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문제 정의
- 따라서, 이 연구에서는 전단키의 형상에 따른 접합부의 전단강도 특성을 파악하기 위해서 전단하중을 받는 접합부에 대하여 전단 성능평가 실험연구를 수행하였다. 전단키의 형상변화에 의한 접합부 전단거동을 파악하기 위하여 사다리꼴 전단키를 사용하였으며, 실험변수로써 전단키의 형상 즉, 전단키 경사각도와 횡방향 구속응력 및 콘크리트 강도를 실험변수로 고려하였다.
- 전단키의 형상은 전단키의 경사각도와 돌출높이에 따라 변화한다. 이를 실험변수로 고려하여 접합부의 전단강도, 균열 및 파괴거동 특성을 규명하기 위한 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 전단키의 구체적인 형상은 Fig.
- 프리캐스트 모듈 구조체 조립 시에 프리스트레스를 도입할때 프리스트레스에 의해 콘크리트 단면에 압축응력이 작용하며, 이러한 압축응력은 접합 단면의 구속응력 역할을 한다. 이 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 접합부 단면에 수직으로 작용하는 구속응력의 변화에 따른 전단키의 전단거동 특성을 파악하기 위하여 횡방향 구속응력을 1, 2, 3 MPa로 변화하였다. 또한, 콘크리트 강도를 24, 40 MPa로 구분하였다.
제안 방법
- 따라서, 이 연구에서는 전단키의 형상에 따른 접합부의 전단강도 특성을 파악하기 위해서 전단하중을 받는 접합부에 대하여 전단 성능평가 실험연구를 수행하였다. 전단키의 형상변화에 의한 접합부 전단거동을 파악하기 위하여 사다리꼴 전단키를 사용하였으며, 실험변수로써 전단키의 형상 즉, 전단키 경사각도와 횡방향 구속응력 및 콘크리트 강도를 실험변수로 고려하였다. 실험변수를 반영한 콘크리트 접합부 실험시편을 제작하여, 구조실험을 수행하여 접합부에서의 하중-변위 관계 특성, 균열, 파괴양상 및 전단 강도 특성을 분석하였다.
- 전단키의 형상변화에 의한 접합부 전단거동을 파악하기 위하여 사다리꼴 전단키를 사용하였으며, 실험변수로써 전단키의 형상 즉, 전단키 경사각도와 횡방향 구속응력 및 콘크리트 강도를 실험변수로 고려하였다. 실험변수를 반영한 콘크리트 접합부 실험시편을 제작하여, 구조실험을 수행하여 접합부에서의 하중-변위 관계 특성, 균열, 파괴양상 및 전단 강도 특성을 분석하였다. 또한, 실험 결과를 토대로 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합부의 전단 강도를 평가하기 위한 식을 제안하였다.
- 실험변수를 반영한 콘크리트 접합부 실험시편을 제작하여, 구조실험을 수행하여 접합부에서의 하중-변위 관계 특성, 균열, 파괴양상 및 전단 강도 특성을 분석하였다. 또한, 실험 결과를 토대로 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합부의 전단 강도를 평가하기 위한 식을 제안하였다.
- 전단키는 접합부의 응력을 전달하는 역할과 모듈 조립시 모듈을 정확한 위치에 조립되도록 하는 가이드 역할을 한다. 또한, 콘크리트 모듈을 연결할 때 프리스트레스를 도입하여 모듈의 구조적 안정성을 확보한다.
- 이들 영향인자의 변화에 따른 부유식 콘크리트 구조체 모듈 접합부의 거동 특성 파악과 설계 및 시공을 위한 지침은 매우 부족한 상황이다. 따라서, 이 연구에서는 주요 실험변수를 전단키의 형상과 횡방향 구속응력 등으로 설정하여 모듈 접합부 실험 시편을 제작하여 실험을 수행하였으며, 각 시편의 상세 내용을 Table 1에 나타내었다.
