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문제 정의
- 본 연구는 초고성능 콘크리트의 실용화를 위한 연구의 일환으로, 초고성능 콘크리트 사장교의 시공접합부에 적용할 수 있는 시스템의 제안을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 사장교 바닥판의 접합부에 적용할 수 있는 이음 철근의 형상을 RC부재에 적용하고, 해석을 통해 이음 철근의 형상에 따라 나타나는 부착 성능을 평가하는 작업을 수행하였다.
- 상기 과정을 통해 접합부 이음철근의 부착강도를 고려하여 접합부에 적용하기에 적합한지 평가하기 위해, 본 연구 과정에서는 사장교를 선정하여 완성계에 대한 단면력 해석을 통해 접합부의 철근 부착면에서 필요로 하는 부착강도를 도출하였다.
가설 설정
- 본 연구에서 사용된 보강재는 철근으로 Von Mises Model을 재료모델로 사용하였으며, 철근의 응력-변형률 관계 곡선은 이선형으로 나타나는 완전 탄소성 곡선으로 가정하였다. 철근의 재료적 특성은 항복강도 400 MPa, 탄성계수 200,000 MPa, 포아송비 0.
제안 방법
- 1. UHPC를 프리캐스트 세그먼트 공법에 적용하기 위해서 접합부의 철근 배치안을 제시하고 비선형 해석을 통해 부착 성능을 평가하였다. 해석 결과 동일한 직경의 철근을 적용하였을 때, 가장 큰 하중을 견딜 수 있는 접합부 철근은 U형 배치이고, L형 배치의 경우 견딜 수 있는 하중의 크기가 가장 작게 나타났다.
- 거더와 주탑은 빔 요소, 케이블은 응력과 변형률의 일방향성을 고려하여 트러스 요소로 모델링하였다. 가설단계를 고려하지 않은 초기치 해석 결과를 바탕으로 공용 중인 하중을 재하하였고, 초기치의 해석은 구조물의 자중으로부터 케이블의 장력과 단면적이 결정되었으며, 활하중 등의 추가하중으로부터 허용응력을 만족시키기 위해 종방향 강연선을 배치하였다. 해석 과정을 통해 도출된 결과를 식 (3)과 식 (4)를 통해 모멘트와 축력에 의해 발생하는 철근의 응력을 산정하였다.
- 11에 나타나 있는 세 구간의 접합부에 대한 해석을 수행하였다. 거더와 주탑은 빔 요소, 케이블은 응력과 변형률의 일방향성을 고려하여 트러스 요소로 모델링하였다. 가설단계를 고려하지 않은 초기치 해석 결과를 바탕으로 공용 중인 하중을 재하하였고, 초기치의 해석은 구조물의 자중으로부터 케이블의 장력과 단면적이 결정되었으며, 활하중 등의 추가하중으로부터 허용응력을 만족시키기 위해 종방향 강연선을 배치하였다.
- 초고성능 콘크리트와 철근의 부착면에는 Bond-Slip Model을 적용하였으며, 극한 하중에 도달했을 때 발생하는 부착강도의 크기를 고려하여 구조적 성능을 평가하였다. 따라서 본 해석에 적용한 Bond-Slip 관계 곡선은 부착강도에 도달하기까지는 선형으로 증가하고, 이후에는 부착강도의 크기가 유지되어도 Slip이 증가하는 완전 탄소성 곡선을 적용하였다(Fig. 6).
- 바닥판과 바닥판의 연결에는 직선형과 L형 루프 연결을 적용하였고, 바닥판과 거더의 연결에는 U형 연결을 적용하였으며, 부착 길이에 따라서 필요부착응력을 재산정하여 RC부재에서 검토된 접합부 철근 형상에 따른 부착강도(τb)와 비교하여 구조적 성능을 만족시키는지에 대해서 평가하였다.
