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문제 정의
- 하지만 초박층 교면포장이 강바닥판 구조에 미치는 영향에 대한 연구는 미비한 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 강바닥판의 피로응력을 산정하기 위해 Abaqus를 이용한 유한요소해석을 사용하여 비교 평가하였고, 최근 국내에서 초박층 교면포장 재료로 개발 중인 폴리설파이드 에폭시 폴리머 콘크리트 포장 (Polysulfide Epoxy Polymer Concrete)과 비교대상으로 설정한 에폭시 아스팔트 (Epoxy Asphalt), SFRC (Steel Fiber Reinforced Concrete) 포장의 비교 분석을 통해 폴리머 콘크리트 포장이 강바닥판의 피로응력에 어떤 영향을 미치는 지 분석하고자 하였다.
- 한편 2012년에 제정된 한계상태설계법에서는 이전의 설계기준과 다르게 포장이 직교이방성 바닥판 부재들의 강성에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 변경이 되었다. 이렇듯 한계상태설계법의 제정으로 설계기준이 보다 합리적이고 경제적 설계가 가능한 방향으로 변경됨에 따라 포장의 강성에 대한 영향에 추가로 데크 플레이트의 최소두께도 변경될 수 있다고 생각하였고, 이에 12mm 데크 플레이트의 적용성을 검토해보고자 하였다.
가설 설정
- 그리고 각 포장재료의 실제 시공두께를 고려하여 폴리머 콘크리트 포장, 에폭시 아스팔트 포장, SFRC 포장 순으로 12mm, 60mm, 80mm를 대표두께로 설정하였다. 본 연구에서는 재료의 점성이나 온도에 따른 비선형성은 고려하지 않았으며, 모든 재료들은 등방성의 선형탄성 재료로 가정하였다.
제안 방법
- 포장의 두께는 폴리머 콘크리트의 두께 12mm를 기준으로 하여, 20mm 이하에서는 4mm 간격, 20mm 이상에서는 에폭시 아스팔트와 SFRC의 두께를 고려하고자 20mm 간격으로 100mm까지 설정하여 분석하였다. 그리고 각 포장재료의 실제 시공두께를 고려하여 폴리머 콘크리트 포장, 에폭시 아스팔트 포장, SFRC 포장 순으로 12mm, 60mm, 80mm를 대표두께로 설정하였다. 본 연구에서는 재료의 점성이나 온도에 따른 비선형성은 고려하지 않았으며, 모든 재료들은 등방성의 선형탄성 재료로 가정하였다.
- 접착 (방수)층은 강바닥판과 포장층 사이의 접착을 고려할 수 있으면서 접착 (방수)층 자체의 두께도 고려할 수 있는 코히시브 요소 (cohesive element)를 사용하였으며, 포장층은 두께를 실질적으로 고려하며 해석시간을 절약할 수 있는 컨티늄쉘 요소 (continum shell element)를 사용하여 모델링하였다. 그리고 강바닥판-접착 (방수)층, 접착 (방수)층-포장층 각각의 접촉면은 타이 (tie)연결로 모델링하였고, 각각 접촉면의 미끌림 영향은 본 해석에서 고려하지 않았다.
- 따라서 본 연구에서는 피로응력범위를 측정대상으로 하였으며, 유한요소해석을 통해 각 부위에서의 최대 정⋅부 모멘트를 구한 후 다축 응력하에서의 피로응력범위 산정에 비교적 많이 사용되고 있는 Signed von-Mises 응력을 사용하여 피로응력범위를 산출하였다.
