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문제 정의
- , 2005). 따라서 본 연구에서는 PC 긴장재 없이 철근 연결재만을 이용한 프리캐스트 교각 공법을 개발하여 공기단축뿐만 아니라 과도한 초기 공사비 증액이 발생하지 않도록 하였다. 그라우팅形 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 프리캐스트 교각에 대하여 준정적 실험을 통해 구조적 성능을 검증하였다.
- 본 연구에서는 신형식 철근이음 장치인 그라우팅형 슬리브를 이용한 최적의 프리캐스트 교각 단면을 개발하기 위하여 총 5개의 축소모형과 2개의 대형모형에 대하여 실험적으로 성능을 평가하였다. 본 연구에서 얻어진 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 장에서는 스케일 효과가 배제된 상태에서의 현장 적용성을 살펴보고 최종적으로 성능을 검토하기 위하여 대형모형실험을 수행하였다. 대형모형실험은 기본 RC실험체 1기와 PC실험체 1기에 대하여 수행하였으며 한국건설기술연구원 구조실험동에서 실시할 수 있는 최대 크기로, 의정부 경전철단순교 교각을 직경대비 66.
- 따라서 전체적인 교각 단면을 줄일 수 있게 된다. 본 장에서는 의정부 경전철 교각을 대상으로 철근콘크리트 강도설계법에 기반을 둔철근량 검토를 수행하여 가능한 교각 지름 축소정도와 중공확대정도를 검토하였다. 철근콘크리트 강도설계법에 의한 검토는 의정부 경전철 연속교 구간의 직경 2.
제안 방법
- 2. 슬리브를 사용한 축소모형실험을 통하여 프리캐스트 교각의 내진성능을 검증하였다. 축소모형 실험 결과 고강도 콘크리트를 사용한 중공율 40%인 실험체의 경우 RC 실험체와 동등 이상의 내진성능을 보유하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 4. 슬리브를 사용한 프리캐스트 교각 실험체의 성능검증을 위해 대형모형 실험을 실시하였다. 대형모형실험은 소성힌지 구간에 슬리브를 두지 않고 첫 번째 블록을 기초 내부에 삽입시켜 연결성능을 향상시켰다.
- PC 실험체는 기초 콘크리트 타설 후, 완성된 기초 상부를 첫 번째 프리캐스트 블록의 하부 거푸집으로 이용하는 매칭캐스트 방식으로 각 프리캐스트 블록을 제작하였다. 슬리브를 이용하여 프리캐스트 블록을 조립하기 위해서는 상·하부 프리캐스트 블록의 각 축방향 철근 위치가 정밀하게 시공되어야 하기 때문에 매칭 캐스트 방식이 현재로는 거의 유일한 방법이라 할 수 있다.
- PC실험체는 기초 철근 배근 후 콘크리트를 타설하지 않고, 첫 번째 제작 프리캐스트를 올린 후 기초 콘크리트를 타설하였다. 이는 기초와 기둥 하부에 연결부를 두지 않고 기초 내부에 프리캐스트 블록을 삽입시켜 기초와 기둥부의 연결을 보다 확실히 하기 위한 방법이다.
- 따라서 본 연구에서는 PC 긴장재 없이 철근 연결재만을 이용한 프리캐스트 교각 공법을 개발하여 공기단축뿐만 아니라 과도한 초기 공사비 증액이 발생하지 않도록 하였다. 그라우팅形 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 프리캐스트 교각에 대하여 준정적 실험을 통해 구조적 성능을 검증하였다. 본 연구에 의해 정립될 프리캐스트 교각 공법은 공기단축에 의한 교통정체 최소화 및 민원발생 감소 등의 간접적인 효과뿐 만 아니라, 공법이 간단하여 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 장에서는 스케일 효과가 배제된 상태에서의 현장 적용성을 살펴보고 최종적으로 성능을 검토하기 위하여 대형모형실험을 수행하였다. 대형모형실험은 기본 RC실험체 1기와 PC실험체 1기에 대하여 수행하였으며 한국건설기술연구원 구조실험동에서 실시할 수 있는 최대 크기로, 의정부 경전철단순교 교각을 직경대비 66.7%로 축소하여 실험을 실시하였다(Youm et al., 2006). 실험체는 의정부 경전철 단순교 교각의 축방향 철근비와 띠철근 비가 가급적 동일하게 되도록 하였다.
