[논문]성능 개선된 대골형 파형강판의 설계 압축 및 휨 강도 평가에 대한 연구

심종성; 이현기; 강태성

doi:10.11112/jksmi.2011.15.3.155

성능 개선된 대골형 파형강판의 설계 압축 및 휨 강도 평가에 대한 연구
A Study on the Evaluation of Design Compressive Strength and Flexural Strength of the Improved Deep Corrugated Steel Plate 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.3 = no.67, 2011년, pp.155 - 162

심종성 (한양대학교 토목공학과) , 이현기 (한양대학교 토목공학과) , 강태성 (삼표건설(주) 기술개발팀)

초록
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파형강판을 이용한 구조물은 기존의 철근콘크리트 구조물에 비하여 공기단축효과 및 경제성 등이 우수하고 유지관리비의 절감 측면에서 유리한 것으로 평가되고 있다. 최근 수로암거 및 생태 이동 통로등에 철근콘크리트 암거 대체 재료로 널리 활용되고 있으며 앞으로 적용실적이 더 증가할 것으로 예상된다. 파형강판을 사용한 구조물은 주로 아치형과 박스형의 두가지 형태이며, 아치형 구조물은 압축력에 의하여 설계하며 박스형 구조물은 플레이트 부재내의 모멘트에 의하여 설계한다. 따라서 본 연구에서는 기존의 대골형 파형강판보다 골의 피치와 깊이가 늘어난 성능 개선된 파형강판의 성능을 평가고하고 설계에 반영하기 위해 정적 압축 시험 및 휨시험을 수행하여 시험체 두께별 이음부의 극한강도 및 모멘트 강도를 검토 하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The structures that use the bridge plates are considered to have advantages such as short work term, excellent economical efficiency and low maintenance cost. Bridge plates are being widely used for water ducts and eco-corridors as replacements of reinforced concrete ducts. Bridge plates are deep and have greater pitch as compare to conventionally deep corrugated steel plate. They are expected to be increasingly used in the future. The structures that use bridge plates have two forms, such as arch type and box type. The arch type structures are designed based on the compressive strength, and the box type structures, based on the moment in the plate member. In this study, the ultimate strength and moment strength of the connection part of the specimens were examined by their thickness. Static and bending tests used to evaluate the performance of bridge plate. Finally, These results were used in the design process.

주제어

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문제 정의

또한 단순한 볼트의 강도뿐만 아니라 파형강판의 볼트 이음부는 강교량에서 주로 쓰는 강판의 마찰이음이 아니라 볼트 홀과 몸체 사이의 접촉면에서 발생하는 강판 지압력에 의해 축력을 전달하기 때문에 이러한 역학적인 메카니즘에 따른 이음부 축력에 대한 근거 확보가 필요하다. 따라서 이 연구에서는 기존의 파형 강판에 비해 골의 피치와 깊이가 늘어난 파형강판의 압축 시험 및 휨 시험을 통하여 파형강판 플레이트 부재의 거동을 분석하고 장 지간에 적용할 수 있는 플레이트 부재의 설계 휨 강도 및 모멘트 강도를 제시함으로써 장 지간 파형강판 구조물에 적용하기 위한 유용한 정보로 활용하고자 한다.
이 연구에서는 성능개선된 파형강판의 성능평가를 위해 볼트 이음 플레이트의 압축시험, 이음부가 없는 플레이트와 볼트 이음 플레이트의 휨 시험을 수행하여 파괴거동을 분석하였고 실제 구조물을 설계할 경우 적용 가능한 압축강도와 휨강도를 실험적으로 규명하였다. 이에 대한 결론을 정리하면 Fig.

제안 방법

시험은 변위 제어방식으로 하였고 Fig. 6(b)에서와 같이 LVDT를 설치하여 시험기기의 하중과 변위 및 LVDT 변위를 측정하였다.
시험체의 크기 및 형상은 Fig. 5와 같이 조립 전 1,280(B)mm × 630(H)mm와 조립 후 1,280(B)mm × 980(H)mm의 크기로 하여 19mm Bolt로 21Bolt 배열하여 조립 후 실시하였다.
파형강판 이음부 압축시험은 최대용량 10,000kN인 UTM을 사용하였으며 시험은 Fig. 6(a)와 같이 UTM의 위⋅아래 지지판을 설치하고 그 중간에 시험체를 설치하여 이를 압축하는 방식으로 실시하였다.
파형강판 휨 시험은 Fig. 10에 나타낸 바와 같이 두 가력부의 간격이 515mm이고 가력부에서 지점까지의 거리가 560mm인 4점 재하 방식으로 구성하였으며, 최대 용량 2,000kN인 Actuator를 이용하여 변위제어 방식으로 시험을 실시하였다. 가력점은 제작된 철물을 이용하여 하중의 분산을 방지하기 위하여 Actuator와 일체화 시켰다.

