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문제 정의
- 본 연구에 사용된 실험체는 기존 제안(류수현 안형준, 2005)을 참고하여 절곡된 강재에 콘크리트를 타설한 SC 합성보를 기본 실험체로 하였다. SC합성보에 새들의 형태, 정착구의 높이, 가력시점 등을 변수로 포스트텐션 보강 하여 보강된 SC합성보의 강성, 강도, 연성 등을 평가보강법의 적절성을 파악하고자 계획하였다. 적절한 프리스트레스의 적용 방법을 파악하기 위하여 새들의 형태 3가지를 변수로 하였으며 새들이 없는 형태(D0)와 2개의 새들을 설치한 U형(모멘트도에 대응하는 배치) 1개를 설치한 V형(최대처짐에 대응하는 배치)으로 하였다.
- 또한 포스트 텐션 공법은 긴장재에 의해 발생된 역 모멘트로 구조물에 발생하는 모멘트의 크기를 줄여 외력에 대해 효과적으로 저항하는 공법으로 시공 및 유지 관리가 용이하며 보강에 대한 검증이 확실한 장점이 있다. 따라서 본 연구는 거푸집 대용 뿐 아니라 전단 및 휨내력 향상에 효과가 있고 연성 향상에도 효과가 있는 강판을 사용한 SC(Steel Concrete : 이하 SC)합성보(류수현 안형준, 2005)에 외부 포스트텐션 보강 공법을 적용하여 보강공법의 적용 가능성을 확인하고 향후 연구에 필요한 기초자료를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 2(b)에 d로 표시되었다. 계산을 통해 보강 전 중립축(160mm)과 상부(240mm), 보강 후(120mm) 중립축으로 설정하였다. 또한 보강시점의 영향을 파악하기 위하여 초기가력의 유무를 변수로 하였으며 선 가력 일 경우(SCR계열)는 실험체를 항복하중까지 가력하고 포스트텐션 보강 후 추가 가력하였고 선 보강일 경우(SCRP계열)는 포스트텐션 보강 후 가력하였다.
- 계산을 통해 보강 전 중립축(160mm)과 상부(240mm), 보강 후(120mm) 중립축으로 설정하였다. 또한 보강시점의 영향을 파악하기 위하여 초기가력의 유무를 변수로 하였으며 선 가력 일 경우(SCR계열)는 실험체를 항복하중까지 가력하고 포스트텐션 보강 후 추가 가력하였고 선 보강일 경우(SCRP계열)는 포스트텐션 보강 후 가력하였다. 초기 프리스트레스 값은 콘크리트의 압축응력을 감안하여 100kN으로 결정하였다.
- 실험은 490kN 용량의 만능시험기(UTM)를 이용하여 중력방향으로 2점 집중하중을 재하 하였다. 변위를 측정하기 위하여 보의 중앙하부 좌우에 각각 1개의 변위계(LVDT)를 설치하였다. 스트레인게이지는 상부 콘크리트, 강재 상부면, 강재 측면 보강 전 중립축 위치와 보의 중앙, 강재 하부 와 긴장재에 각각 부착하여 보의 각 부분에 대한 변형률을 조사하였다.
- 본 연구는 포스트텐션 공법을 SC합성보에 대해 적용하여 검토한 기초적 연구이며 가력 시점, 새들 형태, 정착구 위치 등을 변수로 하여 연구한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 변위를 측정하기 위하여 보의 중앙하부 좌우에 각각 1개의 변위계(LVDT)를 설치하였다. 스트레인게이지는 상부 콘크리트, 강재 상부면, 강재 측면 보강 전 중립축 위치와 보의 중앙, 강재 하부 와 긴장재에 각각 부착하여 보의 각 부분에 대한 변형률을 조사하였다. Fig.
- 실험은 490kN 용량의 만능시험기(UTM)를 이용하여 중력방향으로 2점 집중하중을 재하 하였다. 변위를 측정하기 위하여 보의 중앙하부 좌우에 각각 1개의 변위계(LVDT)를 설치하였다.