- 국부 거동에 의한 응력은 주로 교축직각방향에 작용하여 교축방향에 대한 응력중첩 시 무시되나, A 부분과 같이 교축직각방향 응력에 의해 큰 영향을 받는 위치에서는 지배적인 영향을 주는 것으로 판단된다. 물론 이러한 국부하중에 의한 국부적인 파괴는 막작용으로 인한 강성증가로 바닥판 전체가 즉시 파괴에 이르는 것은 아니나, 그대로 방치해두면 포장의 손상, 평탄성 결여 등으로 인해 교량으로서의 기능이 저하되고 교량의 내구성이 저하된다 (Jun et al., 2009) 이러한 현상이 벌어지는 원인을 좀 더 구체적으로 살피기 위해 Fig. 11과 같이 A 부분의 교축방향, 교축직각방향의 단면 형상을 각각 살펴보았다. 교축방향의 경우 포장, 바닥판, 그리고 종리브를 포함한 단면이 단면력을 부담하게 되므로 포장의 두께가 줄어들어도 단면2차모멘트가 크게 줄지 않아 단면의 강성에 큰 영향을 받지 않는 반면, 교축직각방향의 경우 오로지 데크 플레이트와 포장으로 구성된 단면이 단면력을 부담하므로 포장 두께가 줄어들 경우 단면2차모멘트가 급격히 줄어들어 단면의 강성에 큰 영향을 받게 된다.
- 본 연구에서는 강바닥판 교량수치해석 모델을 통해 폴리머 콘크리트 포장이 강바닥판에 어떤 영향을 미치는 지 파악하기 위해 교면포장의 두께 및 포장의 종류를 매개변수로 Abaqus를 이용한 유한요소 해석을 이용하여 종리브와 데크 플레이트 필렛용접부 및 종⋅횡리브 필렛용접부의 피로응력범위를 비교⋅분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 연구에서는 정밀한 해석을 위해 상용 프로그램인 Abaqus를 이용하여 Fig. 1의 단면을 기초로 수치해석모델을 Fig. 2와 같이 구현하였다. 유한요소해석을 위해 모델교량의 거더 중 지점 간의 간격이 가장 긴 중앙부 21m 구간을 선택하였으며, 경계조건을 만족시키기 위해 양쪽으로 3m씩을 연장하여 모델링하고 케이블 지점을 고정단으로 설정하였다.
- 유한요소모델은 Fig. 3, Table 2와 같이 강바닥판, 접착 (방수)층 그리고 포장층으로 구분되며, 세 가지 구조를 통합해 구축한 강바닥판 모델링으로 정밀한 유한요소해석을 수행하였다. 접착 (방수)층과 포장층을 제외한 모든 구조물은 쉘요소 (shell element)를 사용하였으며, 머지 (merge) 기능을 이용하여 하나의 일체화된 구조물로 모델링 하였다.
- 2와 같이 구현하였다. 유한요소해석을 위해 모델교량의 거더 중 지점 간의 간격이 가장 긴 중앙부 21m 구간을 선택하였으며, 경계조건을 만족시키기 위해 양쪽으로 3m씩을 연장하여 모델링하고 케이블 지점을 고정단으로 설정하였다.
- 앞서 살펴보았듯이 A 부분이 B 부분에 비해 포장두께에 의해 더 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다. 이에 대한 원인을 찾기 위해 폴리머 콘크리트 포장에서 종리브 중앙에 윤하중을 재하했을 때의 A 부분의 응력을 Fig. 10과 같이 응력을 교축방향과 교축직각방향으로 구분하여 분석하였다. Fig.
- 3, Table 2와 같이 강바닥판, 접착 (방수)층 그리고 포장층으로 구분되며, 세 가지 구조를 통합해 구축한 강바닥판 모델링으로 정밀한 유한요소해석을 수행하였다. 접착 (방수)층과 포장층을 제외한 모든 구조물은 쉘요소 (shell element)를 사용하였으며, 머지 (merge) 기능을 이용하여 하나의 일체화된 구조물로 모델링 하였다. 접착 (방수)층은 강바닥판과 포장층 사이의 접착을 고려할 수 있으면서 접착 (방수)층 자체의 두께도 고려할 수 있는 코히시브 요소 (cohesive element)를 사용하였으며, 포장층은 두께를 실질적으로 고려하며 해석시간을 절약할 수 있는 컨티늄쉘 요소 (continum shell element)를 사용하여 모델링하였다.
