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문제 정의
- 이 연구에서는 경량콘크리트를 사용한 프리캐스트 바닥 판 전단 연결부의 수평전단강도 및 거동특성을 평가하기 위하여 Push-out 실험을 수행하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이 연구에서는 경량콘크리트를 사용한 프리캐스트 바닥 판의 전단 연결부 수평전단강도 및 거동특성과 베딩층에 의해 감소되는 극한강도를 향상시키기 위해 베딩층 모르터와 접하는 바닥 판 하면의 형상을 변화시킨 부재의 거동을 평가하기 위하여 Push-out 실험을 수행하였다. 먼저 경량 콘크리트를 사용한프리캐스트 바닥판에 대해서는 기존의 연구(김종희 등, 2000)에서와 동일하게 베딩층의 두께를 변수로 하여 Push-out 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 수행되었다. 각 실험체에서는 재하하중 및 이에 따른 강재와 콘크리트 바닥판 사이의 상대슬립을 측정하였다. 재하 하중은 로드셀에 의해 측정되었으며, 강재와 콘크리트 사이의 상대 슬립은 4개의 l/200mm LVDT(처짐계)에 의해 부재의 상부 스터드 위치에서 측정되었다.
- 공시체의 양생은 실험체와 동일한 조건인 대기양생을 하였으며, 재료성질은 Push-out 실험시 재료실험을 통해 측정하였다. 표 3과 표 4는 실험체에 사용된 콘크리트 및 무수축모르터에 대한 재료성질의 평균값을 나타낸 것이다.
- 먼저 경량 콘크리트를 사용한프리캐스트 바닥판에 대해서는 기존의 연구(김종희 등, 2000)에서와 동일하게 베딩층의 두께를 변수로 하여 Push-out 실험을 수행하였다. 다음으로 베딩층이 있는 프리캐스트 부재에 대해서는 강도감소의 주요한 원인이 되는 베딩 층의 균열을 방지하기 위하여 프리캐스트 바닥판과 베딩층 사이에 전단키를 설치한 부재와 전단키에 추가로 베딩층을 횡 방향으로 구속시킨 실험체에 대해 실험을 수행하여 그 영향을 평가하였다.
- 실험을 수행하였다. 먼저 경량 콘크리트를 사용한프리캐스트 바닥판에 대해서는 기존의 연구(김종희 등, 2000)에서와 동일하게 베딩층의 두께를 변수로 하여 Push-out 실험을 수행하였다. 다음으로 베딩층이 있는 프리캐스트 부재에 대해서는 강도감소의 주요한 원인이 되는 베딩 층의 균열을 방지하기 위하여 프리캐스트 바닥판과 베딩층 사이에 전단키를 설치한 부재와 전단키에 추가로 베딩층을 횡 방향으로 구속시킨 실험체에 대해 실험을 수행하여 그 영향을 평가하였다.
- 콘크리트의 재료성질은 Push-out 실험체 제작시 원주형압축강도 공시체를 제작하여 콘크리트의 압축강도, 단위 중량 및 탄성계수를 측정하였으며, 모르터 타설시 모르터 공시 체를 제작하여 무수축 모르터의 압축강도와 탄성계수를 측정하였다. 공시체의 양생은 실험체와 동일한 조건인 대기양생을 하였으며, 재료성질은 Push-out 실험시 재료실험을 통해 측정하였다.
대상 데이터
- 경량콘크리트를 사용한 프리캐스트 바닥판 스터드 전단연결부의 정적거동을 평가하기 위한 실험은 크게 5개의 계열로 구성되며, 표 1에서와 같이 총 16개의 Push-out 실험체에 대해 실험을 수행하였다.
- 계열 4는 프리캐스트 바닥판에서 베딩용 모르터의탈락을 방지하여 지압영역을 확보하기 위해 프리캐스트 바닥 판과 베딩용 모르터 사이에 전단키를 설치한부재로서 전단연결부의 전단강도에서 프리캐스트 바닥판과 베딩층 사이에 설치한 전단 키의 영향을 평가하기 위한 것이다. 실험부재는 계열 2의 PLS1B2 부재와 동일한 조건에서 프리캐스트 바닥판과 베딩용모르터 사이에 전단키를 추가하였다(그림 4. (b)참조).
- 모르터를 사용하였다. 실험부재에 사용된 경량콘크리트는 석탄회와 석분오니와 같은 폐기물을 점토와 혼합한 후소성과정을 통해 제조된 국내산 경량골재이며, 표 2는 실험 부재에 사용된 콘크리트의 배합표를 나타낸 것이다.
- 실험체에 사용된 콘크리트는 경 량콘크리트이며 , 모르터는무수축 모르터를 사용하였다. 실험부재에 사용된 경량콘크리트는 석탄회와 석분오니와 같은 폐기물을 점토와 혼합한 후소성과정을 통해 제조된 국내산 경량골재이며, 표 2는 실험 부재에 사용된 콘크리트의 배합표를 나타낸 것이다.