- SC합성보에 새들의 형태, 정착구의 높이, 가력시점 등을 변수로 포스트텐션 보강 하여 보강된 SC합성보의 강성, 강도, 연성 등을 평가보강법의 적절성을 파악하고자 계획하였다. 적절한 프리스트레스의 적용 방법을 파악하기 위하여 새들의 형태 3가지를 변수로 하였으며 새들이 없는 형태(D0)와 2개의 새들을 설치한 U형(모멘트도에 대응하는 배치) 1개를 설치한 V형(최대처짐에 대응하는 배치)으로 하였다. 적절한 정착구의 높이를 파악하기 위하여 정착구의 높이를 변수로 하였으며 여기서 정착구의 높이는 보 단면 하부에서 긴장재까지 거리이고 Fig.
- 4와 같이 보강 전 SC합성보의 하중-변형 곡선은 같은 단면형상과 재료의 조건으로 인해 거의 유사한 하중-변형 곡선이 나타났다. 하중 120kN근처에서 강성이 현저하게 저하하고 있으며 그 이후 하중의 증가 없이 변위만 증가하고 있어 소성변형이 더 증가하기 전 가력을 중지하고 변수에 따른 프리스트레스를 보강을 실시하여 다음 단계의 실험을 진행하였다.
대상 데이터
- 0mm 강판으로 보강된 SC합성보이다. 보강 실험체는 SC 합성보 단부의 하부에 정착구를 설치한 D0 실험체 2개와 정착구의 높이와 새들의 위치, 가력시점에 따른 U형 실험체 6개, V형 실험체 3개로 총 11개를 제작하였다. 실험체의 길이는 2300mm이고, 보의 유효 지점간 거리는 2100mm으로 하였다.
- 보강 전 실험체는 Fig. 2와 같이 B×H(160×240)에 2.0mm 강판으로 보강된 SC합성보이다.
- 본 연구에 사용된 실험체는 기존 제안(류수현 안형준, 2005)을 참고하여 절곡된 강재에 콘크리트를 타설한 SC 합성보를 기본 실험체로 하였다. SC합성보에 새들의 형태, 정착구의 높이, 가력시점 등을 변수로 포스트텐션 보강 하여 보강된 SC합성보의 강성, 강도, 연성 등을 평가보강법의 적절성을 파악하고자 계획하였다.
- 보강 실험체는 SC 합성보 단부의 하부에 정착구를 설치한 D0 실험체 2개와 정착구의 높이와 새들의 위치, 가력시점에 따른 U형 실험체 6개, V형 실험체 3개로 총 11개를 제작하였다. 실험체의 길이는 2300mm이고, 보의 유효 지점간 거리는 2100mm으로 하였다.
- 합성보에 사용된 콘크리트는 설계기준강도 21MPa로 계획하여 공시체를 제작하였고 실험체와 동일한 조건으로 양생하였다. KS F 2403에 따라 제작한 공시체의 콘크리트 압축강도 시험결과는 Table 4와 같다.
데이터처리
- Table 5에 최대내력 시 실험값과 이론값을 비교하였으며 포스트텐선으로 보강된 SC보의 이론값은 2장에 제안한 소성휨강도를 산정식을 이용하여 계산하였다.
이론/모형
- 합성보의 재작에 사용된 SS400강재의 역학적 성능을 파악하기 위해 KS B 0801의 금속재료 인장시험편 규정에 따라 인장시험편을 제작하여 KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 수행하였고 Table 2에 결과를 나타냈다.
- 여기서 에너지는 하중-변위곡선의 면적을 나타낸다. 항복내력의 산정은 Fig. 10과 같이 김상모, 김규석(2003)이 제안한 방법을 사용하였다. 최대하중점을 연장하는 수평선과 하중-변위 곡선상 최대내력 60% 강성의 연장선이 만나는 점의 변위가 항복변위이며 이때 항복변위를 수직 연장하여 하중-변위곡선과 만나는 점에서의 하중이 항복하중이다.
성능/효과
- 1) 실험결과 최대내력의 실험값/이론값 비는 보강 전 SC합성보가 0.97로 실험값이 이론값보다 낮게 나타났으나, 보강 후 합성보는 1.00-1.21로 나타났으며 SC합성보와 비교한 보강효과는 최소인 SCR-D0실험체 1.38 최대인 SCR-UD120실험체 1.72를 제외하면 모두 1.5-1.6 사이에 분포하여 최대내력측면에서의 포스트텐션 보강의 적절성을 확인하였다.