- 또한, 전단키의 사다리꼴 형상은 경사각도에 따라 다른 형상을 나타내므로 전단키 하면과 측면이 이루는 경사각도에 따른 전단거동 특성을 파악하기 위하여 전단키의 경사각도는 45°, 60°, 70°로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 2에 나타내었다. 실험변수로써 전단키의 경사각도, 횡방향 구속응력의 크기 및 콘크리트 강도를 고려하였다. Yang and Kim(2012)은 전단키 하면(h)에 대한 전단키 돌출 높이(d)의 비 (d/h)가 0.
- 30이하인 접합부의 구조거동 특성을 연구하였다. 본 연구에서는 d/h 비를 0.4로 설정하였으며, 이에 따라 전단키 하면의 길이는 70 mm이고, 전단키 돌출 높이는 30 mm로 적용하였다. 또한, 전단키의 사다리꼴 형상은 경사각도에 따라 다른 형상을 나타내므로 전단키 하면과 측면이 이루는 경사각도에 따른 전단거동 특성을 파악하기 위하여 전단키의 경사각도는 45°, 60°, 70°로 설정하여 실험을 수행하였다.
- 이 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 접합부 단면에 수직으로 작용하는 구속응력의 변화에 따른 전단키의 전단거동 특성을 파악하기 위하여 횡방향 구속응력을 1, 2, 3 MPa로 변화하였다. 또한, 콘크리트 강도를 24, 40 MPa로 구분하였다.
- 또한, 부재를 제작할 때 부재의 기본적인 강도특성을 측정하기 위하여 원주형 공시체를 제작하고 28일 양생을 실시하였다. 부재제작 후 28일 경과 후에 공시체에 대한 압축강도 시험과 전단키 부재실험을 수행하였다.
- 또한, 부재를 제작할 때 부재의 기본적인 강도특성을 측정하기 위하여 원주형 공시체를 제작하고 28일 양생을 실시하였다. 부재제작 후 28일 경과 후에 공시체에 대한 압축강도 시험과 전단키 부재실험을 수행하였다. 콘크리트의 압축강도는 24, 40 MPa로 측정되었다.
- 수직하중은 전단키의 접합면 중심선에 재하하여, 실험 시편의 전단키 접합면에 순수 전단을 받는 조건이 되도록 하였다. 횡방향 하중이 가력될 때 하중에 견딜 수 있도록 강재의 반력 프레임을 설치하였다.
- 횡방향 하중이 가력될 때 하중에 견딜 수 있도록 강재의 반력 프레임을 설치하였다. 또한, 반력 프레임과 시편 사이에 고무판을 설치하여, 횡방향 하중이 반력 프레임에 골고루 분포하여 전달될 수 있도록 하였다(Fig. 4).
- 또한 접합부 표면의 콘크리트 변형률 상태를 파악하기 위해 부재의 표면에 콘크리트 게이지를 0°, 45°, 90°로 각각 부착하였다.
- 부재의 가력 시스템은 용량 300 kN 수직 엑츄에이터와 용량 150 kN의 수평 엑츄에이터로 구성된다. 수직 엑츄에이터는 전단키의 접합면에 전단하중을 가력하기 위해서 적용하였고, 수평 엑츄에이터는 전단키 접합면의 횡방향 구속응력을 적용하기 위하여 사용하였다. 하중은 수직 엑츄에이터는 변위 제어조건을 적용하였고, 수평 엑츄에이터는 하중제어 조건으로 적용하였다.
- 수직 엑츄에이터는 전단키의 접합면에 전단하중을 가력하기 위해서 적용하였고, 수평 엑츄에이터는 전단키 접합면의 횡방향 구속응력을 적용하기 위하여 사용하였다. 하중은 수직 엑츄에이터는 변위 제어조건을 적용하였고, 수평 엑츄에이터는 하중제어 조건으로 적용하였다. 수평 엑츄에이터의 재하하중은 횡방향 구속응력 1, 2, 3 MPa에 대응하도록 하였다.
- 하중은 수직 엑츄에이터는 변위 제어조건을 적용하였고, 수평 엑츄에이터는 하중제어 조건으로 적용하였다. 수평 엑츄에이터의 재하하중은 횡방향 구속응력 1, 2, 3 MPa에 대응하도록 하였다. 일정한 횡방향 구속응력 조건에서 부재가 파괴될 때까지 수직하중을 재하하였다.
