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문제 정의
- 1), 개발된 곡선 PSC R-거더공법은 전도방지장치와 곡률조절이 자유로워 재사용이 가능한 이동식 곡선거푸집 등을 활용한 포스트텐션 방식의 공법이다. 개발된 이동식 곡선거푸집과 같은 곡선 PSC 거더 제작기술을 바탕으로 곡률반경 80m, 길이 30m의 실물모형 시험체를 직접 제작하고 정적재하실험을 통해 역학적 성능을 검증 함으로써, 곡선 PSC 거더의 구조신뢰성을 확보하는 것이 이 연구의 최종 목적이다.
제안 방법
- 설계강도 50MPa의 콘크리트를 타설 한 후에 6시간 동안 증기양생을 실시한 후 자연양생을 실시하였다. 5일간의 양생기간을 거친 후 거푸집을 탈형하였다. 곡선거더의 경우, 기하학적인 형상 때문에 자중에 의해서도 전도가 발생하므로 이 연구에서는 RC 브라켓을 곡선거더 외측 양끝단에 거푸집을 설치하여 제작하였다.
- MIDAS FEA V3.2를 이용한 구조해석에서는 곡선 PSC R-거더 구조시험체의 특성을 고려하여 제작에서부터 실제 조건과 동일하게 설정하여 해석을 수행하였다. 콘크리트의 재료 비선형거동을 적절하게 나타내기 위해서는 적합한 소성모델이 필요하다.
- 18과 같이 FEA 모델을 구성하였다. PS강연선은 프로그램 내에 embedded reinforcement로 모델링하였다. 콘크리트는 Drucker-Prager의 파괴기준을 강연선은 Von Mises 파괴기준을 적용하여 해석을 수행하였다.
- , 2010). 강연선에 프리스트레스를 도입한 후 그라우팅을 실시하고, 그 후 상부에 슬래브 거푸집을 설치하고 철근을 배근한 후 콘크리트를 타설하였다.
- 곡선 PSC R-거더 시험체의 강연선은 쉬스관당 Φ15.2mm 16가닥의 강연선을 Fig. 4와 같이 배치하였으며, 비록 쉬스관이 곡률에 따라서 포물선으로 배치되더라도 모든 단면에서 쉬스관은 대칭되도록 설계하였다.
- 곡선 PSC R-거더 시험체의 내부 철근에는 전기저항식 변형률 게이지를 부착하여 하중재하에 따른 대상 시험체의 변형률 변화를 측정하였다. 중립축 거동과 초기균열을 확인하기 위하여 콘크리트 표면에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다.
- 곡선 PSC R-거더는 변단면을 갖는 거더부와 슬래브 바닥판을 구분하여 모델링하였고 포스트텐션방식의 프리스트레스를 도입하였다. 재료비선형 정적하중재하해석을 위한 경계조건은 실제 실험과 같은 힌지-롤러를 적용하였으며, 전도를 방지하기 위해 설치된 콘크리트 브라켓 부분에 롤러지점을 부여하였다.
- 곡선 PSC R-거더의 구조실험결과를 예측하고 거동을 비교분석하기 위하여 3D FEM 해석을 수행하였다. 해석프로그램은 MIDASIT 사의 MIDAS FEA V3.
- 5일간의 양생기간을 거친 후 거푸집을 탈형하였다. 곡선거더의 경우, 기하학적인 형상 때문에 자중에 의해서도 전도가 발생하므로 이 연구에서는 RC 브라켓을 곡선거더 외측 양끝단에 거푸집을 설치하여 제작하였다. 다음 단계로 쉬스관에 강연선을 투입하고, 도입순서에 따라서 긴장력을 25%씩 증가시키며 긴장력을 도입하였다(Lee et al.
- 곡선거더의 비틀림 거동을 파악하기 위하여 비틀림 강성이 가장 취약한 중공단면 시작점에 종방향철근과 수직스트럽에 변형률게이지를 400mm 간격으로 부착하여 하중에 따른 변화를 계측하였다.