- 접착 (방수)층과 포장층을 제외한 모든 구조물은 쉘요소 (shell element)를 사용하였으며, 머지 (merge) 기능을 이용하여 하나의 일체화된 구조물로 모델링 하였다. 접착 (방수)층은 강바닥판과 포장층 사이의 접착을 고려할 수 있으면서 접착 (방수)층 자체의 두께도 고려할 수 있는 코히시브 요소 (cohesive element)를 사용하였으며, 포장층은 두께를 실질적으로 고려하며 해석시간을 절약할 수 있는 컨티늄쉘 요소 (continum shell element)를 사용하여 모델링하였다. 그리고 강바닥판-접착 (방수)층, 접착 (방수)층-포장층 각각의 접촉면은 타이 (tie)연결로 모델링하였고, 각각 접촉면의 미끌림 영향은 본 해석에서 고려하지 않았다.
- 에폭시 아스팔트의 경우 일반적으로 많이 사용되는 교면포장 재료이며, SFRC의 경우 높은 강성으로 인하여 여러 연구에서 피로균열의 대책으로 거론되고 있어서 비교 대상으로 선정하였다. 포장의 두께는 폴리머 콘크리트의 두께 12mm를 기준으로 하여, 20mm 이하에서는 4mm 간격, 20mm 이상에서는 에폭시 아스팔트와 SFRC의 두께를 고려하고자 20mm 간격으로 100mm까지 설정하여 분석하였다. 그리고 각 포장재료의 실제 시공두께를 고려하여 폴리머 콘크리트 포장, 에폭시 아스팔트 포장, SFRC 포장 순으로 12mm, 60mm, 80mm를 대표두께로 설정하였다.
- 4와 같이 해당 범위에 대하여 50mm~100mm 간격으로 조밀하게, 그 외의 범위는 300mm~1500mm으로 메쉬를 구성하였다. 포장층과 접착 (방수)층 역시 윤하중의 전달에 중요한 역할을 하므로 한변이 100mm인 정사각형에 두께를 가진 육면체 요소로 조밀하게 메쉬를 구성하였다.
대상 데이터
- 강바닥판은 4절점 요소인 S4R, 접착 (방수)층과 포장층은 각각 6면체 요소이면서 8절점 요소인 COH3D8와 SC8R를 적용하였다. 강바닥판의 경우 사전에 간략한 모델링을 통해 윤하중의 영향이 미치는 범위를 설정하여 Fig.
- 본 연구에서는 2012년 완공된 M 교량을 모델 교량으로 하였다. 모델 교량은 총 연장 900m로 3경간 연속 3-WAY 케이블 사장교 형식으로 경간구성은 L = 200 + 500 + 200 = 900m이다. 거더 형식은 Fig.
- 본 연구에서는 2012년 완공된 M 교량을 모델 교량으로 하였다. 모델 교량은 총 연장 900m로 3경간 연속 3-WAY 케이블 사장교 형식으로 경간구성은 L = 200 + 500 + 200 = 900m이다.
- 본 해석에서 사용된 재료는 강바닥판에 사용된 강재와 접착 (방수)층에 사용된 에폭시 수지, 포장층에서는 초박층 포장재료로 쓰이는 폴리머 콘크리트, 그리고 비교대상으로 설정한 에폭시 아스팔트 (Epoxy Asphalt)와 SFRC가 있으며 주요 재료의 특성치는 Table 3과 같다. 에폭시 아스팔트의 경우 일반적으로 많이 사용되는 교면포장 재료이며, SFRC의 경우 높은 강성으로 인하여 여러 연구에서 피로균열의 대책으로 거론되고 있어서 비교 대상으로 선정하였다.
- 본 해석에서 사용된 재료는 강바닥판에 사용된 강재와 접착 (방수)층에 사용된 에폭시 수지, 포장층에서는 초박층 포장재료로 쓰이는 폴리머 콘크리트, 그리고 비교대상으로 설정한 에폭시 아스팔트 (Epoxy Asphalt)와 SFRC가 있으며 주요 재료의 특성치는 Table 3과 같다. 에폭시 아스팔트의 경우 일반적으로 많이 사용되는 교면포장 재료이며, SFRC의 경우 높은 강성으로 인하여 여러 연구에서 피로균열의 대책으로 거론되고 있어서 비교 대상으로 선정하였다. 포장의 두께는 폴리머 콘크리트의 두께 12mm를 기준으로 하여, 20mm 이하에서는 4mm 간격, 20mm 이상에서는 에폭시 아스팔트와 SFRC의 두께를 고려하고자 20mm 간격으로 100mm까지 설정하여 분석하였다.