- 2) 계열별 하중-변위 분석결과 정착구의 위치가 보강 후 중립축인 120mm일 경우 최대하중 이후 급격한 내력 감소 없이 변위가 증가하는 안정적인 거동을 나타냈으나 정착구의 위치가 다른 경우 변위가 증가하면 내력이 비교적 급격하게 감소하는 양상을 나타냈다.
- 3) 가력시점에 따른 분석결과 선 보강 후 가력한 SCRP계열 실험체가 선 가력 후 보강한 SCR실험체에 비해초기강성, 내력비, 연성지수, 에너지 소산율이 우수한 것으로 나타났다.
- 4) 새들을 생략한 D0실험체는 선 가력할 경우 특히 저조한 보강효과를 나타냈으며 선 가력한 V계열이 U계열에 비해 우수한 연성능력 및 에너지 소산율을 나타냈으나 초기강성은 낮게 나타났다.
- 9에 강재하부의 하중-변형률 곡선을 나타냈다. SCR-D0 실험체는 최대 하중에 도달할 때까지 탄성변형을 보이고 최대하중 이후 소성거동하며 다른 실험체보다 변형률이 크게 나타났으며 이는 보 중앙부 새들이 없기 때문에 가력에 따른 변위의 증가로 긴장재의 긴장성능이 떨어져서 인장측 강재의 변형률이 크게 나타난 것으로 판단된다.
- Photo 1은 포스트텐션 보강 후 파괴된 실험체의 사진이다. SCR-D0실험체는 최대하중 전에 하부 강재가 항복하여 소성영역에 도달하였으며 항복하중 이후 강재측면에서 국부좌굴 현상이 발생하였고 이후 소성고원(yield plateau)현상이 나타나지 않고 지속적인 내력 저하 현상이 나타났다. SCR-U형 및 V형 실험체는 가력점 하부의 국부좌굴 발생과 함께 콘크리트의 가력점 하부 균열이 확대되면서 최대내력에 도달한 후 최종적으로 가력점 상부의 콘크리트 압괴로 하중이 점차 감소되어 가력이 종료되었다.
- 보강 후 모든 실험체의 초기강성은 보강 전에 비해 증가한 것으로 나타났으며 정착구의 높이에 따른 일정한 증감 양상은 나타나지 않았고 V계열보다 U계열이 큰 초기강상을 나타냈다. SCR-UD120실험체가 가장 큰 초기강성 향상을 나타냈으며 전체적으로 선보강한 SCRP-U계열실험체가 초기강성이 크게 나타났다. δy는 보강 후 1.
- SCR-D0실험체는 최대하중 전에 하부 강재가 항복하여 소성영역에 도달하였으며 항복하중 이후 강재측면에서 국부좌굴 현상이 발생하였고 이후 소성고원(yield plateau)현상이 나타나지 않고 지속적인 내력 저하 현상이 나타났다. SCR-U형 및 V형 실험체는 가력점 하부의 국부좌굴 발생과 함께 콘크리트의 가력점 하부 균열이 확대되면서 최대내력에 도달한 후 최종적으로 가력점 상부의 콘크리트 압괴로 하중이 점차 감소되어 가력이 종료되었다.
- U계열 실험체의 경우 선 보강 또는 선 가력한 UD120실험체 모두 다른 실험체에 비해 항복 변형률 이하의 작은 변형률을 나타냈고 V계열 실험체에서는 반대로 최대 내력시 VD120실험체의 변형률이 크게 나타났다.
- 가력 후 보강한 SCR-U계열에서는 정착구의 높이가 120mm일 경우 가장 큰 내력과 변위를 나타냈고 정착구의 높이가 160mm와 240mm인 실험체는 유사한 양상이 나타났으며 최대하중이후 지속적으로 하중을 유지하지 못하고 하중저하 현상이 나타났다. V계열에서는 정착구의 높이와 관계없이 유사한 내력 양상을 보이고 있으며 정착구의 높이가 120mm인 실험체가 최대하중 이후 급격한 내력감소 없이 변위가 증가하는 안정적인 거동을 나타냈다. V계열에 비해 U계열이 상대적으로 적은 변위에서 최대하중에 도달하였으며 특히 정착구의 높이가 120mm, 160mm일 경우 그 차가 크게 발생하였다.
