[국내논문]프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 교축방향 초기 프리스트레스 산정방법 I : 단순보 Determination Method for Longitudinal Initial Prestress in Composite Beams with Precast Decks I: Simply Supported Beams원문보기
본 논문에서는 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에 교축방향으로 프리스트레스를 도입하는 경우, 콘크리트의 장기거동과 PS강재의 릴렉세이션에 의해 발생하는 프리스트레스의 손실과 장기처짐을 계산하기 위한 장기거동해석방법을 제시하였다. 또한 제시된 해석방법을 이용하여 장기거동해석을 수행하였으며, 이를 통해 합성보의 기하형상, 콘크리트강도 및 초기프리스트레스가 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다. 해석결과 합성보 기하형상의 영향에서 프리스트레스의 손실과 장기처짐에 영향을 미치는 주요인자는 각각 보의 단면적과 단면2차모멘트였다. 마지막으로, 총 프리스트레스 손실에서 크리프에 의한 손실과 건조수축에 의한 손실의 특성을 분석하여 소요 초기프리스트레스의 산정방법을 제안하였다.
본 논문에서는 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에 교축방향으로 프리스트레스를 도입하는 경우, 콘크리트의 장기거동과 PS강재의 릴렉세이션에 의해 발생하는 프리스트레스의 손실과 장기처짐을 계산하기 위한 장기거동해석방법을 제시하였다. 또한 제시된 해석방법을 이용하여 장기거동해석을 수행하였으며, 이를 통해 합성보의 기하형상, 콘크리트강도 및 초기프리스트레스가 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다. 해석결과 합성보 기하형상의 영향에서 프리스트레스의 손실과 장기처짐에 영향을 미치는 주요인자는 각각 보의 단면적과 단면2차모멘트였다. 마지막으로, 총 프리스트레스 손실에서 크리프에 의한 손실과 건조수축에 의한 손실의 특성을 분석하여 소요 초기프리스트레스의 산정방법을 제안하였다.
This paper presents the analytical method for the long-term behavior of simply supported composite beams with precast decks prestressed in the longitudinal direction. The objectives of time-dependent analysis are to estimate losses of prestress on the concrete slab and long-term deflection due to cr...
This paper presents the analytical method for the long-term behavior of simply supported composite beams with precast decks prestressed in the longitudinal direction. The objectives of time-dependent analysis are to estimate losses of prestress on the concrete slab and long-term deflection due to creep and shrinkage of concrete, relaxation of prestressing steel. Also, the time-dependent analysis was carried out using the presented analytical method to evaluate the effects of several parameters on the long-term behavior of composite bridge with precast deck, including geometrical shapes of composite beams, compressive strength of concrete and magnitude of initial prestress. The results of the analysis indicated that, in the effects of geometrical shapes of composite beams, the main parameters affecting the losses of prestress and the long-term deflection were the cross sectional area and the moment of inertia of steel beam, respectively. Finally, the determination method for the required initial prestress was proposed by evaluation of the loss characteristics due to shrinkage and creep of concrete.
This paper presents the analytical method for the long-term behavior of simply supported composite beams with precast decks prestressed in the longitudinal direction. The objectives of time-dependent analysis are to estimate losses of prestress on the concrete slab and long-term deflection due to creep and shrinkage of concrete, relaxation of prestressing steel. Also, the time-dependent analysis was carried out using the presented analytical method to evaluate the effects of several parameters on the long-term behavior of composite bridge with precast deck, including geometrical shapes of composite beams, compressive strength of concrete and magnitude of initial prestress. The results of the analysis indicated that, in the effects of geometrical shapes of composite beams, the main parameters affecting the losses of prestress and the long-term deflection were the cross sectional area and the moment of inertia of steel beam, respectively. Finally, the determination method for the required initial prestress was proposed by evaluation of the loss characteristics due to shrinkage and creep of concrete.
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문제 정의
그러나 합성전에는 바닥판에 배근된 철근만이 콘크리트의 장기변형을 구속하고 있어 합성전에 발생하는 장기거동의 영향은 크지 않으며, 합성전 장기거동이 합성후 거동에 큰 영향을 미치지 않는다(Dezi, 1995b, 심창수 등, 2006). 따라서 본 논문에서는 합성전 장기거동의 영향을 고려하지 않은 합성후 장기거동해석방법과 이에 따른 해석시 고려사항 및 장기거동계수의 적용 방법에 대해 기술하였다.
또한, 본 논문에서는 프리스트레스 손실의 각 성분에 대한 분석을 통해 소요초기프리스트레스의 산정방법을 제안하였다. 일반적인 설계방법에서는 적정수준의 소요초기프리스트레스를 산정하기 위해 반복계산을 수행하게 된다.
