최근 교량의 노후화에 따른 유지관리 활동이 교통체증, 환경오염, 막대한 비용의 소모로 인하여 어려움을 겪으면서 조립식교량 공법을 이용하는 모듈러 교량 연구가 진행 중이다. 본 연구는 모듈러 교량과 관련된 연구의 일환으로 연결부를 가지는 1방향 모듈러 슬래브를 대상으로 반복하중 재하시 단면2차모멘트의 변화를 분석하고 콘크리트구조기준의 유효단면2차모멘트 식과 비교하였다. 반복하중 재하 실험을 위하여 일체형, 모듈러 실험체 각각 1개씩을 제작하였다. 실험결과, 모듈러 실험체는 일체형 실험체의 비슷한 휨 성능을 가지고 있었으나, 극한 변위는 20% 부족한 모습을 보였다. 반복하중 재하 실험에서는 모듈러 실험체는 일체형 실험체와는 상이한 처짐 거동을 보였고 단면2차모멘트의 변화가 상이하였다. 또한 콘크리트구조기준의 유효단면2차모멘트 계산식은 모듈러 슬래브의 단면2차모멘트를 적절히 반영하지 못하고 있음을 확인하였고, 실험값을 기반으로 하중과 균열모멘트의 비율을 새로운 값인 4.53을 구하였다.
최근 교량의 노후화에 따른 유지관리 활동이 교통체증, 환경오염, 막대한 비용의 소모로 인하여 어려움을 겪으면서 조립식교량 공법을 이용하는 모듈러 교량 연구가 진행 중이다. 본 연구는 모듈러 교량과 관련된 연구의 일환으로 연결부를 가지는 1방향 모듈러 슬래브를 대상으로 반복하중 재하시 단면2차모멘트의 변화를 분석하고 콘크리트구조기준의 유효단면2차모멘트 식과 비교하였다. 반복하중 재하 실험을 위하여 일체형, 모듈러 실험체 각각 1개씩을 제작하였다. 실험결과, 모듈러 실험체는 일체형 실험체의 비슷한 휨 성능을 가지고 있었으나, 극한 변위는 20% 부족한 모습을 보였다. 반복하중 재하 실험에서는 모듈러 실험체는 일체형 실험체와는 상이한 처짐 거동을 보였고 단면2차모멘트의 변화가 상이하였다. 또한 콘크리트구조기준의 유효단면2차모멘트 계산식은 모듈러 슬래브의 단면2차모멘트를 적절히 반영하지 못하고 있음을 확인하였고, 실험값을 기반으로 하중과 균열모멘트의 비율을 새로운 값인 4.53을 구하였다.
Recently, the maintenance activity for aging of bridge structures was difficult because of traffic jam, environment pollution and increasing cost. And to solve these problems, modular bridge research has been studied. After static and cyclic loading test was conducted for serviceability and bending ...
Recently, the maintenance activity for aging of bridge structures was difficult because of traffic jam, environment pollution and increasing cost. And to solve these problems, modular bridge research has been studied. After static and cyclic loading test was conducted for serviceability and bending performance with one way slab, effective moment of inertia of modular specimen was analyzed to estimate the deflection by KCI(2012). To conduct the test, one integral slab and three modular slabs were made for static loading and one integral and modular slab were made for cyclic. As a result of the test, the modular slab had the similar bending performance of the integral. But the ultimate deflection showed the insufficient which was smaller than 20%. In the cyclic loading test, the modular slab has different behavior of deflection with the integral, so it was evaluated difficult for serviceability. In addition, effective moment of inertia by KCI(2012) was not estimated for modular slab with connection. The new value of m which was ratio between moments is 4.53 based on result of test for predicting deflection of modular.
Recently, the maintenance activity for aging of bridge structures was difficult because of traffic jam, environment pollution and increasing cost. And to solve these problems, modular bridge research has been studied. After static and cyclic loading test was conducted for serviceability and bending performance with one way slab, effective moment of inertia of modular specimen was analyzed to estimate the deflection by KCI(2012). To conduct the test, one integral slab and three modular slabs were made for static loading and one integral and modular slab were made for cyclic. As a result of the test, the modular slab had the similar bending performance of the integral. But the ultimate deflection showed the insufficient which was smaller than 20%. In the cyclic loading test, the modular slab has different behavior of deflection with the integral, so it was evaluated difficult for serviceability. In addition, effective moment of inertia by KCI(2012) was not estimated for modular slab with connection. The new value of m which was ratio between moments is 4.53 based on result of test for predicting deflection of modular.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 김동현(2014)의 연구에서 수행된 하중의 반복재하 실험의 결과를 통하여 단면2차모멘트의 변화를 분석하고, 정확한 처짐 예측을 위하여 국내 콘크리트구조 기준(2012)에서 제시하고 있는 유효단면2차모멘트의 적용 가능성을 알아보고자 한다.
