본 연구는 장스팬 콘크리트 포장 슬래브가 환경하중을 받아 컬링 거동을 할 때의 특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 먼저 장스팬 포장 슬래브의 유한요소해석 모델을 구성하여 컬링 시 응력분포 특성 및 슬래브 길이, 두께, 하부지지층 강성, 슬래브 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 실제 시공된 장스팬 포장 슬래브를 이용하여 현장에서 환경하중에 의한 거동을 측정함으로써 컬링 거동 특성을 실험적으로도 분석하였다. 연구 결과, 장스팬 포장 슬래브는 단부에서 부터 슬래브 중앙을 따라 어느 정도 안쪽으로 들어오면 컬링에 의한 수직변위가 발생하지 않으며 응력은 이곳에서부터 일정하게 최대치를 보이게 된다. 장스팬 포장 슬래브의 길이 및 하부지지층의 강성은 최대 컬링 응력에 영향을 미치지 않았으며, 슬래브 단부의 구속은 컬링 응력이 단부까지 발생하게 하지만 최대 컬링 응력의 크기에는 거의 영향을 미치지 않았다.
본 연구는 장스팬 콘크리트 포장 슬래브가 환경하중을 받아 컬링 거동을 할 때의 특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 먼저 장스팬 포장 슬래브의 유한요소해석 모델을 구성하여 컬링 시 응력분포 특성 및 슬래브 길이, 두께, 하부지지층 강성, 슬래브 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 실제 시공된 장스팬 포장 슬래브를 이용하여 현장에서 환경하중에 의한 거동을 측정함으로써 컬링 거동 특성을 실험적으로도 분석하였다. 연구 결과, 장스팬 포장 슬래브는 단부에서 부터 슬래브 중앙을 따라 어느 정도 안쪽으로 들어오면 컬링에 의한 수직변위가 발생하지 않으며 응력은 이곳에서부터 일정하게 최대치를 보이게 된다. 장스팬 포장 슬래브의 길이 및 하부지지층의 강성은 최대 컬링 응력에 영향을 미치지 않았으며, 슬래브 단부의 구속은 컬링 응력이 단부까지 발생하게 하지만 최대 컬링 응력의 크기에는 거의 영향을 미치지 않았다.
This study was conducted to investigate the characteristics of the curling behavior of long-span pavement slabs under environmental loads. By developing and using finite element models of the long-span pavement slabs, the stress distribution and the effects of slab length, slab thickness, stiffness ...
This study was conducted to investigate the characteristics of the curling behavior of long-span pavement slabs under environmental loads. By developing and using finite element models of the long-span pavement slabs, the stress distribution and the effects of slab length, slab thickness, stiffness of underlying layers, and the restraints of the slab ends on the curling behavior were analyzed. In addition, the field experiments were performed with the actual long-span pavement slab to obtain the curling behavior of the real structure under environmental loads. As a result of this study, it was found that the vertical displacements of the long-span pavement slab along the centerline due to the curling behavior were zero except for the areas near the slab ends, and the curling stresses were maximum and constant where the displacements were zero. The slab length and the stiffness of underlying layers did not affect the maximum curling stresses. The restraints at the slab ends made the curling stresses occur near the slab ends, but did not much affect the maximum curling stresses.
This study was conducted to investigate the characteristics of the curling behavior of long-span pavement slabs under environmental loads. By developing and using finite element models of the long-span pavement slabs, the stress distribution and the effects of slab length, slab thickness, stiffness of underlying layers, and the restraints of the slab ends on the curling behavior were analyzed. In addition, the field experiments were performed with the actual long-span pavement slab to obtain the curling behavior of the real structure under environmental loads. As a result of this study, it was found that the vertical displacements of the long-span pavement slab along the centerline due to the curling behavior were zero except for the areas near the slab ends, and the curling stresses were maximum and constant where the displacements were zero. The slab length and the stiffness of underlying layers did not affect the maximum curling stresses. The restraints at the slab ends made the curling stresses occur near the slab ends, but did not much affect the maximum curling stresses.
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문제 정의
본 연구는 장스팬 콘크리트 포장 슬래브의 환경하중에 의한 컬링 거동 특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 장스팬 슬래브의 수치해석 모델을 구성하여 컬링 시 응력분포 및 슬래브 길이, 두께, 하부층 강성, 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 실제 시공된 PTCP 슬래브를 이용하여 현장 실험을 수행함으로써 장스팬 슬래브의 컬링 거동 특성을 실험적으로도 분석하였다.
