프리캐스트 콘크리트 세그먼트 공법은 품질관리가 용이하고 비용 및 공사기간을 단축할 수 있으나 각 세그먼트의 조립으로 인한 접합부의 응력집중 및 큰 변위로 인해 구조적으로 불리한 거동을 보여 많은 장점에도 불구하고 폭넓은 적용에 있어 그 한계가 발생한다. 이에 본 연구에서는 구조 성능이 개선된 프리캐스트 세그먼트 접합부를 제안하고 실험을 통하여 균열 및 파괴양상, 변형률, 최대하중, 변위 연성도의 측면에서 제안한 접합부의 구조 성능을 평가하고자 하였다. 본 연구에서는 시공성 및 구조성능을 고려하여 전단키 및 포스트텐션, 강봉 등의 적용여부를 변수로 한 접합부를 제안하고 이에 대해 정적 재하 실험을 수행하였다. 실험 결과, 전단키 및 포스트텐션을 적용한 SGSP 실험체는 최대하중의 측면에서 일체형 실험체에 비해 약 86%에 준하는 내력을 보였으며 연성 측면에서는 일체형 실험체의 연성 능력 이상의 연성거동을 보임으로써 제안한 접합부의 개선된 구조성능 및 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
프리캐스트 콘크리트 세그먼트 공법은 품질관리가 용이하고 비용 및 공사기간을 단축할 수 있으나 각 세그먼트의 조립으로 인한 접합부의 응력집중 및 큰 변위로 인해 구조적으로 불리한 거동을 보여 많은 장점에도 불구하고 폭넓은 적용에 있어 그 한계가 발생한다. 이에 본 연구에서는 구조 성능이 개선된 프리캐스트 세그먼트 접합부를 제안하고 실험을 통하여 균열 및 파괴양상, 변형률, 최대하중, 변위 연성도의 측면에서 제안한 접합부의 구조 성능을 평가하고자 하였다. 본 연구에서는 시공성 및 구조성능을 고려하여 전단키 및 포스트텐션, 강봉 등의 적용여부를 변수로 한 접합부를 제안하고 이에 대해 정적 재하 실험을 수행하였다. 실험 결과, 전단키 및 포스트텐션을 적용한 SGSP 실험체는 최대하중의 측면에서 일체형 실험체에 비해 약 86%에 준하는 내력을 보였으며 연성 측면에서는 일체형 실험체의 연성 능력 이상의 연성거동을 보임으로써 제안한 접합부의 개선된 구조성능 및 적용 가능성을 확인할 수 있었다.
The use of precast concrete segments facilitates quality control and reduces construction cost and period. However, as a construction method it has limited applicability, for it demonstrates structurally disadvantageous behaviors due to stress concentration and large displacement in the joint of ass...
The use of precast concrete segments facilitates quality control and reduces construction cost and period. However, as a construction method it has limited applicability, for it demonstrates structurally disadvantageous behaviors due to stress concentration and large displacement in the joint of assembled segments. This paper proposes a precast segment joint with improved structural performance, and experimentally assesses the structural performance of the proposed joint in terms of crack and failure modes, deformation, maximum load and displacement ductility. In consideration of constructability and structural performance, this paper suggests different types of joint with shear key, post tension and steel rods as variables, and performs a static loading test on them. The test results show that the performance of SGSP specimens is around 84% that of a monolithic specimen in terms of the maximum load, while their ductility behaviors are better than the monolithic specimen. This result confirms the improved structural performance and applicability of the proposed joint.
The use of precast concrete segments facilitates quality control and reduces construction cost and period. However, as a construction method it has limited applicability, for it demonstrates structurally disadvantageous behaviors due to stress concentration and large displacement in the joint of assembled segments. This paper proposes a precast segment joint with improved structural performance, and experimentally assesses the structural performance of the proposed joint in terms of crack and failure modes, deformation, maximum load and displacement ductility. In consideration of constructability and structural performance, this paper suggests different types of joint with shear key, post tension and steel rods as variables, and performs a static loading test on them. The test results show that the performance of SGSP specimens is around 84% that of a monolithic specimen in terms of the maximum load, while their ductility behaviors are better than the monolithic specimen. This result confirms the improved structural performance and applicability of the proposed joint.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 접합부의 구조성능 향상이 가능한, 개선된 PCS 접합 상세를 제안하고 그에 따른 구조실험을 수행하여 각 접합 상세에 따른 구조거동을 실험체의 파괴 및 균열양상 변형률, 최대내력 및 연성도의 측면에서 평가하고 이를 바탕으로 현장에 적용 가능한 접합 상세를 제안하고자 하였다.