- 긴장력의 도입순서는 곡선반경외측상단의 강연선부터 외측상단→내측상단→외측하단→내측하단 순서로 전체 도입긴장력의 25%씩 분할하여 증가시키며 프리스트레스를 도입하였다.
- 곡선거더의 경우, 기하학적인 형상 때문에 자중에 의해서도 전도가 발생하므로 이 연구에서는 RC 브라켓을 곡선거더 외측 양끝단에 거푸집을 설치하여 제작하였다. 다음 단계로 쉬스관에 강연선을 투입하고, 도입순서에 따라서 긴장력을 25%씩 증가시키며 긴장력을 도입하였다(Lee et al., 2010). 강연선에 프리스트레스를 도입한 후 그라우팅을 실시하고, 그 후 상부에 슬래브 거푸집을 설치하고 철근을 배근한 후 콘크리트를 타설하였다.
- 도입긴장력에 따른 곡선 PSC R-거더 시험체의 거동을 조사하기 위하여 Fig. 7과 같이 거더 중앙부에 변위계를 설치하여 수직 및 수평변위를 측정하였다. 긴장력의 도입순서는 곡선반경외측상단의 강연선부터 외측상단→내측상단→외측하단→내측하단 순서로 전체 도입긴장력의 25%씩 분할하여 증가시키며 프리스트레스를 도입하였다.
- 단면에서 가력위치는 거더의 무게중심점을 고려하여 가력장치의 중앙위치가 곡선시험체의 내측 복부위치에 오도록 편심을 최소화하였다. 또한 곡선거더 시험체의 가력시험 간에 전도위험성을 고려하여 측면에 콘크리트 전도방지 브라켓을 설치하였다. Fig.
- 4와 같이 단면을 open U-Type으로 설계하였다. 또한, 시험체의 구조성능을 확인하기 위한 정적재하시험을 수행하기 위해 슬래브를 갖는 합성단면으로 설계하였다. 곡선거더 시험체의 주요 제원과 사용재료의 강도를 Fig.
- 중립축 거동과 초기균열을 확인하기 위하여 콘크리트 표면에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다. 또한, 하중의 변화에 따른 시험체의 하부변위와 측면변위는 변위계(LVDT)를 사용하여 측정하였으며 처짐이 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 시험체의 중앙부 하단에는 wire 타입의 변위계를 설치하였다. Fig.
- 개발된 현장조립 곡선거푸집을 이용하여 포스트텐션 방식의 곡선 PSC R-거더 시험체를 제작하였다. 명지대학교 옥외 실험동에서 곡률을 고려한 측량을 시행한 후에 바닥거푸집 기초 위에 거더의 철근을 배근하고, 쉬스관과 중공부를 위한 스티로폼을 설치한 후에본 연구에서 개발된 이동식 곡선거푸집을 곡률에 따라 조절한후에 조립하였다. 설계강도 50MPa의 콘크리트를 타설 한 후에 6시간 동안 증기양생을 실시한 후 자연양생을 실시하였다.
- 명지대학교 옥외 실험동에서 곡률을 고려한 측량을 시행한 후에 바닥거푸집 기초 위에 거더의 철근을 배근하고, 쉬스관과 중공부를 위한 스티로폼을 설치한 후에본 연구에서 개발된 이동식 곡선거푸집을 곡률에 따라 조절한후에 조립하였다. 설계강도 50MPa의 콘크리트를 타설 한 후에 6시간 동안 증기양생을 실시한 후 자연양생을 실시하였다. 5일간의 양생기간을 거친 후 거푸집을 탈형하였다.
