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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 유공판재형 전단연결재를 적용한 강-콘크리트 합성바닥판의 피로성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 실시하여 피로하중의 재하위치를 결정하고, 정적실험을 통하여 얻어진 극한하중을 토대로 피로하중을 선정하여 일정진폭 반복하중 하에서 피로실험을 실시하였다. 이로부터 합성바닥판의 주요 구조상세의 S-N 곡선을 작성하고, 이를 피로설계기준과 비교, 평가하여 피로거동 특성을 규명하고자 한다.
- 그러나 이 연구들은 강판과 콘크리트의 합성을 위해 기존의 스터드를 사용하였으며, 그 결과 많은 스터드를 사용함에 따라 시공성 및 비용의 측면에서 비효율적인 문제가 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 이를 개선하기 위한 목적으로 기존의 스터드를 대신하여 유공판재형 전단연결재를 적용하여 연구를 수행하고자 한다. 본 연구에서 사용하고자 하는 유공판재형 전단연결재에 대해서는 정철헌 외(2004), 김형열 외(2006), 안진희 외(2007)에 의해 전단실험의 형태로 연구가 수행되었으며, 이로부터 기존의 스터드를 대체할 수 있는 우수한 합성효과를 갖는 것으로 분석된 바 있다.
- 따라서 본 연구에서는 유공판재형 전단연결재를 적용한 강-콘크리트 합성바닥판의 피로성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 실시하여 피로하중의 재하위치를 결정하고, 정적실험을 통하여 얻어진 극한하중을 토대로 피로하중을 선정하여 일정진폭 반복하중 하에서 피로실험을 실시하였다. 이로부터 합성바닥판의 주요 구조상세의 S-N 곡선을 작성하고, 이를 피로설계기준과 비교, 평가하여 피로거동 특성을 규명하고자 한다.
제안 방법
- 합성바닥판 실험체의 구조요소인 콘크리트, 절곡강판 및 철근의 모델형상을 그림 7에 나타내었다. 각 구조요소의 요소 모델은 구조요소의 특성을 고려하여 콘크리트는 8절점 Solid 요소, 절곡강판은 4절점 Plate 요소, 철근은 Beam 요소를 사용하여 모델링하였다.
- 피로실험에 앞서 실시한 정적실험에서 얻어진 극한하중을 고려하여 표 2에 나타낸 피로하중 조건을 결정하였다. 각 실험체의 최대하중은 극한하중의 약 30%, 35% 및 50% 수준에서 결정하였으며, SF 실험체와 PF 실험체의 성능비교를 위하여 동일한 하중조건에서 피로실험을 실시하였다. 이로부터 결정된 피로하중범위는 각각 100 kN, 125 kN 및 175 kN으로 이들 작용하중은 모두 도로교설계기준(2005)에서 규정하고 있는 DB-24 설계 활하중의 최대 축하중인 96 kN를 초과한다.
- 구조해석시의 구속조건은 그림 5(b)의 실제 실험시의 지점 조건을 고려하여 그림 8과 같이 양쪽 지점을 Z방향만을 구속한 양단롤러로 적용하였다. 그러나 지점조건에 따른 영향을 검토하고자 롤러-힌지에 대한 구조해석을 수행한 결과 동일한 결과가 얻어져 이후의 해석은 실제 지점조건과 유사한 양단롤러를 적용하여 구조해석을 수행하였다.
- 여기서 SF-F-3 및 PF-F-3 실험체에 재하된 최대 하중은 각 실험체 정적실험에서의 극한하중의 52% 및 48% 에 상당하는 하중인데, 이는 피로실험시 피로균열의 발생여부 및 위치를 파악하기 위한 것이다. 또한 실험체의 거동특성 및 콘크리트의 균열발생 여부를 판단하기 위하여 최초 1회부터 피로실험 종료회수인 200만회까지 일정반복회수마다 각 실험체에 대한 피로하중을 최대하중으로 하여, 20 kN 단위로 하중을 재하(loading) 및 제하(unloading)하여 하중변화에 따른 합성바닥판의 거동특성을 조사하였다.
- 피로실험에서의 재하하중은 이들 값보다 작게 발생하도록 하였다. 또한 하중재하 위치에 대해서는 Type 1보다 Type 2에서 더 큰 응력이 발생하므로 피로실험에서는 Type 2의 하중재하 형식을 적용하여 피로실험을 실시하였다.
- 본 연구에서 제안하는 강-콘크리트 합성바닥판(이하 합성 바닥판이라 함)은 바닥판 하면에 절곡강판을 배치하고 그 위에 철근콘크리트 바닥판을 시공하는 구조이며, 강판과 콘크리트의 합성을 위하여 스터드를 대신하여 유공판재형 전단 연결재(일명 perfobond rib shear connector)를 사용한 구조를 갖는다. 강판은 시공시 가설하중 전체와 공용 중 사용하중의 일부를 지지할 수 있도록 절곡하여 휨강성을 향상시키는 구조를 적용하였다.