- 실험체의 축방향 철근 및 띠철근 비는 의정부 경전철단순교 교각을 모델로 하여 가급적 근사한 값이 되도록 설정하였다. 모든 실험체는 기둥하부에서 하중재하위치까지의 높이를 3,000 mm로 일정하게 하였으며, 직경은 단면축소를 실시한 CASE 5 실험체를 제외하고는 600 mm로 동일하게 하여 세장비를 5.0으로 설정하였다. 띠철근은 D13 철근을 100 mm 간격으로 배근하였다.
- 본 장에서는 앞장에서 검토된 교각 단면의 축소율과 중공율을 바탕으로 축소모형실험을 실시하였다. 축소모형실험은 기본실험체인 RC 실험체 1기와 콘크리트 강도, 단면축소율, 중공율, 축방향 철근 직경 등을 실험변수로 한 PC 실험체 4기에 대하여 수행하였다.
- 수평방향 재하 장치는 최대 스트로크 ±500 mm, 최대하중 3,500 kN을 실험체의 가력부분과 동일한 높이로 내력벽에 설치하여 실험을 수행하였다.
- 수평하중 재하방식은 실험체의 높이에 대한 수평방향의 변위에 대한 비인 변위비(Drift ratio)를 기초상단에서 가력지점 높이인 3m의 0.25%씩 단계적으로 점점 증가시켜 1 Cycle씩 반복하는 변위제어방식을 사용하였다. 항복변위를 구한 후 일정한 변위연성(Displacement ductility)만큼 증가시키는 실험법을 사용하지 않는 이유는 겹침이음 파괴가 발생할 경우 종방향 철근이 항복하지 않으며, 이로 인해 항복변위를 정의하기 어렵기 때문이다.
- 실험결과를 요약한 표 6에서 항복변위와 항복하중은 최외측 축방향 철근의 변형율이 항복 변형율에 도달할 때를 기준으로 하였으며, 파괴변위는 하중이 최대하중의 85% 이하로 떨어질 때를 기준으로 하였다(Lu et al., 2001). 최대하중은 RC 실험체인 CASE 1 실험체와 비교하여 중공율이 40%인 CASE 2와 CASE 3 실험체는 동등 이상의 값을 나타내고 있으며, 중공율이 50% 인 CASE 4 실험체는 약10% 이상 작은 값을 나타내었다.
- 실험체의 종류 및 제원은 표 5와 같다. 실험체의 축방향 철근 및 띠철근 비는 의정부 경전철단순교 교각을 모델로 하여 가급적 근사한 값이 되도록 설정하였다. 모든 실험체는 기둥하부에서 하중재하위치까지의 높이를 3,000 mm로 일정하게 하였으며, 직경은 단면축소를 실시한 CASE 5 실험체를 제외하고는 600 mm로 동일하게 하여 세장비를 5.
- 첫 번째 프리캐스트 블록은 100 mm가 기초 내부에 삽입되는 형태로 제작하였으며 프리캐스트 블록은 철근을 동일한 간격으로 유지하기 위해 강판으로 된 거푸집위에 철근 위치를 정확하게 정하고 철근을 배치시켰다.
- 실험체의 내진성능 평가를 위한 준정적 실험에서, 최대한 실제 하중효과를 반영할 수 있도록 일정한 크기의 수직방향축하중 760 kN을 재하하였으며, 동시에 수평하중을 그림 3과 같이 재하하였다. 축 하중은 스트럿 상부에 재하되는 하중을 고려하고자 하는 것으로써 최대하중 4,000 kN인 가력기(Actuator)를 사용하여 이동하중과 사하중에 해당하는 축하중을 재하하였다. 이때 가력기는 실험체 상부와 일체로 거동하도록 하였다.
