최근 프리캐스트 하부 구조에 대한 연구가 많이 이루어지고 있으며 국내 및 국외에서 현장 적용이 이루어지고 있는 실정이다. 그러나 프리캐스트 하부 구조의 경우 대부분 교각의 기둥 부분에 대한 연구에 매진하고 있으나, 프리캐스트 하부 구조를 완성하려면 코핑부 또한 사전 제작 및 현장 운반이 필요한데, 이를 위해서는 코핑부의 경량화를 이루어야 한다. 이렇듯 코핑부의 경량화를 위해서 코핑부 역시 기둥부와 같이 분절화하여 현장에서 조립하는 공법을 적용하여야 교량의 하부 구조 시스템이 완전하게 프리캐스트 하부 구조가 될 수 있을 것이다. 이 연구에서는 사전에 제안된 프리캐스트 교각에 맞는 프리캐스트 코핑부를 기존 연구자에 의하여 제시되어진 모델을 기반으로 한 수정 모델을 제안하였으며, 이를 해석 및 실험 연구를 통하여 거동 분석을 수행하여 그 성능을 분석하였다.
최근 프리캐스트 하부 구조에 대한 연구가 많이 이루어지고 있으며 국내 및 국외에서 현장 적용이 이루어지고 있는 실정이다. 그러나 프리캐스트 하부 구조의 경우 대부분 교각의 기둥 부분에 대한 연구에 매진하고 있으나, 프리캐스트 하부 구조를 완성하려면 코핑부 또한 사전 제작 및 현장 운반이 필요한데, 이를 위해서는 코핑부의 경량화를 이루어야 한다. 이렇듯 코핑부의 경량화를 위해서 코핑부 역시 기둥부와 같이 분절화하여 현장에서 조립하는 공법을 적용하여야 교량의 하부 구조 시스템이 완전하게 프리캐스트 하부 구조가 될 수 있을 것이다. 이 연구에서는 사전에 제안된 프리캐스트 교각에 맞는 프리캐스트 코핑부를 기존 연구자에 의하여 제시되어진 모델을 기반으로 한 수정 모델을 제안하였으며, 이를 해석 및 실험 연구를 통하여 거동 분석을 수행하여 그 성능을 분석하였다.
Recently, bridge construction technology has made great progress from development of high performance materials and new bridge types. However, most technology are based on methods of cast-in-place and material cost saving. The method of cast-in-place concrete causes environmental damages and costume...
Recently, bridge construction technology has made great progress from development of high performance materials and new bridge types. However, most technology are based on methods of cast-in-place and material cost saving. The method of cast-in-place concrete causes environmental damages and costumer complaints. Especially, under bad weather conditions, the construction can not proceed. To overcome these disadvantages, new construction methods were developed to reduce construction time. These methods are called precast method. Most prefabricated methods have been applied to superstructure constructions of bridges, but very minutely applied to substructure constructions. The most important agendas on precast method are light weight and transportability of the precasted members, because very strict transporting specifications exist for road transportation of the precasted members. For example, the weight and length of coping members may be larger than the available transporting vehicles. Although column is constructed by precast method to save construction time, if coping member is constructed by cast-in-place method, then the column construction time reduction becomes meaningless. Therefore, in this study, a new precast coping member and a connecting system of column-coping member are proposed. The proposed method is verified by analyzing their ultimate performance through analysis and experimental study.
Recently, bridge construction technology has made great progress from development of high performance materials and new bridge types. However, most technology are based on methods of cast-in-place and material cost saving. The method of cast-in-place concrete causes environmental damages and costumer complaints. Especially, under bad weather conditions, the construction can not proceed. To overcome these disadvantages, new construction methods were developed to reduce construction time. These methods are called precast method. Most prefabricated methods have been applied to superstructure constructions of bridges, but very minutely applied to substructure constructions. The most important agendas on precast method are light weight and transportability of the precasted members, because very strict transporting specifications exist for road transportation of the precasted members. For example, the weight and length of coping members may be larger than the available transporting vehicles. Although column is constructed by precast method to save construction time, if coping member is constructed by cast-in-place method, then the column construction time reduction becomes meaningless. Therefore, in this study, a new precast coping member and a connecting system of column-coping member are proposed. The proposed method is verified by analyzing their ultimate performance through analysis and experimental study.
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문제 정의
이 연구는 완전한 조립식 교각을 개발하기 위하여 코핑부를 분절화하고 경량화시켜 현장에서 조립 시공을 하도록 하는 시공 방법의 제안하였다. 제안된 방법을 실험 및 해석적인 방법으로 검증하였으며, 이 연구의 결과는 다음과 같이 정리할 수 있다.