본 연구의 목적은 구조해석과 현장 실험을 통해 PTCP 슬래브 등 줄눈간격이 100m 이상으로 긴 장스팬 포장 슬래브의 컬링 특성을 분석하는 것이다. 우선 유한요소법을 이용하여 장스팬 포장 슬래브의 모델을 구성하여 수치해석에 의해 장스팬 포장 슬래브의 길이, 두께, 하부지지층 강성, 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였다.
가설 설정
- 장스팬 포장 슬래브에서는 하부지지층의 강성이 컬링에 의한 슬래브 최대 응력의 크기에 영향을 미치지 않는다.
슬래브가 온도 하중을 받을 때의 거동은 종횡 양방향으로 대칭이므로 그림 2와 같이 슬래브의 1/4 만 모델링하였다. 슬래브 하부의 지지층은 복합 수직강성을 가지는 무인장(Tensionless) 스프링을 사용하여 모델링 하였으며 슬래브에 작용하는 온도구배(Temperature Gradient)를 1℃/cm로 가정하였다.
제안 방법
우선 유한요소법을 이용하여 장스팬 포장 슬래브의 모델을 구성하여 수치해석에 의해 장스팬 포장 슬래브의 길이, 두께, 하부지지층 강성, 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 장스팬 포장 슬래브에 대한 컬링 거동 측정 현장 실험을 수행하여 실제 장스팬 포장 슬래브의 컬링 특성을 분석하였다. 본 논문에서는 이러한 연구 내용 및 결과에 대하여 상세히 기술한다.
슬래브 길이에 따른 컬링 거동을 알아보기 위하여 슬래브 길이를 다르게 하여 컬링 응력을 분석하였다. 그림 6에 나타낸 바와 같이 슬래브의 길이가 길어질 수록 최대응력이 커지는 것을 알 수 있으나 슬래브 길이가 약 10m에 다다르면 길이에 따른 최대응력의 변화가 없는 것을 알 수 있다.
슬래브 두께에 따른 장스팬 슬래브의 컬링 응력을 분석하기 위하여 슬래브 두께가 0.15, 0.2, 0.25m 일 때 컬링에 의한 최대 응력을 구하였다. 이미 살펴본 바와 같이 길이가 긴 슬래브에서 하부지반 강성에 의한 영향은 거의 없기 때문에 하부지반 강성은 보편적인 값인 100MPa/m로 하였으며 온도구배는 1℃/cm를 적용하였다.
슬래브의 양 끝단에 위치한 Wide Flange 조인트가 슬래브의 컬링거동을 구속하고 있는지 여부를 정확하게 파악하기 위하여 각각 0m, 120m 지점의 철재 조인트 부분과 조인트 바로 옆 콘크리트 슬래브 부분에 LVDT를 장착하여 수직변위를 측정하였다. 그림 16에 나타낸 바와 같이 0m 지점과 120m 지점두 지점에서 조인트의 수직변위와 슬래브의 수직변위가 비슷한 추세를 보이며 컬링거동을 하였다.
15m의 PTCP 슬래브를 사용하였다. 슬래브의 위치별 수직방향 변위를 측정하기 위하여 그림 12에 보인 바와 같이 양 끝 조인트 부분과 조인트로부터 종방향으로 20m 간격으로 LVDT를 설치하였다. 실험 시에 슬래브의 온도 변화를 슬래브 깊이에 따라 측정하기 위하여 온도 측정 센서인 Thermochron i-Button을 슬래브 표면, 7.
슬래브의 위치별 수직방향 변위를 측정하기 위하여 그림 12에 보인 바와 같이 양 끝 조인트 부분과 조인트로부터 종방향으로 20m 간격으로 LVDT를 설치하였다. 실험 시에 슬래브의 온도 변화를 슬래브 깊이에 따라 측정하기 위하여 온도 측정 센서인 Thermochron i-Button을 슬래브 표면, 7.5cm, 15cm 깊이에 장착하였다. 또한 대기 온습도 측정을 위한 온습도 측정 센서인 Hygrochron iButton을 슬래브 근처에 설치하였다.