- 축소모형실험은 기본실험체인 RC 실험체 1기와 콘크리트 강도, 단면축소율, 중공율, 축방향 철근 직경 등을 실험변수로 한 PC 실험체 4기에 대하여 수행하였다.
대상 데이터
- CASE 2 실험체는 동일한 철근량에서 철근의 직경이 기둥거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 다른 실험체보다 큰 D19 철근을 사용하였다. CASE 2 실험체와 CASE 3 실험체는 축방향 철근의 직경을 제외하고는 모든 조건이 동일하며 기둥 단면 직경 대비 중공율은 40%이다.
- 실험체는 의정부 경전철 단순교 교각의 축방향 철근비와 띠철근 비가 가급적 동일하게 되도록 하였다. PC 실험체는 1.9 m 프리캐스트 블록 3개를 슬리브를 사용하여 연결하였으며 480 mm의 중공을 두었다. 표 7을 보면 RC 실험체는 D29 철근을 PC 실험체는 D32 철근을 사용하고 각각의 철근비는 각각 2.
- 125로 하였다. PC 실험체는 프리캐스트 블록 높이를 1,000 mm와 1,900 mm 2 종류로 나누어 제작하였으며, 1,000 mm 블록은 제일 하단과 상단에 각각 배치하고 1,900 mm 블록은 기둥 가운데에 배치하였다.
- RC 실험체는 휨 균열, 사인장 균열, 콘크리트 압축파괴, 축방향 철근 좌굴 등의 순서로 파손이 발생하는 전형적인 휨-전단 파괴 양상을 나타내었다. Drift ratio 0.
- 프리캐스트 교각의 기둥부 블록 높이는 900 mm로 동일한 형상의 블록을 3개 제작하여 조립하였다. RC 실험체의 피복 콘크리트 두께는 35 mm이며, PC 실험체의 피복 두께는 슬리브의 영향으로 20 mm로 설정하였다.
- 상기에 기술한 것을 제외하고는 RC 실험체와 PC 실험체의 제원은 동일하게 설계하였다. 교각 기둥의 직경은 의정부 경전철 단순교 교각 직경의 60%인 1,200 mm로 하였으며, 기둥하단부에서 하중재하위치까지의 높이는 6,150 mm로 하여 세장비를 5.125로 하였다. PC 실험체는 프리캐스트 블록 높이를 1,000 mm와 1,900 mm 2 종류로 나누어 제작하였으며, 1,000 mm 블록은 제일 하단과 상단에 각각 배치하고 1,900 mm 블록은 기둥 가운데에 배치하였다.
- , 2006). 실험체는 의정부 경전철 단순교 교각의 축방향 철근비와 띠철근 비가 가급적 동일하게 되도록 하였다. PC 실험체는 1.
- 본 장에서는 의정부 경전철 교각을 대상으로 철근콘크리트 강도설계법에 기반을 둔철근량 검토를 수행하여 가능한 교각 지름 축소정도와 중공확대정도를 검토하였다. 철근콘크리트 강도설계법에 의한 검토는 의정부 경전철 연속교 구간의 직경 2.5 m, 높이 10 m를 기준으로 하였다. 해석 모델별 제원은 표 1과 같다.
- 모든 해석 모델의 하중 재하 높이는 10 m이며, 교각 단면 직경은 기본 2,500 mm부터 시작하였다. 콘크리트 강도는 27 MPa와 40 MPa를 사용하여 결과를 비교하였으며, 주철근은 H32로 배근하였다.
- PC 실험체에 보다 큰 철근을 사용한 것은 실제 PC 교각에 슬리브를 적용할 경우 조금이라도 작은 수의 철근을 사용하는 것이 시공하기 편리하기 때문에 실험체 제작에도 이를 반영하여 큰 철근을 사용하였다. 콘크리트 강도는 RC 실험체가 27 MPa, PC 실험체가 40 MPa 이며, 철근은 동일한 강도의 철근을 사용하였다. 상기에 기술한 것을 제외하고는 RC 실험체와 PC 실험체의 제원은 동일하게 설계하였다.