- 곡선 PSC R-거더의 정적재하실험은 국제공인실험기관인 명지 대학교 하이브리드 구조실험센터에서 실시하였다. 시험체는 최대 용량 2,000kN의 유압식 가력기를 사용하여 초기균열발생 전에는 하중제어법에 의해 30kN/min의 재하속도로 가력하였으며, 초기균열이 발생한 이후에는 변위제어법으로 재하방법을 변경하여 파괴에 도달할 때까지 실험을 하였다. 이 실험연구에서 시험체는 구조물의 변위를 안정적으로 유도하기 위하여 경계조건을 힌지와 롤러로 하였으며, 받침의 방향은 거더의 곡선방향과 일치시켰다.
- 실물모형 곡선 PSC R-거더 시험체는 포스트텐션방식이며, 일반 적으로 곡선거더에서 폐합형 박스단면을 적용하는 것과 달리 이 연구에서는 콘크리트 구조의 단점인 중량을 최소화하기 위하여 Fig. 4와 같이 단면을 open U-Type으로 설계하였다. 또한, 시험체의 구조성능을 확인하기 위한 정적재하시험을 수행하기 위해 슬래브를 갖는 합성단면으로 설계하였다.
- 시험체는 최대 용량 2,000kN의 유압식 가력기를 사용하여 초기균열발생 전에는 하중제어법에 의해 30kN/min의 재하속도로 가력하였으며, 초기균열이 발생한 이후에는 변위제어법으로 재하방법을 변경하여 파괴에 도달할 때까지 실험을 하였다. 이 실험연구에서 시험체는 구조물의 변위를 안정적으로 유도하기 위하여 경계조건을 힌지와 롤러로 하였으며, 받침의 방향은 거더의 곡선방향과 일치시켰다. 휨거동을 안정적으로 유도하기 위하여 시험체의 1/2 위치에 가력하는 3점 휨실험을 수행하였다.
- 이 연구에서는 단일 곡선거더 시험체를 제작하여 구조성능 평가를 위한 정적재하시험 단계에서 거더의 전도를 방지하기 위해서 곡선거더의 곡률방향 외측 양단부에 Fig. 5와 같이 두께 500mm의 콘크리트 브라켓을 깊은 보이론으로 설계하여 제작하도록 하였다.
- 이 연구에서는 현장에서 이동식 곡선거푸집을 이용하여 제작된 곡선 PSC R-거더 실물모형 시험체에 대한 구조성능시험을 수행하여 다음과 같은 결과를 도출하였다.
- 곡선 PSC R-거더는 변단면을 갖는 거더부와 슬래브 바닥판을 구분하여 모델링하였고 포스트텐션방식의 프리스트레스를 도입하였다. 재료비선형 정적하중재하해석을 위한 경계조건은 실제 실험과 같은 힌지-롤러를 적용하였으며, 전도를 방지하기 위해 설치된 콘크리트 브라켓 부분에 롤러지점을 부여하였다. 하중은 자중과 프리스트레싱력, 그리고 외력을 구분하여 재하하였다.
- 곡선 PSC R-거더 시험체의 내부 철근에는 전기저항식 변형률 게이지를 부착하여 하중재하에 따른 대상 시험체의 변형률 변화를 측정하였다. 중립축 거동과 초기균열을 확인하기 위하여 콘크리트 표면에 전기저항식 변형률 게이지를 부착하였다. 또한, 하중의 변화에 따른 시험체의 하부변위와 측면변위는 변위계(LVDT)를 사용하여 측정하였으며 처짐이 가장 많이 발생할 것으로 예상되는 시험체의 중앙부 하단에는 wire 타입의 변위계를 설치하였다.
- 재료비선형 정적하중재하해석을 위한 경계조건은 실제 실험과 같은 힌지-롤러를 적용하였으며, 전도를 방지하기 위해 설치된 콘크리트 브라켓 부분에 롤러지점을 부여하였다. 하중은 자중과 프리스트레싱력, 그리고 외력을 구분하여 재하하였다. 해석은 재료의 파괴에 의해 수렴할 때까지 해석이 반복 수행되었다.