- 수직변위를 측정하기 위하여 부재의 한쪽면에 변위계를 설치하여 수직변위를 측정하였다(Fig. 5). 부재 또 다른 한쪽면에 LVDT 2개를 설치하여 상부 부재와 하부 부재간의 상대 처짐량을 측정하였다.
- 5). 부재 또 다른 한쪽면에 LVDT 2개를 설치하여 상부 부재와 하부 부재간의 상대 처짐량을 측정하였다. 또한 접합부 표면의 콘크리트 변형률 상태를 파악하기 위해 부재의 표면에 콘크리트 게이지를 0°, 45°, 90°로 각각 부착하였다.
- 전단키 부재를 제작할 때의 얇은 철재 거푸집을 사이에 두고 male key와 female key 콘크리트를 타설하였다. 이후 콘크리트를 양생하고 나서 거푸집을 제거한 후에 male key와 female key의 경계면에 접착제 도포 없이 맞대었기 때문에 경계면 사이에 불가피하게 미미한 시공오차 영향 (imperfection effect)이 발생할 가능성이 있다.
- 프리캐스트 콘크리트 모듈 부재 접합부의 전단강도 실험결과와 AASHTO (1999) 설계기준에 의한 전단강도 예측결과를 비교 분석하였다. 또한, 전단강도 예측식을 제안하였으며, 제안식에 의한 전단강도 예측결과와 전단강도 측정결과를 비교하였다.
- 프리캐스트 콘크리트 모듈 부재 접합부의 전단강도 실험결과와 AASHTO (1999) 설계기준에 의한 전단강도 예측결과를 비교 분석하였다. 또한, 전단강도 예측식을 제안하였으며, 제안식에 의한 전단강도 예측결과와 전단강도 측정결과를 비교하였다.
- 전단키의 밑면 크기가 동일한 조건에서 전단키의 경사각도가 다를 경우 즉, 전단키의 형상의 변화에 따른 전단강도 영향을 평가할 수 없는 한계가 있다. 따라서 이 연구에서는 전단키 형상, 구속응력 변화 및 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 실험결과를 토대로 접합부의 전단강도 평가식을 식 (2)와 같이 제안하였다. 제안식에서는 전단키의 형상에 따른 전단강도 변화를 반영하기 위하여 전단키의 밑면 부분과 상면 부분의 전단강도 기여 부분을 반영하였다.
- 따라서 이 연구에서는 전단키 형상, 구속응력 변화 및 콘크리트의 압축강도 변화에 따른 실험결과를 토대로 접합부의 전단강도 평가식을 식 (2)와 같이 제안하였다. 제안식에서는 전단키의 형상에 따른 전단강도 변화를 반영하기 위하여 전단키의 밑면 부분과 상면 부분의 전단강도 기여 부분을 반영하였다.
- 이 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 부유식 구조물 모듈 접합부의 전단강도특성 실험을 수행하였다. 또한, 전단강도 예측식을 제안하여 전단강도 측정값과 예측값을 비교 분석하 였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 이 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 부유식 구조물 모듈 접합부의 전단강도특성 실험을 수행하였다. 또한, 전단강도 예측식을 제안하여 전단강도 측정값과 예측값을 비교 분석하 였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
- 5. 콘크리트 모듈 접합부 전단키의 형상에 따른 전단강도 영향을 고려한 전단강도 평가식을 제안하였다. 제안식에 의한 전단강도 예측값은 실험값에 매우 근접하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서 대상으로 하는 프리캐스트 콘크리트 모듈 구조를 Fig. 1에 나타내었다. 그림에서의 콘크리트 모듈 구조 위에 설계자가 원하는 목적 구조물 즉, 구체적인 상부 구조물을 설계할 수 있다.
- 부재의 전체 높이는 500 mm, 폭 300 mm, 두께 100 mm로 제작하였다. Fig.
