[논문]스터럽을 이용한 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더 연결부의 수평전단강도

유동민; 황훈희; 김성태; 박성용

doi:10.7234/kscm.2012.25.5.164

스터럽을 이용한 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더 연결부의 수평전단강도
Interface Horizontal Shear Strength between UHPC Deck and Concrete Girder with Stirrups 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.25 no.5, 2012년, pp.164 - 168

유동민 (한국도로교통협회 기술국) , 황훈희 (한국도로교통협회 기술국) , 김성태 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 인프라구조연구실) , 박성용 (한국건설기술연구원 SOC성능연구소 인프라구조연구실)

초록
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이 연구에서는 초고성능콘크리트 교량 바닥판과 콘크리트 거더 사이의 연결부의 전단에 대하여 도로교설계기준과 AASHTO LRFD 교량설계기준에서 요구되는 규정을 평가하였다. 2면 전단실험을 통해 연결부 접촉면에서의 합성 거동을 분석하였고, 실험결과와 현행 기준에 의해 계산된 수평전단강도를 비교하였다. 그 결과, 실험결과에 의한 수평전단강도가 현행 기준식에 의한 값보다 더 보수적인 예측치를 보이는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this experimental research was to evaluate interface shear requirements between UHPC deck and concrete girder with stirrups according to Korean Highway Bridge Design Code and AASHTO LRFD Bridge Design Specifications. The push-out tests are performed to analize the composite behavior in interface of connection. The test results were compared to the values of interface horizontal shear strength predicted by current codes. As the results, it was observed that the test results provided more conservative estimate for horizontal shear strength than the values by current codes equation.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

여기서는 콘크리트 거더와 프리캐스트 UHPC 바닥판을 연결하는 방식의 교량에 대하여 거더와 바닥판의 합성에 따른 수평 전단강도에 관해 연구하였다. 여러 연구자들은 이와 관련하여 많은 실험과 이에 근거한 전단강도 평가식을 제안하였으며, 설계기준에서는 기술자들이 전단연결부에 대하여 안전하게 설계할 수 있도록 합리적인 수평전단강도 설계식을 제시하고 있다.
이 실험은 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더 연결면의 수평 전단성능을 평가하기 위해 수행하였다. 바닥판을 모사한 UHPC 측면 부재와 콘크리트 거더를 모사한 콘크리트 중앙 부재의 합성을 고려하여 2면 전단 실험체를 제작하였다.
이 절에서는 스터럽을 이용한 UHPC 프리캐스트 바닥판과 콘크리트 거더의 합성설계를 위하여 국내외 관련 기준을 검토하였다. 설계기준에서는 균열이 발생하거나 발생할 가능성이 있는 면, 서로 다른 재료간의 접촉면 또는 서로 다른 시기에 친 콘크리트 사이의 접촉면에 대해서 전단전달을 고려하도록 규정하고 있다.