- 배합 설계표에 나타난 것과 같이 초고성능 콘크리트를 타설하고, 타설 직후 24시간 정도 상온에서 초기 습윤 양생을 수행한 후, 2~3일간 90℃에서 증기 양생을 가하여 초고성능 콘크리트 공시체를 제작하였다. 이 공시체의 강도 실험을 수행하여 도출된 결과가 시방서에 제시되어 있으며, 이를 본 해석과정에서 적용한 초고성능 콘크리트의 재료모델에 적용하였다.
- 이음철근의 형상은 프리캐스트 바닥판 적용을 위해 수행된 기존의 접합부 형식에 대한 연구 사례(Shim 등, 2001; 류형근 등, 2003; 정철헌 등, 2008)를 검토하고, 현장에서 주로 적용되고 있는 철근의 형상과 직경을 고려하여 결정하였다. 본 연구에서는 커플러를 이용하는 직선형 배치, 절곡된 L형 배치, 루프 형태의 U형 배치의 세 가지 형태의 접합부 이음철근을 제안하였고, 철근의 직경은 현장에서 사용빈도가 높은 D16, D19, D22의 세 가지를 선택하여 적용하였다. 기존의 연구(정재형 등, 2008)에 의하면 피복두께 역시 부착 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났으나, 피복 두께가 40 mm 이상이면 부착강도에 미치는 영향이 거의 없는 것으로 평가되었다.
- 1은 탄성-완전소성 곡선으로 나타난 초고성능 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선의 기본 모델이다. 부재의 내력으로부터 역산된 강도와 시험체 강도의 차이를 고려하여 압축강도의 0.85배의 값을 이용하도록 제안하고 있으며, 이 지점에 도달하기까지 선형탄성관계를 유지하다가 이후 변형률이 0.004에 도달하기까지 일정한 응력을 유지하는 완전 소성 거동을 한다. 초고성능 콘크리트의 압축강도와 탄성계수를 고려하여 적용한 압축응력-변형률 곡선이 Fig.
- 배합 설계표에 나타난 것과 같이 초고성능 콘크리트를 타설하고, 타설 직후 24시간 정도 상온에서 초기 습윤 양생을 수행한 후, 2~3일간 90℃에서 증기 양생을 가하여 초고성능 콘크리트 공시체를 제작하였다. 이 공시체의 강도 실험을 수행하여 도출된 결과가 시방서에 제시되어 있으며, 이를 본 해석과정에서 적용한 초고성능 콘크리트의 재료모델에 적용하였다. 초고성능 콘크리트의 재료적 특성은 Table 2에 제시되어 있다.
- 또한 철근에 발생한 응력을 검토한 결과, 모두 항복강도에 도달하기 이전에 파괴가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이를 고려하여 본 해석과정이 탄성 범위내에서 진행되었다고 판단하였으며, 따라서 해석을 통해 도출된 최대 하중을 식 (1)과 식 (2)에 적용하여, 이음철근의 형상에 따른 부착강도를 결정하였다.
- 초고성능 콘크리트를 적용한 사장교의 완성계 모델이 극한 하중 상태일 때 사장교의 접합부에서 발생하는 단면력을 해석을 통해 산정하고, 이로부터 접합부에서 요구되는 철근의 부착 강도의 크기를 결정하였다. 이를 상기 과정에서 도출한 이음 철근 형상에 따른 부착 강도와 비교하여 초고성능 콘크리트 사장교에 적용할 이음 철근의 적합성을 평가하였다. 이러한 해석 과정을 위하여 토목구조물의 비선형 상세 해석 소프트웨어인 MIDAS FEA를 사용하여 3차원 구조체를 모델링하고 초고성능 콘크리트의 특성을 재료 모델에 적용하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구는 초고성능 콘크리트의 실용화를 위한 연구의 일환으로, 초고성능 콘크리트 사장교의 시공접합부에 적용할 수 있는 시스템의 제안을 목적으로 수행하였다. 이를 위해 사장교 바닥판의 접합부에 적용할 수 있는 이음 철근의 형상을 RC부재에 적용하고, 해석을 통해 이음 철근의 형상에 따라 나타나는 부착 성능을 평가하는 작업을 수행하였다.
