[논문]현장 배근이 LB-DECK 패널의 구조거동에 미치는 영향

노병철; 조규대

문제 정의

그러나 Lattice bar의 경우 LB-DECK 패널 설계 시 철근량 산정에 포함되지 않으며, 실질적으로 패널에 배근되는 주철근과 추후 현장 배근되는 주철근에 의해서 하중을 저항하게 된다. 따라서 본 연구에서는 현장 배근되는 주철근과 LB-DECK 패널 내부에 매입된 주철근의 합성 후 구조적 기여도에 대한 실제거동의 평가를 위한 실험체를 제작하고 이에 대한 평가를 통하여 설계하중에 의해 요구되는 효과적인 배근 방법을 도출하였다.
일반적으로 Lattice bar의 경우 LB-DECK 패널 설계 시 철근량 산정에 포함되지 않으나, 실제로는 LB-DECK 패널 내부에 배근되는 주철근과 추후 현장 배근되는 주철근에 의해서 하중을 저항하게 된다. 따라서 본 연구에서는 현장배근 주철근과 LB-DECK 패널 내부에 배근되는 주철근의 합성 후 구조적 기여도에 대한 정적 및 피로거동을 평가함으로써보다 효율적이며, 경제적인 단면을 제시하고자 한다.
본 연구는 현장배근 및 LB-DECK 패널 내부에 매입된 주철근의 합성 후 구조적 기여도에 대한 실제 거동을 평가할 목적으로 실험을 수행하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 LB-DECK 패널의 구조거동 평가를 위하여 정적실험과 피로실험을 실시하였다. 실험 전 하중 재하위치 및 변형률게이지 부착 위치 등을 확인하여 오차가 없도록 하였으며, 재하 실험은 5, 000kN 용량의 가력기를 사용하여 하중제어 방식을 적용하였으며, 모든 실험체는 중앙에 하중을 재하하며, 재하판 (재하면적 200mmx500mm) 을 통하여 하중이 균등하게 분산되도록 하였다.

제안 방법

LB-DECK 패널은 Fig 1에 나타낸 바와 같이 제반 두께에 따른 저항모멘트 부족을 해결하기 위해 Lattice bar을 상면에 설치하여 가설하중에 대한 압축저항력을 증가시켰다. 이는 LB-DECK 패널에 작용하는 초기 가설하중에 대하여 압축력은 콘크리트와 Lattice bar의 상부철근(top bar) 이 저항하며, 인장력은 패널 내부에 배근된 주철근이 저항하게 된다.
실험체 형식은 주철근 배근 방법에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 현장 배근되는 주철근량 및 배근 방법을 달리하여 각각 2개씩 제작하였으며, 이들에 대한 배근도 및 단면제원을 Fig 3~Fig 5에 나타내었다. 또한 기존 공법과의 성능비교를 위하여 Fig 6과 같이 현장 시공 단면(FCP)으로 실험체 2개를 추가 제작하였다. 한편, LB-DECK 패널의 강박스 거더교와 같은 장지 간 적용이 늘어남에 따라 피로 강도 측정을 위하여 Fig 7과 같이 폭 2, 200mm 길이 3, 000mm인 실험체를 제작하여 반복하중에 따른 실험을 실시하였다.
실험 전 하중 재하위치 및 변형률게이지 부착 위치 등을 확인하여 오차가 없도록 하였으며, 재하 실험은 5, 000kN 용량의 가력기를 사용하여 하중제어 방식을 적용하였으며, 모든 실험체는 중앙에 하중을 재하하며, 재하판 (재하면적 200mmx500mm) 을 통하여 하중이 균등하게 분산되도록 하였다. 본 실험을 수행함에 있어 실험체의 거동 분석을 위하여 Fig. 8에 나타낸 바와 같은 위치에 LVDT 및 변형률게이지를 부착하여 처짐 및 철근의 응력상태를 파악하고자 하였으며, 각 하중 단계마다 균열을 기록하여 균열거동을 파악하였다.
설계기준강도 27MPa의 현장타설 콘크리트 패널과 40MPa의 LB-DECK 패널의 강도발현에 대한 평가를 위하여 KS F 2405에 따라 0100x200mm의 원주형 공시 체를 실험체 제작 시 다짐 방법과 동일한 방법으로 제작한 수 수중양생 하였다. 압축강도 시험은 2, 000 kN 용량의 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 측정하였으며, 시험 결과는 Table 3에 나타낸 바와 같이, 현장 타설 콘크리트 패널(FCP)과 LB-DECK 패널(LBD) 의 실험 시 압축강도는 평균 37.
정적실험과 피로실험을 실시하였다. 실험 전 하중 재하위치 및 변형률게이지 부착 위치 등을 확인하여 오차가 없도록 하였으며, 재하 실험은 5, 000kN 용량의 가력기를 사용하여 하중제어 방식을 적용하였으며, 모든 실험체는 중앙에 하중을 재하하며, 재하판 (재하면적 200mmx500mm) 을 통하여 하중이 균등하게 분산되도록 하였다. 본 실험을 수행함에 있어 실험체의 거동 분석을 위하여 Fig.
실험체 형식은 주철근 배근 방법에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 현장 배근되는 주철근량 및 배근 방법을 달리하여 각각 2개씩 제작하였으며, 이들에 대한 배근도 및 단면제원을 Fig 3~Fig 5에 나타내었다. 또한 기존 공법과의 성능비교를 위하여 Fig 6과 같이 현장 시공 단면(FCP)으로 실험체 2개를 추가 제작하였다.
제작하여 실험하였다. 피로하중은 DB-24후륜하중에 충격계수 0.3을 고려한 122.6kN을 최대하중으로 하였으며, 하중 재하방법은 Fig. 9, Fig. 10과같이 패널 중앙에 재하판을 설치한 후 집중하중으로재하 하였다.
없는지를 검증하였다. 피로하중은 일정 점에 반복하중을 재하 하는 경우와 실제 반복 재하 되는 트럭 하중의 영향을 모사하는 윤하중 주행시험기에 의한 하중재하 방법이 있으며, 본 연구에서는 일정 점에 반복하중을 재하 하는 방법으로, DB-24후륜하중에 충격계수 0.3을 고려한 122.6kN을 최대하중으로, 실험체 중앙에 재하 하였다. Fig 16은 반복하중 후에 중앙하부에서의 처짐을 측정한 것을 나타낸 것으로 200만 회의 반복하중 후에 0.
또한 기존 공법과의 성능비교를 위하여 Fig 6과 같이 현장 시공 단면(FCP)으로 실험체 2개를 추가 제작하였다. 한편, LB-DECK 패널의 강박스 거더교와 같은 장지 간 적용이 늘어남에 따라 피로 강도 측정을 위하여 Fig 7과 같이 폭 2, 200mm 길이 3, 000mm인 실험체를 제작하여 반복하중에 따른 실험을 실시하였다.