본 연구의 목적은 구조해석과 현장 실험을 통해 PTCP 슬래브 등 줄눈간격이 100m 이상으로 긴 장스팬 포장 슬래브의 컬링 특성을 분석하는 것이다. 우선 유한요소법을 이용하여 장스팬 포장 슬래브의 모델을 구성하여 수치해석에 의해 장스팬 포장 슬래브의 길이, 두께, 하부지지층 강성, 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 장스팬 포장 슬래브에 대한 컬링 거동 측정 현장 실험을 수행하여 실제 장스팬 포장 슬래브의 컬링 특성을 분석하였다.
Wide Flange 조인트는 철재 빔으로 구성된 조인트가 바닥에 고정되어 있으며 콘크리트 슬래브의 끝단 부가 이러한 조인트의 내부에서 자유롭게 움직일 수 있도록 설계된 조인트이지만 시공 시 부주의로 인해 콘크리트 슬래브의 끝단부 거동을 다소 억제하기도 한다. 이와 같이 슬래브 양단부의 수직 변위가 억제되면 슬래브에 추가적인 응력이 발생할 것이며 이에 대한 분석을 수행하였다.
본 연구는 장스팬 콘크리트 포장 슬래브의 환경하중에 의한 컬링 거동 특성을 분석하기 위하여 수행되었다. 장스팬 슬래브의 수치해석 모델을 구성하여 컬링 시 응력분포 및 슬래브 길이, 두께, 하부층 강성, 단부 구속 등이 컬링 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 실제 시공된 PTCP 슬래브를 이용하여 현장 실험을 수행함으로써 장스팬 슬래브의 컬링 거동 특성을 실험적으로도 분석하였다. 본 연구를 수행함으로써 도출한 결론은 다음과 같다.
장스팬 콘크리트 포장 슬래브의 컬링 거동을 측정하여 특징을 분석하기 위하여 현장 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 동수원 IC 근처에 시험시공 된 길이 120m, 폭 8.
하부지반 강성이 환경하중에 의해 장스팬 슬래브가 컬링 할 때 어떠한 영향을 미치는 지를 분석하였다. 일반적으로 슬래브 길이가 6m 이내인 줄눈콘크리트 포장 슬래브의 환경하중에 의한 컬링 응력은 차륜하 중에서의 경우와는 반대로 하부지반 강성이 증가할 수록 커지는 경향을 보이게 된다.
대상 데이터
ABAQUS(ABAQUS, 2007)를 사용하였다. 기본 모델은 콘크리트 슬래브의 종방향 길이를 120m, 횡방향 길이는 2차선과 노견을 합쳐서 8.2m, 그리고 두께는 PTCP에서 시공 가능한 최소 두께인 0.15m로 하여 구성하였다. 해석에 사용된 물성치로는 콘크리트 탄성계수 27GPa, 프와송비 0.
장스팬 콘크리트 포장 슬래브의 컬링 거동을 측정하여 특징을 분석하기 위하여 현장 실험을 수행하였다. 실험을 위하여 동수원 IC 근처에 시험시공 된 길이 120m, 폭 8.2m, 두께 0.15m의 PTCP 슬래브를 사용하였다. 슬래브의 위치별 수직방향 변위를 측정하기 위하여 그림 12에 보인 바와 같이 양 끝 조인트 부분과 조인트로부터 종방향으로 20m 간격으로 LVDT를 설치하였다.
15m로 하여 구성하였다. 해석에 사용된 물성치로는 콘크리트 탄성계수 27GPa, 프와송비 0.15를 사용하였다. 슬래브가 온도 하중을 받을 때의 거동은 종횡 양방향으로 대칭이므로 그림 2와 같이 슬래브의 1/4 만 모델링하였다.
이론/모형
ABAQUS(ABAQUS, 2007)를 사용하였다. 기본 모델은 콘크리트 슬래브의 종방향 길이를 120m, 횡방향 길이는 2차선과 노견을 합쳐서 8.
그림 6에 나타낸 바와 같이 슬래브의 길이가 길어질 수록 최대응력이 커지는 것을 알 수 있으나 슬래브 길이가 약 10m에 다다르면 길이에 따른 최대응력의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 그림에서와 같이 Bradbury 방정식 및 Westergaard 방정식을 이용하여서도 확인할 수 있다(Bradbury, 1938; Huang, 1993; Westergaard, 1925). 횡방향 응력 또한 횡방향 폭에 따라 최대 응력 발생이 동일한 결과를 가져올 것이다.
