[논문]일체식교량의 접속슬래브 연결철근 형상에 따른 연결부 구조거동에 대한 실험연구

유성근; 김나연; 김호섭; 김현기; 김영호

doi:10.11004/kosacs.2014.5.4.024

문제 정의

본 연구과제는 국토교통부 기술사업화 연구과제로 선정 수행된 “PSC-I 거더를 이용한 중공슬래브 교량개발"의 최종 연구내용의 일부로써 연구 지원하에 개발된 PCB-Slab교량의 적용성 확대와 보급성을 증대하기 위한 일안으로 일체식교량으로의 적용을 위하여 접속슬래브의 연결방법에 대한 구조 성능실험을 수행하였기에 감사드립니다.
일체식 교량의 구조 요소에 대한 다양한 실험과 검증이 국내외에서 이루어지고 있으나 국내 상부구조 형식의 다양성을 감안 시 접속슬래브의 거동에 대한 실제적 연구는 다른 구조 구성요소와 비교 시미진한 실정이다 따라서 접속슬래브의 사용 목적은 기존 조인트 교량과 동일하나 일체식 교량에서 접속슬래브의 구조 거동이 상이하므로 본 연구는 일체식 교량에 관한 접속슬래브 연결부의 설계 및 시공을 중심으로 구조 실험을 실시하고 이를 분석하고자 한다.

가설 설정

즉 교대 뒷채움부의 지반침하를 고려하여 콘크리트 접속슬래브 연장의 70%를 가진 단순보 70%로 가정하여 구조설계를 실시한다.

제안 방법

A 와 C 실험체의 상부 부모멘트 연결철근의 경우 접속슬래브 방향으로 겹이음 길이를 반영하여 1000mm 매입과 PCB-Slab 거더로 D-19철근의 정착길이에 해당하는 660mm 매입길이를 설계 반영하였다 실험체의 길이는 약 2.3m를 적용하여 인장 가력지점으로부터 충분한 거리를 확보하여 가력하중이 가능한 단위 폭에 균일한 평균하중으로 연결 부에 작용 할 수 있도록 계획하였다.
기본 가력하중으로 발생하는 모멘트에 의한 응력 값이 2.7 MPa (균열발생 응력 = 개략 접속슬래브 콘크리트 강도의 fck = 27 Mpa의 1/10수준)에 해당하는 응력 발생의 가력하중의 크기를 수치해석 으로 사전 조사한 바 최대 가력하중은 1,000 kN수준으로 판단되어 실험가력에 참조하였다.
9의 세 번째와 같다고 판단되나 실험실에서 접속슬래브의 지반지지 조건을 구현 할 수 없었다. 본 실험의 목적은 일체 거동의 연결부에서 부모멘트 철근의 구조 거동이므로 연결 부에 최대 부모멘트를 유발하는 하중재하에 해당하는 안의 지점 선하중 가력방안을 휨 실험 방법으로 결정하였다.
위와 같은 구조 역할 개념과 각 방안의 시공성을 감안하여 고안된 3가지 연결 철근 형상에 대한 구조성능에 대한 실험을 수행하였으며 실험 결과를 분석한 바 일체식 교량의 접속슬래브 연결방법의 필요한 기술적 고려사항을 아래와 같이 제시하였다.
을 선택 적용하고 있으나 설계자들은 힌지 반영을 선호하는 것으로 조사된다 이를 고려하여 연구 개발된 PCB-Slab 에 적용 가능한 연결을 단순성과 시공성을 반영하여 3가지 철근 연결형상을 고안하고 국내 설계기준을 반영하여 실험체를 제작하였다.
일체식 교량의 접속슬래브 연결부 거동파악과 본 연구진이 수행한 거더를 이용한 중공슬래 “PSC-I 브 교량개발 연구로 개발된 ” PCB-Slab (Prestressed Concrete Box Slab) 교량 거더의 형상특성을 감안하고 (어기택 , 2013), 향후 일체 및 반일체식 교량 공법으로 적용성 확대 및 기술 접목 시 필요한 접속슬래브 연결 철근방안에 대한 구조 성능을 실험적으로 평가하기 위하여 고안된 개의 3연결철근 형상에 대한 실험을 계획하였다 접속슬래브와 교대 연결 방안으로 힌지(Hinge)와 일체(Fix) 연결을 구현하는 방법을 고안하였고 각 구조거동을 확인할 수 있도록 실재하 실험 계획을 수립하였다.
일체연결 방법을 구현한 실험체 A와 C의 휨 실험체의 균열 전개는 Fig. 20과 같이 접속슬래브 교대 연결부에서 접합면 분리로 균열 발생하였으며, 가력부 직하단 및 부모멘트부의 균열이 발생 진행되었고 헌치부 하단의 경사균열 발생 후 급속한 사인장 균열의 발생 순서로 실험체의 파괴가 진행되었다.
접속슬래브의 인장 실험은 직접인장 가력을 위한 실험체 Setting 을 위한 강봉 설치용 관통 홀을 설치하여 이를 이용하였다.
철근을 도입한 일체 형 (Fix) A 와 C Type 과 힌지거동을 유도한 B Type으로 구분하였다.
휨 실험체의 가력을 실시한 결과, B Type(힌지)은 구조 거동 특성상 지속적인 회전변위 발생으로 가력하중에 의한 극한 파괴거동을 관찰 할 수 없었 다 A와 C Type(일체 연결)의 경우 하중에 의한 극한 파괴가 실험 계획 시 예측한 부모멘트에 의한 상부 휨 균열이 아니라 Fig. 19와 Fig.20과 같이 헌치부의 하단에서 발생한 사인장 균열로 파괴가 관찰되어 이에 대한 원인 파악을 위한 별도의 구조 해석을 실시하였다.