- 일반적으로 스터드 전단연결부의 하중상대슬립 관계는 스터드를 둘러싸고 있는 재료 (현장타설부재의 경우 콘크리트)의 강도 및 탄성계수에 큰 영향을 받으며, 재료의 강도 및 탄성계수가 증가함에 따라 하务 상대슬립 곡선의 초기접선강성은 증가하며, 극한강도에서의 상대슬립량은 감소하게 된다(Oehlers 등(1986)). 이 연구에서 사용된 모르터의 강도 및 탄성계수는 각각 57.1MPa, 25, 896MPa이고, 콘크리트의 강도 및 탄성계수는 각각 35.2MPa, 17, 500MPa이다. 따라서 프리캐스트 부재에 대해 스터드 전단연결재를 둘러싸고 있는 모르터를 기준으로 하중- 상대슬립 관계를 평가해 보면, 프리캐스트 부재의 초기접선 강성은 현장타설 부재에 비해 커야하며, 극한강도에서의 상대슬립량은 프리캐스트 부재가 현장타설 부재에 비해 작게 산출되어야 한다.
데이터처리
- 그림 12에 나타낸 값을 바탕으로 선형회귀분석을 통해 베딩 층 두께에 따른 강도감소계수(a)를 산정하면 식(5)와 같다. 여기서, 선형회귀분석시 베딩층이 없는 프리캐스트 부재의 전단연결부 극한강도는 설계기준에서 따라 산정하는 것을 고려하기 위해 절편값을 1로 고정시킨 상태에서 회귀분석을 수행하였다. 또한 그림 12에는 전단연결부에 대한 강도감소계수 0.
이론/모형
- 경 량 콘크리트를 사용한 프리캐스트부재에서 전단 연결부의 극한 강도를 평가하기 위해 김종희 등(2000)이 제안한 극한 강도 평가식(식(1))과 실험결과를 비교하였으며, 이를 그림 10 에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 식(1)은 베딩층이 있는 부재(계열 2, 계열 3)에 대해 베딩층 두께의 증가에 따라 극한 강도가 감소되는 정도를 매우 합리적으로 반영하고 있으나, 전체적으로 극한강도를 다소 크게 평가하는 것으로 나타났다.
- 그림 5는 실험전경을 나타낸 것이며, 그림 6은 처짐계 설치형상이다. 하중재하는 Eurocode 4에서 제시하고 있는 하중재하방법에 따라 수행하였다.
성능/효과
- (1) 경량콘크리트를 사용한 프리캐스트 바닥판의 극한 강도는 기존의 연구결과에서와 같이 베딩층의 두께가 증가함에 따라 감소하였으며, 베딩층이 없는 부재의 극한 강도는 스터드를 둘러싼 모르터의 재료성질를 적용하여 현행설계기준(도로교설계기준, AASHTOLRFD)에 따라 산정한 값과 매우 잘 일치하였다. 따라서 프리캐스트 바닥판 전단연결부의 극한강도는 베딩층이 없는 경우의 극한강도를 현행설계기준에 따라 산정한 후 베딩 층의 두께에 따라 극한강도를 감소시키는 것이 부재의 기하 조건뿐만 아니라 재료의 강도 특성을 고려할 수 있어 더욱 합리적일 것으로 판단된다.
- (2) 베딩층이 없는 프리캐스트 부재에서 콘크리트의 강도 및 탄성계수가 모르터의 강도 및 탄성계수 보다 작은 경우 전단연결부의 하务상대슬립 관계는 스터드를 둘러싼 모르터의 재료성질 보다 모르터를 둘러싼 콘크리트의 재료성질에 더욱 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
- (3) 베딩층이 있는 프리캐스트 바닥판에서 베딩층과 바닥 판 사이에 전단키를 설치하는 경우, 전단키에 의해 스터드 전단 연결 재의 강도를 확보하기 위한 지압영역이 형성되어 베딩층에 전단키가 없는 부재에 비해 극한강도는 크게 증가하였으나, 베딩층에 발생하는 할렬균열을 방지하지 못해 베딩층이 없는 부재의 극한강도에 비해서는 다소 감소하였다.
