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문제 정의
- 본 논문에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC-I 형 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 초기강성부분에대한 평가를 제안할 필요가 있다.
제안 방법
- 본 연구에서 실험체는 지간장 4m의 일체형거더 하나와 5개의세그먼트로 제작된 건식접합부를 갖는 2개의 분절형거더로 총 거더 3본을 제작하였다. 1차긴장 이후 바닥판을 일체로 타설하였으며, 시공단계별 요구되는 긴장력을 나누어 도입하였다. 이후, 하중재하실험을 실시하였고, 실험결과와 비교하기 위하여 대상 실험체에대하여 평면응력(plain stress)요소를 사용하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다.
- 국내외에서 발표된 전단키의 돌출비 및 경사각(θ)에 대한여러 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.⑹
- 이 방법은해석기법이 가장 간단하고 직접적인 비선형 수치해석기법으로, 개념과 적용부분에서 간단 할 뿐만 아니라수치적 해가 발산할 우려가 없으나, 최대하중 이후의거동에 대해서는 추적이 불가능하다는 단점이 있다. 그러나 본 논문에서 실험체의 실험결과에서 보듯 최대하중에 대해서 해석결과를 비교하기에는 단순증분법으로도 충분하기에 위의 방법으로 해석을 수행하였다.
- 또한, 본 실험체의 경우 순수분절에 대한 영향을파악하기 위해 건식접합부를 구성하였기 때문에 에폭시에 대한 효과가 전혀 발생하지 않으므로 본드-슬립모델의 파괴에너지( G, 값을 0에 근사하도록 적용하여 건식접합부의 거동을 모사하였다.
- 걸쳐 긴장을 실시하였다. 보 실험체의 분절 일체화와 자중에 의한 휨응력에 저항할 수 있도록 1차 긴장력을 도입하였고 바닥판과 실험하중에 저항하도록 2 차 긴장을 도입하였다.
- 본 논문에서는 일체형 거더(CG)와 분절형 거더 (PSG1, PSG2)의 거동 양상을 실험적으로 분석하고분절형 거더의 휨성능 및 거동을 파악하였으며, 실험결과와 비교하기 위하여 2차원 비선형 유한요소해석을수행하였다. 위에서 얻은 연구결과를 정리하면 다음과같다.
- 본 실험에서 사용된 실험체는 도로교설계기준에 준하여설계하였으며, 다단계 긴장 방법을 사용하여 2차례에 걸쳐 긴장을 실시하였다. 보 실험체의 분절 일체화와 자중에 의한 휨응력에 저항할 수 있도록 1차 긴장력을 도입하였고 바닥판과 실험하중에 저항하도록 2 차 긴장을 도입하였다.
- 수행하였다. 실험체는 3가지 형태로 제작하였으며, 하나는 일체형 거더(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 거더(PSG1)로 제작하였으며, 나머지는 단면의 형태 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 거더(PSG2)로 제작하였다. 위에서 언급된 3개의 실험체는 다음의 Table 1과 같이 거더의 길이는 총 4 m로 동일하게 하였으며, 분절형은 800 mm 씩 5개로 분절하여 제작하였다.
- 사용하였다. 실험체의 변위를 측정하기 위하여 거더 지간의 L/2, L/5, 2L/5 지점에 LVDT를 설치하였고, 또한 분절형의 경우 하중 재하시 분절부의 이격거리를 측정하고자 분절부에 LVDT를 수평방향으로 설치하였다. 철근변형률게이지는 각각 지간 중앙, 정착부, 분절부의 철근에 콘크리트를 타설하기 전에 설치하였고, 콘크리트변형률게이지는 거더 상하부와 바닥판의 상하부에 설치하여 하중 재하시 중립축의 변화를 관찰하였다.
- 1차긴장 이후 바닥판을 일체로 타설하였으며, 시공단계별 요구되는 긴장력을 나누어 도입하였다. 이후, 하중재하실험을 실시하였고, 실험결과와 비교하기 위하여 대상 실험체에대하여 평면응력(plain stress)요소를 사용하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된프로그램은 범용유한요소 해석프로그램인 다이아나 (DIANA)를 사용하여 검증하였다.
- 실험체의 변위를 측정하기 위하여 거더 지간의 L/2, L/5, 2L/5 지점에 LVDT를 설치하였고, 또한 분절형의 경우 하중 재하시 분절부의 이격거리를 측정하고자 분절부에 LVDT를 수평방향으로 설치하였다. 철근변형률게이지는 각각 지간 중앙, 정착부, 분절부의 철근에 콘크리트를 타설하기 전에 설치하였고, 콘크리트변형률게이지는 거더 상하부와 바닥판의 상하부에 설치하여 하중 재하시 중립축의 변화를 관찰하였다.