- 프리캐스트 교각은 그림 2와 같이 3개의 기둥부 프리캐스트 블록과 1개의 코핑 프리캐스트 블록을 사전에 제작하고, 슬리브를 이용하여 조립하는 과정을 거쳐 완성된다. 프리캐스트 교각의 기둥부 블록 높이는 900 mm로 동일한 형상의 블록을 3개 제작하여 조립하였다. RC 실험체의 피복 콘크리트 두께는 35 mm이며, PC 실험체의 피복 두께는 슬리브의 영향으로 20 mm로 설정하였다.
- 해석에 사용한 하중 조합은 의정부 경전철 단경간 구간에 적용된 하중 조합을 사용하였으며, 구체적인 하중 조합은 표 2에 나타내었으며 단면축소에 대한 해석 결과는 표 3과 같다.
성능/효과
- 1. 콘크리트 강도 향상에 따른 교각 단면의 단면축소율과 중공율을 해석적으로 검토한 결과, 40 MPa 급의 고강도콘크리트 프리캐스트 부재를 사용하게 되면 기존 RC 교각에 일반적으로 적용하는 27 MPa 급의 콘크리트를 사용하는 경우와 비교하여 약 10%의 단면축소 또는 교각직경비 50% 내외의 중공이 가능한 것으로 나타났다.
- 3. 축소모형 실험결과, PC 실험체의 내진성능은 확인할 수 있었으나, 슬립이 발생하는 이상 거동을 나타내었다. 이는 모든 슬리브가 교각에서 가장 많은 하중을 받는 기초와 기둥이 만나는 부분에 집중된 것이 하나의 이유인 것으로 판단되며, 소성힌지 구간에는 슬리브를 두지 않는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
- 5. 대형모형실험 결과 축소모형실험과 동일하게 파괴변위, 변위 연성율 그리고 에너지 소산 능력 등 내진 성능 면에서 PC 실험체가 RC 실험체 비하여 동등 이상의 내진성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
- Drift ratio 0.25% 시 기초 상부에서 300 mm와 600 mm 위치에서 첫 번째 휨 균열이 육안으로 확인되었으며, 이 후 휨 균열은 변위 증가와 더불어 기둥 상부로 신규 균열이 계속 발생하고 균열폭도 증가하였다.
- 25 mm)를 넘어서면서부터 PC 실험체가 더 커졌다. PC 실험체가 RC 실험체에 비해 약 2배 이상의 에너지 소산능력을 가지는 것으로 나타났다.
- CASE 4 실험체가 파괴변위가 더 큼에도 불구하고 변위연성도가 작아진 것은 CASE 4 실험체의 항복변위가 CASE 1 실험체보다 더 큰 값을 나타내었기 때문이다. 내진성능을 판단하는데 있어서 중요한 자료인 누적에너지 소산능력을 보면, 모든 PC 실험체가 RC 실험체보다 큰 값을 나타내고 있으며, 특히 중공율 40% 인 CASE 2와 CASE 3 실험체는 거의 2배에 가까운 누적에너지 소산능력을 보여주고 있다. 각 실험체별 누적에너지 소산능력은 그림 16과 같다.
- 하지만, 이는 교각을 축소하여 실험하였기 때문으로 대형에서는 충분한 피복을 확보할 수 있고 첫 번째 블록과 두 번째 블록 연결부가 보다 상부에 위치하게 될 것이므로 이러한 파괴양상은 나타나지 않을 것으로 판단된다. 또한 이러한 파괴양상이 나타났음에도 불구하고 상부에서의 파괴변위와 변위연성이 RC 실험체보다 큰 것으로 나타났다.
