화를 비교하였다. 이 실험 결과를 이용하면 PSC I 거더교에 외부 강선 보강 방법을 적용할 경우에 요구되는 기존 교량의 내하력, 요구 보강량, 보강 공사시 품질관리 기준 등을 보다 명확하게 결정할 수 있을 것이다.
노후된 PSC I 거더교에 대한 내하력 평가 방법과 외부 강선으로 보강된 교량의 성능 평가 및 보강 효과 검증 방법은 재하 차량을 이용한 현장 실험이 많이 사용된다. 하지만 재하 차량에 의한 실험은 탄성 범위 내의 사용하중 상태에서 이루어지므로 활하중에 의한 교량의 거동 특성 분석만 유효하며, 균열하중 이후에 나타나는 비선형 거동과 극한 상태에서의 내하력을 평가하는 것은 불가능하다. 이 실험 연구에서는 27년 동안 공용된 PSC I 거더교를 대상으로 여러 가지 재하 시험을 실시하여 사용하중 및 극한하중에 대한 교량의 거동 특성과 내하 능력을 분석하였다 또한 외부 강선 보강 방법의 보강 효과를 검증하기 위하여 기존 교량의 내부 PS 강선을 절단하여 인위적으로 손실을 유도하고 평가하였으며, 절단된 양 만큼을 외부 강선으로 보강하여 보강 전후의 거동 변화를 비교하였다. 이 실험 결과를 이용하면 PSC I 거더교에 외부 강선 보강 방법을 적용할 경우에 요구되는 기존 교량의 내하력, 요구 보강량, 보강 공사시 품질관리 기준 등을 보다 명확하게 결정할 수 있을 것이다.
For the evaluation of the load carrying capacity of the deteriorated PSC I girder bridge in service load state and the verification of the grade to the reinforcement effect of actual bridge strengthened by external prestressing tendons, the field test using vehicles is applied widely. Because this t...
For the evaluation of the load carrying capacity of the deteriorated PSC I girder bridge in service load state and the verification of the grade to the reinforcement effect of actual bridge strengthened by external prestressing tendons, the field test using vehicles is applied widely. Because this teat was executed in elastic range, the investigation of the characteristics of behavior caused by live load is only available. And it is impossible to estimate load carrying capacity in limit state and nonlinear behavior after that a crack is appeared. In this study, the 27-year-old prestressed concrete girder bridge is used and various load tests are performed, so we evaluate the behavior characteristics of the bridge in service load state and ultimate load state, and estimate the load carrying capacity of bridge. In addition, the artificial damages are induced from cutting internal tendons, and external tendons is added to strengthen it as much as vanished internal tendons. Next we compare the damage state with the strengthening state. In case of the application of external prestressing method to PSC I girder bridge, the present experiment result may decide more exactly the load carrying capacity of actual bridge, the amount for reinforcement, and the standard of quality control etc. at reinforcement work.
For the evaluation of the load carrying capacity of the deteriorated PSC I girder bridge in service load state and the verification of the grade to the reinforcement effect of actual bridge strengthened by external prestressing tendons, the field test using vehicles is applied widely. Because this teat was executed in elastic range, the investigation of the characteristics of behavior caused by live load is only available. And it is impossible to estimate load carrying capacity in limit state and nonlinear behavior after that a crack is appeared. In this study, the 27-year-old prestressed concrete girder bridge is used and various load tests are performed, so we evaluate the behavior characteristics of the bridge in service load state and ultimate load state, and estimate the load carrying capacity of bridge. In addition, the artificial damages are induced from cutting internal tendons, and external tendons is added to strengthen it as much as vanished internal tendons. Next we compare the damage state with the strengthening state. In case of the application of external prestressing method to PSC I girder bridge, the present experiment result may decide more exactly the load carrying capacity of actual bridge, the amount for reinforcement, and the standard of quality control etc. at reinforcement work.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이 실험 연구에서는 실제로 공용된 PSC I 거더교를 대상으로 구조 실험을 실시하여 하중 효과에 의한 교량의 거동을 분석하고 사용하중 및 극한하중에 대한 내하 능력을 살펴보았다. 인위적으로 손실을 유도하기 위하여 거더 중앙부의 PS 강선을 절단하고, 절단된 양 만큼을 외부 강선으로 보강하여 보강 전후의 거동을 분석한 다음 이론적인 보강량이 실제로 얼마의 영향을 미치는가에 대하여 검증을 실시하였다.