- 새들이 설치되지 않은 D0실험체는 내력이 상대적으로 낮고 최대하중이후 변위가 증가할수록 내력이 지속적으로 감소하는 양상을 나타냈다. 가력 후 보강한 SCR-U계열에서는 정착구의 높이가 120mm일 경우 가장 큰 내력과 변위를 나타냈고 정착구의 높이가 160mm와 240mm인 실험체는 유사한 양상이 나타났으며 최대하중이후 지속적으로 하중을 유지하지 못하고 하중저하 현상이 나타났다. V계열에서는 정착구의 높이와 관계없이 유사한 내력 양상을 보이고 있으며 정착구의 높이가 120mm인 실험체가 최대하중 이후 급격한 내력감소 없이 변위가 증가하는 안정적인 거동을 나타냈다.
- 7에 계열별 긴장재의 하중-변형률 관계를 나타냈다. 가력 후 보강한 U, V계열의 경우 정착구의 높이와 관계없이 유사한 하중-변형률 양상을 나타냈으며 D0계열만 낮은 변형률이 나타났다. 보강 후 가력한 SCRP-U계열의 경우 새들의 유무와 긴장재의 높이에 따라 상이한 변형률 양상을 나타냈으며 UD240실험체가 가장 낮은 변형률을 UD160실험체가 최대내력에서 가장 큰 변형률을 나타냈다.
- 각 부분의 변형률을 분석하면 정착구의 높이나 가력시점과 관계없이 U계열에서는 UD120실험체가 보강에 의해 가장 작은 변형률을 나타내며 안정적으로 거동하고 있음을 확인했으며 V계열에서도 강재하부를 제외하면 U계열과 동일한 양상을 나타냈다.
- 12는 에너지소산율과 연성지수이다. 변형능력이 증가할수록 에너지소산율도 비례적으로 증가하는 정비례의 관계를 보이고 있다. 에너지소산율과 연성지수도 에너지와 내력비와 마찬가지로 V계열 P-U계열 U계열 순으로 높게 나타났으며 정착구의 높이에 따른 일정한 양상은 나타나지 않았다.
- 새들을 설치할 경우 모든 계열에서 정착구의 높이가 높을수록 동일하중에서 큰 변형률을 나타내어 보강 후 중립축(120mm)에 보강을 실시하면 압축측 콘크리트의 부담을 경감시킬 수 있는 것으로 판단된다. 변형률 양상의 크기는 SCRP-U, SCR-V, SCR-U 순으로 큰 것으로 나타났다. 보강 시점에 관계없이 새들을 장착하지 않은 D0 실험체의 변형률은 비교적 적게 나타났으며 SCRP-UD120실험체는 변형률이 SCRP-D0실험체 보다 작게 나타났다.
- 변형률 양상의 크기는 SCRP-U, SCR-V, SCR-U 순으로 큰 것으로 나타났다. 보강 시점에 관계없이 새들을 장착하지 않은 D0 실험체의 변형률은 비교적 적게 나타났으며 SCRP-UD120실험체는 변형률이 SCRP-D0실험체 보다 작게 나타났다.
- 가력 후 보강한 U, V계열의 경우 정착구의 높이와 관계없이 유사한 하중-변형률 양상을 나타냈으며 D0계열만 낮은 변형률이 나타났다. 보강 후 가력한 SCRP-U계열의 경우 새들의 유무와 긴장재의 높이에 따라 상이한 변형률 양상을 나타냈으며 UD240실험체가 가장 낮은 변형률을 UD160실험체가 최대내력에서 가장 큰 변형률을 나타냈다.
- V계열에 비해 U계열이 상대적으로 적은 변위에서 최대하중에 도달하였으며 특히 정착구의 높이가 120mm, 160mm일 경우 그 차가 크게 발생하였다. 보강 후 가력한 SRCP-U계열에서는 최대내력의 차는 크지 않았으나 D120실험체를 제외한 실험체는 최대내력 후 변위가 증가하면서 비교적 급격한 내력감소가 나타났다.
- 15로 나타났다. 보강 후 모든 실험체의 초기강성은 보강 전에 비해 증가한 것으로 나타났으며 정착구의 높이에 따른 일정한 증감 양상은 나타나지 않았고 V계열보다 U계열이 큰 초기강상을 나타냈다. SCR-UD120실험체가 가장 큰 초기강성 향상을 나타냈으며 전체적으로 선보강한 SCRP-U계열실험체가 초기강성이 크게 나타났다.