- 3에서 시편 A에서 시편 B로에 응력이 전단 키를 통해서만 전달되고 전단키의 충분한 변위능력을 확보하기 위하여 각 시편의 상부 및 하부에 각각 25 mm의 간격을 두었다. 실험에 사용된 전단키는 프리캐스트 콘크리트 접합부에서 단일 전단키를 모델링하여 실험 시편을 제작하였다. 실험시편의 접합면 길이는 170 mm, 전단키 하면의 길이(h)는 70 mm이다.
- 실험에 사용된 전단키는 프리캐스트 콘크리트 접합부에서 단일 전단키를 모델링하여 실험 시편을 제작하였다. 실험시편의 접합면 길이는 170 mm, 전단키 하면의 길이(h)는 70 mm이다. 전단키의 돌출 높이(d)는 30 mm로 설정하였으며 경사각도는 45°, 60° 및 70°로 변화하였다.
- 3과 같이 철근을 시편의 상하에 배근하였다. 직경 10 mm (D10) 철근을 ㄱ자 형상으로 절곡하여 사용하였다. 철근의 형상은 긴 변의 길이 295 mm, 짧은 변의 길이 260 mm, 폭은 50 mm로 하였다.
- 직경 10 mm (D10) 철근을 ㄱ자 형상으로 절곡하여 사용하였다. 철근의 형상은 긴 변의 길이 295 mm, 짧은 변의 길이 260 mm, 폭은 50 mm로 하였다.
성능/효과
- 일부 부재의 초기 균열은 전단키 상단에서 발생하였으며, 이는 굵은 골재와 바인더의 국부적 계면파괴로 인해 전단키 상부에서 하부로 균열 확대에 의한 파괴가 발생하는 것으로 판단된다. 또한 최종 균열의 형태를 살펴보면, 수직하중이 극한 상태에 도달함과 동시에 전단키 접합면에서 전단절단파괴(shear-off failure)로 진행되는 것을 관찰할 수 있었다.
- 7(b)). 콘크리트 강도가 24 MPa인 실험체 보다 40 MPa인 실험체에서 전단키가 부담하는 하중이 전반적으로 더 높은 것으로 측정되었다. 또한, S45-F40 씨리즈 부재는 S60-F40 또는 S70-F40 씨리즈 부재에 비해 전단키 맞물림 효과가 상대적으로 작아서 전단키가 쉽게 탈락되었다.
- 콘크리트 강도가 24 MPa인 실험체 보다 40 MPa인 실험체에서 전단키가 부담하는 하중이 전반적으로 더 높은 것으로 측정되었다. 또한, S45-F40 씨리즈 부재는 S60-F40 또는 S70-F40 씨리즈 부재에 비해 전단키 맞물림 효과가 상대적으로 작아서 전단키가 쉽게 탈락되었다.
- 하중이 40 kN일 때까지 하중-변형률은 거의 선형 관계를 나타내고, 이후에는 비선형관계를 나타낸다. 또한, 비선형 거동 단계에서는 인장변형률이 압축변형률 보다 큰 변형률 특성을 나타내었다.
- 콘크리트 강도가 24 MPa이고 횡방향 구속응력이 1 MPa 일 때, 전단키 경사각도가 45°, 60° 및 70°로 증가함에 따라 전단강도는 48.8, 58.5 및 66.7 kN으로 증가하였다.
- 마지막으로 전단키 경사각도는 45°이고 콘크리트 강도가 40 MPa 인 경우, 다른 부재들과 달리 횡방향 구속응력이 2 MPa 일 때, 전단강도 값은 84.1 kN 으로 크게 측정되었으며, 그 다음 P3, P1의 순으로 전단강도 값이 측정되었다.
- 또한, 콘크리트 강도가 40 MPa이고 횡방향 구속응력이 3 MPa 일 때, 전단키 경사각도가 45°, 60° 및 70°로 증가함에 따라 전단강도는 76.2, 108.8 및 115.1 kN으로 증가하였다.