성능/효과
- (1) 포장의 두께가 증가하고 탄성계수가 커짐에 따라 피로응력범위는 감소하였다. 종-횡 부의 경우 포장 두께가 증가하고 탄성계수가 커짐에 따라 피로응력범위가 선형적으로 완만하게 감소한 반면, 종-데크 부의 경우 피로응력범위가 급격하게 감소하는 모습을 보여 종-데크 부가 종-횡 부에 비해 포장 두께와 탄성계수에 의해 더 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
- (2) 포장의 실제 시공두께를 고려하여 분석한 결과 폴리머 콘크리트 포장이 비교 대상인 에폭시 아스팔트 포장과 SFRC 포장에 비해서 피로응력범위 감소율이 훨씬 작은 것으로 나타났다.
- (3) 데크 플레이트 두께를 12mm로 줄여서 분석한 결과 종-데크 부의 경우 피로응력범위가 크게 증가하였다. 폴리머 콘크리트의 대표두께인 12mm를 적용하였을 때 피로응력범위가 105MPa로 설계기준 이내로 들어오는 것을 확인할 수 있었다.
- A 부분과 B 부분 모두 포장두께가 증가함에 따라 피로응력범위가 감소하는 모습을 나타내었는데, B 부분의 경우 포장두께가 증가함에 따라 선형적으로 완만하게 감소하는 반면, A 부분의 경우 포장두께 40mm 이하에서 급격하게 감소하는 모습을 보이고 있다. A 부분과 B 부분은 포장두께가 0mm일 때와 비교하여 포장두께가 100mm일 때 각각 64.
- A 부분과 B 부분 모두 폴리머 콘크리트, 에폭시 아스팔트, SFRC 순서로 피로응력범위 감소율이 커지는 것을 확인할 수 있다. 폴리머 콘크리트가 에폭시 아스팔트에 비해 탄성계수가 1.
- 에폭시 아스팔트 포장 역시 A 부분과 B 부분 모두 포장두께가 증가함에 따라 피로응력범위가 감소하는 모습을 나타내고 있으며, 그 패턴도 폴리머 콘크리트 포장의 패턴과 비슷하였다. A 부분과 B 부분은 포장두께가 0mm일 때와 비교하여 포장두께가 100mm일 때 피로응력범위가 감소율이 각각 58.7%, 18.6%로 폴리머 콘크리트에 비해 다소 적은 감소율을 보였다.
- 14에 정리하였다. Fig. 13과 Fig. 14를 보면 A 부분과 B 부분 모두 에폭시 아스팔트 포장 (2.62GPa), 폴리머 콘크리트 포장 (4.1GPa), SFRC 포장 (29.2GPa) 순서로 탄성계수가 커질수록 피로응력범위의 감소폭이 커지는 것을 확인할 수 있으며, 즉 포장의 탄성계수가 커질수록 강바닥판의 피로응력범위가 줄어들어 피로균열 예방에 도움이 될 것이라 판단된다. 먼저 A 부분을 살펴보면 폴리머 콘크리트 포장과 에폭시 아스팔트 포장의 경우 포장두께 40mm 이하에서, SFRC 포장의 경우 포장두께 20mm 이하에서 피로응력범위가 급격하게 감소하는 것을 확인할 수 있다.
- 12의 그래프에서 나타나듯이 B 부분의 경우 교축방향 응력에 더 큰 영향을 받고 있음을 알 수 있다. 교축방향의 응력의 경우 앞서 살펴본 바와 같이 종리브를 포함한 단면이 단면력을 부담하게 되므로, 결과적으로 B 부분이 A 부분에 비해 포장 두께에 대해서 비교적 덜 민감한 모습을 보였다.