가설 설정
이와 같이 2가지의 해석 방법을 수행하기 위하여 콘크리트(solid : C3D8R), 철근(truss : T3D2), 강선(beam : B31)각각의 요소를 적용하였다. 그리고 철근과 강선 그리고 콘크리트의 interaction 옵션은 묻힘 지역(embedded region)을 적용하여 합성 거동으로 가정하였다.
이 절에서는 해석 및 실험 연구에 적용될 모델을 선정하였다. 아래의 3가지 모델의 경우 코벨이 아닌 내민보검토를 하였으며, deep beam으로 설계 하였다.
철근과 강선의 탄성계수는 200 GPa, 철근의 항복 강도 400 MPa, 강선의 항복 강도는 800 MPa로 가정하였다. 콘크리트의 탄성계수는 28,427.
코핑부를 조립화하기 위해서는 3대 요소를 충족시켜야 한다. 첫 번째, 구조 안정성이다. 기존의 현장 타설로 일체화 되어 있는 코핑부를 공장에서 각 유닛을 제작한 후에 현장에서 조립 시공만 하는 공정으로 진행되기 때문에 접합부의 취약화로 인해 전체 구조물이 붕괴될 가능성이 있기 때문에 접합부의 구조 안정성이 가장 첫 번째로 확보 되어야 한다.
제안 방법
12는 Figs. 10, 11과 동일한 방법을 적용하여 분절 형 코핑부를 조립하였으며, 기둥부와의 접합부를 추가한 모델로서 2가지의 인자가 동시에 적용이 되었을 경우에 코핑부에 미치는 영향성에 대하여 검토하기 위하여 시험을 수행하였으나, Figs. 10, 11과 거의 동일한 거동 특성을 보임으로서 추가된 인자인 기둥-코핑 접합부가 코핑의 거동에 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 그 적용성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
5와 같은 제원을 갖는 분절형 코핑+코핑 접합부 1건으로 총 4건의 시험체를 제작하였다. 가장 일반적인 모델인 비분절형 코핑 모델과 분절형 코핑부의 균열 특성 및 거동 특성을 비교하며 더 나아가 완전한 조립식 교각을 실현하기 위하여 교각의 기둥부와 코핑부와의 접합부가 첨가된 모델에 대한 거동 특성을 분석하였으며, 세 가지 모델을 비교 분석하였다.
프리캐스트 유닛들의 접촉 부분은 에폭시 수지를 이용하여 접합한다. 긴장력은 탄성 수축에 의한 손실량, 정착 장치에서의 활동에 의한 손실량, PS 강재와 쉬스관 마찰에 의한 손실량, 크리프(creep)에 의한 손실량, 건조수축에 의한 손실량, 이완(relaxation)에 의한 손실량 등을 고려하였다. 초기 긴장력은 421.
1) 분절화된 코핑부를 접합하기 위하여 기본적으로 프리스트레싱으로 구조화시켜 강선을 이용하여 긴장력을 가하여 접합을 한다. 또한 추가적으로 구조물의 안정성을 위하여 인장부 및 주요 부분에 대한 철근을 커플러를 이용하여 접합을 한 후 그 공간을 모르타르로 채워 시공한다.
이 절에서는 해석 및 실험 연구에 적용될 모델을 선정하였다. 아래의 3가지 모델의 경우 코벨이 아닌 내민보검토를 하였으며, deep beam으로 설계 하였다.
위의 세 가지 요소를 고려하여 이 연구에서는 Fig. 1과 같이 코핑부의 분절화 및 접합 방법을 제안하였다. 주요 접합 방법은 S.
이 연구에서는 원덕희12)에 의해 제안된 조립식 교각에 맞는 조립식 코핑부를 기존 연구자인 S. L. Billington2) 등에 의하여 제시되어진 조립식 코핑부 모델을 기반으로 한 수정 모델을 제안하였으며, 이를 해석 및 실험 연구를 통하여 거동 특성 분석을 수행하여 그 성능을 분석하였다.
분절형 시험체와는 다르게 기둥-코핑 접합부까지 따로 조립 시공을 하기 때문에 기둥부에서 철근이 코핑부에 연장이 될 수 없다. 이러한 철근 손실을 방지하기 위하여 Fig. 5와 같이 압축 측에 철근을 배치하고 이를 인장 철근과 띠 철근으로 배근하였다. 이러한 추가적인 철근 배근이 코핑부의 성능을 향상시킨 것으로 판단된다.