대상 데이터

LB-DECK 패널의 피로성능 평가를 위하여 실험체 1개를 제작하여 실험하였다. 피로하중은 DB-24후륜하중에 충격계수 0.
실험에 사용된 LB-DECK 패널 실험체는 Fig 2에 나타낸 바와 같이 두께 60mm, 폭 1, 200mm, 길이 2, 270mm의 패널을 설계기준 강도 40MPa로 증기 양생하여 제작한 후 현장 배근하여 완성하게 된다. 실험체 형식은 주철근 배근 방법에 따라 Table 1에 나타낸 바와 같이 현장 배근되는 주철근량 및 배근 방법을 달리하여 각각 2개씩 제작하였으며, 이들에 대한 배근도 및 단면제원을 Fig 3~Fig 5에 나타내었다.
최근 교량 바닥판 시공에 있어 거푸집을 대체할 목적으로 개발된 거푸집 겸용 프리캐스트 바닥판인 LB -DECK 패널은 그 공법의 우수성이 인정되어, 2007 년 9월 현재 시공교량 133개소와 실시설계교량 588 개소에 적용되었다. 이처럼 많은 교량에 적용됨에 따라 LB-DECK 패널의 안전성 및 시공성에 대한 연구도 지속적으로 진행되어 왔다.

성능/효과

1) 정적실험에 따른 각 실험체 별 인장응력 평가 결과균열 하중과 항복하중 사이의 200kN과 250kN에서의 인장응력은 200kN 일 때 LBD 3이 LBD 1, LBD 2에 비해 23.0%, 53.0%의 감소 효과를 보이고 있으며, 250kN 일 때 또한 LBD 3이 LBD 1, LBD 2에 비해 19.1%, 46.4%의 감소 효과를 보이고 있다. 이는 LBD 3 실험체가 타 등방배근 실험체에 비해 휨에 대한 저항능력이 우수하다는 것을 의미한다.
2) 초기 균열하중은 FCP 실험체가 104kN, LBD 실험체가 105~149kN으로 최대 43.0% 증가하였으며, 항복하중은 FCP 실험체가 285kN, LBD 실험체가 333~385kN으로 최대 35.0% 증가하는 것으로 나타나 LBD 실험체의 초기 균열 하중 및 항복하중이 비교적 크게 평가됨을 알 수 있었다.
3) 균열형상에 따른 평가 결과 모든 실험체는 휨 파괴의 모습을 나타내었으며, LBD 실험체의 경우 초기 균열이 LB-DECK 패널에서 발생하여 점차 현장 타설 콘크리트로 진전되는 모습으로, 이는 프리캐스트로 제작되는 LB-DECK 패널과 추후 타설되는 현장타설 콘크리트가 합성작용으로 인하여 하중 전달이 원활히 이루어지고 있음을 의미한다.
4) 피로 실험 결과 LBD 패널은 DB-24후륜하중에 충격계수 0.3을 고려한 122.6kN의 하중으로 200 만회 피로실험에서도 충분한 건전도를 유지하고 있는 것으로 평가되었다.
Fig 12 하중-처짐 관계 곡선으로부터 LBD 실험체는 FCP 실험체에 비해 동일하중 상태에서 처짐이 평균 83% 감소되었고, 항복하중 또한 평균 35% 증가하는 결과를 보이고 있다. 이로부터, 하중과 처 짐의 관점에서 두 실험체를 비교해 볼 때, LB-DECK 패널을 적용한 콘크리트 바닥판이 전단면 현장타설 콘크리트 바닥판에 비해 휨에 대한 저항능력이 우수한 것을 알 수 있다.
