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문제 정의
- 4 m의 프리스트레스트 3분절 박스형 거더의 강섬유 혼입률과 종방향 철근 배근 형태를 실험변수로 하여 휨 실험을 수행하였다. 강박스와 비슷한 형상의 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더에 대한 하중과 처짐관계, 하중에 따른 중립축의 변화, 분절면에서 균열 및 변형상태, 거더의 연성거동 등을 실험변수에 따라 파악하고, 구조체로서 안정성을 검증하는데 이 논문의 목표로 두고 있다. 즉, 하나의 셀 또는 두 개의 셀로 구성된 기존의 큰 규모의 고강도 콘크리트 박스거더 대신 작은 규모의 독립적인 다수의 셀로 구성된 초고강도 콘크리트 박스 거더의 구조체로서의 거동을 파악하고자 한다.
- 강박스와 비슷한 형상의 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더에 대한 하중과 처짐관계, 하중에 따른 중립축의 변화, 분절면에서 균열 및 변형상태, 거더의 연성거동 등을 실험변수에 따라 파악하고, 구조체로서 안정성을 검증하는데 이 논문의 목표로 두고 있다. 즉, 하나의 셀 또는 두 개의 셀로 구성된 기존의 큰 규모의 고강도 콘크리트 박스거더 대신 작은 규모의 독립적인 다수의 셀로 구성된 초고강도 콘크리트 박스 거더의 구조체로서의 거동을 파악하고자 한다.
제안 방법
- 쉬스는 분절면 강재폼을 통과하여 연결시켜 포스트텐션을 할 수 있는 공간이 형성되어 있다. BF1은 하부 플랜지철근과 포스트텐션 텐던을 배치한 후 2% 강섬유를 혼입한 UHPC를 타설하였고, BF2는 상하부 플랜지철근, 양쪽복부의 철근, 스터럽 및 포스트텐션 텐던을 배치한 후 강섬유 혼입률 1%의 UHPC를 타설하여 제작하였다. Fig.
- 강섬유 혼입률 2%의 초고강도 섬유보강 콘크리트 3분절 박스거더와 상부 플랜지와 복부에 종방향 연성보강 철근을 배근한 강섬유 혼입률 1%의 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더에 대한 휨 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그러나 UHPC구조물은 강섬유의 가격비중이 커서 기존의 프리스트레스트 콘크리트보다 많은 장점이 있음에도 그 적용성의 한계를 가지고 있다. 경제적인 제작단가를 구현하기 위해 강섬유의 혼입률을 1%로 줄이고 상하부 플랜지 및 복부에 항복강도 fy=400 MPa인 D13의 종방향 철근을 배근한 BF2와 강섬유를 체적대비 2% 혼입하고 하부 종방향 철근만 배근한 BF1과의 거동을 비교하여 경제적인 제작단가를 가진 BF2의 구조물로서의 거동의 유효성을 검증하려한다.
- 용량 1000 kN 액츄에이터를 사용하여 하중을 가하였다. 단면의 변형률 변화와 중립축의 변동을 측정하기 위하여 보의 중앙단면의 양면에 5개씩 10개의 전기저항식 변형률게이지를 Fig. 12와 같이 부착하였으며, 지점에서 1/4지점, 3/4지점의 전면부에만 3개씩 6개의 변형률게이지를 부착하였다. 실험체 제작 시 하부 플랜지의 철근 중앙부와 1/4지점, 3/4지점의 철근의 양옆에 변형률게이지 설치하여 종방향의 철근변형률을 측정하였다.
- 실험체 제작 시 하부 플랜지의 철근 중앙부와 1/4지점, 3/4지점의 철근의 양옆에 변형률게이지 설치하여 종방향의 철근변형률을 측정하였다. 또한 하중과 처짐 간의 관계를 파악하기 위하여 중앙부와 1/4 및 3/4지점에 LVDT를 설치하였다. 하중 증가에 따른 최초균열, 균열의 전이 양상을 측정하였으며, 측정된 LVDT 변형과 변형률게이지의 변형 데이터를 분석하여 UHPC 분절형 박스거더의 거동 특성을 파악하였다.
- 분절 거더는 양단면의 수직과 수평 위치가 정확하게 맞도록 조정한 후 에폭시가 양 단면에 0.5~1.0 mm 도포된 상태에서 20 MPa이하의 프리스트레스트 힘으로 연결하였다. 에폭시가 경화하는 시간인 24시간이 지난 이후 프리스트레싱으로 인한 편심을 방지하기 위해 상하부의 프리스트레싱 힘을 여러번 나누어서 긴장하였다.
- 12와 같이 부착하였으며, 지점에서 1/4지점, 3/4지점의 전면부에만 3개씩 6개의 변형률게이지를 부착하였다. 실험체 제작 시 하부 플랜지의 철근 중앙부와 1/4지점, 3/4지점의 철근의 양옆에 변형률게이지 설치하여 종방향의 철근변형률을 측정하였다. 또한 하중과 처짐 간의 관계를 파악하기 위하여 중앙부와 1/4 및 3/4지점에 LVDT를 설치하였다.