성능/효과
이미 살펴본 바와 같이 0m와 120m 지점은 조인트의 구속으로 인해 온도구배 변화에 따른 슬래브의 수직 변위 변화량이 그리 크지 않은 것을 알 수 있으며, 그 이외의 부분에서는 온도구배의 변화에 따른 수직 변위의 변화가 서로 매우 비슷한 것을 볼 수 있다. 또한 온도구배가 증가할 때 수직변위가 감소하는 정도는 온도구배가 감소할 때 수직변위가 증가하는 정도와 매우 비슷하므로, 슬래브가 컬업과 컬다운을 할 때 온도구배의 변화에 따른 수직변위의 변화가 서로 비슷한 추세를 보인다는 것을 알 수 있다.
그림에서 수직변위 측정값의 기울기가 음(-)의 방향이면 컬업이 발생하는 것이며 양(+)의 방향이면 컬 다운이 발생하는 것으로 표시하였다. 컬링 현상이 발생하면 슬래브의 양 끝 지점인 0m와 120m 지점이 가장 큰 수직변위 변화량을 보여야 하지만 그림에서 볼 수 있듯이 120m 지점은 가장 작은 수직변위의 변화를 나타내었고 0m 지점도 다른 지점들에 비해 작은 변화량을 나타내었다. 그 이유는 실험에 사용된 장스팬 슬래브의 양단 조인트는 Wide Flange 형식의 조인트이며 이러한 조인트가 슬래브의 컬링 거동을 일부 구속하고 있기 때문인 것으로 판단된다.
만약에 장스팬 슬래브 시공 시 Wide Flange 조인트가 적절하게 시공되었다면 수직변위 측정 시 조인트의 거동은 미소하여야 하며 슬래브는 자유롭게 컬링거동을 보여야 한다. 하지만 측정 결과 조인트와 슬래브 모두 컬링거동을 나타내고 있으며 이는 슬래브가 조인트에 의해 구속되어 있으며 조인트는 슬래브의 컬링 거동에 의해 함께 수직 변위의 변화를 보인다는 것을 보여주고 있는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
컬링이란 무엇인가?
콘크리트 포장 슬래브는 슬래브 상하부의 온도차에 의해서 휨이 발생하게 되며 이러한 현상을 컬링(curling)이라 부른다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 일반적으로 낮에는 슬래브 표면의 온도가 하부의 온도보다 커지기 때문에 슬래브의 중앙부가 위로 솟고줄눈부 또는 단부가 아래로 내려가는 형태의 휨인 컬 다운(curl down)이 발생하게 되며, 반대로 밤에는 슬래브 표면의 온도가 하부보다 낮아져서 슬래브의 중앙부가 아래로 내려가고 줄눈부가 위로 올라가는 형태의 휨인 컬업(curl up)이 발생하게 된다.
콘크리트 포장 슬래브에서 휨 현상은 왜 나타나는가?
콘크리트 포장 슬래브는 슬래브 상하부의 온도차에 의해서 휨이 발생하게 되며 이러한 현상을 컬링(curling)이라 부른다. 그림 1에 나타낸 바와 같이 일반적으로 낮에는 슬래브 표면의 온도가 하부의 온도보다 커지기 때문에 슬래브의 중앙부가 위로 솟고줄눈부 또는 단부가 아래로 내려가는 형태의 휨인 컬 다운(curl down)이 발생하게 되며, 반대로 밤에는 슬래브 표면의 온도가 하부보다 낮아져서 슬래브의 중앙부가 아래로 내려가고 줄눈부가 위로 올라가는 형태의 휨인 컬업(curl up)이 발생하게 된다.
포스트텐션 콘크리트 포장이란?
콘크리트 포장 형식 중에 최근에 주목받고 있는 포장 형식으로 포스트텐션 콘크리트 포장(PTCP: Post-Tensioned Prestressed Concrete Pavement)을 들 수 있다. PTCP는 강선의 긴장을 이용하여 콘크리트 슬래브에 프리스트레스를 도입함으로써 콘크리트의 인장응력을 감소시켜 파손을 방지할 수 있는 포장 공법이다(Friberg and Pasko, 1973; Brunner, 1975; Klunker, 1981; Powers, R. and Zaniewski, 1987).
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Klunker, F. (1981). "Status and Developments in the Construction of Prestressed Concrete Runways in European Airport," Proceedings of the 2nd International Conference on Concrete Pavement Design, Session 6: Airport Pavement, Purdue University, West Lafayette, Indiana.
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Westergaard, H. M. (1925). "Stresses in Concrete Pavements Computed by Theoretical Analysis," Public Roads, Vol. 7, pp. 25-35.
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