[논문]보강된 이음부가 적용된 조립식 프리캐스트 콘크리트 아치의 단면 강도 평가

주상훈; 정철헌; 배재현

doi:10.12652/ksce.2014.34.5.1363

보강된 이음부가 적용된 조립식 프리캐스트 콘크리트 아치의 단면 강도 평가
Strength Evaluation on Sectional Members of Prefabricated Precast Concrete Arch with Reinforced Joint 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.34 no.5, 2014년, pp.1363 - 1372

주상훈 (단국대학교 토목환경공학과) , 정철헌 (단국대학교 토목환경공학과) , 배재현 (단국대학교 토목환경공학과)

초록
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선행연구에서 제안된 조립식 프리캐스트 콘크리트 아치의 구조성능이 실험적으로 평가되었다. 본 연구에서는 이에 대하여 재료 및 접촉 비선형을 고려한 유한요소해석을 수행하였으며, 실험결과와 비교하여 콘크리트 블록 간의 마찰계수를 결정하였다. 아치부재 단면의 강도를 평가하기 위해 탄성해석으로 단면력을 산정하여 이를 단면의 공칭강도와 비교하였다. 모든 실험체에서 평가된 최대 하중은 부재단면의 공칭강도를 상회하였으며, 실험과 유사한 결과를 보였다. 따라서 탄성해석과 단면의 극한강도모델에 의한 방법은 설계시 콘크리트 블록과 보강된 이음부로 구성된 조립식 프리캐스트 콘크리트 아치의 단면 강도를 효과적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the previous study, the structural performance of proposed precast concrete arch with reinforced joint was evaluated by structural experiment. In this paper, finite element analysis considering both material and contact nonlinearity was carried out on the specimens of the previous study. Based on the result of analysis and experiment, friction coefficient between concrete blocks was determined. To evaluate the strength of sectional member, elastic analysis was carried out on the arch using linear elastic analysis program. The section force was compared with the nominal strength of arch section. It was concluded that the maximum load of all the specimens exceed the nominal strength of arch section. Those results of the strength evaluation were similar to the results of structural experiments. Therefore, it is concluded that the elastic analysis and ultimate strength model can effectively evaluate the strength for the proposed precast concrete arch composed of concrete blocks and reinforced joint in design.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

019로 나타났고, 모르터의 탄성계수는 압축강도의 약 200배로 평가되었다. 본 해석에서는 이를 토대로 모르터에 대한 압축강도에서의 변형률과 극한변형률을 각각 0.012, 0.018로 가정하였으며, 탄성계수는 6,400MPa로 적용하였다. 선형 탄성구간은 모르터 압축강도(32MPa)의 30%까지 가정하였고 인장강도는 압축강도의 2%인 0.
018로 가정하였으며, 탄성계수는 6,400MPa로 적용하였다. 선형 탄성구간은 모르터 압축강도(32MPa)의 30%까지 가정하였고 인장강도는 압축강도의 2%인 0.64MPa로 완전 탄소성 모델을 적용하였다. 해석모델에 적용된 무수축 모르터의 응력-변형률 관계는 Fig.
콘크리트 블록의 압축강도는 공시체시험강도인 49MPa를 적용하였고, 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad (1951)가 제안한 콘크리트 응력-변형률 곡선을 적용하였다. 선형 탄성구간은 콘크리트 압축강도의 30%까지 가정하였다. Eq.
이때 압축강도에서의 변형률 ε0, 극한변형률 εcu를 각각 0.002, 0.003로 가정하였다.
11과 같이 24개의 절점과 23개의 요소로 구분하였다. 이때 양 지점부는 고정으로 가정하였다. 하중은 실험과 동일한 폭(200mm)으로 적용하였고 실험체의 자중을 고려하였다.
(2014)에서 수행한 광폭 인장강도시험 결과를 이용하였다. 종방향 보강근은 긴장력이 도입되지 않은 강연선으로 완전 탄소성 모델로 가정하였으며, 항복강도는 재료규격에서 제시하는 값을 적용하였다. 해석모델에 적용된 지오그리드와 종방향 보강근의 재료특성은 Table 3과 같고, Fig.