이 실험은 공용된 PSC I 거더교에서 바닥판과 일체된합성 거더를 인양하여 재하 시험을 실시하고 사용하중 및 극한하중에 대한 내하능력을 살펴보았다. 또한, 인위적으로 손실을 유도하고 외부 강선으로 보강을 실시하여 보강 전후의 거동 분석을 통한 외부 강선 보강 효과를 검증하였다.
제안 방법
균열이 발생한 후 거더 중앙부 하단의 손상된 콘크리트 게이지와 동일한 위치에 콘크리트를 제거하고 노출된 철근에 게이지를 부착하여 변형률을 측정하였다. Fig.
균열이 발생한 후에 측정되는 콘크리트 변형률은 의미가 없는 값이므로 이때는 거더 하단 중앙부 4개소에 피복을 제거하고 철근 변형률게이지를 설치하였으며, 거더 중앙부 하단 2개소와 상단 1개소에 균열게이지를 설치하여 균열 이후의 거동을 측정하였다.
또한, 단계별 하중 변화량을 측정하기 위하여 2개의 유압잭 중 하나의 상단 노즐 위에 로드셀 (하중계)을 설치하였으며, 좌우대칭으로 동일한 하중을 재하하였다. 균열이 발생한 후에 측정되는 콘크리트 변형률은 의미가 없는 값이므로 이때는 거더 하단 중앙부 4개소에 피복을 제거하고 철근 변형률게이지를 설치하였으며, 거더 중앙부 하단 2개소와 상단 1개소에 균열게이지를 설치하여 균열 이후의 거동을 측정하였다.
거더를 인양하여 재하 시험을 실시하고 사용하중 및 극한하중에 대한 내하능력을 살펴보았다. 또한, 인위적으로 손실을 유도하고 외부 강선으로 보강을 실시하여 보강 전후의 거동 분석을 통한 외부 강선 보강 효과를 검증하였다. 이와 같은 일련의 실험을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
본 실험은 하중 작용 하에서 탄성거동과 소성변형을 남기는 소성 거동 및 극한 상태에서의 극한 거동을 살펴보기 위하여 단계별로 재하 (loading), 제하 (unloading), 재재하 (reloading) 등의 과정을 통해 실험을 시행하였다.
본 실험은 휨 파괴를 유도하기 위해 지간 중앙부 두 지점에 하중을 재하하였고, 하중의 재하 위치와 게이지부착 위치는 Fig. 4에 나타내었다. 콘크리트 변형률 게이지는 보 중앙부 양면 12개소에 설치하였으며, 처짐계는 거더 간 1/4, 1/2, 3/4지점에 각각 1개씩 총 3개소에 설치하였다.
살펴보았다. 인위적으로 손실을 유도하기 위하여 거더 중앙부의 PS 강선을 절단하고, 절단된 양 만큼을 외부 강선으로 보강하여 보강 전후의 거동을 분석한 다음 이론적인 보강량이 실제로 얼마의 영향을 미치는가에 대하여 검증을 실시하였다.
4에 나타내었다. 콘크리트 변형률 게이지는 보 중앙부 양면 12개소에 설치하였으며, 처짐계는 거더 간 1/4, 1/2, 3/4지점에 각각 1개씩 총 3개소에 설치하였다.
하중 재하 방법 및 평가 내용은 Table 3에 나타내었으며, 하중 단계별 실험 결과는 하중-처짐, 하중-변형률, 하중-균열 폭, 중립축 위치 변화, 균열 높이 변화 그리고 하중-균열 양상으로 나누어서 정리하였다.
대상 데이터
본 실험은 고속도로에서 27년 공용되었다가 철거되는 교량을 대상으로 실시하였다. 현장에서 실험이 진행된 관계로 기간 단축과 효율적인 작업을 위하여 Fig.
3어서는 긴장재의 배치 형상을 나타내었다. 시험체의 전체 길이는 26.2m이다. 시험체를 교량에서 절삭하여 인양한 관계로 단면 형상은 Fig.
성능/효과
1) 이론적인 균열하중이 재하되었을 때 균열이 발생하기 시작하였으며, 이후 20% 정도의 추가하중이 재하되었을 때 처짐은 급격히 증가함을 알 수 있었다.
2) 균열발생 후의 선형구간은 균열발생 전에 비해 약 40% 정도 감소하였으며, 이러한 선형탄성 영역의 존재는 PSC 콘크리트가 RC 콘크리트에 비해 탄성적으로 복원성이 크다는 것을 의미한다.