이와 같이 2가지의 해석 방법을 수행하기 위하여 콘크리트(solid : C3D8R), 철근(truss : T3D2), 강선(beam : B31)각각의 요소를 적용하였다. 그리고 철근과 강선 그리고 콘크리트의 interaction 옵션은 묻힘 지역(embedded region)을 적용하여 합성 거동으로 가정하였다.
1과 같이 코핑부의 분절화 및 접합 방법을 제안하였다. 주요 접합 방법은 S. L. Billington8)이 제안한 PC 강선을 이용한 프리스트레싱 방법을 기본 모델로 선정 후 구조 안정성을 고려하여 수정 모델을 제안하였다.
철근과 강선의 탄성계수는 200 GPa, 철근의 항복 강도 400 MPa, 강선의 항복 강도는 800 MPa로 가정하였다. 콘크리트의 탄성계수는 28,427.05 MPa이며, Fig. 18과 같이 비구속 콘크리트 재료 모델과 Fig. 19의 강재의 비선형모델을 이용하여 비선형 해석을 수행하였다.
대상 데이터
8과 같이 서서히 하중을 상승시키는 정적하중을 통하여 극한 거동을 분석하기 위하여 300 tonf 가력기를 이용하였다. 변위계(LVDT)는 시험체 하단의 중앙과 중앙으로부터 좌우로 400 mm 떨어진 부분에 설치하였으며, 변형률 게이지는 커플러로 접합한 철근들이 요구 성능을 발휘하는지에 대해 검증하기 위해 코핑부의 각 세그먼트의 인장 철근부에 설치하였다.
시험 모델의 콘크리트 플라이애쉬는 설계 강도 37 MPa이며, 실제 시험체 제작 시 강도는 Fig. 7의 플라이애쉬 Test를 통하여 측정한 결과 39.45 MPa이다. 또한 무수축 고강도 모르타르의 강도는 7일강도로 71.
시험체는 비교군인 비분절형 코핑 시험체 1건, Fig. 4와 같은 제원을 갖는 분절형 코핑 2건, Fig. 5와 같은 제원을 갖는 분절형 코핑+코핑 접합부 1건으로 총 4건의 시험체를 제작하였다. 가장 일반적인 모델인 비분절형 코핑 모델과 분절형 코핑부의 균열 특성 및 거동 특성을 비교하며 더 나아가 완전한 조립식 교각을 실현하기 위하여 교각의 기둥부와 코핑부와의 접합부가 첨가된 모델에 대한 거동 특성을 분석하였으며, 세 가지 모델을 비교 분석하였다.
2 MPa이다. 철근은 일반적으로 사용되는 SD400을 이용하여 시험체를 제작하였으며, 긴장력은 2.2절에서 언급한 바와 같이 여러 요소의 손실량을 고려하여 초기 긴장력을 421.69 kN,유효 긴장력은 337.468 kN으로 가하였다.
데이터처리
2.2절에서 제안된 모델을 해석하기 위하여 범용 구조해석 프로그램 ABAQUS를 이용하여 해석 연구를 하였다. 이 모델들을 해석하기 위해서는 2가지의 다른 해석 방법을 적용하여야 한다.
성능/효과
10, 11과 동일한 방법을 적용하여 분절 형 코핑부를 조립하였으며, 기둥부와의 접합부를 추가한 모델로서 2가지의 인자가 동시에 적용이 되었을 경우에 코핑부에 미치는 영향성에 대하여 검토하기 위하여 시험을 수행하였으나, Figs. 10, 11과 거의 동일한 거동 특성을 보임으로서 추가된 인자인 기둥-코핑 접합부가 코핑의 거동에 영향을 미치지 않는 것으로 나타나 그 적용성이 매우 우수한 것으로 나타났다.
2) 조립화된 코핑부는 기존의 비분절형 코핑부에 비해 삽입된 강선에 의하여 연성도가 크게 증가하여 안전성 및 안정성이 크게 상승한 것으로 판단된다.
3) 인장 철근의 성능은 전체 거동성에 큰 영향을 미치는 것으로 나타났으며, 철근 커플러의 성능이 코핑부의 강도를 좌우하기 때문에 정밀하게 시공해야 할 것으로 판단된다.
4) 범용 프로그램을 이용한 조립식 코핑부의 비탄성해석 방법을 제안하였으며, 그 방법은 실험치와 그 경향성이 유사한 것으로 나타나 향후에 실험 없이 거동 분석을 하는데 기반을 마련하였다.
5) 에폭시 수지에 의한 코핑 세그먼트 접촉 부분의 접합은 완전 합성이 아닌 부분 합성으로 판단된다. 에폭시 수지를 도포 할 경우에는 최대한 부착이 될 수 있도록 정밀 시공을 해야 할 것으로 판단되다.