대상 데이터
- 압축균열모델은 Thorenfeldt 모델을 인장 균열모델은 Constant 모델을 각각 사용한다(MidasIT, 2004). FEA 모델은 시험체에 적용된 동일한 물성을 적용하였으며, 8절점 솔리드요소와 6절점 솔리드요소를 이용하여 비합성단계 모델은 31,457개의 요소로 슬래브 합성모델은 44,567개의 요소로 Fig. 18과 같이 FEA 모델을 구성하였다. PS강연선은 프로그램 내에 embedded reinforcement로 모델링하였다.
- 개발된 현장조립 곡선거푸집을 이용하여 포스트텐션 방식의 곡선 PSC R-거더 시험체를 제작하였다. 명지대학교 옥외 실험동에서 곡률을 고려한 측량을 시행한 후에 바닥거푸집 기초 위에 거더의 철근을 배근하고, 쉬스관과 중공부를 위한 스티로폼을 설치한 후에본 연구에서 개발된 이동식 곡선거푸집을 곡률에 따라 조절한후에 조립하였다.
- 곡선 PSC R-거더의 정적재하실험은 국제공인실험기관인 명지 대학교 하이브리드 구조실험센터에서 실시하였다. 시험체는 최대 용량 2,000kN의 유압식 가력기를 사용하여 초기균열발생 전에는 하중제어법에 의해 30kN/min의 재하속도로 가력하였으며, 초기균열이 발생한 이후에는 변위제어법으로 재하방법을 변경하여 파괴에 도달할 때까지 실험을 하였다.
- 국내의 경우, 최근 대구광역시 도시철도(모노레일) 3호선 구간에서 PSC 프리캐스트 곡선빔을 제작하여 시공하였다. 최소곡률반경이 219m인 곡선빔 총 373본을 공장에서 제작하여 현장으로 운반・가설하였다(Fig. 3, Kwon and Kim, 2012).
데이터처리
- 곡선 PSC R-거더의 구조실험결과를 예측하고 거동을 비교분석하기 위하여 3D FEM 해석을 수행하였다. 해석프로그램은 MIDASIT 사의 MIDAS FEA V3.2를 사용하였으며, 재료물성을 고려한 비선형거동을 고려하여 시험체에 대한 비선형해석을 수행하였다.
이론/모형
- MIDAS FEA에서는 콘크리트 구조물의 비선형재료 모델로 Total strain crack 모델을 사용한다. 압축균열모델은 Thorenfeldt 모델을 인장 균열모델은 Constant 모델을 각각 사용한다(MidasIT, 2004). FEA 모델은 시험체에 적용된 동일한 물성을 적용하였으며, 8절점 솔리드요소와 6절점 솔리드요소를 이용하여 비합성단계 모델은 31,457개의 요소로 슬래브 합성모델은 44,567개의 요소로 Fig.
- 4와 같이 배치하였으며, 비록 쉬스관이 곡률에 따라서 포물선으로 배치되더라도 모든 단면에서 쉬스관은 대칭되도록 설계하였다. 이 연구에서 설계된 시험체는 도로교설계기준 (2010)에 따라서 설계되었으며, 구조계산을 통해서 Table 2와 같이 외력에 의한 사용하중 및 계수하중에 대한 시험체 중앙단면의 부재력과 공칭강도를 정리하여 나타내었다.
- PS강연선은 프로그램 내에 embedded reinforcement로 모델링하였다. 콘크리트는 Drucker-Prager의 파괴기준을 강연선은 Von Mises 파괴기준을 적용하여 해석을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 곡선 PSC R-거더의 정적하중재하실험을 수행한 결과, 초기균열은 약 850kN에서 발생하여 설계공용하중인 369kN보다 높은 하중 단계에서 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 균열발생하중은 사용하중보다 약 30% 증가한 하중에서 발생하였기 때문에 도로교설계기준(2010)에서 제시된 비균열등급에 해당 하여, 구조적인 안전성이 확보되는 것으로 나타났다.
- (2) 처짐은 사용하중상태에서 처짐(22.4mm)이 도로교설계기준 (2010)에서 제시하고 있는 활하중 및 충격에 의한 허용처짐량 37.5mm보다 작아서 처짐에 대한 사용성은 만족하고 있는 것으로 판단된다.