- 실험은 정적실험과 피로실험으로 나누어 수행하였다. 정적실험에서는 SF 실험체 및 PF 실험체를 각각 2개씩 총 4개의 실험체를 실험하였으며, 피로실험은 각 3개씩 총 6개의 실험체를 실험하였다.
- 본 연구에서 사용된 합성바닥판 실험체의 형상 및 치수를 그림 1에 나타내었다. 이 실험체는 기존의 강-콘크리트 합성 바닥판에 대한 일련의 연구(김형열 외, 2005; 정연주 외, 2005; 정연주 외 2004)에서 사용된 실험체의 제원을 만족하도록 설계하였다.
- 정적 및 피로실험시 실험체의 거동을 평가하기 위하여 지간의 1/2 및 1/4 지점에 변위변환기를 설치하여 하중-처짐 관계를 측정하였으며, 그림 6에 나타낸 것과 같이 실험체 중앙부의 유공판재형 전단연결재와 절곡강판에 다수의 변형률게이지를 부착하여 하중-변형률 관계를 측정하였다.
- 피로실험에 앞서 실시한 정적실험에서 얻어진 극한하중을 고려하여 표 2에 나타낸 피로하중 조건을 결정하였다. 각 실험체의 최대하중은 극한하중의 약 30%, 35% 및 50% 수준에서 결정하였으며, SF 실험체와 PF 실험체의 성능비교를 위하여 동일한 하중조건에서 피로실험을 실시하였다.
- 한편 피로실험에서는 도로교설계기준(2005)의 자료를 기초로 반복회수 200만회까지 피로균열이 발생하지 않은 경우에는 실험체의 수명을 무한수명으로 간주하여 피로실험을 종료하였다. 여기서 SF-F-3 및 PF-F-3 실험체에 재하된 최대 하중은 각 실험체 정적실험에서의 극한하중의 52% 및 48% 에 상당하는 하중인데, 이는 피로실험시 피로균열의 발생여부 및 위치를 파악하기 위한 것이다.
- 합성바닥판 실험체에 대해 변위변환기 및 변형률게이지 부착위치에서의 반복회수에 따른 하중-변위 및 하중-변형률 관계를 분석하였는데, 그 일례로 SF-F-1 실험체에 대한 하중변위 및 하중-변형률 곡선을 각각 그림 15 및 그림 16에 나타내었다.
- 합성바닥판 실험체의 정적실험 및 피로실험에 앞서서 개략적인 구조거동을 분석하고, 하중재하 위치를 결정하기 위하여 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소해석은 범용구조해석 프로그램인 Midas 6.
- 합성바닥판 실험체의 하중재하는 표 3의 하중크기 및 교량등급 1등교의 접지면적(580×230 mm)을 고려하여 면적하중을 그림 9와 같이 Type 1(도로교설계기준 재하조건)과 Type 2(실험 재하조건)의 두 가지의 재하위치에 대하여 적용하였다.
대상 데이터
- 그림 1에서와 같이 실험체는 강박스 거더교에 적용하기 위한 SF 실험체와 PSC I형교에 적용하기 위한 PF 실험체 두 종류를 제작하였다. SF 실험체의 규격은 3,700×1,000×220 mm이며, PF 실험체는 2,700×1,000×220mm이다.
- 기존의 합성바닥판에서 사용한 스터드형 전단연결재와 본 연구에서 적용한 유공판재형 전단연결재의 피로강도를 비교하여 표 8 및 그림 14에 나타내었다. 기존 연구 A(김상효 외, 2003)에서 사용한 실험체는 폭 0.75 m, 길이 2.2 m, 두께 9 mm의 절곡강판 위에 직경 16 mm, 높이 75 mm의 스터드형 전단연결재를 150 mm 간격으로 배치하였다. 한편 기존 연구 B(정연주 외, 2005)에서 사용한 실험체는 기존 연구 A에서 사용한 실험체와 제원은 동일하나 스터드형 전단연결재의 간격을 150 mm 및 250 mm로 2종류로 배치하였다.
- 한편 기존 연구 B(정연주 외, 2005)에서 사용한 실험체는 기존 연구 A에서 사용한 실험체와 제원은 동일하나 스터드형 전단연결재의 간격을 150 mm 및 250 mm로 2종류로 배치하였다. 또한 기존 연구 A 및 B의 실험체는 모두 콘크리트 압축강도가 30 MPa이며, 절곡강판 및 T형강은 SS400 강재를 사용하였다.
- 실험체의 절곡강판은 SS400 강재를 사용하였고, 콘크리트의 설계기준 강도는 30 MPa, 철근의 항복강도는 400 MPa이며, 각 재료의 물성치는 표 1과 같다.