기존의 현장 타설로 일체화 되어 있는 코핑부를 공장에서 각 유닛을 제작한 후에 현장에서 조립 시공만 하는 공정으로 진행되기 때문에 접합부의 취약화로 인해 전체 구조물이 붕괴될 가능성이 있기 때문에 접합부의 구조 안정성이 가장 첫 번째로 확보 되어야 한다. 두 번째, 현장 적용성으로 현장에서의 작업량이 최소화 되어야 하고, 시공법이 간단하고 현실성이 있어 기존의 시공 인력들이 힘들이지 않고 적용 가능한 것이 좋을 것으로 판단된다. 세 번째, 경제성으로 기존의 현장 타설 공법에 비해서 경제적으로 이득이 커야 하며, 공기 단축 효과가 커야 한다.
두 번째, 현장 적용성으로 현장에서의 작업량이 최소화 되어야 하고, 시공법이 간단하고 현실성이 있어 기존의 시공 인력들이 힘들이지 않고 적용 가능한 것이 좋을 것으로 판단된다. 세 번째, 경제성으로 기존의 현장 타설 공법에 비해서 경제적으로 이득이 커야 하며, 공기 단축 효과가 커야 한다. 또한 현장에서 사용되는 장비가 최소가 되어야 한다.
전체적으로 하중이 직접적으로 가해지는 부분과 수직인 중앙 부분의 변형이 가장 큰 것으로 나타났으며, 좌우 인장 철근은 상대적으로 변형이 적은 것으로 나타났다. 또한 Fig.
제시된 세 가지 방법들은 현재 상부 구조의 프리캐스트 공법에서 적용되고 있는 방법으로서 다수의 시공 전문가들이 있는 실정이며, 현재의 설계 및 시공 방법으로 모두 적용 가능한 방법들이라 판단된다.
후속연구
먼저 모르타르를 채운 부분에서 국부적으로 균열이 발생하였으며, 이 균열들이 다른 부분으로 확대되는 것을 볼 수 있었다. 그러나 이 모르타르의 균열은 코핑부의 전체적인 성능에 전혀 영향을 미치지 못하는 것으로 나타나나 향후 현장 적용시에는 코팅 혹은 다른 방법을 사용하여 보강해야 할 것으로 판단된다.
이는 에폭시 수지가 콘크리트를 완전 부착 시키지 못하나 부분적으로 콘크리트를 부착시킴으로써 그 성능을 발휘 하는 것으로 나타났다. 또한 해석값이 실험값과 그 양상이 유사한 것으로 나타나 향후 해석 방법을 통하여 세부적인 검토를 하여도 무방할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현장 타설의 문제점은 무엇인가?
그러나 대부분의 기술 개발은 현장 타설 및 재료비 절감을 위한 공법에 치중하고 있다. 이러한 현장 타설의 경우 주변 환경 피해와 주변 민원을 야기할 뿐만 아니라 날씨에 큰 영향을 받는 단점을 가지고 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 공기 단축을 위한 공법 개발이 증대되고 있는 실정이다.
PC 강선만을 이용한 접합 방법은 어떤 문제가 있는가?
기존의 PC 강선만을 이용한 접합 방법의 경우에는 전단력에 대한 저항이나 강선의 장력을 손실에 대비하여 이를 지탱해 줄 방법이 없을 뿐만 아니라 이로 인하여 구조물이 급작스런 취성 파괴로 이어질 가능성이 있다. 이에 대한 보완 방법으로서 콘크리트 접합면의 경우 Fig.
Matsumoto, E. E., "Development of a Precast Bent Cap System," Doctoral Thesis, The University of Texas at Austin, USA, 2000, 562 pp.
Billington, S. L., Barnes, R. W., and Breen, J. E., "A Precast Substructure Design For Standard Bridge Systems," Research Report, No. FHWA/TX-98/1410-2F, 1998, pp. 24-26.
Billington, S. L. and Breen, J. E., "Improving Standard Bridges with Attention to Cast-In-Place Substructure," Journal of Bridge Engineering, Vol. 5 No. 4, 2000, pp. 344-351.
Billington, S. L., Barnes, R. W., and Breen, J. E., "Alternate Substructure Systems for Standard Highway Bridges," Journal of Bridge Engineering, Vol. 6, No. 2, 2001, pp. 87-94.
Billington, S. L. and Yoon, J. K., "Cyclic Response of Unbonded Posttensioned Precast Columns with Ductile Fiber-Reinforced Concrete," Journal of Bridge Engineering, Vol. 9, No. 4, 2004, pp. 353-363.
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