- 축소모형실험 결과를 보면, 콘크리트 강도를 27 MPa에서 40 MPa로 상향시키면 최소 44%의 중공이 가능한 것으로 나타났다. 본 실험은 중공율을 40%로 줄여서 실험했음에도 불구하고 PC 실험체가 RC 실험체보다 작은 최대하중을 나타낸 것은, RC 실험체의 콘크리트 강도를 27 MPa로 설계하였지만 실제는 35 MPa 정도로 높게 나온 것이 원인일 것으로 판단된다. 파괴변위와 변위연성을 비교하여 보면, PC 실험체가 RC 실험체보다 각각 57%와 33% 더 큰 것으로 나타났다.
- 대형모형실험은 소성힌지 구간에 슬리브를 두지 않고 첫 번째 블록을 기초 내부에 삽입시켜 연결성능을 향상시켰다. 실험결과, 축소모형 실험에서 나타난 슬립 현상이 발생하지 않았으며 일반적인 RC 교각과 거의 동일한 하중-변위 관계를 나타내었다.
- 실험결과를 요약 정리한 표 8을 보면 최대하중은 RC 실험체가 약 5% 정도 크게 나타났다. 축소모형실험 결과를 보면, 콘크리트 강도를 27 MPa에서 40 MPa로 상향시키면 최소 44%의 중공이 가능한 것으로 나타났다.
- 중공과 단면축소를 동시에 실시한 CASE 5 실험체는 CASE 1 실험체에 비해 단면적 대비 25% 이상 감소되었고 같은 PC 실험체인 CASE 2 실험체와 비교하여도 10% 정도 단면적이 감소된 실험체이다. 전체적으로 과도하게 단면적이 감소되어 전체적인 단면 강성이 다른 실험체에 비해 많이 떨어져 슬리브 강성에 비해 단면 강성이 과도하게 작은 것이 원인으로 판단된다.
- 이때 슬리브 내부의 상단부 모르타르는 압괴가 발생한 상태였지만 빈공간이 없는 점으로 미루어 슬리브 내 모르타르 충진 불량 등의 시공불량에 의해 발생한 것은 아닌 것으로 판단된다. 중공과 단면축소를 동시에 실시한 CASE 5 실험체는 CASE 1 실험체에 비해 단면적 대비 25% 이상 감소되었고 같은 PC 실험체인 CASE 2 실험체와 비교하여도 10% 정도 단면적이 감소된 실험체이다. 전체적으로 과도하게 단면적이 감소되어 전체적인 단면 강성이 다른 실험체에 비해 많이 떨어져 슬리브 강성에 비해 단면 강성이 과도하게 작은 것이 원인으로 판단된다.
- , 2001). 최대하중은 RC 실험체인 CASE 1 실험체와 비교하여 중공율이 40%인 CASE 2와 CASE 3 실험체는 동등 이상의 값을 나타내고 있으며, 중공율이 50% 인 CASE 4 실험체는 약10% 이상 작은 값을 나타내었다. 가장 단면적이 작은 CASE 5 실험체가 RC 실험체 보다 더 큰 최대하중을 나타내었는데, 이는 파괴가 기둥 하부에서의 휨 파괴로 발생하지 않고 첫 번째 블록 상단에서 전단파괴에 가까운 파괴 현상이 나타났기 때문인 것으로 사료된다.
- 파괴변위와 변위연성을 비교하여 보면, PC 실험체가 RC 실험체보다 각각 57%와 33% 더 큰 것으로 나타났다. 최대하중은 다소 떨어졌지만, 전체적으로 슬리브를 이용한 PC 실험체가 RC실험체와 비교할 때 동등 이상의 성능을 발휘한 것으로 나타났다.
- 5 mm에서는 첫 번째 블록 상단의 슬리브가 노출될 정도로 많은 양의 표면 콘크리트가 탈락되었다. 최종적으로 변위 157.5 mm에서 그림 8과 같이 두 번째 블록 하단 축방향 철근의 좌굴이 발생하면서 실험을 종료하였다. 이때 슬리브 내부의 상단부 모르타르는 압괴가 발생한 상태였지만 빈공간이 없는 점으로 미루어 슬리브 내 모르타르 충진 불량 등의 시공불량에 의해 발생한 것은 아닌 것으로 판단된다.