- 그림 2에 SF 실험체 및 PF 실험체에 사용된 절곡강판의 상세제원을 나타내었다. 절곡강판은 SS400 강재를 사용하였으며, 강판 두께는 SF 실험체는 8 mm, PF 실험체는 6 mm를 적용하였다.
- 실험은 정적실험과 피로실험으로 나누어 수행하였다. 정적실험에서는 SF 실험체 및 PF 실험체를 각각 2개씩 총 4개의 실험체를 실험하였으며, 피로실험은 각 3개씩 총 6개의 실험체를 실험하였다. 정적실험 및 피로실험은 그림 5에 나타낸 것과 같이 4점 휨실험을 실시하였으며, 하중재하시 재하면적은 도로교설계기준(2005)에 따라 DB-24의 접지면적인 580×230 mm로 하였다.
데이터처리
- 합성바닥판 실험체의 정적실험 및 피로실험에 앞서서 개략적인 구조거동을 분석하고, 하중재하 위치를 결정하기 위하여 유한요소해석을 실시하였다. 유한요소해석은 범용구조해석 프로그램인 Midas 6.3(2006)을 사용하여 선형 탄성해석을 실시하였다.
이론/모형
- 정적실험 및 피로실험은 그림 5에 나타낸 것과 같이 4점 휨실험을 실시하였으며, 하중재하시 재하면적은 도로교설계기준(2005)에 따라 DB-24의 접지면적인 580×230 mm로 하였다.
성능/효과
- 1. 정적실험 결과 SF 실험체는 평균 재하하중 270 kN에서 콘크리트에 균열이 발생하고, 평균 710 kN에서 합성바닥판이 파괴되었다. 한편 PF 실험체는 평균 재하하중 290 kN에서 콘크리트에 균열이 발생하고, 평균 770 kN에서 바닥판이 파괴되었다.
- 2. 피로실험 결과 절곡강판과 유공판재형 전단연결재의 용접 이음부의 구조상세에서 응력집중에 의한 국부응력이 가장 크게 발생하는 것을 알 수 있었으나, 이를 제외한 대부분의 구조상세에서 허용피로응력범위 미만의 응력이 발생하였다. 또한 모든 구조상세에서 200만회 재하시까지 피로 균열이 발견되지 않아 합성바닥판은 도로교설계기준의 기준반복회수인 200만회에 대해서 충분한 피로강도를 확보하는 것으로 판단된다.
- 3. 각국의 피로설계기준 조사 및 기존 연구결과의 검토를 토대로 합성바닥판의 각 구조상세에 대한 피로상세범주를 제안하였으며, 그 결과 본 연구에서 제시한 상세범주 A등급 및 B'등급에 대하여 허용피로응력범위 미만이므로 본 연구에서 제시한 피로등급은 타당한 것으로 판단된다.
- 4. 유공판재형 전단연결재를 사용한 본 연구의 피로실험 결과와 스터드형 전단연결재를 사용한 기존의 연구결과를 비교하면, 유공판재형 전단연결재를 사용한 경우가 스터드형 전단연결재를 사용한 경우보다 피로수명이 동등하거나 그 이상을 나타내고 있음을 확인할 수 있었다.
- 5. 피로실험시 대부분의 구조상세에서 최초 반복회수 1회에서는 잔류변형이 발생하였으나 반복회수가 누적될수록 안정화된 선형거동을 하는 것을 알 수 있었다.
- 이상과 같이 SF 실험체와 PF 실험체의 피로실험 결과, 본 연구에서 제안된 합성바닥판의 각 구조상세인 절곡강판 상부플랜지 및 절곡강판 중간부, 유공판재형 전단연결재 및 절곡강판 하부플랜지는 모두 충분한 피로강도를 확보하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 향후 강-콘크리트 합성바닥판의 피로설계시 각각의 구조상세에 대해 제안된 피로등급으로 피로설계를 하는 것은 충분한 타당성을 갖는 것으로 판단된다.
- 또한 SF-F-1 실험체에 비해 하중을 75% 증가시켜 실험을 실시한 SF-F-3 실험체는 절곡강판 중앙부의 유공판재형 전단연결재와 하부플랜지의 필렛용접 이음부에서 피로균열이 발생하여 교축방향으로 균열이 진전하다 반복회수 52만회 정도에서 파괴되었다. 이러한 파단양상으로부터 본 실험체의 피로특성은 단재하경로 구조로 판단된다.