제안 방법

(a), 증기양생을 한 후, 바닥판을 모사한 측면부 재의 거푸집을 제작하였다
가력기는 3,000kN까지 재하 가능한 장비를 사용하였으며, 초기에는 하중제어방법으로 2kN/sec의 속도로 가력한 후, 상대변위가 급격히 늘어날 것으로 예상되는 단계(직경 13mm 일 때 150kN)에서는 변위제어 방식으로 변경하여 0.01mm/sec 속도로 더 이상의 하중이 증가하지 않을 때까지 가력하였다.
거더를 모사한 중앙 콘크리트와 바닥판을 모사한 측면 UHPC의 상대변위를 측정하기 위하여 측면 UHPC 상단으로 부터 120mm 지점에 처짐계(LVDT)를 설치하였으며, 앞 뒤 2곳에서 측정하여 부재 제작과 하중 재하시 편심 발생 여부도 관측하였다.
이 실험은 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더 연결면의 수평 전단성능을 평가하기 위해 수행하였다. 바닥판을 모사한 UHPC 측면 부재와 콘크리트 거더를 모사한 콘크리트 중앙 부재의 합성을 고려하여 2면 전단 실험체를 제작하였다. 전단연결 방식은 일반적인 스터럽 형태를 선택하였고, Table 1과 같이 스터럽의 직경을 변수로 하였으며, 사용빈도가 높은 13mm와 16mm를 선정하여 UHPC 프리캐스트 바닥판의 성능 평가를 수행하였다.
수평전단강도 평가를 위해 2면 전단실험을 수행하였고, 국내외 관련 기준의 수평전단강도 설계식과 비교 · 검토를 통해 국내 설계기준의 적용성을 분석하였다.
수평전단강도를 평가하기 위한 실험으로는 비교적 경제적이고 전단연결재만의 거동 특성을 분석하기 용이한 2면 전단 실험을 수행하였다.
여기에서는 국내 도로교설계기준[5]과 AASHTO LRFD Bridge Design Specifications(AASHTO LRFD)[6]의 관련 규정을 조사하여 실험값과 비교 · 검토하였다.
이 연구에서는 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더의 합성 방안으로 스터럽에 의한 연결구조에 대한 성능평가를 위해 실험과 설계기준 분석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 연구에서는 스터럽을 이용한 일반 콘크리트 거더와 UHPC 바닥판의 합성에 대하여 수평전단거동을 분석하였다. 수평전단강도 평가를 위해 2면 전단실험을 수행하였고, 국내외 관련 기준의 수평전단강도 설계식과 비교 · 검토를 통해 국내 설계기준의 적용성을 분석하였다.
바닥판을 모사한 UHPC 측면 부재와 콘크리트 거더를 모사한 콘크리트 중앙 부재의 합성을 고려하여 2면 전단 실험체를 제작하였다. 전단연결 방식은 일반적인 스터럽 형태를 선택하였고, Table 1과 같이 스터럽의 직경을 변수로 하였으며, 사용빈도가 높은 13mm와 16mm를 선정하여 UHPC 프리캐스트 바닥판의 성능 평가를 수행하였다.

대상 데이터

UHPC의 설계기준압축강도는 180MPa이고, 중앙 콘크리트 부재는 45MPa이며, 철근의 인장강도는 400MPa이다. 실험체명 중 첫번째 문자는 중앙부재의 재료인 콘크리트(Concrete), 두 번째 문자는 전단연결재인 스터럽(Stirrup) 그리고 나머지 문자는 스터럽(Stirrup)의 직경을 의미한다.
이 논문의 실험체는 깨끗한 콘크리트 표면에 새로 친 콘크리트이고 레이턴스(Laitance)가 없으며 표면을 의도적으로 거칠게 하지 않은 경우로 c=0.075(ksi), μ=0.6, K1=0.2, K2=0.8(ksi)를 적용하였다.

성능/효과

Loov 등[2]은 합성보 형태의 전단실험을 통해 콘크리트 강도와 부착응력의 효과를 고려한 수평전단강도 식을 제안하였으며, 이 식은 경량 콘크리트에도 적용 가능하다고 하였다. 또한, 실험 초기에는 표면의 부착력에 의해 전단에 저항하며, 이때 스터럽은 전단 저항에 거의 기여하지 않음을 보였다. Kahn 등[3]은 고강도 콘크리트 부재의 전단실험을 통해 현행 설계기준의 적용성을 검토하였다.
모든 실험체는 항복 후 스터럽의 파단에 의한 파괴 양상을 보였으며, 전단저항 능력은 스터럽의 직경에 비례하는 것으로 나타났다.
비교 결과 설계값에 대한 실험값의 비율이 1보다 큰 값을 보이고 있어, 스터럽을 사용한 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더의 수평전단 설계시 현행 기준을 적용하여도 안전측의 경향을 볼 수 있는 것으로 판단된다.
실험값과 설계기준에 의한 수평전단강도를 비교 · 검토한 결과, 현행 기준을 사용하여 설계하여도 안전측의 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
이 실험에서는 바닥판을 모사한 측면부재의 할렬파괴 방지를 위해 폭을 600mm로 하였고, 직접재하 방법으로 정적실험을 실시한 결과 모든 실험체는 스터럽의 파단으로 파괴되는 양상을 보였다.
콘크리트 강도와 스터럽 개수 등을 변수로 한 수평전단실험 결과와 AASHTO LRFD 및 ACI의 수평전단강도 설계식을 비교 · 분석하였으며, 두 설계식 모두 보수적인 경향을 나타냈다.