제안 방법
⑸, ⑹은 구조실험 및 유한요소해석을 통하여 prestressed concrete I형 거더 접합부의 내진성능을 평가하였다 Jaeheung Kim et al.⑺은 분절형 prestressed concrete 거더 의 실물 크기 실험을 통하여 일체형 거더와 분절형 prestressed concrete 거더의 정적거동을 비교 및 분석하였다.
두 개의 세그먼트 접합시 주철근을 연장하여 그 이음부에 현장에서 콘크리트를 타설하여 거더를 접합하는 기존의 CIP 방법 (Cast in Place, 그림 3)과 차별화를 두기 위하여 시공의 편의성 및 철근이음의 일체성의 확보가 가능한 스플라이스 슬리브를 적용하여 철근이음 하였고, 현장 타설로써 생성되는 전단키 대신 실험체와의 일체 타설로 전단키를 제작하여 실험체와 전단키와의 거동의 일체성을 높이고자 하였다 또한 포스트텐션 및 강봉을 이용한 세그먼트 접합을 통하여 접합 방법에 따른 시공의 용이성 및 구조거동을 파악하고자 하였으며 전단키가 구조부재에 미치는 영향을 평가하기 위하여 전단키의 유무를 변수로 두었다
본 연구에서는 PCS 접합부에 적용 가능한 구조성능이 개선된 접합부를 제안하였으며 접합부 형식에 따른 각 실험체의 구조성능을 실험적으로 평가하기 위해 실험체의 균열 및 파괴양상 변형률, 최대하중, 변위연성도의 측면에서 실험 결과를 비교 및 분석하였으며 그 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 제안한 PCS 접합부의 구조성능을 평가하기 위해 포스트텐션 및 강봉, 전단키 등의 적용에 따른 접합부 형태를 변수로 한 실험체 4본을 제작하였으며 각 변수일람 및 접합 상세는 표 1과 그림 1에 나타내었다. 접합부 형태를 변수로 한 실험체 4본 외에, 각 세그먼트 접합 부와의 성능 검증을 위한 비교 실험체로 같은 제원을 가지는 길이 3, 300mm 의 일체형 거더 1본을 제작하여 총 5본의 실험체에 대해 구조실험을 수행하였다.
및 접합 상세는 표 1과 그림 1에 나타내었다. 접합부 형태를 변수로 한 실험체 4본 외에, 각 세그먼트 접합 부와의 성능 검증을 위한 비교 실험체로 같은 제원을 가지는 길이 3, 300mm 의 일체형 거더 1본을 제작하여 총 5본의 실험체에 대해 구조실험을 수행하였다.
제안한 접합부의 구조 성능을 평가하기 위하여 그림 5와 같이 실험체의 양단을 단순 지지한 상태에서 중앙부에 원통형 가력 힌지를 위치시켜 1점 가력하였다 하중은 1000kN용량의 오일잭 시스템을 이용하여 하중제어 방식으로 재하하였으며 재하된 하중을 측정하기 위해 로드셀을 설치하였다. 실험체의 변위를 계측하기 위하여 거더 중앙 하부에 LVDT 를 설치하였다.
대상 데이터
실험체는 외경 750mm x 750mm, 내경 350mm x 250mm 의 중공형 단면을 적용하였으며 그림 2와 같이 길이 1, 650mm 인 두 개의 세그먼트를 접합하여 제작하였다.
실험체의 주철근은 인장강도 400MPa 인 HD25, 늑근은 400MPa, HD10 을 사용하였다 SGSS 실험체 접합에는 인장강도 400MPa, 지름 25mm 의 강봉이 사용되었으며 SGSP 및 SGP 실험체의 포스트 텐션에 사용된 강연선의 물성 치는표 3에 나타내었다
이론/모형
변위 연성지수皿)를 사용하였다. 그러나 하중 변위 관계에서 정확한 항복변위(%)를 산정하기 어렵기 때문에 그림 13에 나타낸 것과 같이 Sheikh8) 이 제안한 방법을 사용하였다. Sheikh는 초기강성을 유지하며 최대하중에 도달했을 때의 변위를 항복변위로, 하중감소가 시작된 후 최대하중의 80%에 해당하는 하중시의 변위를 극한변위로 정의하였다.