- RC 실험체와 PC 실험체 모두 파괴 진전 형태는 콘크리트 횡방향 및 사인장 균열이 발생한 후 콘크리트의 탈락이 발생하기 시작하였다. 최종적인 파괴는 CASE 5 실험체를 제외하고 모든 실험체는 기둥하부에서 단면손실이 증가하면서 결국 주철근이 좌굴하여 파괴되는 전형적인 휨 파괴 거동을 나타냈다. RC 실험체인 CASE 1 실험체는 변위 15 mm에서 기둥 하단 10 cm, 40 cm, 60 cm 그리고 80 cm에서 최초의 휨 균열이 관찰되었으며, 이후 변위 증가와 더불어 신규 휨 균열이 계속 발생하고 균열 폭과 길이도 커졌다.
- 슬리브를 사용한 축소모형실험을 통하여 프리캐스트 교각의 내진성능을 검증하였다. 축소모형 실험 결과 고강도 콘크리트를 사용한 중공율 40%인 실험체의 경우 RC 실험체와 동등 이상의 내진성능을 보유하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 실험결과를 요약 정리한 표 8을 보면 최대하중은 RC 실험체가 약 5% 정도 크게 나타났다. 축소모형실험 결과를 보면, 콘크리트 강도를 27 MPa에서 40 MPa로 상향시키면 최소 44%의 중공이 가능한 것으로 나타났다. 본 실험은 중공율을 40%로 줄여서 실험했음에도 불구하고 PC 실험체가 RC 실험체보다 작은 최대하중을 나타낸 것은, RC 실험체의 콘크리트 강도를 27 MPa로 설계하였지만 실제는 35 MPa 정도로 높게 나온 것이 원인일 것으로 판단된다.
- 콘크리트 강도와 철근 강도를 각각 증가시켰을 경우, 지름 100 mm(단면축소율 4%) 정도 축소 가능했으며, 콘크리트 강도와 철근 강도를 같이 증가시켰을 경우는 지름 200 mm(단면축소율 8%) 정도 축소시킬 수 있었다. 중공에 대한 해석 결과 요약은 표 4와 같다.
- 가장 단면적이 작은 CASE 5 실험체가 RC 실험체 보다 더 큰 최대하중을 나타내었는데, 이는 파괴가 기둥 하부에서의 휨 파괴로 발생하지 않고 첫 번째 블록 상단에서 전단파괴에 가까운 파괴 현상이 나타났기 때문인 것으로 사료된다. 파괴변위를 보면 모든 PC 실험체가 RC 실험보다 최종 파괴변위가 크게 나타났으며, 변위연성도는 CASE 4 실험체만이 CASE 1 실험체보다 작은 값을 나타내었다. CASE 4 실험체가 파괴변위가 더 큼에도 불구하고 변위연성도가 작아진 것은 CASE 4 실험체의 항복변위가 CASE 1 실험체보다 더 큰 값을 나타내었기 때문이다.
- 본 실험은 중공율을 40%로 줄여서 실험했음에도 불구하고 PC 실험체가 RC 실험체보다 작은 최대하중을 나타낸 것은, RC 실험체의 콘크리트 강도를 27 MPa로 설계하였지만 실제는 35 MPa 정도로 높게 나온 것이 원인일 것으로 판단된다. 파괴변위와 변위연성을 비교하여 보면, PC 실험체가 RC 실험체보다 각각 57%와 33% 더 큰 것으로 나타났다. 최대하중은 다소 떨어졌지만, 전체적으로 슬리브를 이용한 PC 실험체가 RC실험체와 비교할 때 동등 이상의 성능을 발휘한 것으로 나타났다.
후속연구
- 그라우팅形 슬리브와 일반 철근만으로 구성된 프리캐스트 교각에 대하여 준정적 실험을 통해 구조적 성능을 검증하였다. 본 연구에 의해 정립될 프리캐스트 교각 공법은 공기단축에 의한 교통정체 최소화 및 민원발생 감소 등의 간접적인 효과뿐 만 아니라, 공법이 간단하여 경제적인 시공이 가능할 것으로 판단된다.
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