교량 건설에 있어서 사용 재료의 개발과 새로운 형식을 개발하는 기술이 발달하였다. 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. 이 방법이 조립식 공법이다. 대부분의 조립식 건설공법은 상부구조에 위주이며, 이에 반해서 하부구조는 매우 미미하다. 선행 연구자들은 내부 구속 중공 CFT 기둥을 이용하여 조립식 기둥을 제시하였으며, 상세 요소로 기둥 세그먼트 접합부, 기초접합부, 기둥-코핑 접합부, 조립식 코핑부가 개발되어졌다. 본 연구에서는 기존에 개발된 방법을 적용하여 조립식 ICHCFT 모델의 실험체를 제작하여 내진성능을 분석하였다. 실험체는 기둥 접합방법에 따라서 몰탈주입법과 보강재 보강법으로 2개가 제작되었으며, 실험 모델이 지진 하중을 받을 경우의 파괴 및 거동 특성을 다양한 방법으로 분석하였다.
교량 건설에 있어서 사용 재료의 개발과 새로운 형식을 개발하는 기술이 발달하였다. 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. 이 방법이 조립식 공법이다. 대부분의 조립식 건설공법은 상부구조에 위주이며, 이에 반해서 하부구조는 매우 미미하다. 선행 연구자들은 내부 구속 중공 CFT 기둥을 이용하여 조립식 기둥을 제시하였으며, 상세 요소로 기둥 세그먼트 접합부, 기초접합부, 기둥-코핑 접합부, 조립식 코핑부가 개발되어졌다. 본 연구에서는 기존에 개발된 방법을 적용하여 조립식 ICH CFT 모델의 실험체를 제작하여 내진성능을 분석하였다. 실험체는 기둥 접합방법에 따라서 몰탈주입법과 보강재 보강법으로 2개가 제작되었으며, 실험 모델이 지진 하중을 받을 경우의 파괴 및 거동 특성을 다양한 방법으로 분석하였다.
Recently, a great progress has been made in bridge construction technology through the development of high performance materials and new structural types. However, most of attention has been paid to the cast-in-place technologies and material cost saving. The cast-in-place method is always subject t...
Recently, a great progress has been made in bridge construction technology through the development of high performance materials and new structural types. However, most of attention has been paid to the cast-in-place technologies and material cost saving. The cast-in-place method is always subject to some environmental damages in construction sites, which frequently causes conflicts with residents. To overcome the disadvantages, a lot of fabrication construction method was developed. Most fabrication construction methods developed up to now have been applied for superstructure of bridges. In contrast, such fabricable methods developed for substructures are extremely rare. A fabricated column using ICH CFT(Internally Confined Hollow CFT) column was developed in a series of previous researches. Included in the previous studies are design and construction methods for the precast segmental coping, the column-coping connection, the column-segment connection, column-foundation connection. In this paper, seismic performance of the fabricated ICH CFT columns was extensively investigated experimentally. Two test specimens were prepared depending on the connection methods of segments; one by mortar-grouting method and the other by reinforcement method using stiffeners.
Recently, a great progress has been made in bridge construction technology through the development of high performance materials and new structural types. However, most of attention has been paid to the cast-in-place technologies and material cost saving. The cast-in-place method is always subject to some environmental damages in construction sites, which frequently causes conflicts with residents. To overcome the disadvantages, a lot of fabrication construction method was developed. Most fabrication construction methods developed up to now have been applied for superstructure of bridges. In contrast, such fabricable methods developed for substructures are extremely rare. A fabricated column using ICH CFT(Internally Confined Hollow CFT) column was developed in a series of previous researches. Included in the previous studies are design and construction methods for the precast segmental coping, the column-coping connection, the column-segment connection, column-foundation connection. In this paper, seismic performance of the fabricated ICH CFT columns was extensively investigated experimentally. Two test specimens were prepared depending on the connection methods of segments; one by mortar-grouting method and the other by reinforcement method using stiffeners.
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제안 방법
내진성능을 평가하기 위하여 준정적 실험을 수행하였다. 기둥 압축내력의 10%인 1000kN을 축하중으로 지속적으로 가하며, 반복 이력 하중을 가하였다. Figure 18은 축하중과 반복이력하중을 가하기 위한 실험 장비를 세팅한 것으로 축하중을 가하기 위하여 기둥의 상부에 유압기를 이용하여 하중을 가하였으며, Figure 18(a)와 같이 유압 가력기를 설치하여 횡하중을 가하였다.
내진성능을 평가하기 위하여 준정적 실험을 수행하였다. 기둥 압축내력의 10%인 1000kN을 축하중으로 지속적으로 가하며, 반복 이력 하중을 가하였다.