LBD 실험체의 경우 초기 균열하중은 105~149 kN으로 LB-DECK 패널 하부에서 초기균열이 발생하여 하중 증가에 따라 점차 위쪽으로 진전되며, 항복 하중에 이르러서는 균열의 진전보다 균열폭이 증가하면서 항복에 다다르는 모습이었다 또한 실험체 바닥 면의 균열형상은 기존의 펀칭전단실험(4)에서 볼 수 있었던 방사형의 균열형상이 아닌 휨에 의한 균열 형상으로 펀칭전단이 아닌 휨에 의한 파괴가 일어났음을 확인할 수 있었다.
균열 하중은 FCP 실험체에 비해 LBD 실험체에서 최대 43% 정도 증가한 것으로 나타났고, 항복하중의 경우도 평균 35%정도 증가한 것으로 나타났다. 항복하중의 경우 FCP 실험체에 비해 LBD 실험체를 적용한 콘크리트 바닥 판에서 큰 증가율을 보이고 있으나, 철근배근 방법에 따른 항복하중의 증가는 적은 것으로 나타났다.
그 결과 균열하중과 항복하중 사이인 20OkN 및 250kN의 두 하중단계에서 배근방법에 따른 실험체의 인장 응력은 Table 4에서 보는 바와 같이 LBD 3 실험체가 평균 응력 183.4 MPa과 261.8 MPa로 다른 실험체에 비하여 우수한 성능을 나타내었으며, 인장응력 감소율은 LBD 2 실험체와 비교하였을 때 53%와 46%의 응력 감소효과가 있는 것으로 나타났다. 이는 주철 근량을 감소시켰음에도 현장 배근되는 주철 근을 고강도 LB-DECK 패널에 삽입함으로써 구조적인 거동에서 휨에 대한 저항능력이 향상되었음을 의미한다.
36mm의 잔류변형이 발생했으며, 피로하중 증가에 따라 하중-처짐 곡선의 기울기는 Table 7에 나타낸 바와 같이 초기보다 7% 정도 감소하나, 부재의 파괴는 발생하지 않았다. 따라서 LB-DECK 패널의 현장타설 콘크리트와의 합성 후에 대하여 반복 하중에서도 구조적 문제가 없음을 확인할 수 있었다.
수 수중양생 하였다. 압축강도 시험은 2, 000 kN 용량의 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 측정하였으며, 시험 결과는 Table 3에 나타낸 바와 같이, 현장 타설 콘크리트 패널(FCP)과 LB-DECK 패널(LBD) 의 실험 시 압축강도는 평균 37.1MPa와 55.8MPa로 설계 기준강도를 만족하는 것으로 나타났다.
결과를 보이고 있다. 이로부터, 하중과 처 짐의 관점에서 두 실험체를 비교해 볼 때, LB-DECK 패널을 적용한 콘크리트 바닥판이 전단면 현장타설 콘크리트 바닥판에 비해 휨에 대한 저항능력이 우수한 것을 알 수 있다.
균열 하중은 FCP 실험체에 비해 LBD 실험체에서 최대 43% 정도 증가한 것으로 나타났고, 항복하중의 경우도 평균 35%정도 증가한 것으로 나타났다. 항복하중의 경우 FCP 실험체에 비해 LBD 실험체를 적용한 콘크리트 바닥 판에서 큰 증가율을 보이고 있으나, 철근배근 방법에 따른 항복하중의 증가는 적은 것으로 나타났다.

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