대상 데이터

파형강판의 경우 캐나다 공업규격(CSA G164)에 따라 영구적 부식방지를 위해 강재 표면을 아연도금 처리하여 생산된다. 이 연구에 사용된 파형강판의 경우 판넬의 한쪽 면 도금량은 458g/m²이고, 양쪽 면 도금량은 915m²이며, 이는 표준 규격 값보다 50%가 더 추가된 도금량이다. 일본 도로공사의 자료에 의하면 교량의 경우 주요 부재의 연평균 아연도금 부식막 두께 감량은 약 1.
인장시편의 채취는 파형강판(아연도금 전의 강판 사용)의 면에서 강판 두께 5.0, 6.0, 7.0, 8.0mm의 시험체를 2개씩 총 8개의 시편을 채취하였다. 파형강판의 인장 시험은 KS B 0802 금속 재료 인장 시험 방법에 따라 실시하였다.
파형강판 이음부 압축시험은 용융 아연 도금된 파형강판을 사용하여 두께 5.0, 6.0, 7.0, 8.0mm의 각각의 두께별 2개의 시험체를 제작하였다.
파형강판은 3mm∼7mm 두께를 가진 아연도금 강판을 Fig. 1과 같이 400mm×150mm 크기의 파형으로 제작하였으며, 단면의 제원은 Table 1과 같다.

이론/모형

* 설계항복강도(f_y)는 ASTM(2003)에 의거하여 300MPa를 적용하였다.
인장 시험체 강판의 크기 및 형상은 KS B 0801 금속 재료인장 시험편의 14B호 기준을 적용하여 파형강판에서의 인장 시편 채취를 기준으로 하였다. 강판에 대한 재료 기준은 Table 2에 정리하였고, Table 3은 실험에 사용된 파형강판의 두께별 단면 특성을 나타내었다.
0mm의 시험체를 2개씩 총 8개의 시편을 채취하였다. 파형강판의 인장 시험은 KS B 0802 금속 재료 인장 시험 방법에 따라 실시하였다. Fig.