다음으로는 Figure 21과 같이 실험체에 부착한 스트레인 게이지를 분석하였으며, 몰탈 주입모델은 실험데이터가 적어 보강재 보강 모델만으로 분석하였다. Figure 34는 가력방향의 스트레인 게이지를 나타낸 것으로 2번 게이지 즉, 베이스플레이트 상단에 변형이 가장 큰 것으로 나타났다.
다음으로는 에너지 소산도를 분석하였다. 에너지 소산도는 Figure 31의 하중-변위 포락곡선의 그래프 면적을 누적하여 계산한 것으로 Drift Ratio에 따라서 나타내면 Figure 33과 같으며 보강재 보강 모델이 에너지 소산도가 우수한 것으로 나타났으나 큰 차이는 없는 것으로 판단된다.
본 연구는 조립식 내부 구속 중공 CFT 기둥의 내진성능 평가를 연구한 것으로 기둥 세그먼트 접합방법에 따라서 2가지의 시험체를 제작하여 실험 연구를 수행하여 제안된 조립식 기둥의 거동을 분석하였다.
기둥 부분을 분절화 시킨다는 것은 현장에서 시공 시 분절화 된 부분을 접합할 수 있는 기술을 제시하고 또한 설계를 해야 한다. 본 연구에서는 기둥 세그먼트 접합방법을 2가지를 제안하고 실험 연구를 함에 있어서 변수로 설정하였다. 기둥세그먼트 접합부와 기초 접합부는 아래의 설명과 같으며, 기둥-코핑 접합부는 원덕희 등(2012)에서 제시한 방법을 적용하였다.
본 연구에서는 사전 연구를 통하여 제안된 접합방법을 모두 적용하여 이를 실험적 검증으로 검증하였으며, 준정적 실험을 통하여 내진성능을 분석하였다.
실험을 수행한 두 가지의 실험 모델 중 몰탈 주입 모델은 실험 중단으로 인해 실험치가 많이 않아 부분적으로 결과 분석을 수행하였다.
몰탈 주입법은 보강재 보강법과는 다르게 원래의 비분절형 ICH CFT 기둥에 가장 가까운 접합방법이다. 외부 튜브는 완전 홈용입용접을 통하여 외부에서 보이는 미관을 확보하고 내부튜브의 접합은 홈용입용접이나 볼트 용접을 통하여 중공부의 작업공간 확보에 따라서 방법을 달리하도록 제시하였다. 그리고 콘크리트는 기둥 세그먼트 제작 시 Figure 8(a)와 같이 하단은 콘크리트 전단키로 만들며 상단은 전단키의 높이만큼 공간을 비워둔 후 Figure 8(b)와 같이 빈 공간에 몰탈을 타설하고 마지막으로 내· 외부 튜브를 제시된 방법으로 접합을 한다.
이 때 보강재의 설계 방법으로 식 (1)과 같이 기존 일체형 기둥을 분절화 하면서 손실된 콘크리트부와 내· 외부튜브의 손실된 I값을 보강재로 보강하는 방법을 제시하였다.
기초 접합부는 베이스 플레이트법 그리고 앵커프레임으로 제작되어 Figure 13(c)의 기초부에 설치가 되었으며, 콘크리트 전단키의 종류는 Figure 7의 기계적 전단키를 설치하였다. 콘크리트를 타설한 이후에 그라인더로 연마를 하여 접합시 공극이 생기지 않도록 하였다.
해석 모델은 한택희 등(2011)에서 제안된 하중-변위 모델을 이용하였으며 이때 사용된 물성치는 Table 1을 이용하였다. 해석은 콘크리트의 구속효과를 고려할 경우와 고려하지 않을 경우에 대해서 비교 분석하였으며, 본 해석은 구성요소 중 하나가 파괴되면 해석이 멈추도록 되어 있다. 보강재 보강 모델과 해석 결과를 비교한 결과 구속 효과를 비교한 모델이 더욱 결과를 알맞게 추정하는 것으로 나타났으나 최대강도와 최대강도에 도달한 이후에 강도가 감소하는 구간을 해석 프로그램에서는 구현하지 못하는 것으로 판단된다.
대상 데이터
실험 대상인 조립식 ICH CFT 기둥은 콘크리트를 내 · 외부로 강재 튜브가 둘러싸고 있기 때문에 전형적인 철근 콘크리트 기둥의 파괴모드를 관찰 할 수가 없었다.
실험 모델은 Figure 11과 같이 기둥의 직경은 700mm, 기둥의 순수 높이는 3700mm로 장주에 해당되도록 설계를 하였다. 하나의 세그먼트의 높이는 500mm로 하였으며, 최하단 기둥 세그먼트는 1000mm이다.