- 본 연구는 접합부의 이음철근을 RC 부재에 적용하여 해석을 수행하였다. 이음철근의 형상은 프리캐스트 바닥판 적용을 위해 수행된 기존의 접합부 형식에 대한 연구 사례(Shim 등, 2001; 류형근 등, 2003; 정철헌 등, 2008)를 검토하고, 현장에서 주로 적용되고 있는 철근의 형상과 직경을 고려하여 결정하였다. 본 연구에서는 커플러를 이용하는 직선형 배치, 절곡된 L형 배치, 루프 형태의 U형 배치의 세 가지 형태의 접합부 이음철근을 제안하였고, 철근의 직경은 현장에서 사용빈도가 높은 D16, D19, D22의 세 가지를 선택하여 적용하였다.
- 2의 값을 사용할 것을 제안하고 있다. 제안된 탄성계수와 포아송비로부터 전단계수를 산정하여 18,750 MPa의 값을 적용하였다.
- 종방향 해석은 바닥판과 바닥판의 연결부에서 발생하는 종방향 모멘트와 축력을 산정하였으며, Fig. 11에 나타나 있는 세 구간의 접합부에 대한 해석을 수행하였다. 거더와 주탑은 빔 요소, 케이블은 응력과 변형률의 일방향성을 고려하여 트러스 요소로 모델링하였다.
- 본 연구에서 사용된 보강재는 철근으로 Von Mises Model을 재료모델로 사용하였으며, 철근의 응력-변형률 관계 곡선은 이선형으로 나타나는 완전 탄소성 곡선으로 가정하였다. 철근의 재료적 특성은 항복강도 400 MPa, 탄성계수 200,000 MPa, 포아송비 0.3의 값을 적용하였다.
- 초고성능 콘크리트를 적용한 사장교의 완성계 모델이 극한 하중 상태일 때 사장교의 접합부에서 발생하는 단면력을 해석을 통해 산정하고, 이로부터 접합부에서 요구되는 철근의 부착 강도의 크기를 결정하였다. 이를 상기 과정에서 도출한 이음 철근 형상에 따른 부착 강도와 비교하여 초고성능 콘크리트 사장교에 적용할 이음 철근의 적합성을 평가하였다.
- 해당 구간에서는 철근이 상연에 배치되므로, 이를 고려하여 해당 부분에 발생하는 부모멘트에 대해서 응력을 산정하였다. 해석 결과는 Table 6에 나타나 있다.
- 횡방향 해석은 바닥판과 거더 간의 연결부에 대해서 4개의 해석 구간을 결정하여, 계수하중에 의해서 발생하는 횡방향 단면 모멘트를 최대 정모멘트와 최대 부모멘트를 각각 산정하여 이로부터 발생하는 철근의 응력을 계산하였다. 해석 모델은 판 요소를 사용하여 종방향으로 24 m를 모델링하였고, 경계 조건은 케이블 정착부를 고정으로 하여, 단면의 양단은 종방향으로 구속하였다. 하중은 DB-24의 후륜 하중을 접지압을 고려하여 4대를 재하 하였다.
- 횡방향 해석은 바닥판과 거더 간의 연결부에 대해서 4개의 해석 구간을 결정하여, 계수하중에 의해서 발생하는 횡방향 단면 모멘트를 최대 정모멘트와 최대 부모멘트를 각각 산정하여 이로부터 발생하는 철근의 응력을 계산하였다. 해석 모델은 판 요소를 사용하여 종방향으로 24 m를 모델링하였고, 경계 조건은 케이블 정착부를 고정으로 하여, 단면의 양단은 종방향으로 구속하였다.