본 논문에서는 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에 교축방향으로 프리스트레스를 도입하는 경우, 프리스트레스의 손실량과 장기처짐을 계산하기 위한 해석방법을 제시하였으며, 이를 통해 강거더의 기하형상, 초기프리스트레스의 크기 및 콘크리트의 강도가 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다.
본 논문에서는 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에서 교축방향으로 프리스트레스가 도입되는 경우, 프리스트레스의 시간에 따른 손실량 및 콘크리트의 장기거동에 의해 발생하는 변위를 산정하기 위한 장기거동해석방법을 제시하였다. 또한 제시된 해석방법을 이용하여 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에서 구성부재의 기하형상, 초기프리스트레스 및 재료의 강도 등이 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다.
본 연구에서는 이와 관련하여 강거더의 축방향강성과 휨강성 중, 바닥판에 작용하는 프리스트레스의 손실과 처짐에 대해 더욱 지배적인 영향인자를 파악하기 위하여 강거더의 기하형상을 변수로 하여 장기거동해석을 수행하였다. 표 3은 강거더 강성의 영향을 평가하기 위한 해석조건 및 해석변수를 나타낸 것이다.
가설 설정
이와 같은 현상을 이용하면 설계초기 단계에서 소요 초기프리스트레스의 대략적인 크기를 쉽게 계산할 수 있다. 그림 13은 초기프리스트레스에 대한 프리스트레스 손실량의 변화를 나타낸 개념도로서 PS강재의 릴렉세이션에 의한 프리스트레스 손실량은 초기프리스트레스에 관계없이 일정한 것으로 가정하였다. 물론 PS강재의 릴렉세이션은 PS강재에 도입된 인장응력 및 PS강재의 단면적에 따라 달라지지만 콘크리트의 크리프와 건조수축에 의한 영향에 비해 매우 작으므로 설계초기 단계에서 대략적인 초기프리스트레스를 산정하는 데는 큰 영향을 미치지 않을 것이다.
4% 정도임), 구조물 전체의 장기거동에서 무수축 모르터의 영향은 크지 않을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 장기거동해석을 위한 크리프계수, 건조수축 변형률 및 등가환산단면 산정시 모르터의 장기거동 특성은 바닥판 콘크리트와 동일한 것으로 가정하였다. 또한 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성 보는 합성전과 합성후에 모두 장기거동의 영향을 받는다.
8 MPa이 된다. 초기프리스트레스를 3.0 MPa로 가정하여 크리프에 의한 손실량을 계산한 후 n을 계산하면 -0.31이 산출된다. 위의 값을 식 (14)에 대입하여 소요 초기프리스트레스의 크기를 산정하면 5.
제안 방법
강거더의 기하형상, 초기프리스트레스의 크기 및 콘크리트의 강도가 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 장기거동해석을 수행하였다. 일반적으로 프리캐스트 바닥판은 증기양생을 실시하므로, 해석에서 콘크리트의 장기거동과 관련한 계수 산정 시 ACI committee 517(1969)에서 제안하고 있는 그림 9와 같은 증기양생 조건을 적용하여 도로교설계기준(2005)에 따라 계수를 산정하였다.
따라서 크리프의 영향과 관련된 식(6.a)의 ΔNc 산정시에도 이와 같은 영향을 고려하여 Ac대신 전단포켓의 면적을 제외한 콘크리트의 순단면적(Ac')을 적용하였다.
8을 사용하였다(CEB, 1991). 또한 실험부재의 제작 시 프리스트레스의 크기는 PS강재 항복응력의 50% 수준으로 하였으므로, 해석시 PS강재의 릴렉세이션은 고려하지 않았으며, 합성시기는 모르타르의 강도발현을 고려하여 모르타르 타설 후 24시간으로 하였다.
본 논문에서는 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에서 교축방향으로 프리스트레스가 도입되는 경우, 프리스트레스의 시간에 따른 손실량 및 콘크리트의 장기거동에 의해 발생하는 변위를 산정하기 위한 장기거동해석방법을 제시하였다. 또한 제시된 해석방법을 이용하여 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에서 구성부재의 기하형상, 초기프리스트레스 및 재료의 강도 등이 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다. 마지막으로, 크리프 및 건조수축에 의한 프리스트레스의 손실 특성을 분석하여 설계초기 단계에서 적정수준의 소요 초기프리스트레스를 반복계산 없이 산정할 수 있는 방법을 제안하였다.
또한 제시된 해석방법을 이용하여 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보에서 구성부재의 기하형상, 초기프리스트레스 및 재료의 강도 등이 장기거동에 미치는 영향을 평가하였다. 마지막으로, 크리프 및 건조수축에 의한 프리스트레스의 손실 특성을 분석하여 설계초기 단계에서 적정수준의 소요 초기프리스트레스를 반복계산 없이 산정할 수 있는 방법을 제안하였다.