실험 모델은 Figure 11과 같이 기둥의 직경은 700mm, 기둥의 순수 높이는 3700mm로 장주에 해당되도록 설계를 하였다. 하나의 세그먼트의 높이는 500mm로 하였으며, 최하단 기둥 세그먼트는 1000mm이다.
이론/모형
Figure 32는 보강재 보강 모델의 연성도를 평가하기 위하여 나타낸 것으로서 Park R(1988)이 제시한 식 (5)를 사용하였다.
본 연구에서는 기둥 세그먼트 접합방법을 2가지를 제안하고 실험 연구를 함에 있어서 변수로 설정하였다. 기둥세그먼트 접합부와 기초 접합부는 아래의 설명과 같으며, 기둥-코핑 접합부는 원덕희 등(2012)에서 제시한 방법을 적용하였다.
Figure 29는 보강재 보강 모델을 해석 모델과 비교한 것이다. 해석 모델은 한택희 등(2011)에서 제안된 하중-변위 모델을 이용하였으며 이때 사용된 물성치는 Table 1을 이용하였다. 해석은 콘크리트의 구속효과를 고려할 경우와 고려하지 않을 경우에 대해서 비교 분석하였으며, 본 해석은 구성요소 중 하나가 파괴되면 해석이 멈추도록 되어 있다.
성능/효과
(1) 보강재 보강 모델은 기존의 기둥 실험 모델들과는 다르게 2중 베이스플레이트와 중공부의 콘크리트 보강 그리고 첫 번째 기둥세그먼트의 보강재 보강으로 인하여 소성힌지가 베이스플레이트 상부, 첫 번째 기둥 세그먼트 접합부 상· 하부에 발생하는 것으로 나타났다.
(2) 보강재 보강 모델의 변위 연성도는 4.94로 일반적인 철근 콘크리트 기둥 연성도 5보다 작은 것으로 판단된다. 기존의 변위 연성도 평가 방법의 경우 철근콘크리트 기둥을 대상 제안된 평가 방법으로서 CFT 계열인 본 기둥에 적용하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다.
(5) 조립식 ICH CFT 기둥은 철근콘크리트 기둥과는 달리 소성힌지 부분의 파괴가 외부에서 확인하였을 경우 명확하지가 않다. 본 실험결과에 비추어 볼 때 내부의 콘크리트가 소성화 되었을 때 외부튜브의 국부 좌굴이 발생하는 것으로 나타난 것으로 보아 소성 힌지부는 국부좌굴이 발생한 부분으로 정해야 할 것으로 판단된다.
Drift Ratio 4%에는 베이스플레이트 상단부분과 첫 번째 기둥세그먼트 접합부 하단에서 국부 좌굴이 발생하였으며, 4%~8%까지 진행이 되면서 발생된 국부좌굴이 점차 커져 높이가 30mm까지 확대되는 것을 볼 수 있었다. 그러나 첫 번째 세그먼트 하단의 국부좌굴은 첫 번째 세그먼트와 베이스 플레이트 상단에서 발생한국부좌굴에 비해서는 진전이 덜된 것을 확인할 수 있었다.
해석은 콘크리트의 구속효과를 고려할 경우와 고려하지 않을 경우에 대해서 비교 분석하였으며, 본 해석은 구성요소 중 하나가 파괴되면 해석이 멈추도록 되어 있다. 보강재 보강 모델과 해석 결과를 비교한 결과 구속 효과를 비교한 모델이 더욱 결과를 알맞게 추정하는 것으로 나타났으나 최대강도와 최대강도에 도달한 이후에 강도가 감소하는 구간을 해석 프로그램에서는 구현하지 못하는 것으로 판단된다. 그러나 탄성구간에서는 그 결과치가 잘 맞는 것으로 나타났다.
(5) 조립식 ICH CFT 기둥은 철근콘크리트 기둥과는 달리 소성힌지 부분의 파괴가 외부에서 확인하였을 경우 명확하지가 않다. 본 실험결과에 비추어 볼 때 내부의 콘크리트가 소성화 되었을 때 외부튜브의 국부 좌굴이 발생하는 것으로 나타난 것으로 보아 소성 힌지부는 국부좌굴이 발생한 부분으로 정해야 할 것으로 판단된다.