- 콘크리트는 4변형 4절점 2차원 평면응력(plain stress) 요소를 사용하였으며, 철근과 강연선의 경우 rebar요소를 사용하여 모델을 구성하였다. 다음의 Fig.
- 하중재하는 1,000kN 용량의 U.T.M장치를 사용하여 2점 재하 하였으며 재하된 하중량을 측정하기 위하여 재하 장치 하부면에 로드셀을 설치하였다. 각 실험체에 정해진 양의 외부 긴장력을 가한 뒤 하중제어 방식으로 하중을 재하 하였으며, 다음의 Fig.
대상 데이터
- 실험체에 배근된 철근은 설계항복응력이 392 N/mm2인 SD40철근을 사용하였으며, D10, D13, D16 철근을 배근하였다. 강연선은 SWPC 7B인 직경 12.7 mm의 제품을 사용하였으며, 사용된 강연선의물성치는 Table 2와 같다.
- 본 실험에서 사용된 콘크리트의 설계강도는 거더의경우 40N/mm2이고, 바닥판의 경우 28N/mm2으로설계된 레미콘 제품을 사용하였다. 레미콘의 현장 타설시의 슬럼프는 120 mm, 공기량은 4.
- 본 실험에서는 일체형 거더와 분절형 거더의 거동차이를 분석하기 위하여 3본의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 실험체는 3가지 형태로 제작하였으며, 하나는 일체형 거더(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 거더(PSG1)로 제작하였으며, 나머지는 단면의 형태 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 거더(PSG2)로 제작하였다.
- 국내에서는 분절에 관한 실험(1)⑺ 이 수행된 바 있으며, 김현호(2)는 일체형거더에 대하여 분절부응력을 검토하였고 김광수(3)는 프리캐스트 세그먼트거더에 관한 파괴실험을 수행한 바 있다. 본 연구에서 실험체는 지간장 4m의 일체형거더 하나와 5개의세그먼트로 제작된 건식접합부를 갖는 2개의 분절형거더로 총 거더 3본을 제작하였다. 1차긴장 이후 바닥판을 일체로 타설하였으며, 시공단계별 요구되는 긴장력을 나누어 도입하였다.
- 5%로 측정되었다. 실험체에 배근된 철근은 설계항복응력이 392 N/mm2인 SD40철근을 사용하였으며, D10, D13, D16 철근을 배근하였다. 강연선은 SWPC 7B인 직경 12.
- 실험체의 단면은 250mmx350mm의 거더와 55 mm Q00mm의 바닥판으로 구성되고 철근 배근은종방향 철근 D13, 전단 철근 D10, 전단키와 브라켓내부 철근 D16을 배근하였고, 거푸집과 철근 사이의간격은 30 mm 스페이서를 사용하여 확보하였다. 실험체와 단면 및 브라켓의 형상은 Fig.
-
Fig. 6 실험전경
실험체의 실험결과 데이타를 얻기 위해 콘크리트 변형률게이지, 철근 변형률게이지, LVDT를 사용하였다
. 실험체의 변위를 측정하기 위하여 거더 지간의 L/2, L/5, 2L/5 지점에 LVDT를 설치하였고, 또한 분절형의 경우 하중 재하시 분절부의 이격거리를 측정하고자 분절부에 LVDT를 수평방향으로 설치하였다. - 실험체는 3가지 형태로 제작하였으며, 하나는 일체형 거더(CG)로 제작하고 두번째는 일체형 거더와 동일한 단면과 긴장력을 가지고 5개의 세그먼트로 구성된 분절형 거더(PSG1)로 제작하였으며, 나머지는 단면의 형태 같으나 추가 긴장력을 도입한 분절형 거더(PSG2)로 제작하였다. 위에서 언급된 3개의 실험체는 다음의 Table 1과 같이 거더의 길이는 총 4 m로 동일하게 하였으며, 분절형은 800 mm 씩 5개로 분절하여 제작하였다.
데이터처리
- 7에서 나타낸 바와 같이실험체에 대한 실험결과를 도시하였다. 위의 실험결과와 비교하기 위하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였으며, 그 해석결과를 Fig. 13에 나타내었다. 구조물의 기하학적인 비선형성과 재료의 비탄성 항복을고려한 비선형 해석의 비선형 수치해석기법으로 일반적으로 사용하는 방법은 단순증분법⑸이다.
- 이후, 하중재하실험을 실시하였고, 실험결과와 비교하기 위하여 대상 실험체에대하여 평면응력(plain stress)요소를 사용하여 2차원 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 사용된프로그램은 범용유한요소 해석프로그램인 다이아나 (DIANA)를 사용하여 검증하였다.
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.