대상 데이터

12와 같다 실험체에 대한 인장 및 휨 가력 실험은 . 2014년 7월 21일부터 8월 5일까지 각 6개 실험체에 대한 인장 및 휨 실험을 실시하였다.
접속슬래브의 실험체 설계는 콘크리트 포장에 적용되는 한국도로공사 설계 기준을 적용하였으며 제작과 해석의 편의를 위하여 단위 폭(1m)으로 설계 및 제작하였다 사용재료는 철근 H19(SD400)을 사용하였으며 콘크리트 설계기준 강도는 PCB-Slab 거더와 접속슬래브에 각각 40 MPa, 27 MPa를 적용하였다.
총 6개의 인장과 휨 실험체는 경기도 여주시 소재의 콘크리트 구조실험체 전문제작업체에 의뢰하여 공장제작을 하였다.

성능/효과

힌지로 설계된 B Type A의 경우 C와는 Fig. 16에서와 같이 하중 증가량에 비해 상대적으로 많은 변위량을 갖는 거동 차이를 보이고 있으며, 가력 하중 근처 250 kN에서 접속슬래브와 교대 연결부의 신구 접합면이 분리되는 현상이 나타났으며, 계속적으로 일정한 기울기로 선형 거동을 나타냈다. 이같은 힌지거동은 우선적으로는 인장가력 실험체가 자체가 형상적으로 헌치부가 존재하여 가력하중에 대한 편심 모멘트가 자연적으로 발생하는 점과 접합 연결부의 상부에 보강철근 없는 힌지철근 배근의 영향으로 판단된다 일체 연결을 구현한 A, C Type 의 경우 초기 하중 (약 200 kN) 까지는 A Type의 강결 거동이 상대적으로 약한 것을 보였으나 이후 하중부터 최종 가력하중까지는 A와 C Type 실험체는 동일한 구조거동을 나타났다.
3) 연결철근은 그 수량이 적고 장기간에 걸쳐 반복적 하중이 작용함과 연결부가 균열에 노출되는 환경에 있게 되므로 유지관리의 편의성을 감안하여 에폭시코팅 철근의 사용이 권장된다 이때 적절한 철근 매입깊이에 적절한 설계가 필요하다.
4) 힌지철근 사용 시 경사부 철근은 가능한 접속슬래브와 교대연결부의 하단부에 위치토록하여 힌지거동 발생 이후에도 탄성거동을 할 수 있도록 한다 또한 교대 매입부의 갈고리 . 형상이 필요시 설계기준을 준수하는 충분한 매입길이를 반영하도록 한다.
A, C Type 의 실험체는 일체 강결거동이 B Type은 힌지거동 확인하였으며, 연결철근 3가지 type 모두 설계에 제시하는 사용 하중에 대해 충분 한 구조 성능을 발휘하는 것으로 나타났다 안전율을 감안하는 경우 약 200 kN의 하중까지는 모든 실험체에서 안정적인 접속슬래브와 상부구조의 일체거동을 수행한다고 판단된다 추가로 신구 콘크리트의 접 합부는 실험 결과, 상당한 부착 저항력을 보이고 있어서 현장에서 신구접합부 처리는 상당한 수준의 품질관리가 필요한 것으로 생각된다 특히 연결부에서 . 균열발생을 허용하는 힌지 개념을 사용하는 경우 사용되는 철근으로 에폭시 코팅이 된 것을 사용함이 연결부의 수명을 보장하는 효과적인 방법으로 사료 된다.
