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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 이와 같은 연구의 일환으로 실물크기의 실험체를 통한 구조적 거동의 특성을 분석하고 해석기법을 제안하고자 한다.
- 나타났다. 본 논문에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC-I형 거더에 대한 실험과 해석을 수행하였다. 제한된 범위내에서 수행된 해석결과는 어느정도 신뢰할 수 있는 결과를 도출하였으며, 추가적인 연구를 통해 분절부의 개수와 위치 등에 따른 설계자를 위한 초기강성부분에 대한 평가를 제안할 필요가 있다.
- 본 논문에서는 현장 타설방식을 탈피하고 시공품질및 교통량 우회비용을 절감하기 위하여 기존의 프리캐스트 세그먼트 공법을 상자형 단면이 아닌 I형 단면에적용하였다. 이와 관련된 국내의 연구현황을 살펴보면, 단면의 치수를 변화시켜 단면성능이 향상된 Bulb-Tee 단면 및 접합시공공법을 이용한 장지간화에 대한 연구(1)가 수행되었으며, 다단계 긴장방식이 도입된 프리스트레스트 콘크리트 I형 거더교의 분절화에 대한 연구②가 수행되었다.
제안 방법
- 각각의 세그먼트와 세그먼트 사이의 접합부에 존재하는 불연속적인 상태를 고려하기 위하여 사용된 계면 (interface) 요소는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 콘크리트의 4절점 평면응력(plain stress) 요소를 고려하기 위하여 2절점 선요소(line-element)로 모델링하였다. 이 요소는 다음의 식(3)에 나타낸 파괴기준을 초과할 경우 계면요소(interfacial element)가 모재인콘크리트에서 떨어지도록 고려하였다.
- 거더 중앙과 중앙에서 양쪽으로 5,000mm씩 간격을 두고 각 지점에 1,000kN용량의 유압실린더 3개를 사용하여 하중제어 방식으로 3점 하중재하 실험을 수행하였다. 재하실험시 실험체의 정확한 거동을 측정하고 해석을 수행하기 위해서는 거더 각 단면의 응력및 변형률과 처짐 등의 데이터를 정확하게 계측하여야한다.
- 국내외에서 발표된 전단키의 돌출비 및 경사각( Q)에 대한 여러 논문들을 통해 ASSHTO에서 추천하는 저면과돌출 높이의 비가 1/2인 경우가 가장 큰 전단력을 받는 것으로 밝혀졌고 경사각이 60°일 때가 가장 효율적인 것으로 나타났으므로, 본 연구에서는 사다리꼴 전단키의 돌출비를 1/2, 경사각은 60°로 정하였다.⑺
- 재하실험시 실험체의 정확한 거동을 측정하고 해석을 수행하기 위해서는 거더 각 단면의 응력및 변형률과 처짐 등의 데이터를 정확하게 계측하여야한다. 따라서, 본 실험에서는 실험체의 처짐과 분절부의 벌어지는 정도를 알아보기 위하여 변위계(LVDT) 를 설치하였다. 변위계(LVDT)의 설치 위치와 하중프레임(loading frame)은 Fig.
- 강연선의 경우 다음의 Table 2에 요약하였으며, 에폭시의 재료 물성치는 Table 3에 나타내었다. 또한, 콘크리트의 건조수축으로 인한 균열 등의 문제점을 피하고 조기강도 발현을 위해 시방서 규정대로 증기양생을 실시하였다.
- 16에 나타내었다. 본 논문에서 실험체의 실험결과에서 보듯 최대하중에 대해서 해석결과를 비교하기에는 단순증분법으로도 충분하기에 위의 방법으로 해석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 일체형 실험체(CG)와 분절형 실험체 (PSG1 ~ PSG3)의 거동 양상을 실험적으로 분석하고 분절형 거더의 휨성능 및 거동을 파악하였으며, 실험결과와 비교하기 위하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 위에서 얻은 연구결과를 정리하면 다음과 같다.
- 0MPa, 내부마찰각은 59°로 제시(15)한 바 있다. 본 해석에서는점착력의 상한값과 하한값을 6.1MPa과 4.7MPa로 제안하고 내부마찰각을 47°로 제안한 값을 적용(4)하였다.