제안 방법

(2004)에서는 Fig. 1(b)와 같이 블록 간의 부착강도를 고려하여 기존의 석조 아치교량에 대한 내하력 평가방법을 검증하였다.
각 실험체에서 평가된 최대 하중(Table 4 참조)을 적용하여 단면력을 산정하였다. 실험체의 아치부재는 범용구조해석 프로그램인 SAP2000의 선 요소(line element)인 frame 요소를 사용하여 모델링하였으며, Fig.
각 실험체에서 평가된 최대 하중을 적용하여 발생된 전단력(V)에 대한 평가는 비선형 유한요소해석으로부터 결정된 블록 간 마찰계수(μ) 0.4를 적용하였다.
4는 프리캐스트 블록 간의 마찰계수로서 적절한 값으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 나머지 실험체의 해석조건에 프리캐스트 콘크리트블록 간의 마찰계수 0.4를 반영하여 해석을 수행하였으며, 이를 실험결과와 비교하였다.
비선형 유한요소해석과 실험결과를 비교하여 콘크리트 블록 간의 마찰계수를 결정하였으며, 이를 제안된 아치시스템의 해석과 부재 단면의 전단력 평가에 적용하였다. 또한, 실험에서 평가된 최대 하중을 적용하여 단면력을 산정하였으며, 이를 단면의 공칭휨강도와 비교하였다. 비선형 유한요소해석과 단면의 강도 평가로부터 얻어진 주요 결론은 다음과 같다.
보강된 이음부는 콘크리트 블록으로 구성된 아치구조에 횡방향(교축직각방향) 루프이음과 종방향(교축방향) 보강근을 적용한 이음부 방식으로 요소실험을 통해 기존 형식보다 향상된 구조성능을 검증하였다.
본 연구에서는 Chung et al. (2014)에서 수행한 구조실험의 결과를 토대로 재료 및 접촉 비선형을 고려한 유한요소해석을 수행하였다. 이 결과로부터 콘크리트 블록 간 마찰계수를 결정하고 비선형 해석과 아치부재 단면의 강도 평가를 수행하였다.
본 연구에서는 Chung et al. (2014)에서 제안한 조립식 프리캐스 트 콘크리트 아치의 실험결과를 토대로 비선형 유한요소해석과 단면의 강도 평가를 수행하였다.
(2014)에서 제안한 조립식 프리캐스 트 콘크리트 아치의 실험결과를 토대로 비선형 유한요소해석과 단면의 강도 평가를 수행하였다. 비선형 유한요소해석과 실험결과를 비교하여 콘크리트 블록 간의 마찰계수를 결정하였으며, 이를 제안된 아치시스템의 해석과 부재 단면의 전단력 평가에 적용하였다. 또한, 실험에서 평가된 최대 하중을 적용하여 단면력을 산정하였으며, 이를 단면의 공칭휨강도와 비교하였다.
실험체(Table 1 참조)에 대하여 재료 및 접촉 비선형을 고려한 유한요소해석을 수행하였다. 비선형 해석은 ABAQUS 6.
각 실험체에서 평가된 최대 하중(Table 4 참조)을 적용하여 단면력을 산정하였다. 실험체의 아치부재는 범용구조해석 프로그램인 SAP2000의 선 요소(line element)인 frame 요소를 사용하여 모델링하였으며, Fig. 11과 같이 24개의 절점과 23개의 요소로 구분하였다. 이때 양 지점부는 고정으로 가정하였다.
(2014)에서 수행한 구조실험의 결과를 토대로 재료 및 접촉 비선형을 고려한 유한요소해석을 수행하였다. 이 결과로부터 콘크리트 블록 간 마찰계수를 결정하고 비선형 해석과 아치부재 단면의 강도 평가를 수행하였다. 해석 및 평가 대상의 실험체는 Table 1과 같다.
)를 산정하기 위해 콘크리트 단면의 극한강도모델을 적용하였다. 인장강도의 고려 여부는 종방향 보강근의 적용 여부에 따라 구분하였고 부모멘트 구간에는 지오그리드의 인장강도를 추가로 고려하였다.
콘크리트 블록으로 구성된 아치부재 단면의 공칭강도(P_n, M_n)를 산정하기 위해 콘크리트 단면의 극한강도모델을 적용하였다. 인장강도의 고려 여부는 종방향 보강근의 적용 여부에 따라 구분하였고 부모멘트 구간에는 지오그리드의 인장강도를 추가로 고려하였다.

대상 데이터

3∼5와 같이 콘크리트 블록과 무수축 모르터는 8절점 Solid 요소(C3D8), 지오그리드(geogrid)는 Membrane 요소(M3D4), 보강근은 Truss 요소(T3D2)를 사용하였다.