Fig. 24 는 각 실험체의 최상단 중앙부에 배근된 철근에 설치한 게이지의 변형율 값을 보여주며 일체연결 실험체(A, C Type) 의 상부 연결철근의 하중 변위 곡선은 유사한 거동을 보이며 변형도의 값이 2000을 상회함으로써 상부 철근은 항복하중에 도달하였음을 확인하였다 힌지철근(B Type)의 중앙부의 변형율 값은 하중 증가에 따라 접속슬래브와 교대 상부 접합부의 분리에 이후 지속적인 회전 변위가 발생함에 따라서 항복 거동의 유무에 상관없이 거동을 확인하는 적절한 가력하중 상태에서 실험을 중단하였다 이는 힌지철근의 배근위치가 슬래브와 교대 접합부의 휨 모멘트를 저항하는 상부에 위치하지 않고 하부에 위치하므로 일체 연결 실험체의 상부철근의 변형도와 차이가 크고 값도 낮게 나타났다.
Fig. 24 에서와 같이 A Type 휨 실험체의 경우 가력하중 약 280 kN에서 접속슬래브와 교대 연결부에서 분리가 발생하고 이후 상부와 하부철근으로, 하중이 전달되는 양상을 나타냈다 약 400 kN에서 상부와 하부의 인장 균열이 발생되어 철근의 저항이 유지되었으며 경사 하부철근의 게이지 값은 지속적인 압축 값을 보임을 계측으로 확인하였다. 하중 증가에 따라 730 kN 근처에서 헌치 지점부에 사인장 균열이 발생하면서 실험체는 비선형 구조 거동을 나타내었다.
결과적으로 인장하중의 작용하는 일체 연결의 경우 시공성을 감안 시 C Type이보다 효과적인 연결방법으로 보여 진다. 단 이는 휨 하중과 동시에 .
사용된 콘크리트는 공시체를 제작하여 28일 압축 강도 시험을 실시한 결과 각각 적용 설계기준 강도인 28 MPa, 40 MPa를 상회하는 결과를 확인하였다.
실험체와 동일한 조건으로 수치모델링을 하여 가력하중 400 kN상태의 탄성해석에 의한 응력분포를 확인한 결과 파괴 주인장응력이 Fig. 19에서와 같이 헌치 하단부에 발생함이 확인되었다. 즉, 콘크리트 인장강도는 fr = 0.
인장하중은 실험체의 자중이 중요 실험 변수가 되기 때문에 실험체의 길이가 증대됨에 따른 자중을 고려 시 약 100 kN의 가력하중 범위가 실제적 작용하중으로 판단되었고 철근의 매입 부착강도 등을 감안 시 약 800 kN 수준의 가력상태에서 파괴가 예측되었다.
19에서와 같이 헌치 하단부에 발생함이 확인되었다. 즉, 콘크리트 인장강도는 fr = 0.63 # 이며 탄성해석 결과를 감안하여 비례에 의하여 균열 발생 하중을 추정 시 약 330 kN수준에서 균열 발생이 가능한 것으로 판단되었다.
휨 실험 결과 직접인장실험과 동일하게 일체 type과 힌지 type별 연결 철근에 따른 구조거동은 많은 차이를 보였으며 유사한 거동을 보이는 일체 연결 type의 경우 상대적으로 C Type이 철근의 설치 방법에 따른 시공성과 구조 거동이 명확하여 A type에 비해 상대적으로 우수한 것으로 판단된다.
휨 실험 방안에서 가력하중의 위치 크기 및 이에 따른 실험체의 응력분포의 경향을 실험 수행 전에 파악하기 위하여 구조해석을 Fig. 10과 같이 Solid modeling 하여 3차원 탄성 수치해석을 수행하였으며 그 결과 계획된 가력방안은 접속슬래브 연결부 , 에 휨 인장응력을 크게 발생시킴을 확인하였다.

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