- 분절형 실험체의 경우에는 1차 긴장시 접합부에 에폭시를 도포하여 각 세그먼트를 일체화 하였으며, 바닥판 이외의 추가 고정하중은 재하 하중에 포함되는것으로 보고 실험을 수행하였다.
- 설계하중①B-18)에 해당하는 처짐을 계산하기 위하여 설계조건에 맞도록 해석을 수행하였다. 여기서, 바닥판은 쉘(Shell)요소를 사용하고 거더는 프레임 (Frame)요소를 사용하였으며, 중립축 차이는 강절요소(Rigid element)를 사용하여 모델링을 구성하였다.
- 수행하였다. 실험체는 4가지로 구분 제작하였으며, 하나는 일체형 실험체(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 실험체(PSG1)로 제작하였으며, 나머지 두 개는 단면의 형태는 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 실험체(PSG2, PSG3) 로 제작하였다. 위에서 언급된 4개의 실험체는 지간장 25m 의 왕복4차로 교량에 적용 가능한 설계등급 2등급의 외측거더로 제작하였으며, 분절형(PSG1 ~ PSG3) 실험체의 경우 각각의 세그먼트를 5,000mm씩 분할제작 하였다.
- 실험체를 제작하는 단계별 하중과 경계조건이 변화하기 때문에 이러한 효과를 해석에 반영하기 위하여 시공단계별 해석(phase analysis)를 수행하였다. 해석을 수행하는 1차 단계는 I형(바닥판 제외) 거더를 제작하고 1차 프리스트레스력을 도입하는 단계이다.
- 여기서, 바닥판은 쉘(Shell)요소를 사용하고 거더는 프레임 (Frame)요소를 사용하였으며, 중립축 차이는 강절요소(Rigid element)를 사용하여 모델링을 구성하였다. 고정하중과 활하중(충격미포함)에 대한 외측거더의 최대모멘트는 1, 575kN·m(2차선재하) 이며, 이때 발생하는 외측거더의 처짐량은 15.
- 위의 전단응력과 수직응력은 사전단 부착실험을 통하여 산정해야 하나, 본 해석에서는 기존의 연구결과를 이용하였다. Ziraba(1993)는 실험결과 바탕으로 부착파괴 하중시의 점착력이 4.
- 재하실험은 단경간 단순지지 조건하에서 수행하였다. 거더 중앙과 중앙에서 양쪽으로 5,000mm씩 간격을 두고 각 지점에 1,000kN용량의 유압실린더 3개를 사용하여 하중제어 방식으로 3점 하중재하 실험을 수행하였다.
- 철근의 응력-변형률 곡선으로부터 철근의 탄성계수를 측정하고자 총 3개의 시편을 제작하여 실험을 수행하였으며, 계측된 응력-변형률 곡선에서 항복강도의 85% 범위 내의 데이터를 회귀분석하여 철근의 탄성계수를 산정하였다. 즉 Fig.
- 철근이 받는 응력을 측정하기 위하여 인장철근, 전단철근 및 바닥판 주철근 등에 철근 변형률게이지를 부착하였다. 또한, 콘크리트 단면의 변형의 정도를 계측하기 위하여 지간중앙부와 전단키 부분에 콘크리트변형률게이지를 부착하였으며, 부착위치는 Fig.
- 콘크리트는 4변형 4절점 2차원 평면응력(plain stress) 요소를 사용하였으며, 철근과 강연선의 경우 rebar요소를 사용하여 모델을 구성하였다. 해당 실험체를 모델링하기 이전에 각 요소에 대한 요소테스트를 실시하고 전체모델링을 수행하였다.
- 콘크리트는 4변형 4절점 2차원 평면응력(plain stress) 요소를 사용하였으며, 철근과 강연선의 경우 rebar요소를 사용하여 모델을 구성하였다. 해당 실험체를 모델링하기 이전에 각 요소에 대한 요소테스트를 실시하고 전체모델링을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 실험에서는 일체형 거더와 분절형 거더의 거동차이를 분석하기 위하여 4본의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험체는 4가지로 구분 제작하였으며, 하나는 일체형 실험체(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 실험체(PSG1)로 제작하였으며, 나머지 두 개는 단면의 형태는 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 실험체(PSG2, PSG3) 로 제작하였다.
- 본 연구에서는 실물 크기의 25m 실험체 4개를 제작하였으며, 실험체별 긴장재의 양과 긴장력을 Table 1 에 요약하였다.