먼저 구조물에 발생하는 건조수축 및 크리프 변형이 완전히 구속된 경우에 콘크리트에서 발생하는 인장응력을 계산한 후, 계산된 인장응력을 인장응력이 작용하는 콘크리트 단면에 대해 적분을 하여 총구속력(−ΔN, −ΔM)을 계산한다.
본 연구에서 적용한 해석방법은 콘크리트의 크리프, 건조수축 및 PS강재의 릴렉세이션을 각각 독립된 현상으로 보고 각각의 영향을 개별적으로 계산한 후 중첩함으로써 최종값을 계산하게 된다. 또한 앞서 언급한바와 같이 초기프리스트레스가 콘크리트 압축강도의 40%이하이고 프리스트레스 도입시기가 동일하면 크리프변형은 초기프리스트레스에 의한 초기 탄성변형에 비례하여 증가하게 된다.
초기프리스트레스 및 콘크리트 강도의 영향을 평가하기 위하여 표 4와 같은 해석조건 및 변수에 대해 해석을 수행하였다.
데이터처리
적용한 해석방법의 검증을 위하여 장승필 등(1999)에 의해 수행된 프리캐스트 바닥판을 사용한 단순 강합성보의 장기거동 실험결과와 해석결과를 비교하였다. 그림 6과 그림 7은 실험부재의 단면제원 및 실험 조건, 실험부재의 장기거동해석을 위한 등가환산단면을 각각 나타낸 것이다.
이론/모형
또한 표 1은 해석을 위한 크리프계수 및 건조수축 변형률을 나타낸 것이며, 해석시 크리프계수, 건조수축변형률 및 콘크리트의 탄성계수는 도로교설계기준(2005)에 따라 산정하였고 재령계수 χ는 0.8을 사용하였다(CEB, 1991).
또한 해석에서 적용한 PS강재는 항복강도 1,600 MPa의 저 릴렉세이션 강재로서, 본 논문에서는 프리스트레스의 장기손실만을 다루므로 즉시손실 후 PS강재의 인장응력을 항복강도의 80%(1,280 MPa)로 적용하였으며, 식(6.c)의 PS강재 릴렉세이션에 의한 PS강재의 인장응력 감소량(Δfre)은 Magura(1964)의 식을 사용하여 산정하였다.
본 연구에서는 장기거동해석방법으로 AEMM(Age-adjusted Effective Modulus Method)을 사용하였으며, 응력산정을 위한 단면해석방법으로는 Bresler 등(1964)이 제안한 RA(relaxation approach) 방법을 적용하였다. 이에 대한 기본 개념은 다음과 같다.
강거더의 기하형상, 초기프리스트레스의 크기 및 콘크리트의 강도가 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 장기거동해석을 수행하였다. 일반적으로 프리캐스트 바닥판은 증기양생을 실시하므로, 해석에서 콘크리트의 장기거동과 관련한 계수 산정 시 ACI committee 517(1969)에서 제안하고 있는 그림 9와 같은 증기양생 조건을 적용하여 도로교설계기준(2005)에 따라 계수를 산정하였다. 또한 해석에서 적용한 PS강재는 항복강도 1,600 MPa의 저 릴렉세이션 강재로서, 본 논문에서는 프리스트레스의 장기손실만을 다루므로 즉시손실 후 PS강재의 인장응력을 항복강도의 80%(1,280 MPa)로 적용하였으며, 식(6.
성능/효과
(a)), 일반적인 탄성거동과 동일하게 거더의 단면2차모멘트가 증가함에 따라 처짐은 감소하는 것으로 나타났다(그림 10
표 2는 해석결과를 나타낸 것이며, 그림 8은 시간의 경과에 따른 프리스트레싱력과 처짐에 대해 실험결과와 해석결과를 비교한 것으로서, 실험결과와 해석결과는 매우 유사한 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 적용한 해석방법은 프리캐스트 바닥판을 사용한 강합성보의 장기거동 특성을 합리적으로 반영하고 있는 것으로 판단된다.
이와 같은 이유로 초기프리스트레스가 작을 때에는 건조수축에 의한 손실이 지배적이어서, 유효프리스트레스가 건조수축에 의한 인장응력을 상쇄시키지 못하는 경우 바닥판에서는 프리스트레스 도입에도 불구하고 인장 응력이 발생할 수 있으며, 초기프리스트레스가 증가할수록 건조수축에 의한 손실 비율이 감소하여 유효프리스트레스 뿐만 아니라 유효율도 증가하게 된다. 또한 PS강재의 릴렉세이션에 의한 프리스트레스 손실은 초기프리스트레스가 증가함에 따라 다소 증가하였으나, 전체 손실량에서 PS강재의 릴렉세이션에 의한 프리스트레스 손실이 차지하는 비율은 매우 작았다. 초기프리스트레스가 증가함에 따라 PS강재의 릴렉세이션에 의한 프리스트레스의 손실량이 증가하는 이유는 다음과 같다.