- 0 mm 도포된 상태에서 20 MPa이하의 프리스트레스트 힘으로 연결하였다. 에폭시가 경화하는 시간인 24시간이 지난 이후 프리스트레싱으로 인한 편심을 방지하기 위해 상하부의 프리스트레싱 힘을 여러번 나누어서 긴장하였다. Fig.
- 이 논문은 압축강도 150 MPa의 초고강도 섬유보강 콘크리트로 제작된 15.4 m의 프리스트레스트 3분절 박스형 거더의 강섬유 혼입률과 종방향 철근 배근 형태를 실험변수로 하여 휨 실험을 수행하였다. 강박스와 비슷한 형상의 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더에 대한 하중과 처짐관계, 하중에 따른 중립축의 변화, 분절면에서 균열 및 변형상태, 거더의 연성거동 등을 실험변수에 따라 파악하고, 구조체로서 안정성을 검증하는데 이 논문의 목표로 두고 있다.
- 또한 하중과 처짐 간의 관계를 파악하기 위하여 중앙부와 1/4 및 3/4지점에 LVDT를 설치하였다. 하중 증가에 따른 최초균열, 균열의 전이 양상을 측정하였으며, 측정된 LVDT 변형과 변형률게이지의 변형 데이터를 분석하여 UHPC 분절형 박스거더의 거동 특성을 파악하였다.
대상 데이터
- 복부와 상부 플랜지에 종방향 철근은 배근되지 않았으며 하부 플랜지에만 종방향 철근이 배근되었다. 강섬유는 직경 0.2 mm 길이 13 mm 강섬유를 사용하였다. BF2의 경우, PS강선, 상하부 플랜지와 복부에 종방향 철근이 배근되었으며 강섬유 혼입률 1%의 UHPC로 구성되었다.
- 5%이상인 규사 분말을 사용하였다. 강섬유는 직경 0.2 mm 길이 13 mm의 강섬유를 사용하였다.
- 5와 같이 직사각형 전단키 9개로 구성되었고, 상하부 플랜지에 설치된 전단키는 두께가 20 mm, 복부에 설치된 전단키는 두께가 35 mm가 되도록 제작하였다. 박스거더 강재폼은 3개의 분절폼으로 제작되었으며, 분절면과 분절면 사이에 Fig. 5의 전단키가 성형되어 있는 강재폼을 Fig. 6과 같이 배치하였다.
- 분절 박스거더는 분체재료 계량이 가능한 전용 배쳐플랜트가 있는 프리캐스트 콘크리트 공장에서 제작되었다. 타설된 콘크리트는 24시간의 공기 양생 이후, 48시간동안 90℃ 증기 양생을 수행하였다.
- 분절면은 Fig. 5와 같이 직사각형 전단키 9개로 구성되었고, 상하부 플랜지에 설치된 전단키는 두께가 20 mm, 복부에 설치된 전단키는 두께가 35 mm가 되도록 제작하였다. 박스거더 강재폼은 3개의 분절폼으로 제작되었으며, 분절면과 분절면 사이에 Fig.
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2. 실험
실험체는 3분절 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스 거더로써 강섬유 혼합비율과 종방향 철근 배근에 따라 2가지의 실험체 즉, BF1, BF2로 분류하며 Table 1과 같은 실험체 특성을 가지고 있다. BF1의 경우, PS강선과 강섬유 혼입률 2%의 UHPC로 구성되었다.
- 실험체의 UHPC 배합비는 시멘트 중량대비 물시멘트비 0.23, 실리카퓸 0.23, 실리카플로우 0.3로써 전형적인 RPC6)에 가까운 배합을 사용하였으며 자세한 배합비는 Table 2와 같다.
- 잔골재는 0.4 mm이하의 SiO2성분이 높은 모래를 사용하였고, 실리카퓸은 분말도 0.1 µm 이상의 초미립자를 사용하였고, 실리카플로우는 평균 직경 10~15 µm의 SiO2성분이 99.5%이상인 규사 분말을 사용하였다.
- 초고강도 섬유보강 콘크리트 분절형 박스거더는 Fig. 2와 같이 길이 15.4 M 3분절로 제작하였다. 단부분절은 5.
- 하부 텐던은 15.2 mm 7연선 16개씩 2개의 텐던에 배치하여 총 32개의 강연선을 사용하였고, 상부 텐던은 15.2 mm 7연선 7개씩 2개의 텐던에 배치하여 총 14개의 강연선을 사용하였다. 하부 포스트텐션은 6400 kN으로 긴장하였으며, 상부 포스트텐션은 2800 kN을 도입하였다.
성능/효과
- 1) 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더 응력의 탄성영역에서 초고강도 콘크리트의 압축력과 프리스트레스힘의 인장력에 의한 우력으로 강섬유 혼입률 2%의 박스거더와 강섬유 혼입률 1%와 종방향 연성보강 철근을 배근한 박스거더는 거의 동일한 거동을 보인다.