데이터처리

실험에서 평가된 최대 하중을 적용하여 산정된 압축력(P), 휨모멘트(M)를 각 실험체별 P_n-M_n 상관도와 비교하였다(Fig. 16). 각 실험체의 부모멘트부(Block 5∼6)에서 발생한 모멘트는 인장강도가 고려된 휨강도(Mn)에 0.

이론/모형

루프이음부에 타설된 무수축 모르터의 압축응력-변형률 관계는 기존 연구를 참고하였다. Kaushik et al.
실험체(Table 1 참조)에 대하여 재료 및 접촉 비선형을 고려한 유한요소해석을 수행하였다. 비선형 해석은 ABAQUS 6.9 (2009)를 이용하여 실험조건과 동일하게 횡방향 등분포하중을 적용하였고, 실험체의 양 지점조건은 실험결과를 토대로 변위를 모두 구속하였다. 콘크리트 블록 간 접촉면은 Coulomb friction 모델을 적용하여 접촉면에 직각인 방향으로는 벌어짐이 발생할 수 있도록 강성을 부여하지 않았다.
이 연구에서는 두 가지 방법으로 해석을 수행하였는데, 하나는 ABAQUS의 외연적 수치 해석 방법(explicit numerical analysis method)으로 비선형 유한 요소해석을 수행하였고, 또 다른 방법으로는 압축력선 또는 추력선(thrust line) 해석법을 토대로 상용화한 ARCHIE 프로그램을 이용하였다.
지오그리드의 재료특성은 Chung et al. (2014)에서 수행한 광폭 인장강도시험 결과를 이용하였다. 종방향 보강근은 긴장력이 도입되지 않은 강연선으로 완전 탄소성 모델로 가정하였으며, 항복강도는 재료규격에서 제시하는 값을 적용하였다.
콘크리트 재료는 Concrete Damaged Plasticity 모델을 사용하였다. 콘크리트 블록의 압축강도는 공시체시험강도인 49MPa를 적용하였고, 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad (1951)가 제안한 콘크리트 응력-변형률 곡선을 적용하였다. 선형 탄성구간은 콘크리트 압축강도의 30%까지 가정하였다.
콘크리트 재료는 Concrete Damaged Plasticity 모델을 사용하였다. 콘크리트 블록의 압축강도는 공시체시험강도인 49MPa를 적용하였고, 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 Hognestad (1951)가 제안한 콘크리트 응력-변형률 곡선을 적용하였다.

성능/효과

(1) 접촉 및 재료 비선형을 고려한 해석결과, 프리캐스트 콘크리트 블록 간의 마찰계수는 0.4를 적용할 때 실험결과와 가장 유사하게 나타났다.
(2) 단면의 강도 평가결과, 종방향 보강근이 적용되지 않은 실험체에서는 발생된 휨모멘트가 휨강도보다 3.33∼3.73배 큰 수준을 보여 산정된 공칭휨강도가 과소평가된 것으로 나타났으며, 이는 설계시 내하력을 매우 보수적으로 평가할 것으로 판단된다.
이 연구에서는 두 가지 방법으로 해석을 수행하였는데, 하나는 ABAQUS의 외연적 수치 해석 방법(explicit numerical analysis method)으로 비선형 유한 요소해석을 수행하였고, 또 다른 방법으로는 압축력선 또는 추력선(thrust line) 해석법을 토대로 상용화한 ARCHIE 프로그램을 이용하였다. ARCHIE에 의한 해석결과는 실험에서 측정된 처짐 형상과 유사한 결과를 보였으나 내하력 평가에 있어서는 보수적인 결과를 나타내었다. Boothby et al.
실험체 모두 지점부 부근(Block 1∼2)과 하중재하부(Block 11∼12)에서 전단한계(V/μP=1) 수준을 초과하는 단면력이 발생되었다(Table 6).
이 연구에서는 모르터의 압축강도에서 변형률 ε0가 0.010∼0.013, 극한변형률 εcu가 0.017∼0.019로 나타났고, 모르터의 탄성계수는 압축강도의 약 200배로 평가되었다.
이러한 결과로 볼 때, 구조물기초설계기준해설(Korean Geotechnical Society, 2009)에서는 일반 콘크리트 간의 마찰계수를 0.5로 제시하고 있고, DMRB의 BD 91/04에서는 전단력의 한계범위 조건을 V ≤ 0.4P로 제시 하는 것을 감안하면, 본 해석에 적용시킨 마찰계수 0.4는 프리캐스트 블록 간의 마찰계수로서 적절한 값으로 판단된다.
종방향 보강근이 적용된 실험체 BL-4-2, BL-8-2, BL-4-1 경우, 하중재하부(Block 11∼12)에서 발생된 모멘트가 휨강도보다 각각 1.29배, 1.16배, 1.31배로 종방향 보강근이 적용되지 않은 실험체보다 공칭강도에 더 가까운 수준으로 나타났다.