후속연구

향후 수평전단강도 설계시 국내 UHPC 재료에 대한 점착력이나 마찰계수 등 재료 특성이 반영되어야 할 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	초고성능 콘크리트 재료의 교량 분야 활용을 통해 무엇을 기대할 수 있는가?	교량 분야에서 초고성능 콘크리트(Ulta High Performance Concrete, UHPC) 재료의 활용은 바닥판의 중량 감소와 경제성 향상을 기대할 수 있으며, 프리캐스트 형식의 바닥판 적용은 시공성과 품질관리의 효율성을 제고할 수 있다.
	본 연구에서는 초고성능콘크리트 교량 바닥판과 콘크리트 거더 사이의 연결부의 전단에 대해 어디에서 요구되는 규정을 평가하였는가?	이 연구에서는 초고성능콘크리트 교량 바닥판과 콘크리트 거더 사이의 연결부의 전단에 대하여 도로교설계기준과 AASHTO LRFD 교량설계기준에서 요구되는 규정을 평가하였다. 2면 전단실험을 통해 연결부 접촉면에서의 합성 거동을 분석하였고, 실험결과와 현행 기준에 의해 계산된 수평전단강도를 비교하였다.
	본 연구에서 UHPC 바닥판과 콘크리트 거더의 합성 방안으로 스터럽에 의한 연결구조에 대해 실험한 결과는 어떠한가?	모든 실험체는 항복 후 스터럽의 파단에 의한 파괴 양상을 보였으며, 전단저항 능력은 스터럽의 직경에 비례하는 것으로 나타났다. 실험값과 설계기준에 의한 수평전단강도를 비교․검토한 결과, 현행 기준을 사용하여 설계하여도 안전측의 성능을 확보할 수 있을 것으로 판단된다. 향후 수평전단강도 설계시 국내 UHPC 재료에 대한 점착력이나 마찰계수 등 재료 특성이 반영되어야 할 것으로 생각된다.

참고문헌 (6)

Lee, J.W., Joh, C.B., and Kim, B.S., "Horizontal Shear Strength between Ultra High Performance Concrete and Normal Concrete," Korea Concrete Institute, 2011, pp. 31-32.
Loov, R.E. and A.K. Patnaik, "Horizontal Shear Strength of Composite Concrete Beams with a Rough Interface," PCI Journal, Vol 39, No. 1, 1994, pp. 48-67.

상세보기
Kahn, L.F. and Mitchell, A.D., "Shear Friction Tests with High-Strength Concrete," ACI Structural Journal, Vol. 99, No. 1, pp. 98-103.

상세보기
Yoo, D.M., Hwang, H.H., Kim, S.T., and Park, S.Y., "An Experimental Study on the shear connection for UHPC Deck Bridge," Journal of The Korean Society for Composite Materials, Vol. 24, No. 5, 2011, pp. 29-33.
Minister of Land, Transport and Maritime Affairs, 도로 교설계기준, Korea Road & Transportation Association, Seoul, 2010, pp. 4-84.
AASHTO, AASHTO LRFD Bridge Design Specifications, 6th ed., American Association of State Highway and Transprotation Officials, Washington, DC, 2012. pp. 5-84.

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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