성능/효과

(1) 이음부 설계압축강도를 평가해본 결과 두께가 증가함에 따라 극한강도가 증가하는 것으로 나타났고, 두께가 5.0, 6.0mm의 경우에는 극한 하중에 도달 후 하중이 비교적 서서히 감소하면서 지압 파괴나 좌굴 파괴에 의한 플레이트의 연성파괴 거동이 발생하는 것으로 나타났다. 7.
(2) 휨 시험에서는 이음부 없는 시험체와 볼트 이음 시험체 모두 두께와 관계없이 중심부의 수직 변형량이 약 50∼100mm가 되면 항복하중에 도달하며, 항복이후 충분한 연성을 발휘하는 것으로 나타났다.
(3) 실험을 통하여 압축강도 및 휨강도를 산정하였고, 파형강판 설계 휨 모멘트 강도를 평가한 결과 시험 값과 소성 값 사이에 차이는 거의 없는 것으로 판단되며 시험 결과를 바탕으로 설계 모멘트에 적용 가능한 근거를 제시하였다.
0mm의 경우에는 극한 하중에 도달 후 하중이 비교적 서서히 감소하면서 지압 파괴나 좌굴 파괴에 의한 플레이트의 연성파괴 거동이 발생하는 것으로 나타났다. 7.0, 8.0mm의 경우에는 5.0, 6.0mm와 달리 플레이트가 지압 파괴나 좌굴이 발생하기 전에 볼트의 전단 파괴가 발생하거나 볼트 체결부위에서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다.
7.0mm, 8.0mm의 경우에는 이음부 볼트 파괴로 인하여 극한 하중이 증가하고, 5.0mm∼6.0mm 플레이트에 비하여 극한하중에서의 최대 변위가 더 크게 나타나면서 플레이트가 지압 파괴나 좌굴이 발생하기 전 볼트의 전단 파괴가 발생하거나 볼트 체결부위에서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다.
첫번째 파괴 유형으로는 파형강판의 지압 파괴로 인한 플레이트의 좌굴파괴가 발생하였고 두 번째 파괴 유형으로는 플레이트의 지압 파괴나 좌굴파괴는 발생하지 않고 높은 하중에서 볼트주위가 찢어지거나 볼트의 전단 파괴가 발생하였다. 그래프에서 나타난 바와 같이 파형강판 두께가 5.0mm, 6.0mm의 경우에는 파형강판 두께가 증가함에 따라 이음부 극한하중 및 변위가 증가하는 경향을 보였으며, 극한 하중에 도달 후 하중이 비교적 서서히 감소하는 구간은 플레이트가 항복 이 후 지압파괴나 좌굴파괴로 인하여 플레이트의 연성파괴 거동이 발생하는 것으로 나타났다. 7.
그림에서와 같이 파형강판의 두께와 관계없이 중심부의 수직 변형량이 대략 50∼100mm가 되면 극한 하중에 도달함을 알 수 있고, 항복 이후 충분한 연성을 발휘하는 것으로 나타났다.
(2) 휨 시험에서는 이음부 없는 시험체와 볼트 이음 시험체 모두 두께와 관계없이 중심부의 수직 변형량이 약 50∼100mm가 되면 항복하중에 도달하며, 항복이후 충분한 연성을 발휘하는 것으로 나타났다. 또한 이음부가 있는 시험체의 경우 볼트 체결 부위의 찢어짐 현상으로 인해 이음부 없는 시험체에 비해 두께에 따른 최대 하중의 차이가 적은 것으로 나타났다.
시험 결과를 Table 6, 7에 정리하였다. 이음부가 없는 플레이트의 극한모멘트는 소성 모멘트 강도보다 평균 1.17배 정도 큰 것으로 나타났다. 이음부가 있는 플레이트의 극한 모멘트는 이음부가 없는 경우의 평균 90%수준으로 작아 이음부에는 휨 성능이 저하되지만 소성 모멘트 강도보다 다소 크게 나타났다.
17배 정도 큰 것으로 나타났다. 이음부가 있는 플레이트의 극한 모멘트는 이음부가 없는 경우의 평균 90%수준으로 작아 이음부에는 휨 성능이 저하되지만 소성 모멘트 강도보다 다소 크게 나타났다.
8과 같은 하중-변위 곡선을 나타내었으며 파괴 유형은 2가지로 나타났다. 첫번째 파괴 유형으로는 파형강판의 지압 파괴로 인한 플레이트의 좌굴파괴가 발생하였고 두 번째 파괴 유형으로는 플레이트의 지압 파괴나 좌굴파괴는 발생하지 않고 높은 하중에서 볼트주위가 찢어지거나 볼트의 전단 파괴가 발생하였다. 그래프에서 나타난 바와 같이 파형강판 두께가 5.
4와 Table 4에 정리하였다. 표를 통하여 알 수 있듯이 강판의 항복 응력은 모두 소재강판의 최소 항복응력인 285MPa을 상회하는 것으로 나타났으며 이는 ASTM A1018의 Grade40에서 규정한 항복 강도 275MPa 이상, 인장강도 380MPa 이상의 조건을 만족한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	파형강판 구조물의 특징은?	파형강판 구조물은 지반 플레이트 합성 구조물로서 기존의 아치형 철근콘크리트 라멘 구조물에 비하여 공기 단축 효과 및 경제성 등이 우수하고 유지 관리비의 절감 측면에서 유리한 것으로 평가되고 있다(이경모, 2003). 최근 소규모 교량, 개착직 터널과 같은 지중 구조물, 수로암거 및 생태 이동 통로등에 주로 사용되고 있으며, 사용 목적에 따라서 적용 실적이 더 증가할 것으로 예상된다.
	현재 적용되고 있는 파형강판 구조물은 어떤 이론을 배경으로 사용해왔나?	최근 소규모 교량, 개착직 터널과 같은 지중 구조물, 수로암거 및 생태 이동 통로등에 주로 사용되고 있으며, 사용 목적에 따라서 적용 실적이 더 증가할 것으로 예상된다. 현재 적용되고 있는 파형강판 구조물은 환 압축 이론을 배경으로 축력 지배 구조물을 형성하기 위하여 원형 및 아치형의 단면을 주로 사용하여 왔다(이경모 2003). 이러한 원형 및 아치형 파형강판 구조물은 압축링 이론을 통해 해석이 가능하다.
	파형강판 구조물은 어디에 사용되나?	파형강판 구조물은 지반 플레이트 합성 구조물로서 기존의 아치형 철근콘크리트 라멘 구조물에 비하여 공기 단축 효과 및 경제성 등이 우수하고 유지 관리비의 절감 측면에서 유리한 것으로 평가되고 있다(이경모, 2003). 최근 소규모 교량, 개착직 터널과 같은 지중 구조물, 수로암거 및 생태 이동 통로등에 주로 사용되고 있으며, 사용 목적에 따라서 적용 실적이 더 증가할 것으로 예상된다. 현재 적용되고 있는 파형강판 구조물은 환 압축 이론을 배경으로 축력 지배 구조물을 형성하기 위하여 원형 및 아치형의 단면을 주로 사용하여 왔다(이경모 2003).

참고문헌 (9)

유호연, "장스팬 파형강판 구조물의 설계법 개발", 한양대학교 대학원 토목공학과, 2001, pp.1-5.
이경모, "대골형 파형강판 휨 강도에 대한 연구", 서울산업대학교 산업대학교 구조공학과, 2003, pp.1-4.
이종구, 조성민, 이종관, 윤태양, "지중강판 구조물에서 볼트 균열 발생에 영향을 미치는 인자 분석", 대한토목학회 논문집, 제 27권, 2c호, 2007, pp.129-137.
포항산업과학연구원, "파형강판 지중암거의 설계와 시동", 1998.
포항산업과학연구원, "장스팬 파형강판 구조물 실용화 연구", 2002.
한양대학교, "강합성 빔보강 공법의 성능 점검 및 실용화 방안 연구", 2007.
AASHTO, "Standards Specification for Transportation Materials and Methods of Sampling and Testing", 9th Ed, 1998.
KS B 0801, "금속 재료 인장 시험편", 한국산업규격, 2007.
KS B 0802, "금속 재료 인장 시험 방법", 한국산업규격, 2007.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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