비교한 결과 모든 모델의 탄성 구간인 약 400kN까지는 거의 일치하는 것으로 나타났으나 그 이후에는 세 가지의 모델이 결과값을 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 해석모델은 앞에서 언급하였듯이 점차 증가하여 최대 변위 일 때 최대강도가 발현되는 것으로 나타났으며, 보강재 보강법은 최대강도에 도달 이후 강도가 점차 감소하는 것으로 나타났다. 그리고 몰탈 주입법은 횡변위 40mm~100mm까지는 가장 큰 강도를 나타나는 것을 볼 수 있는데 보강재 보강법의 경우에는 국부좌굴이 첫 번째 세그먼트 접합부 상· 하단, 베이스플레이트 상단 등 여러 곳에 발생하여 상대적으로 강성이 감소한 것으로 판단되며, 몰탈 주입법의 경우에는 베이스플레이트 상단부분에만 국부좌굴이 발생하면서 더 크게 저항한 것으로 판단된다.
후속연구
(3) ICH CFT 단면으로 제안된 본 조립식 기둥은 콘크리트가내 · 외부 튜브로 완벽하게 구속되어 있기 때문에 지속적으로 하중을 받아도 부분적인 파괴만 발생할 뿐 내부 콘크리트가 전체적으로 균열이 진전되지 않는 것으로 나타나 추후 유지보수 시 부분적인 보강만 한다면 지속적으로 우수한 성능을 가진 기둥을 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
그러나 Drift Ratio 4%에서 국부좌굴이 진전되는 상황에 첫 번째 세그먼트 접합부 용접 부분에서 취성파괴가 발생하여 실험이 종료되는 상황이 발생하였다. 검토 결과 용접량이 요구량보다 부족하여 용접이 발생한 것으로 판단되며, 향후에 본 모델은 추가적인 실험이 진행이 필요할 것으로 판단된다.
2배 정도 더 높게 콘크리트를 타설하여 일체거동하고 기둥의 소성힌지 부분을 베이스 플레이트 상부로 증가시킨다. 소성힌지 부분을 기초부에서 멀어지게 할수록 기초부의 파괴를 방지할 수 있어 추후에 교체 및 보수보강 비용이 감소할 수 있을 것으로 판단된다.
(1) 보강재 보강 모델은 기존의 기둥 실험 모델들과는 다르게 2중 베이스플레이트와 중공부의 콘크리트 보강 그리고 첫 번째 기둥세그먼트의 보강재 보강으로 인하여 소성힌지가 베이스플레이트 상부, 첫 번째 기둥 세그먼트 접합부 상· 하부에 발생하는 것으로 나타났다. 이는 소성힌지 부분을 기둥부분으로 상승시킴으로써 향후에 소성힌지만 발생하는 부분만 유지보수를 진행한다면 그 비용이 매우 감소할 것으로 판단되며, 기존의 기둥처럼 기초부가 동시에 파괴된다면 그 비용이 기하급수적으로 상승할 것으로 판단된다.
기존의 변위 연성도 평가 방법의 경우 철근콘크리트 기둥을 대상 제안된 평가 방법으로서 CFT 계열인 본 기둥에 적용하기에는 한계가 있을 것으로 판단된다. 추후 본 기둥을 대상으로 한 새로운 연성도 평가 방법의 도출이 필요할 것으로 판단된다.
그러나 본 연구에서는 첫 번째 기둥 세그먼트 접합부의 완전 홈용입용접이 불량하여 용접부 파괴가 발생하였다. 추후에 용접 성능을 발휘되고 첫 번째 세그먼트에는 보강재 보강 모델을 적용하고 그 상단모델에는 몰탈 주입 모델을 적용한다면 경제성 있고 성능이 우수한 조립식 ICH CFT 기둥을 시공할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량 건설에서 발달한 것은?
교량 건설에 있어서 사용 재료의 개발과 새로운 형식을 개발하는 기술이 발달하였다. 그러나 대부분의 기술 개발은 현장 타설 및 재료비 절감을 위한 공법에 치중하고 있다.
공기 단축 공법은 어디에 적용되는가?
이러한 단점을 극복하기 위해서 공기 단축을 위한 공법 개발이 증대되고 있는 실정이다. 공기 단축 공법은 조립식 공법(프리캐스트 공법) 이라고도 일컬어지는데 조립식 공법은 현재 상부 구조 위주로 개발 및 현장 적용되고 있는 실정이다. 이에 반해 하부 구조의 경우에는 미국의 경우를 제외한 타 국가에서는 거의 현장적용이 되지 않고 있는 실정이다.
공기 단축 공법은 보통 어떠한 방식을 적용하는가?
이에 반해 하부 구조의 경우에는 미국의 경우를 제외한 타 국가에서는 거의 현장적용이 되지 않고 있는 실정이다. 대다수의 조립식 기둥 공법은 강선을 이용한 포스트 텐션 방식을 적용하여 시공 되어 졌으며, 대표적으로 S.L.
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