후속연구

(3) 따라서, 보강된 이음부와 콘크리트 블록으로 구성된 조립식 프리캐스트 콘크리트 아치는 탄성모델에 의해 단면력을 산정할 수 있으며, 이를 P_n-M_n 상관도와 전단력의 한계범위로 효율적인 내하력 평가가 가능할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Taylor et al.는 콘크리트 아치시스템의 구조적 성능을 어떻게 해석하였는가?	(2007)은 제안된 프리캐스트 콘크리트 아치시스템에 대한 제작 및 시공과정을 소개하였으며, 실험 및 해석을 통해 구조적 성능을 평가하였다. 이 연구에서는 두 가지 방법으로 해석을 수행하였는데, 하나는 ABAQUS의 외연적 수치 해석 방법(explicit numerical analysis method)으로 비선형 유한 요소해석을 수행하였고, 또 다른 방법으로는 압축력선 또는 추력선(thrust line) 해석법을 토대로 상용화한 ARCHIE 프로그램을 이용하였다. ARCHIE에 의한 해석결과는 실험에서 측정된 처짐 형상과 유사한 결과를 보였으나 내하력 평가에 있어서는 보수적인 결과를 나타내었다.
	인류 역사상 가장 오래된 구조형식은 무엇인가?	석조형식의 아치 교량(masonry arch bridge)은 인류 역사상 가장 오래된 구조형식으로 국외의 경우에는 영국을 중심으로 유럽 여러 나라에서 현재까지도 많은 연구가 이루어지고 있다. Taylor et al.
	보강된 이음부는 어떠한 방식으로 요소실험을 통해 기존 형식보다 향상된 구조성능을 검증하였는가?	2). 보강된 이음부는 콘크리트 블록으로 구성된 아치구조에 횡방향(교축직각방향) 루프이음과 종방향(교축방향) 보강근을 적용한 이음부 방식으로 요소실험을 통해 기존 형식보다 향상된 구조성능을 검증하였다.

참고문헌 (12)

ABAQUS (2009). Abaqus analysis user's manual version 6.9, Dassault Systemes Simulia Corp.
Boothby, T. E. (2001). "Load rating of masonry arch bridges." Journal of Bridge Engineering, Vol. 6, No. 2, pp. 79-86.

상세보기
Boothby, T. E. and Fanning, P. J. (2001). "Assessment methods for masonry arch bridges." Structural Faults & Repair-2001.
Boothby, T. E. and Fanning, P. J. (2004). "Load rating of masonry arch bridges: Refinements." Journal of Bridge Engineering, Vol. 9, No. 3, pp. 304-307.

상세보기
Chung, C. H., Joo, S. H., Choi, D. C. and Lee, J. Y. (2014). "Structural performance of precast concrete arch with reinforced joint." Journal of the Korea Society of Civil Engineers, Vol. 34, No. 1, pp. 29-47 (in Korean).

원문보기 상세보기
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Gupta, A., Taylor, S. E., Kirkpatrick, J., Long, A. and Hogg, I. (2005). "A flexible concrete arch system." Concrete Research in Ireland Colloquium.
Hognestad, E. (1951). A study of combined bending and axial load in reinforced concrete members, Bulletin 399, University of Illinois Engineering Experiment Station, Urbana, Ill.
Kaushik, H. B., Rai, D. C. and Jain, S. K. (2007). "Stress-strain characteristics of clay brick masonry under uniaxial compression." Journal of Material in Civil Engineering, Vol. 19, No. 9, pp. 728-739.

상세보기
Korean Geotechnical Society (2009). Structure foundation design code (in Korean).
Taylor, S. E., Gupta, A., Kirkpatrick, J. and Long, A. E. (2007). "Testing of a novel flexible concrete arch system." Proceedings of ACIC 07, Advanced Composites in Construction, 2nd-4th April 2007, University of Bath, UK.
Taylor, S. E., Robinson, D., Ritchie, N., Mcllwaine, K. and Gupta, A. (2006). "Testing of half-scale model flexible concrete arches." Bridge and Infrastructure Research in Ireland: Symposium 2006.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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