- 이와 같은 경향은 선형 구간을 지나 비선형 구간에서는 더욱 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 그림 11에 나타낸 절곡강판의 하중-변형률 곡선으로부터 절곡강판의 변형률값은 변위와 동일하게 SF실험체가 크게 나타났으며, 전반적으로 하중 300 kN까지는 선형으로 거동하는 것을 알 수 있다. 한편 그림 11(c)의 절곡강판 수직 보강재의 하중-변형률 곡선에서 PF실험체의 경우 동일 위치의 절곡강판 내부 및 외부에서의 변형률값의 차이가 크게 나타나 면외변형의 영향이 큰 것을 알 수 있는데, 이는 절곡강판과 전단연결재와의 연결부의 국부변형의 영향에 의한 것으로 판단된다.
- 강판은 시공시 가설하중 전체와 공용 중 사용하중의 일부를 지지할 수 있도록 절곡하여 휨강성을 향상시키는 구조를 적용하였다. 또한 기존 바닥판의 가설에 사용되는 데크플레이트의 경우 거푸집으로 활용되었으나, 본 연구에서 제안하는 절곡강판은 영구거푸집으로 콘크리트 구조와 일체로 구성되는 구조이므로 시공성이 향상되는 장점을 갖는다. 그리고 절곡강판은 인장철근의 대체재이므로 기존 철근콘크리트 바닥판 구조에 배치하는 하부 인장철근을 대신하게 된다.
- 피로실험 결과 절곡강판과 유공판재형 전단연결재의 용접 이음부의 구조상세에서 응력집중에 의한 국부응력이 가장 크게 발생하는 것을 알 수 있었으나, 이를 제외한 대부분의 구조상세에서 허용피로응력범위 미만의 응력이 발생하였다. 또한 모든 구조상세에서 200만회 재하시까지 피로 균열이 발견되지 않아 합성바닥판은 도로교설계기준의 기준반복회수인 200만회에 대해서 충분한 피로강도를 확보하는 것으로 판단된다.
- 표 8 및 그림 14로부터 유공판재형 전단연결재를 사용한 본 연구의 피로실험 결과와 스터드형 전단연결재를 사용한 기존의 연구결과를 비교하면, 유공판재형 전단연결재를 사용한 경우가 스터드형 전단연결재를 사용한 경우보다 피로수명이 동등하거나 그 이상의 결과를 나타내고 있음을 알 수 있다. 이로부터 본 연구에서 적용한 유공판재형 전단연결재는 충분한 피로강도를 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
- 이상과 같이 SF 실험체와 PF 실험체의 피로실험 결과, 본 연구에서 제안된 합성바닥판의 각 구조상세인 절곡강판 상부플랜지 및 절곡강판 중간부, 유공판재형 전단연결재 및 절곡강판 하부플랜지는 모두 충분한 피로강도를 확보하고 있는 것을 알 수 있다. 따라서 향후 강-콘크리트 합성바닥판의 피로설계시 각각의 구조상세에 대해 제안된 피로등급으로 피로설계를 하는 것은 충분한 타당성을 갖는 것으로 판단된다.
- 이러한 거동은 나머지 실험체인 SF-F-2, PF-F-1 및 PF-F-2 실험체에서도 동일한 양상으로 나타났다. 이상의 그림에 나타낸 것과 같이 200만회 반복재하 후에도 변형률 변화가 나타나지 않는 것으로부터 모든 실험체의 각 구조상세에서는 피로균열이 발생하지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 표 4를 보면 SF 실험체는 하중 400 kN에서 콘크리트의 기준강도(30 MPa)와 강재의 허용응력(140 MPa)을 초과하는 응력이 발생하였고, PF 실험체는 하중 500 kN에서 콘크리트 기준강도 및 강재의 허용응력을 초과하는 응력이 발생하였다. 피로실험에서의 재하하중은 이들 값보다 작게 발생하도록 하였다.
후속연구
- 6. 합성바닥판의 콘크리트에서는 최초 반복회수 1회에서는 균열이 발생하지 않았으나, 반복회수 1,000회 재하시 도로교 설계기준의 설계축하중 96 kN에 상당하는 하중에서 최초 균열이 발생하고 있으므로 향후 이에 대한 보완연구가 필요할 것으로 생각된다.
- 이로부터 결정된 피로하중범위는 각각 100 kN, 125 kN 및 175 kN으로 이들 작용하중은 모두 도로교설계기준(2005)에서 규정하고 있는 DB-24 설계 활하중의 최대 축하중인 96 kN를 초과한다. 따라서 이와 같은 하중조건에서 피로실험을 수행하면 도로교설계기준의 설계 축하중에 대한 피로거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
- 또한 콘크리트의 균열은 최초 반복회수 1회에서는 발생하지 않았으나, 반복회수 1,000회의 하중 180 kN에서 최초 균열이 발생하였다. 이는 도로설계기준의 설계 축하중(96 kN)에 상당하는 하중에서 균열이 발생하고 있으므로 향후 이에 대한 검토가 이루어져야 할 것으로 생각된다.
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