3) 균열 폭은 균열발생 후 재하하중의 크기에 따라 선형적으로 증가하였으며, 외관상으로 나타난 균열폭이 허용균열폭보다 클 경우 사용하중은 이미 균열 하중을 초과하고 있음을 알 수 있다.
4) 휨균열은 균열하중 이상이 재하될 경우는 상부 플랜지 부근까지 진전되며, 하중이 증가됨에 따라 폭은 확대되고 간격은 조밀하게 나타났다.
5) 외부 강선 보강으로 손실된 긴장력을 회복시킬 수 있지만, 보다 합리적인 보강을 위해서는 엄밀한 손실량 계산과 체계적인 품질관리가 요구됨을 알 수 있다.
11에서 균열의 높이 변화는 중립축의 높이 변화와 유사한 경향을 보이고 있다. 균열이 발생한 시점은 이론적인 균열하중 250 kN과 같으며, 균열발생 후 약 30 kN 의 하중이 증가하는 동안 균열의 높이는 거더 하단으로부터 900 mm까지 급격히 증가함을 알 수 있으며, 이후재재하되면서 균열발생 시점은 100kN 이하의 하중에서 시작됨을 알 수 있다. 반복하중이 재하되는 동안 균열 하중은 50kN 이하로 낮아졌다가 보강이 시행되면서 다시 100 kN까지 회복됨을 알 수 있다.
이는 균열로 인한 콘크리트 단면이 저항 능력을 상실했을 뿐만 아니라 중앙부의 강선을 절단하기 위해 사용된 열이 다른 부분에도 전달되어 긴장력의 감소를 일으켰기 때문으로 추정할 수 있다. 다시 외부 강선을 보강하였을 경우 변위는 63 mm 로 강선 절단 후에 비해 약 28.4% 정도의 보강 효과가 나타났음을 확인할 수 있었다. Fig.
따라서 실 교량의 균열하중은 이론적인 구조계산 값과 거의 일치함을 알 수 있으며, 적절한 하중 제한을 통하여 공용 교량의 사용성을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
12(1)은 300 kN의 하중이 재하되었을 때의 균열 양상으로써, 균열은 지간 중앙부를 중심으로 하여 600mm 간격으로 양방향 4이까지 분포되었다. 발생한 균열의 최대 높이는 960mm로 상부 플랜지 부근까지 진전되었으며, 최대 균열폭은 하부 플랜지 하면에서 0.28 mm로 나타났다. 이는 상태 평가 등급 D에 해당하며, 공용 교량에서 실험 상황과 같은 균열 양상을 보인다면 사용하중이 균열하중을 초과하고 있음을 알 수 있다.
여기서 , 균열은 약 245 kN의 하중이 재하되었을 때 발생하기 시작하였으며, 콘크리트의 휨인장강도에 도달하는 이론적인 균열하중과 거의 일치함을 알 수 있었다. 245 kN 이상의 하중이 재하되었을 때는 처짐의 급격한 증가가 나타나는 2차 선형거동으로 전환됨을 알 수 있다.
균열이 발생한 후 탄성한계는 약 40% 정도 감소함을 알 수 있다. 여기서, 균열이 발생한 이후 하중이 재재하되는 과정에서 탄성 영역이 존재한다는 것은 철근과 긴장재의 인장 강성 효과로 인하여 하중을 제거했을 때 균열이 다시 폐합됨을 확인할 수 있으며, 이로써 PSC 콘크리트가 탄성적이고 복원성이 크다는 것을 알 수 있다.
사용된 재료의 특성은 Table 2와 같다. 콘크리트 코어 강도는 바닥판이 평균 34MPa, 거더는 37MPa 로 설계강도보다 크게 나타났다.
참고문헌 (11)
Pessiki, S., Kaczinski, M., Wescott, H. H., 'Evaluation of Effective Prestress Force in 28-Year-Old Prestressed Concrete Bridge Beams', PCI Journal, Vol.41 No.6, 1996, pp.78-89
Tabatabai, H. and Dickson, T. J., 'Structural Evaluation of a 34-Year-Old Precast Post-Tensioned Concrete Girder', PCI Journal, Sep-Oct. 1993, pp.50-63
Naaman, A. E., Burns, N., French, C., Gamble, W. L. and Mattock, A. H. 'Stresses in Unbonded Prestressing Tendons at Ultimate: Recommendation', ACI Structural Journal, Vol.99, No.4, 2002, pp.518-529
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.