대상 데이터
- 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 반응성 분체로 사용된 실리카흄은 비표면적이 200,000, SiO2 함유율이 96% 이상인 것을 사용하였다. 감수제는 폴리칼본산계의 밀도 1.01 g/cm3, 고형성분 30%의 고성능 액상형 감수제를 사용하였다.
- 시방서에서 제안하고 있는 초고성능 콘크리트의 표준 배합구성은 Table 1에 제시되어 있다. 물-결합재비(W/B)는 0.2이며, 시멘트, 실리카흄, 잔골재, 충전재, 강섬유가 사용되었다. 강섬유는 전체 체적에 대해 2%의 부피비로 첨가되었으며, 인장강도 2,500 MPa, 직경 0.
- 본 연구는 접합부의 이음철근을 RC 부재에 적용하여 해석을 수행하였다. 이음철근의 형상은 프리캐스트 바닥판 적용을 위해 수행된 기존의 접합부 형식에 대한 연구 사례(Shim 등, 2001; 류형근 등, 2003; 정철헌 등, 2008)를 검토하고, 현장에서 주로 적용되고 있는 철근의 형상과 직경을 고려하여 결정하였다.
- 본 해석을 위해서 선정한 교량은 600 m급 하이브리드 사장교로, Fig. 10에 해석 단면 형상이 나타나있다. 해당 사장교에 대해서 바닥판과 거더의 연결부에 대해서 종방향, 횡방향, 가로보에 대한 해석을 실시하여 접합부에 작용하는 축력과 모멘트의 크기를 구하고, 이를 식 (2)에 적용하여 접합부의 철근 부착면에 발생하는 응력을 산정하였다.
- 2 mm, 길이 13 mm의 재료적 특성을 가진다. 시멘트는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였고, 반응성 분체로 사용된 실리카흄은 비표면적이 200,000, SiO2 함유율이 96% 이상인 것을 사용하였다. 감수제는 폴리칼본산계의 밀도 1.
이론/모형
- 이를 상기 과정에서 도출한 이음 철근 형상에 따른 부착 강도와 비교하여 초고성능 콘크리트 사장교에 적용할 이음 철근의 적합성을 평가하였다. 이러한 해석 과정을 위하여 토목구조물의 비선형 상세 해석 소프트웨어인 MIDAS FEA를 사용하여 3차원 구조체를 모델링하고 초고성능 콘크리트의 특성을 재료 모델에 적용하여 해석을 수행하였다.
- 초고성능 콘크리트와 철근의 부착면에는 Bond-Slip Model을 적용하였으며, 극한 하중에 도달했을 때 발생하는 부착강도의 크기를 고려하여 구조적 성능을 평가하였다. 따라서 본 해석에 적용한 Bond-Slip 관계 곡선은 부착강도에 도달하기까지는 선형으로 증가하고, 이후에는 부착강도의 크기가 유지되어도 Slip이 증가하는 완전 탄소성 곡선을 적용하였다(Fig.
- 초고성능 콘크리트의 재료 특성은 한국건설기술연구원의 “초고성능 콘크리트의 표준시방 및 구조설계기준(안)”에 제시되어 있는 값들을 적용하였다.
- 콘크리트의 재료 모델은 Total Strain Crack 모델을 적용하였다. Total Strain Crack 모델은 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선과 인장응력-변형률 곡선으로 재료 특성이 정의되는 모델로서, 표준시방서에 제안되어 있는 물리적 특성을 적용하기에 적합한 모델이다.
성능/효과
- 2. 접합부의 철근 배치 형상에 따라 발생하는 부착강도의 크기를 비교 검토한 결과, 직선형 철근 배치의 경우 부착강도가 가장 높게 나타났고, U형 배치를 하였을 때 가장 작은 부착강도가 나타났다.