- 실험체의 재료적 설계 물성치는 거더의 경우 콘크리트 압축강도는 40MPa, 바닥판의 경우 30MPa을 사용하였으며, 철근의 경우 항복강도 300MPa을 사용하였다. 강연선의 경우 다음의 Table 2에 요약하였으며, 에폭시의 재료 물성치는 Table 3에 나타내었다.
- 모멘트-처짐 곡선에 변화 있었다. 외관상으로는 거더의 중앙하부 플랜지에 약 4, 675kN·m에서 육안상으로 첫 균열이 관찰 되었다. 이론해석에 의한 균열모멘트는 3, 226kN -m 정도이므로 이론값에 비해 측정값이 약 45% 정도 높게 측정되었다.
- 실험체는 4가지로 구분 제작하였으며, 하나는 일체형 실험체(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 실험체(PSG1)로 제작하였으며, 나머지 두 개는 단면의 형태는 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 실험체(PSG2, PSG3) 로 제작하였다. 위에서 언급된 4개의 실험체는 지간장 25m 의 왕복4차로 교량에 적용 가능한 설계등급 2등급의 외측거더로 제작하였으며, 분절형(PSG1 ~ PSG3) 실험체의 경우 각각의 세그먼트를 5,000mm씩 분할제작 하였다.
- 산정하였다. 즉 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 항복강도는 368.8MPa, 탄성계수는 1.86x105MPa 으로 구하였다.
- 해석 대상 실험체는 프리캐스트 세그먼트로 제작된 프리스트레스트 콘크리트 I형 거더와 연속된 강재 거푸집에 의해 제작된 프리스트레스트 콘크리트 I형 거더이다. 실험체를 제작하는 단계별 하중과 경계조건이 변화하기 때문에 이러한 효과를 해석에 반영하기 위하여 시공단계별 해석(phase analysis)를 수행하였다.
데이터처리
- 15에서 나타낸 바와 같이 실험체에 대한 실험결과를 도시하였다. 위의 실험결과와 비교하기 위하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였으며, 그 해석결과를 Fig. 16에 나타내었다. 본 논문에서 실험체의 실험결과에서 보듯 최대하중에 대해서 해석결과를 비교하기에는 단순증분법으로도 충분하기에 위의 방법으로 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 유한요소해석을 수행하기 위하여 범용유한요소 해석프로그램인 DIANA를 사용하였다. 콘크리트는 4변형 4절점 2차원 평면응력(plain stress) 요소를 사용하였으며, 철근과 강연선의 경우 rebar요소를 사용하여 모델을 구성하였다.
- 유한요소해석에 적용된 콘크리트의 재료모델은 응력 -변형률(stress-strain)관계로 압축부의 거동과 전단 및 인장부의 거동을 동시에 표현 할 수 있는 Total strain crack model(10)을 적용하였으며, Fig. 1은압축부와 인장부에서의 인장연화(tension softening) 현상을 적절하게 구현하기 위하여 다중선형(multilinear)방식을 적용한 것을 나타내고 있다. 또한, 콘크리트의 압축강도와 인장강도는 실험결과에서 얻은값을 사용하였다[Fig.
성능/효과
- 1) 일체형 실험체의 경우 전 단면이 인장철근과 강연선이 외력에 대해 효과적으로 저항하면서 지간 중앙에서 발생한 휨균열이 진행되어 휨파괴 거동을 나타내었다. 분절형 실험체는 주로 바닥판과 강연선이 외력에 저항하기 때문에 강연선의 항복과 동시에 극한 상태로 치닫는 거동을 예상하였지만 분절부의 에폭시 도포로 인하여 일체형 실험체와 긴장량이 같은 분절형 실험체(PSG1)는 일체형 실험체(CG)와 거의 같은 거동양상을 나타냈고, 간접적으로 에폭시의 효과를 알 수가 있었다.
- 2) PSI 거더의 파괴 양상은, 모든 실험체가 휨파괴되는 파괴형상을 나타냈다. 초기 균열은 설계하중의 1.
- 3) 설계하중 작용시 실험체 모두 이론처짐에 비해 측정처짐이 낮게 나타났고, 처짐값은 시방서에 제안된 처짐 제한 규정을 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 따라서, PSI 거더가 설계하중 처짐에 저항하기에 충분한 강성을 갖고 있는 것으로 판단된다.