- (3) 실험 간에 측정된 내측과 외측 자료에서 비틀림 거동이 발생하였음을 확인할 수 있었으나 사용하중과 계수하중상태에서 구조적인 안정성이 문제를 발생시킬 만한 자료는 조사되지 않았다.
- (4) 유한요소해석을 통해, 시험체와 전체적인 거동면에서 유사한 결과를 얻을 수 있었으며 제작상의 오차나 재하 시의 오차 등을 고려하였을 때 사용성과 안정성 측면에서 큰 문제가 없는 것으로 판단된다.
- (5) 정적하중재하실험에서 계수하중에 2배인 최대하중 1,540kN 에서 전도방지용 브라켓의 균열로 인해 실험이 중지되었지만, 수치해석결과에서 곡선거더 시험체가 취성파괴하지 않고 균열 발생 후에도 충분한 변형을 발생시키면서 연성 파괴할 것으로 판단된다.
- 다만 비틀림의 경우에는 예상되는 위치보다 안쪽에서 일부 균열이 발생하는 것으로 조사되었다. A, G단면의 내외측 수직변형률을 비교한 결과, 내측은 거의 변형률 변화가 발생하지 않지만 외측의 경우에는 상대적으로 큰 압축변형률을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 단부 근처에서는 단면이 외측방향으로 회전하려는 경향을 보이고 있으며, 중앙부에서는 내측으로 회전하려는 경향을 보이고 있어 비틀림이 일부 작용하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- (1) 곡선 PSC R-거더의 정적하중재하실험을 수행한 결과, 초기균열은 약 850kN에서 발생하여 설계공용하중인 369kN보다 높은 하중 단계에서 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 균열발생하중은 사용하중보다 약 30% 증가한 하중에서 발생하였기 때문에 도로교설계기준(2010)에서 제시된 비균열등급에 해당 하여, 구조적인 안전성이 확보되는 것으로 나타났다.
- 균열의 관측은 초기 균열발생 후 약 200kN마다 확인하였으며, 초기균열은 약 850kN에서 거더 중앙부 하부에서 발생하는 것으로 조사되었다. Fig.
- 이러한 결과는 시험체 제작과정에서 발생하는 시공오차와 실험 시 가력위치와 지점조건 등에 의해 발생하는 오차에서 기인하는 것으로 판단된다. 그러나 전체적인 거동은 유사하게 나타나는 것으로 조사되었으며, 균열형상 또한 실험결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- 12는 중공단면 근처인 A단면과 G단면에서 측정된 거더 상･하부 종방향 철근의 변형률을 측정한 결과이다. 두 단면의 상･하에서 모두 내측철근의 변형률이 외측철근에 비해 상대적으로 크게 측정되는 것으로 나타났다. 그러나 중앙부인 F 단면의 경우 외측철근의 변형률이 내측철근에 비해 크게 측정되는 결과를 보여 중앙부와 좌･우 지점부에서의 거동이 반대로 나타나 비틀림응력이 작용하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- A, G단면의 내외측 수직변형률을 비교한 결과, 내측은 거의 변형률 변화가 발생하지 않지만 외측의 경우에는 상대적으로 큰 압축변형률을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 단부 근처에서는 단면이 외측방향으로 회전하려는 경향을 보이고 있으며, 중앙부에서는 내측으로 회전하려는 경향을 보이고 있어 비틀림이 일부 작용하고 있는 것을 확인할 수 있었다.
- m가 된다. 따라서 해석 모델의 극한모멘트 17,593kN.m는 초기균열모멘트에 1.2배한 14,467kN.m보다 커서 연성한계기준을 만족하는 것으로 조사되었다.
- 극한하중 1,920kN에서 휨균열이 거더상부까지 전달되어 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 시험체의 극한하중인 1,540kN에서 조사된 해석모델의 수직처짐량은 95mm로 시험체보다 20mm 작게 조사되었다.