다양한 접합 상세를 적용한 각 실험체의 연성능력을 평가하기 위하여 항복변위 (Aield) 에 대한 극한변위의 비 Umax) 로산출되는 변위 연성지수皿)를 사용하였다. 그러나 하중 변위 관계에서 정확한 항복변위(%)를 산정하기 어렵기 때문에 그림 13에 나타낸 것과 같이 Sheikh8) 이 제안한 방법을 사용하였다.
실험체 타설시 中 150mm X 300mm 공시체 총 6개를 제작하여 실험체와 동일한 조건으로 양생하였다 공시체의 강도 시험은 양생 28일 후 KS F 2405 '콘크리트의 압축 강도시험 방법'에 따라 수행하였으며 압축강도시험 결과 약 45MPa 의 압축강도를 확인하였다 사용된 콘크리트의 배합은 표 2와 같다
성능/효과
1. SG 실험체의 실험결과를 통해 포스트텐션 등의 2차 접합 없이 스플라이스 슬리브와 에폭시만으로 PCS 를 접합하는 것은 최대하중 및 변위 연성도의 측면에서 구조적으로 상당히 불리한 접합부임을 확인하였으며 이로써 포스트 텐션의 적용은 PCS 접합에 있어 필수적이라고 판단된다.
2. 전단키 및 포스트텐션이 적용된 SGSP 실험체의 경우 최대하중 도달 후 하중의 급격한 감소 없이 하중의 증감이 반복되는 현상을 보임으로써 전단키 및 포스트텐션의 적용은 접합부의 연성거동을 확보하는데 있어 중요한 요소임을 확인할 수 있었다.
3. 강봉을 사용하여 접합한 SGSS 실험체의 경우 제작과정이 비교적 단순하여 실제 현장 적용시 시공성이 용이할 것으로 보이나 하중이 증가함에 따라 균열의 폭이 넓어지면서 표면박리가 발생한 것으로 보아 사용성 측면에서 적합한 접합부 상세라 볼 수 없다고 판단된다.
4. 본 연구에서 제안한 접합부 중 전단키 및 포스트 텐션을 적용한 SGSP 접합부는 일체형 실험체의 약 86%에 준하는 내력을 보였으며 연성 측면에서는 일체형 실험체 이상의 연성 능력을 나타냈다. 따라서 본 연구에서 제안한 접합부 중 가장 우수한 성능을 보임으로써 현장 적용이 가능할 것이라고 판단된다.
SGP 실험체에 비해 1.2 배 가량 높은 변위연성지수를 나타내는 것으로 보아 포스트텐션 및 전단키의 적용은 접합 부의 연성 거동을 높이는데 주요한 역할을 하는 것으로 판단된다. 그림 15는 MG 실험체의 최대하중을 기준으로 다양한 접합부를 적용한 각 세그먼트형 실험체가 어느 정도의 내력을 확보하였는지 최대하증을 통해 비교한 그래프이다.
이는 강봉과 콘크리트 사이의 재료적 강성 차이 때문인 것으로 판단된다. SGSP 실험체는 320kN 에 접합부 이격이 발생하면서 하중이 일시적으로 감소하는 현상을 보였으나 이후 안정적으로 하중이 증가하였다. 하중 68이如에서 전단키의 균열이 증가하였으며 최대하중 도달 후 급격한 하중감소 없이 하중의 감소-증가가 반복되는 현상이 발생하며 서서히 하중이 감소하였다.