- 4) 콘크리트와 철근 및 강연선의 재료적 비선형성을 고려하여 수행된 2차원 비선형 유한요소해석 결과는 부재의 초기강성부분을 적절히 모사하고 있으나, 이후 하중에 대해서는 부재를 과대평가하는 것으로 나타났다. 본 논문에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC-I형 거더에 대한 실험과 해석을 수행하였다.
- 분절형 실험체(PSG2, PSG3)의 경우는 초기 균열이 실험체 중앙 하단부에서 다수가 발생하였다. 그리고, 하중이 증가할수록 균열은 휨 균열의 수와 균열폭이 증가했지만, 다른 분절형 실험체(PSG1) 보다는 균열의 수나 균열의 깊이에 대한 진전이 감소한 것을 나타내었다. 분절형 실험체에서 가장 취약한 부분으로 생각되는 전단키의 균열현상은 일체형과 거의 동일하고, 전단키로 인하여 발생한 문제는 관찰되지 않았다.
- 분절형 실험체는 주로 바닥판과 강연선이 외력에 저항하기 때문에 강연선의 항복과 동시에 극한 상태로 치닫는 거동을 예상하였지만 분절부의 에폭시 도포로 인하여 일체형 실험체와 긴장량이 같은 분절형 실험체(PSG1)는 일체형 실험체(CG)와 거의 같은 거동양상을 나타냈고, 간접적으로 에폭시의 효과를 알 수가 있었다.
- 그리고, 하중이 증가할수록 균열은 휨 균열의 수와 균열폭이 증가했지만, 다른 분절형 실험체(PSG1) 보다는 균열의 수나 균열의 깊이에 대한 진전이 감소한 것을 나타내었다. 분절형 실험체에서 가장 취약한 부분으로 생각되는 전단키의 균열현상은 일체형과 거의 동일하고, 전단키로 인하여 발생한 문제는 관찰되지 않았다. Fig.
- 실험결과에서 보듯이 PSI 거더가 설계하중의 약 5배정도로 내하력을 갖고 있는 것으로 나타났으며, 최대재하모멘트에 도달할 때까지의 처짐이 280mm까지 도달하는 것으로 보아 충분한 연성을 확보하고 있는것으로 나타났다.
- 위의 해석결과에서 보듯 프리캐스트 세그먼트 I형거더의 2차원 비선형해석에서는 초기강성 부분과 부재에 가력한 최대하중까지의 하중-처짐관계를 적절히 모사하고 있으나, 일반적으로 해석결과가 실험결과에 비해 크게 평가되었다.
- 이론해석에 의한 균열모멘트는 2, 750kN·m 정도이므로 이론값에 비해 측정값이 약 7% 정도 높게 측정되었다. 설계하중(DB-18) 작용시 이론적인 처짐은약 15.
- 외관상으로는 거더의 중앙하부 플랜지에 약 4, 675kN·m에서 육안상으로 첫 균열이 관찰 되었다. 이론해석에 의한 균열모멘트는 3, 226kN -m 정도이므로 이론값에 비해 측정값이 약 45% 정도 높게 측정되었다. 측정값과 이론값이 상당한 차이가 나타나는데, 이는 높은 긴장력에 기인한 것으로 판단된다.
- 일체형(CG) 및 분절형 실험체(PSG1 ~ PSG3)의 설계하중 및 균열모멘트 작용시 측정처짐은 이론값에 비해 작게 측정되었고, 설계하중①B-18) 및 균열모멘트 작용시의 처짐 값 모두 설계기준의 활하중 처짐기준 L/800(=31.25mm)보다 작음으로써 사용성을 충분히 확보하고 있음을 알 수 있다. 일체형 (CG) 및 분절형 실험체(PSG1 ~ PSG3)의 재하실험은 최대 재하모멘트 6, 847kN-m에서 9, 272kN-m까지 재하하였으며, 이때 하중 재하점의 슬래브는 압축파괴 징후를 보이지 않았다.
후속연구
- 본 논문에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC-I형 거더에 대한 실험과 해석을 수행하였다. 제한된 범위내에서 수행된 해석결과는 어느정도 신뢰할 수 있는 결과를 도출하였으며, 추가적인 연구를 통해 분절부의 개수와 위치 등에 따른 설계자를 위한 초기강성부분에 대한 평가를 제안할 필요가 있다.
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