- 2) 초고강도 섬유보강 콘크리트 박스거더의 비선형응력 영역에서의 거동은 하중과 처짐관계, 중립축의 변화양상 그리고 균열의 진행 양상으로 볼 때 강섬유 혼입률 2%의 박스거더가 강섬유 혼입률 1%와 종방향 연성보강 철근을 배근한 박스거더 보다 더 높은 혼입률의 강섬유 인장강도 증진효과로 인해 의해 강성이 약간 더 크고, 중립축의 상승률이 점진적인 연성거동을 보이며, 더 적은 수의 균열 진전상태를 보이고 있다.
- 2) 콘크리트 내의 섬유는 균열의 진전을 억제하고, 전단철근 대신 전단력을 부담하는 역할을 한다. 이러한 초고강도 섬유보강 콘크리트를 사용하여 1997년에 처음 보도교량에 적용된 후 현재 여러 나라에서 보도교량과 차량교량에 그 적용 예가 증가하고 있다.
- 3) 2% 강섬유 혼입에 의해 압축응력 구역에서 콘크리트 매트릭스의 구속력을 강화하고 인장응력이 우수한 초고강도 콘크리트의 거동특성을 1% 또는 그보다 낮은 강섬유 혼입과 종방향의 지름이 작은 연성 보강 철근 배근 조합으로 압축응력 영역에서 구속력 보강 및 인장응력 영역에서 연성보강을 도모할 수 있어 초고강도 콘크리트 구조물 시공의 경제성을 기할 수 있는 가능성을 보여주고 있다.
- 4) 압축강도가 160 MPa인 초고강도 섬유보강 콘크리트 삼분절 박스거더의 중앙분절 부재가 휨파괴 상태에 도달하더라도 중앙분절과 단부분절 사이의 분절 면에서 슬립이나 균열이 발생하지 않았다. 이는 초고강도 콘크리트의 높은 압축강도로 인해 분절면에서 휨응력과 전단응력의 파괴상태까지 충분한여유를 가지고 있음을 의미하며, 초고강도 콘크리트가 분절부재 요소로서 안정적인 특성과 적합성을 가지고 있음을 보여주고 있다.
- 420 kN 이후 하중과 처짐 관계, 중립축의 변화양상 그리고 균열의 진행 패턴으로 볼 때 강섬유 혼입률 2%의 BF1 휨 거동이 강섬유 혼입률 1%와 종방향 상부플랜지 및 복부철근의 조합을 가진 BF2보다 더 강성이 있음을 알 수 있다. 탄성영역에서 즉, 420 kN 이전의 하중구간에서는 BF1과 BF2의 강성이 비슷하여 하중에 대한 처짐이 거의 동일하나 비선형 거동 구간에서는 동일한 하중 하에서 BF2의 처짐이 더 크게 발생하며, 하중 620 kN의 경우 BF1의 처짐보다 14%가량 크게 발생하였다.
- 즉,비선형 거동영역에서 BF1 UHPC의 향상된 인장강도 효과는 BF2 UHPC와 양복부 및 상부플랜지에 배근된 종방향 철근의 조합 효과보다 강성이 약간 큰 것을 볼 수 있다. BF1의 최초균열은 470 kN에서 발생하였고, BF2의 최초균열은 420 kN에서 발생한 것으로 볼 때, BF2의 종방향 철근보강보다는 BF1 UHPC의 인강강도 특성이 최초균열 하중 증대 효과가 있음을 볼 수 있다. 동일한 내하력에서 BF2의 처짐이 크며 BF1의 극한하중이 BF2보다 7% 큼을 볼 수 있다.
- 670 kN에서 BF2의 처짐은 171 mm로써 BF1의 160 mm보다 7% 더 많은 처짐을 보였다. 즉,비선형 거동영역에서 BF1 UHPC의 향상된 인장강도 효과는 BF2 UHPC와 양복부 및 상부플랜지에 배근된 종방향 철근의 조합 효과보다 강성이 약간 큰 것을 볼 수 있다. BF1의 최초균열은 470 kN에서 발생하였고, BF2의 최초균열은 420 kN에서 발생한 것으로 볼 때, BF2의 종방향 철근보강보다는 BF1 UHPC의 인강강도 특성이 최초균열 하중 증대 효과가 있음을 볼 수 있다.
후속연구
- 단부 분절의 경우 BF1과 BF2 모두 휨변형이나 전단변형이 발생하지 않아 강섬유 혼입률 체적대비 1%의 UHPC사용으로도 내력이 충분함을 알 수 있다. 단부분절은 1%의 강섬유 혼입률 UHPC를 사용하고 중앙분절은 2%의 강섬유 혼입률 UHPC를 사용하는 것이 비선형 거동 및 최대 하중 이후의 거동에서 연성적 특성을 확보할 수 있는 설계가 될 것이다.
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