- 그리고 콘크리트 강도가 24 MPa 이고 횡방향 구속응력이 3 MPa 의 부재들 또한, 경사각도 60° 일 때 88.9 kN이고, 경사각도 45°인 부재가 86.3 kN, 마지막으로 경사각도 70° 부재는 79.8 kN으로 나타내었다.
- 전단키 경사각도와 횡방향 구속응력 사이에 상호작용관계가 있는지에 대한 추가적인 상세 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이 실험연구에서의 횡방향 구속응력은 콘크리트 구조 모듈에 도입되는 횡방향 프리스트레스 효과를 나타내며, 프리스트레스 효과는 전단강도에 큰 영향을미치는 것을 나타낸다.
- 12(a)에 나타내었다. AASHTO 기준식에 의한 전단단강도 예측값과 실험값을 비교한 결과, 실험값에 대한 예측값 비의 평균은 0.89로써 예측값은 전반적으로 실험값에 근접하고 있다.
- 95를 나타내고 있다. 이 연구에서의 제안식에 의한 전단강도 예측 값은 AASHTO 제안식에 의한 예측값보다 실험값에 더욱 근접하고 있다. 따라서, 이 연구에서의 제안식을 토대로 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합 구조물의 전단강도를 더욱 효과적으로 예측할수 있다고 판단된다.
- 이 연구에서의 제안식에 의한 전단강도 예측 값은 AASHTO 제안식에 의한 예측값보다 실험값에 더욱 근접하고 있다. 따라서, 이 연구에서의 제안식을 토대로 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합 구조물의 전단강도를 더욱 효과적으로 예측할수 있다고 판단된다. 또한, 후속 연구에서는 횡방향 구속응력과 경사각도 사이의 상관관계를 면밀히 검토한 후, 제안식에 변수들을 반영하는 것이 더욱 합리적이라고 판단된다.
- 4. 전단키 경사각도가 45°일 때 전단키의 맞물림 효과가 감소하는 것으로 나타나며, 실제 구조물 설계 시에 전단키 경사각도가 60° 이상으로 하는 것이 구조물의 일체성 확보에 유리할 것으로 판단된다.
- 2. 극한하중상태에서의 파괴형상은 전단키 접합면에서의 급격한 균열의 확대와 더불어 전단절단파괴를 나타내었으며, 일부 부재는 전단키에서의 국부적인 지압파괴 형태를 나타내었다.
- 3. 횡방향 구속응력이 증가함에 따라 콘크리트 모듈 접합부의 전단강도는 증가하였다. 이러한 실험결과는 부유식 콘크리트 모듈 구조에 도입되는 프리스트레스 효과가 전단 강도에 주요한 영향인자임을 나타낸다.
후속연구
- 전단키 경사각도가 증가함에 따라 전단강도가 증가하는 부재들이 있는 반면에 경사각도가 증가함에 따라 각각의 다른 전단강도를 나타내는 부재에 있어 이에 대한 추가 상세 연구가 필요하다.
- 1 kN 으로 크게 측정되었으며, 그 다음 P3, P1의 순으로 전단강도 값이 측정되었다. 전단키 경사각도와 횡방향 구속응력 사이에 상호작용관계가 있는지에 대한 추가적인 상세 연구가 필요할 것으로 판단된다. 이 실험연구에서의 횡방향 구속응력은 콘크리트 구조 모듈에 도입되는 횡방향 프리스트레스 효과를 나타내며, 프리스트레스 효과는 전단강도에 큰 영향을미치는 것을 나타낸다.
- 따라서, 이 연구에서의 제안식을 토대로 프리캐스트 콘크리트 모듈 접합 구조물의 전단강도를 더욱 효과적으로 예측할수 있다고 판단된다. 또한, 후속 연구에서는 횡방향 구속응력과 경사각도 사이의 상관관계를 면밀히 검토한 후, 제안식에 변수들을 반영하는 것이 더욱 합리적이라고 판단된다.
- 제안식에 의한 전단강도 예측값은 실험값에 매우 근접하였다. 따라서, 이 연구에서의 제안식은 모듈 접합부 전단 강도 예측에 유용하게 활용될 수 있다.
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