SGSP 실험체는 MG 실험체의 최대하중의 86.4%를, SGP 실험체는 73.5%에 준하는 최대하증을 나타내었으며 이를 통해 SGSP 실험체 및 SGP 실험체는 일체형 실험체에 준하는 거동 및 내하성능을 보인 것으로, 접합부의 일체성이 확보되었다고 판단된다. 그러나 스플라이스 슬리브만으로 접합된 SG 실험체는 MG 실험체의 최대하중에 크게 미치지 못한 결과를 보였으며 이로써 스플라이스 슬리브만으로 PCS 를 접합하는 방법은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
SGSS 실험체의 하부 철근 슬립은 SGP 실험체에 비해 비교적 늦은 시점에 발생하였으나 철근 슬립 이후 다른 실험체에 비해 균열 폭이 넓은, 많은 균열이 실험체 표면에 전체적으로 발생하였다 이후, 최대하중 부근에서 표면 박리가 발생하며 하중이 서서히 감소하였다. 이는 강봉과 콘크리트 사이의 재료적 강성 차이 때문인 것으로 판단된다.
5%에 준하는 최대하증을 나타내었으며 이를 통해 SGSP 실험체 및 SGP 실험체는 일체형 실험체에 준하는 거동 및 내하성능을 보인 것으로, 접합부의 일체성이 확보되었다고 판단된다. 그러나 스플라이스 슬리브만으로 접합된 SG 실험체는 MG 실험체의 최대하중에 크게 미치지 못한 결과를 보였으며 이로써 스플라이스 슬리브만으로 PCS 를 접합하는 방법은 적절하지 않은 것으로 판단된다.
그림 11에 나타난 SGSS 실험체와 SGSP 실험체의 철근변형률을 비교해보면 SGSS 실험체의 철근이 SGSP 실험체의 철근보다 더 작은 하중에서 철근 변형률이 급격히 증가하는 것으로 나타났으며 이를 통해 SGSP 실험체가 SGSS 실험체에 비해 철근에 응력이 고루 분포된다는 것을 알 수 있다. 즉 SGSS 실험체 보다 SGSP 실험체의 접합 상세가 일체성 확보 측면에서 더 우수한 성능을 발휘하는 것이라고 볼 수 있다.
그림 12에서 알 수 있듯이 세그먼트 접합부 실험체 중 SGSP 실험체가 가장 큰 하중을 받는 것으로 나타났으며 SGSS 실험체에 비해 SGSP 실험체가 하중의 감소 및 증가가 반복적으로 나타나며 최종 파괴에 이르는 현상을 보이는 것을 알 수 있다. 이는 접합부의 연성능력에 전단키 및 포스트 텐션이 기여한 것으로 판단된다.
후속연구
본 연구에서 제안한 접합부 중 전단키 및 포스트 텐션을 적용한 SGSP 접합부는 일체형 실험체의 약 86%에 준하는 내력을 보였으며 연성 측면에서는 일체형 실험체 이상의 연성 능력을 나타냈다. 따라서 본 연구에서 제안한 접합부 중 가장 우수한 성능을 보임으로써 현장 적용이 가능할 것이라고 판단된다.
참고문헌 (8)
Wium, D. J. W., and Buyukozturk, O., ' Precast segmental bridge-status and future directions,' Civil Engineering for Practicing and Design Engineers, ACSE, V.3, 59-79, 1984
송재준 등, ' 장수명 합리화 바닥판 개발 - 프리캐스트 콘크리트 바닥판,' Bridge200(최종보고서), 한국건설기술연구원
Zhou, X., Mickleborough, N., and Li, Z., ' Shear strength of joints in precast concrete segmental bridges,' ACI Structural Journal, V.102, No.1, 3-11, 2005
Buyukozturk, O., Bakhoum, M. M., and Beattie, S. M., ' Shear behavior of joints in precast concrete segmental bridges,' Journal of Structural Engineering, ASCE, V.116, No. 12, 3380-3401, 1990
Mega, Sl., Seible, Fl., and Dowell, R. K., ' Seismic performance of precast segmental bridges: segment-tosegment joints subjected to high flexural moments and low shear,' PCI Journal, V.48, No.2, 80-96, 2003
Mega, Sl., Seible, Fl., and Dowell, R. K., ' Seismic performance of precast segmental bridges: segment-to-segment joints subjected to high flexural moments and high shear,' PCI Journal, V.48, No.3, 72-90, 2003
Kim, J., Chung, W., and Kim, J. J., ' Experimental investigation on behavior of a spliced PSC girder with precast box segments,' Engineering Structures, V.30, No.11, 3295-3304, 2008
Sheikh, S. A., and Khoury. S. S., ' A performance-based approach for the design of confining in tie columns.,' ACI Structural Journal, 94, 421-431, 1997
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