- 보강시점에 따라 비교하면 선 가력인 경우 D0실험체의 변형률이 저조했으며 U, V계열은 유사한 양상을 나타냈으나 선 보강한 경우는 D0실험체의 긴장재가 비교적 큰 변형률을 나타냈고 특히 D160의 변형률이 크게 나타났다.
- 에너지소산율과 연성지수도 에너지와 내력비와 마찬가지로 V계열 P-U계열 U계열 순으로 높게 나타났으며 정착구의 높이에 따른 일정한 양상은 나타나지 않았다. 분석결과 내력비, 에너지, 연성지수, 에너지소산율 등은 V계열 실험체가 U계열 실험체에 비해 크게 나타나 보다 안정적인 것으로 나타났으며 가력시점에 따라 비교하면 보강 후 가력한 P-U계열이 보강전 선가력한 U계열에 비해 크게 나타났다.
- 6에 계열별 보강 후 하중-변위관계를 나타냈다. 새들이 설치되지 않은 D0실험체는 내력이 상대적으로 낮고 최대하중이후 변위가 증가할수록 내력이 지속적으로 감소하는 양상을 나타냈다. 가력 후 보강한 SCR-U계열에서는 정착구의 높이가 120mm일 경우 가장 큰 내력과 변위를 나타냈고 정착구의 높이가 160mm와 240mm인 실험체는 유사한 양상이 나타났으며 최대하중이후 지속적으로 하중을 유지하지 못하고 하중저하 현상이 나타났다.
- 6사이에 분포하며 이론적으로 예측했던 내력의 증가를 나타내 포스트텐션 공법의 보강효과를 확인하였다. 선 가력하여 보강할 경우 보강 후 중립축에 정착구를 설치한 SCR-UD120실험체가 초기강성, 최대내력의 향상이 가장 크게 나타났으나 선 보강 후 가력한 SCRP계열 실험체의 경우 정착구 높이에 따른 큰 차이가 나타나지 않았다.
- 63사이에 분포하였고 D0계열과 VD120, VD160실험체가 특히 저조하였다. 전체적으로 P-U계열과 U계열이 유사하게 나타났으며 V계열의 보강효과가 비교적 저조한 것으로 나타났다. 초기강성의 보강효과는 1.
- 정착구의 높이가 동일할 경우 모든 실험체에서 V계열 P-U계열 U 계열 순으로 높은 에너지와 내력비를 나타냈고 정착구의 높이에 따른 일정한 양상은 나타나지 않았다. 전체적으로는 내력비가 증가할수록 에너지도 증가하는 양상이지만 U계열은 내력비와 에너지가 미소하게 반비례하는 양상을 나타냈다.
- 11은 각 실험체의 에너지와 내력비이다. 정착구의 높이가 동일할 경우 모든 실험체에서 V계열 P-U계열 U 계열 순으로 높은 에너지와 내력비를 나타냈고 정착구의 높이에 따른 일정한 양상은 나타나지 않았다. 전체적으로는 내력비가 증가할수록 에너지도 증가하는 양상이지만 U계열은 내력비와 에너지가 미소하게 반비례하는 양상을 나타냈다.
- 11을 나타냈다. 정착구의 높이에 따른 일정한 양상을 보이지 않는 것으로 나타났으며 모든 실험체가 1.00 이상의 실험값/이론값을 나타내 최대 내력측면에서의 포스트텐션 보강의 적절성을 확인하였다.
- 전체적으로 P-U계열과 U계열이 유사하게 나타났으며 V계열의 보강효과가 비교적 저조한 것으로 나타났다. 초기강성의 보강효과는 1.12에서 1.34사이에 분포하였으며 전체적으로 선보강후 가력한 P-U계열실험체가 가장 크게 나타났으며 U계열과 V계열은 유사한 양상을 나타냈고 SCR-UD120실험체가 가장 크게 나타났다.
- 최대내력의 보강효과는 최소인 D0실험체 1.38 최대인 SCR-UD120실험체 1.72를 제외하면 모두 1.5-1.6사이에 분포하며 이론적으로 예측했던 내력의 증가를 나타내 포스트텐션 공법의 보강효과를 확인하였다. 선 가력하여 보강할 경우 보강 후 중립축에 정착구를 설치한 SCR-UD120실험체가 초기강성, 최대내력의 향상이 가장 크게 나타났으나 선 보강 후 가력한 SCRP계열 실험체의 경우 정착구 높이에 따른 큰 차이가 나타나지 않았다.
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