그림 11은 해석결과를 나타낸 것으로서 프리스트레스 손실 및 장기거동에 의한 처짐에서 콘크리트 강도변화의 영향은 초기프리스트레스 변화의 영향에 비해 매우 작은 것으로 나타났다. 먼저 콘크리트 강도의 영향에서는 초기프리스트레스가 동일한 경우 콘크리트의 강도가 증가할수록 탄성계수가 증가하고 크리프계수와 건조수축변형률의 크기는 작아지므로 최종 프리스트레스 손실량 및 처짐은 작게 산출되었으나, 그 차이는 작았다. 초기프리스트레스 크기의 영향에서는 초기프리스트레스 크기가 증가함에 따라 유효프리스트레스가 증가하였으나, 프리스트레스 손실량과 장기처짐도 증가하였다.
따라서 프리스트레스의 손실량 및 장기처짐을 최소화시키기 위해서는 허용되는 범위내에서 강거더의 단면적은 감소시키고, 단면2차모멘트는 증가시키는 것이 효과적인 것인 것으로 판단된다. 바닥판에 도입된 초기프리스트레스의 크기와 콘크리트 강도의 영향에서는 콘크리트의 강도가 증가하여도 프리스트레스의 손실량 및 장기처짐에는 큰 변화가 없었으며, 주로 초기프리스트레스의 크기에 따라 프리스트레스의 손실량 및 장기처짐의 크기가 크게 변화하였다.
먼저 콘크리트 강도의 영향에서는 초기프리스트레스가 동일한 경우 콘크리트의 강도가 증가할수록 탄성계수가 증가하고 크리프계수와 건조수축변형률의 크기는 작아지므로 최종 프리스트레스 손실량 및 처짐은 작게 산출되었으나, 그 차이는 작았다. 초기프리스트레스 크기의 영향에서는 초기프리스트레스 크기가 증가함에 따라 유효프리스트레스가 증가하였으나, 프리스트레스 손실량과 장기처짐도 증가하였다. 그러나 유효프리스트레스의 증가율은 프리스트레스 손실의 증가율보다 큰 것으로 나타났다.
후속연구
일반적인 설계방법에서는 적정수준의 소요초기프리스트레스를 산정하기 위해 반복계산을 수행하게 된다. 그러나 제안된 초기프리스트레스의 산정방법은 이와 같은 반복계산 없이 간단한 수계산을 통해 합리적인 수준의 소요초기프리스트레스를 산정할 수 있는 방법으로서, 설계초기 단계에서 소요초기프리스트레스의 산정을 위한 시간을 단축시킬 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
프리캐스트 바닥판의 장점은 무엇인가?
프리캐스트 바닥판은 일반현장타설 콘크리트 바닥판과는 달리 공장에서 바닥판을 제작하기 때문에 바닥판 품질의 신뢰성을 확보할 수 있으며, 신설 교량의 시공이나 노후된 교량의 바닥판 교체시 공기단축의 측면에서 큰 장점이 있다. 그러나 프리캐스트 바닥판을 사용하는 경우에는 교축방향으로 바닥판간 이음부가 존재하기 때문에 교량구조물의 가장 취약한 부분이 될 수 있다.
동일한 프리스트레싱력 하에서 전단포켓이 존재하는 프리캐스트 바닥판이 전단포켓이 없는 경우에 비해 더 높은 압축응력이 발생하게 되는 이유는 무엇인가?
전단포켓이 존재하는 프리캐스트 바닥판에서는 바닥판이 강거더와 합성되기 전에 프리스트레스가 도입되므로 동일한 프리스트레싱력 하에서 전단포켓이 없는 경우에 비해 바닥판에 더 높은 압축응력이 발생하게 된다. 정철헌(2002), 심창수(2006) 등은 이를 고려하여 프리스트레스에 의한 바닥판의 압축응력(식(6.
프리캐스트 바닥판의 연속성을 확보하는 방안 두 가지는 무엇이 있는가?
연속성을 확보하는 방안으로는 크게 두 가지로 구분할 수 있다. 먼저 프리캐스트 바닥판 제작시 미리 철근을 돌출시켜 현장에서 바닥판 사이에 미리 돌출시킨 철근을 연결한 후 연결 부에 콘크리트를 타설하는 방법과 철근을 돌출시키지 않고 교축방향으로 프리스트레스를 도입하는 방법이다. 전자는 현장에서 콘크리트를 타설하여 연결하기 때문에 구조물의 일체성 확보에는 유리할 수 있으나 공사기간은 프리스트레스를 도입하는 경우에 비해 다소 길어질 수 있다.
참고문헌 (19)
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