- (4) 베딩층에 전단키와 베딩층의 횡방향 구속을 위해 음각 부를 설치한 부재에서는 지압영역을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 베딩층의 할렬균열을 방지하여 베딩층이 없는 부재에서와 전단연결부의 극한강도 및 거동특성이 유사한 것으로 나타났다. 따라서 베딩층이 있으나, 바닥 판과 모르터 층 사이에 전단키와 음각부를 설치한 프리캐스트부재 전단연결부의 극한강도는 베딩층이 없는 부재에서와 같이 현행설계기준에 따라 극한강도를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 프리캐스트 부재에 대해 스터드 전단연결재를 둘러싸고 있는 모르터를 기준으로 하중- 상대슬립 관계를 평가해 보면, 프리캐스트 부재의 초기접선 강성은 현장타설 부재에 비해 커야하며, 극한강도에서의 상대슬립량은 프리캐스트 부재가 현장타설 부재에 비해 작게 산출되어야 한다. 그러나 프리캐스트 부재와 현장타설 부재의 초기접선 강성 및 극한강도에서의 상대슬립량은 매우 유사한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로 미루어 볼 때, 스터드 주위 모르터의 강도 및 탄성계수가 모르터를 둘러싸고 있는 바닥판 콘크리트의 강도 및 탄성계수보다 큰 경우, 프리캐스트 부재의 하^상대슬립 특성은 모르터의 재료성질 보다 바닥판 콘크리트 재료성질의 영향을 더욱 크게 받는 것으로 판단된다.
- 또한 파괴 후 PLS1B2KC부재의 베딩층에서는 어떠한 균열도 관찰되지 않았으나, PLS1B2K부재의 베딩층에서는 미세한 할렬 균열이 관찰되었다. 따라서 PLS1B2K부재는 전단키에 의해 스터드 전단 연결 재의 강도를 확보하기 위한 지압영역이 확보되어 PLS1B2부재에 비해 극한강도는 크게 증가하나, 베딩층에 발생한 할렬균열로 인해 PLS1B2KC부재에 비해 극한 강도는 다소 감소되고 극한강도에서의 상대슬립량은 다소 증가된 것으로 보인다. 그러나 PLS1B2KC부재는 스터드의 지압영역뿐만 아니라 음각부 설치에 따른 베딩층의 횡방향 구속 효과로 인해 베딩층의 할렬균열을 방지하여 베딩층이 없는 부재와 유사한 극한강도를 확보한 것으로 판단된다.
- 표 3과 표 4는 실험체에 사용된 콘크리트 및 무수축모르터에 대한 재료성질의 평균값을 나타낸 것이다. 또한 스터드에 대해서는 3개의 인장실험편을 제작하여 인장실험을 수행하였으며, 실험결과 평균항복강도는 414M/0, 평균 인장강도는 479MPa 로 나타났다.
- 따라서 PLS1B2KC-1 부재는 바닥 판과 베딩용 모르터 사이에 전단키만을 설치한 PLS1B2K 부재와 유사한 거동을 보인 것으로 판단된다. 또한 파괴 후 PLS1B2KC부재의 베딩층에서는 어떠한 균열도 관찰되지 않았으나, PLS1B2K부재의 베딩층에서는 미세한 할렬 균열이 관찰되었다. 따라서 PLS1B2K부재는 전단키에 의해 스터드 전단 연결 재의 강도를 확보하기 위한 지압영역이 확보되어 PLS1B2부재에 비해 극한강도는 크게 증가하나, 베딩층에 발생한 할렬균열로 인해 PLS1B2KC부재에 비해 극한 강도는 다소 감소되고 극한강도에서의 상대슬립량은 다소 증가된 것으로 보인다.
- 따라서 스터드 개수의 영향은 없는 것으로 판단된다. 또한 프리캐스트 바닥판과베딩충 사이에 전단키를 설치한 부재(계열 4)의 강도는 베딩 층이 없는 부재(계열 2의 PLS1B0 부재)의 강도보다는 작으나 베딩층의 두께는 동일하며 전단키가 없는 부재의 강도(계열 2의 PLS1B2 부재)에 비해서는 증가하였다. 그러나 프리캐스트 바닥판과 베딩층 사이에 전단키뿐만 아니라 베딩용모르터를 횡방향으로 구속시킨 부재(계열 5)의 극한 강도는 베딩 층의 두께에 상관없이 베딩층이 없는 부재의 강도와 유사한 것£로 나타났다.
- 그림 7(b)는 계열 2의 하奇상대슬립 곡선를 나타낸 것으로서, 베딩층이 없는 PLS1B0 부재의 하务상대슬립 관계는 현장타설 부재(그림 7(a))와 유사한 거동 특성을 보였다. 베딩층이 있는 부재 (PLS1B2부재, PLS 1B4 부재)에서는 PLS1B0부재에 대한 파괴하중의 약 50% 까지 초기상대슬립량이 유사하나, 50% 이상 하중부터 상대슬립은 급격한 변화를 보이며 크게 증가하는 것으로 나타났다. 그림 7(c)는 스터드 개수의 영향을 평가한 계열 3의 하중」 상대 슬립 곡선을 나타낸 것으로서 계열 2에서 베딩층 두께가 동일한 PLS1B2부재의 하중상대슬립 곡선과 유사하였다.