- 재료모델은 응력-변형률(stress-strain)관계로 압축부의 거동과 전단 및 인장부의 거동을 동시에 표현할 수 있는 Total strain crack model 을 적용하였으며, Fig. 10은 압축부와 인장부에서의 인장연화 (tension softening) 현상을 적절하게 구현하기 위하여 다중선형(multi-linear)방식을 적용한 것을나타내고 있다. 또한, 콘크리트의 압축강도와 인장강도는 실험결과에서 얻은 값을 사용하였다(Table 3 참조).
- 철근과 PS 강연선(4)의 경우 Von-Mises 항복조건을 갖는 탄소성 모델을 적용하였으며, 분절부의 접합면에 대해서는 계면요소(interface element)를 사용하였다. 접합부에 에폭시를 도포하였을 경우 응력과상대변위에 파괴에너지( G, 값을 취성적으로 또는 선형 및 비선형과 다중선형관계로 인장연화(tension softening) 현상을 표현 할 수 있으나, 본 논문에서는응력과 상대변위에 대한 파괴에너지값을 위의 Fig.
성능/효과
- 1) 일체형(CG)의 경우 전 단면이 외력에 대해 효과적으로 저항하면서 지간 중앙에서 발생한 휨균열이 진행되어 휨파괴 거동을 하는데 반해 분절형 (PSG1, PSG2)의 경우 주로 바닥판과 강연선이외력에 저항하기 때문에 강연선의 항복과 동시에극한 상태로 치닫는 거동을 나타냈다.
- 2) 분절형거더(PSG1)에 비해 긴장력을 추가로 도입한 분절형거더(PSG2)는 초기하중 상태인 선형 탄성 구간에서 일체형 실험체의 처짐과 3%의 차이로 처짐량을 근접시킬 수 있었다. 또한, 분절부의이격거리를 분절형 실험체에 비하여 70%이상 줄일 수 있었다.
- 3) 분절형(PSG2)은 다른 분절형(PSG1)과 비슷한거동을 보였지만 추가된 긴장재의 배치로 실험체의 극한강도를 분절형 실험체에 비해 40%정도향상시킬 수 있었다.
- 4) 분절형 실험체(PSG1, PSG2)는 분절부라는 불연속면의 존재로 일체형(CG)에 비해 외부하중에 대하여 바닥판과 긴장재가 저항하는 것으로 나타났다. 특히, 분절형의 초기균열이 분절부의 상단에위치한 바닥판에서 시작하는 것으로 보아서 바닥판의 강성을 높이고 허용 범위 내에서 추가로 긴장재를 투입한다면 사용 하중상태에서도 일체형과분절형의 거동 차이를 최소화 할 수 있을 것으로판단된다.
- 5) 콘크리트와 철근 및 강연선의 재료적 비선형성을고려하여 수행된 2차원 비선형 유한요소해석 결과는 부재의 초기강성부분을 적절히 모사하고 있으나, 이후 하중에 대해서는 부재를 과대평가하는 것으로 나타났다.
- 0kN을 재하했음에도 인장철근의 변형률은 미미했다. 보강된 분절형실험체(PSG2) 역시 분절거더라는 실험변수로 인해인장철근의 변형률은 크지 않았지만 지간 중앙에서 휨균열이 발생하기 시작한 196kN이후에는 변형률이 현저히 증가하는 것을 알 수가 있었다.
- 위의 해석결과에서 보듯 프리캐스트 세그먼트 I형거더의 2차원 비선형해석에서는 초기강성 부분과 부재에 가력한 최대하중까지의 하중-처짐관계를 적절히 모사하고 있으나, 일반적으로 해석결과가 실험결과에 비해 크게 평가되었다.
- 일체형 실험체(CG)는 전형적인 휨파괴를 나타내었으며, 균열 형태는 휨균열로서 초기균열은 127.4kN 에서 거더 중앙 하단에서 발생하였다. 하중이 증가 할수록 균열길이가 길어지고 휨균열의 수와 폭이 증가하는 일반적인 현상을 나타내었다.
- 4kN 에서 거더 중앙 하단에서 발생하였다. 하중이 증가 할수록 균열길이가 길어지고 휨균열의 수와 폭이 증가하는 일반적인 현상을 나타내었다. 하중 재하는 극한 하중인 263.
후속연구
- 대한 실험과 해석을 수행하였다. 제한된 범위내에서 수행된 해석결과는 어느정도 신뢰할 수 있는 결과를 도출하였으며, 추가적인 연구를 통해 분절부의 개수와 위치 등에 따른 설계자를 위한 초기강성부분에대한 평가를 제안할 필요가 있다.
- 특히, 분절형의 초기균열이 분절부의 상단에위치한 바닥판에서 시작하는 것으로 보아서 바닥판의 강성을 높이고 허용 범위 내에서 추가로 긴장재를 투입한다면 사용 하중상태에서도 일체형과분절형의 거동 차이를 최소화 할 수 있을 것으로판단된다.
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