- 실험결과 중앙부에서 내･외측 기울기는 균열하중을 기점으로 변화하는 것으로 나타났으며, 극한하중에서 거더 중앙부 내측변위는 115.5mm, 외측변위는 118.5mm로 측정되어 변위편차가 약 3mm 내외로 곡선거더 시험체가 안정적으로 거동하고 있음을 확인 할 수 있었다.
- 재하시험일의 콘크리트 공시체 압축강도는 평균 58MPa로 측정되었으며, 상부슬래브의 콘크리트 강도는 평균 32MPa로 측정되었다. Fig.
- 8은 곡선 PSC R-거더의 중앙부 상단 내・외측의 수직변위 (LVDT-3,4)를 나타내고 있다. 전체적으로 각 단계별로 내측에 설치된 변위계(LVDT-4)의 솟음량이 외측에 설치된 솟음량보다 크게 측정되었는데, 이는 비록 단부에 전도방지장치를 위한 RC브라켓이 설치되었다고 하더라도 중앙부에서는 프리스트레스에 의한 솟음과 함께 곡선거더가 자중에 의해 외측으로 회전이 발생되고 있는 것으로 판단된다. 최종적으로 외측변위계(LVDT-3)에서는 31.
- 하중제어법에 따라 하중을 재하한 시험체는 초기균열이 약 850kN에서 발생하였다. 초기균열이 발생한 이후에 곡선 PSC R-거더의 기울기가 약간 변화하는 경향을 보이고 있으나 전체적으로 하중증가에 따른 급격한 변위의 증가 없이 지속적인 선형거동을 보이는 것으로 나타났다. 최대 가력하중은 약 1,540kN으로 측정되었으며 최대하중 도달 시까지 별도의 비틀림이나 순간적인 대변형 없이 매우 안정적인 거동을 보이는 것으로 나타났다.
- 초기균열이 발생한 이후에 곡선 PSC R-거더의 기울기가 약간 변화하는 경향을 보이고 있으나 전체적으로 하중증가에 따른 급격한 변위의 증가 없이 지속적인 선형거동을 보이는 것으로 나타났다. 최대 가력하중은 약 1,540kN으로 측정되었으며 최대하중 도달 시까지 별도의 비틀림이나 순간적인 대변형 없이 매우 안정적인 거동을 보이는 것으로 나타났다.
- 전체적으로 각 단계별로 내측에 설치된 변위계(LVDT-4)의 솟음량이 외측에 설치된 솟음량보다 크게 측정되었는데, 이는 비록 단부에 전도방지장치를 위한 RC브라켓이 설치되었다고 하더라도 중앙부에서는 프리스트레스에 의한 솟음과 함께 곡선거더가 자중에 의해 외측으로 회전이 발생되고 있는 것으로 판단된다. 최종적으로 외측변위계(LVDT-3)에서는 31.29mm, 내측변위계는 (LVDT-4)에서는 39.34mm가 측정되었으며, 이 값들의 내･외측 평균값인 35.3mm는 계산을 통해서 산정된 솟음량인 37.5mm와 거의 유사한 값을 보였다.
- 해석결과를 통해서 곡선 PSC R-거더 시험체는 취성파괴하지 않고 균열발생 후에 충분한 변형을 발생시켜서 연성 파괴될 수 있음을 보여주고 있다.
후속연구
- 그러나 2주형의 거더를 슬래브 및 강성이 큰 가로보로 일체화하여 거더교로 실험이 수행되어 곡선 거더만의 거동이나 강성을 파악하는 데 한계가 있었다. 따라서 PSC 곡선거더가 갖는 비틀림 거동을 파악하기 위한 추가적인 실험연구가 요구되었다.
- 이상과 같은 결론을 토대로 국내 고속도로 IC 및 JCT구간의 곡선램프구간에 곡선 PSC거더를 적용하는 데 좋은 기술적 정보를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
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