- 3. 철근의 직경이 증가함에 따라서 견딜 수 있는 하중의 크기와 부착강도의 크기가 모두 증가하는 경향을 보이고 있다. U형 배치의 경우는 철근 직경에 따라 견딜 수 있는 하중의 크기 증가 효과가 더욱 크게 나타났으나, 충분한 피복두께의 확보가 어려운 단점이 있어서 적용할 수 있는 철근의 직경이 제한된다.
- 4. 단면력 해석을 통해 600 m급 사장교의 세그먼트 접합부 철근 부착면에서 발생하는 극한 응력의 크기를 도출하였다. 이로부터 접합부의 부착면에서 필요로 하는 응력의 크기를 산정하여, 접합부 철근의 형상에 따른 부착강도와 비교 검토하였으며, 그 결과 제안된 접합부 철근은 사장교의 접합부에서 필요로 하는 구조적 성능을 충분히 만족시키는 것으로 판단되었다.
- Total Strain Crack 모델은 콘크리트의 압축응력-변형률 곡선과 인장응력-변형률 곡선으로 재료 특성이 정의되는 모델로서, 표준시방서에 제안되어 있는 물리적 특성을 적용하기에 적합한 모델이다. 또한 사용한계상태(SLS)와 극한한계상태(ULS)모델에 적합하며 균열과 파괴양상을 확인하는데 적합한 모델로서, 본 해석 과정에서는 극한 하중의 도출과 이음철근 형상에 따른 균열 양상을 표현하는데 적합한 것으로 판단하여 콘크리트 재료 모델로서 선택하였다.
- 본 연구의 해석 과정에서, 모든 해석 대상 부재에서 콘크리트에 발생한 인장응력의 크기가 인장강도에 도달하였을 때 부재의 접합부에서 파괴가 발생하면서 해석이 종료되었다. 또한 철근에 발생한 응력을 검토한 결과, 모두 항복강도에 도달하기 이전에 파괴가 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이를 고려하여 본 해석과정이 탄성 범위내에서 진행되었다고 판단하였으며, 따라서 해석을 통해 도출된 최대 하중을 식 (1)과 식 (2)에 적용하여, 이음철근의 형상에 따른 부착강도를 결정하였다.
- 본 연구의 해석 과정에서, 모든 해석 대상 부재에서 콘크리트에 발생한 인장응력의 크기가 인장강도에 도달하였을 때 부재의 접합부에서 파괴가 발생하면서 해석이 종료되었다. 또한 철근에 발생한 응력을 검토한 결과, 모두 항복강도에 도달하기 이전에 파괴가 발생한 것을 확인할 수 있었다.
- 단면력 해석을 통해 600 m급 사장교의 세그먼트 접합부 철근 부착면에서 발생하는 극한 응력의 크기를 도출하였다. 이로부터 접합부의 부착면에서 필요로 하는 응력의 크기를 산정하여, 접합부 철근의 형상에 따른 부착강도와 비교 검토하였으며, 그 결과 제안된 접합부 철근은 사장교의 접합부에서 필요로 하는 구조적 성능을 충분히 만족시키는 것으로 판단되었다.
- UHPC를 프리캐스트 세그먼트 공법에 적용하기 위해서 접합부의 철근 배치안을 제시하고 비선형 해석을 통해 부착 성능을 평가하였다. 해석 결과 동일한 직경의 철근을 적용하였을 때, 가장 큰 하중을 견딜 수 있는 접합부 철근은 U형 배치이고, L형 배치의 경우 견딜 수 있는 하중의 크기가 가장 작게 나타났다.
- 해석결과를 접합부 이음철근의 형상에 따라 비교하면, 동일한 직경의 이음철근 중에서 U형 루프타입의 이음철근을 적용하였을 때 가장 큰 하중을 견디는 것으로 나타났다. 이러한 결과를 식 (1)에 적용하여 산정한 부착강도를 비교하면, 직선형 연결에서 가장 높은 부착강도를 보이고 있는 반면, U형 루프 철근이 가장 낮은 부착강도를 보였다.
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