- (1) 포장의 두께가 증가하고 탄성계수가 커짐에 따라 피로응력범위는 감소하였다. 종-횡 부의 경우 포장 두께가 증가하고 탄성계수가 커짐에 따라 피로응력범위가 선형적으로 완만하게 감소한 반면, 종-데크 부의 경우 피로응력범위가 급격하게 감소하는 모습을 보여 종-데크 부가 종-횡 부에 비해 포장 두께와 탄성계수에 의해 더 큰 영향을 받는다는 것을 알 수 있었다.
- 17과 같이 A 부분의 경우 데크 플레이트의 두께가 14mm에서 12mm로 줄어들었을 때 피로응력 범위가 크게 증가하였다. 특히 포장두께가 0mm일 경우 피로응력범위는 데크 플레이트가 14mm일 때 85.64MPa에서 12mm일 때 122.98MPa로 43.6%가량 증가하여 피로응력범위 기준인 110MPa를 크게 초과하여 A 부분의 경우 강바닥판의 강성이 피로파괴에 큰 영향을 주는 것을 확인할 수 있었다. 한편 데크 플레이트의 두께가 12mm일 때 폴리머 콘크리트 포장의 대표두께인 12mm를 적용하였을 경우의 피로응력범위는 105.
- (3) 데크 플레이트 두께를 12mm로 줄여서 분석한 결과 종-데크 부의 경우 피로응력범위가 크게 증가하였다. 폴리머 콘크리트의 대표두께인 12mm를 적용하였을 때 피로응력범위가 105MPa로 설계기준 이내로 들어오는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 포장의 강성이 강바닥판의 강성에 미치는 영향을 검토하여 데크 플레이트의 최소두께규정을 줄이는 것도 고려해 볼 수 있을 것이라고 판단된다.
- 이는 포장 재료의 탄성계수에 따라서 피로응력범위가 급격히 감소하는 포장두께의 범위가 존재하는 것으로 보인다. 한편 분석 대상인 포장 재료들의 탄성계수 구간 (2.62~29.2GPa)에서는 비교적 포장두께가 얇은 구간 (40mm 이하)에서 피로응력범위가 급격히 감소하여 설계 기준인 112MPa의 절반 이하가 되는 것으로 보아 A 부분에서는 포장체의 탄성계수가 피로응력범위 저감에 효과적인 역할을 할 것으로 판단된다. B 부분의 경우 특정 포장두께와 상관없이 일정하게 피로응력범위가 감소하고 있으며, 피로응력범위 감소폭이 A 부분 보다 비교적 작게 나타났다.
후속연구
- 강바닥판은 복잡한 응력거동을 나타내 피로균열의 발생가능성이 어느 구조물보다도 큰 구조물이라고 할 수 있으므로, 향후 피로시험에 의한 폴리머 콘크리트 포장의 피로내구성 및 강바닥판 피로강도 향상 효과의 확인이 필요하며, 실제 교량에서의 시공을 고려한 검토가 필요하다. 또한 폴리머 콘크리트 포장도 일반 아스팔트 포장과 마찬가지로 여름철 교면포장의 연화로 인한 포장의 강성저하를 방지할 수 있도록 추가적인 연구⋅개발이 필요할 것으로 사료된다.
- 폴리머 콘크리트의 대표두께인 12mm를 적용하였을 때 피로응력범위가 105MPa로 설계기준 이내로 들어오는 것을 확인할 수 있었다. 더불어 포장의 강성이 강바닥판의 강성에 미치는 영향을 검토하여 데크 플레이트의 최소두께규정을 줄이는 것도 고려해 볼 수 있을 것이라고 판단된다.
- 강바닥판은 복잡한 응력거동을 나타내 피로균열의 발생가능성이 어느 구조물보다도 큰 구조물이라고 할 수 있으므로, 향후 피로시험에 의한 폴리머 콘크리트 포장의 피로내구성 및 강바닥판 피로강도 향상 효과의 확인이 필요하며, 실제 교량에서의 시공을 고려한 검토가 필요하다. 또한 폴리머 콘크리트 포장도 일반 아스팔트 포장과 마찬가지로 여름철 교면포장의 연화로 인한 포장의 강성저하를 방지할 수 있도록 추가적인 연구⋅개발이 필요할 것으로 사료된다.
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