- 실험 후 PLS1B2K부재와 PLS1B2KC부재를 육안£로 관찰한 결과, PLS1B2KC-1 부재는 베딩층이 횡방향으로 완전히 구속되지 않은 것으로 나타났다. 따라서 PLS1B2KC-1 부재는 바닥 판과 베딩용 모르터 사이에 전단키만을 설치한 PLS1B2K 부재와 유사한 거동을 보인 것으로 판단된다.
- 나타내었다. 실험결과 기존의 연구결과(김종희 등, 2000)와 동일하게 베딩 층이 있는 프리캐스트 바닥판(계열 2)에서 스터드 전 단연 결재의 극한강도는 베딩충의 두께가 증가함에 따라 감소하였으며, 베딩층이 없는 계열 2의 PLS1B0 부재와 현장 타설 부재 (CL40 부재)에서 스터드 전단연결재의 극한강도는 유사한 것으로 나타났다. 베딩층이 있는 경우 스터드 개수의 영향을 평가한 계열 3의 극한강도는 계열 2에서 베딩층 두께가 동일한 부재와 거의 유사한 것으로 나타났다.
- 이 연구에서는 베딩층이 있는 프리캐스트 부재에서 바닥판과모르터 층 사이에 전단키와 음각부를 설치하는 것이 프리캐스트 바닥판에서 베딩층의 존재에 따른 전단연결부의 강도감소를 방지하는데 매우 효과적인 것을 확인하였다. 그러나 이러한 결과는 매우 제한적인 조건에 대한 실험결과로서, 바닥판과 베딩용 모르터 사이의 전단키 및 베딩층의 횡방향 구속을 위한 음각 부의 합리적인 구조상세가 제시되기 위해서는 이에 대한 실험적 연구가 추가로 수행되어야할 것이다.
- 그러나 프리캐스트 부재와 현장타설 부재의 초기접선 강성 및 극한강도에서의 상대슬립량은 매우 유사한 것으로 나타났다. 이와 같은 결과로 미루어 볼 때, 스터드 주위 모르터의 강도 및 탄성계수가 모르터를 둘러싸고 있는 바닥판 콘크리트의 강도 및 탄성계수보다 큰 경우, 프리캐스트 부재의 하^상대슬립 특성은 모르터의 재료성질 보다 바닥판 콘크리트 재료성질의 영향을 더욱 크게 받는 것으로 판단된다.
후속연구
- 단위질량。] 약 2, 300細/m3인 일반콘크리트를 적용한 경우로서, 일반콘크리트에 비해 단위질량이 작은 경량콘크리트를 바닥판에 적용한다면 바닥판 자중에 의한 단면력을감소시켜 지간장을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 하부구조의 단면을 축소시킬 수 있어 더욱 경제적인 교량설계가 가능할 것이다. 그러나 경량콘크리트를 교량바닥판에 적용하기 위해서는 많은 실험적 연구가 수행되어야 하며, 특히 강합성 거 더 교에서는 강거더와 콘크리트 바닥판의 전단연결부에 대한 세밀한 평가가 이루어 져야한다.
- 방지하는데 매우 효과적인 것을 확인하였다. 그러나 이러한 결과는 매우 제한적인 조건에 대한 실험결과로서, 바닥판과 베딩용 모르터 사이의 전단키 및 베딩층의 횡방향 구속을 위한 음각 부의 합리적인 구조상세가 제시되기 위해서는 이에 대한 실험적 연구가 추가로 수행되어야할 것이다.
- 확인 할 수 있다. 따라서 베딩층이 있는 프리캐스트 부재에서 전단연결부의 극한강도는 재료의 강도 특성을 반영할 수 있는 현행설계규정에 따라 스터드를 둘러싼 모르터의 강도 및 탄성계수를 적용하여 극한강도를 산정한 후 베딩층의 두께에 따라 극한강도를 감소시켜 주면 부재의 기하형상 뿐만 아니라 재료의 강도특성도 반영할 수 있어, 더욱 합리적으로 극한 강도를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이와 같은 합성방법의 차이점 및프리캐스트 바닥판에서 베딩층의 존재는 현장타설 바닥판과프리캐스트 바닥판에서 전단연결부의 거동 특성이 달라지게 하는 주요한 원인이 되며 , 특히 프리캐스트 바닥판의 베딩 층은 현장 타설 바닥판을 사용하는 경우에 비해 전단연결부의 극한 강도를 저하시키게 된다(김종희 등 2000). 이로 인해 베딩 층이 존재하는 프리캐스트 바닥판의 전단연결부 극한강도가 일반 현장타설 바닥판에서와 유사한 수준의 극한강도를 확보하기 위해서는 보다 많은 전단연결재가 요구된다.
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