본 연구에서는 연결부가 존재하는 모듈러 슬래브의 사용하중의 반복 재하 실험결과를 바탕으로 반복하중에서 처짐 거동을 파악하고 콘크리트구조기준(2012)에 따라 유효단면2차 모멘트를 평가 및 검증하고자 수행하였으며, 결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
(2) 콘크리트구조기준(2012)에서 유효단면2차모멘트의 예측에 사용하고 있는 Branson식을 이용하여 모듈러 슬래브 실험체의 유효단면2차모멘트를 예측하였다. 균열이 시작되는 구간부터 사용하중이 증가할수록 오차는 줄었으나 최종적으로 22%의 오차를 보여 콘크리트구조기준(2012)의 유효단면2차모멘트 식의 적용은 불가능 한 것을 확인하였다.
(3) 연결부를 가지는 모듈러 슬래브의 유효단면2차모멘트를 예측하기 위하여 기존 Branson식을 변형하여 m값을 도출하였다. CTM 실험체의 경우 초기 m값은 4.
(4) 본 연구에서는 모듈러 슬래브의 정적 휨 실험 및 반복하중재하 실험을 바탕으로 유효단면2차모멘트의 경향을 분석하였다. 초기 처짐의 예측을 위하여 4.
또한 부재의 처짐을 예측하고자 유효단면2차모멘트를 제안하는 연구가 많은 연구자들에 의해 수행되었다. Branson(1963/1965)이 철근 콘크리트 부재에 등분포하중을 가하여 휨실험을 수행한 후 단면2차모멘트의 변화량을 분석하고 유효단면2차모멘트를 제안하였다. 재하하중과 균열모멘트의 하중 관계에서 차수를 3을 제시하였고, 모멘트가 일정한 구간에서 인장증강효과를 고려하였을 때에는 차수를 4로 제시하였다.
이후 식 (5)와 같이 변형한 후 반복재하 횟수 각 단계마다 실험값을 적용하여 m값을 도출하였다. 반복재하 횟수가 증가 할수록 기준에서 제시하고 있는 균열단면2차모멘트의 값보다 실험체의 단면2차모멘트가 작아지는 현상이 발생하여 함수 내부의 단면2차모멘트에 절대값을 취하여 값을 도출하였다.
본 연구에서 사용된 슬래브 실험체의 실제 사용하중은 30 kN이나 본 실험에서는 모듈러 슬래브의 유효단면2차모멘트를 평가하기 위하여 정적하중 재하 실험을 진행하여 실험체의 구조성능을 파악하고 이후 반복하중 재하 실험을 진행하였다.
연결부를 가지는 모듈러 실험체는 연결부를 제외한 양쪽 모듈을 50 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였고 28일 양생하였다. 이후 중앙에서 철근겹이음 후에 120 MPa 초고강도콘크리트를 타설하여 제작하였다. 주철근은 H16을 사용하였으며, 제작과정은 Fig.
실험을 위하여 T형 거더의 플랜지와 이음부를 1방향 슬래브로 하여 6개의 실험체를 제작하였다. 정적 휨 성능을 검증하기 위하여 일체형 슬래브 1개와 모듈러 슬래브 3개를 제작하였으며, 반복하중 재하 시 휨 성능을 비교․ 분석하기 위하여 일체형 슬래브와 모듈러 슬래브를 각각1개씩 제작하였다. 연결부 단면은 Fig.
정적 휨 실험 및 반복하중 재하 모두 Fig. 4와 같이 실험체 1/3, 2/3, 중앙부에 LVDT를 설치하였고, 하중은 1/3, 2/3 지점에 재하하였다.
정적 휨 실험은 UTM(Universal Test Machine)을 사용하였고, 모듈러 실험체의 연결부에 최대 모멘트가 작용하도록 4점 재하 방식으로 실험체의 상부가 압축파괴할 때까지 0.05 mm/s의 속도로 재하하였다. 데이터의 측정은 실험체가 파괴되는 시점까지 수행하였다.
대상 데이터
본 논문의 대상은 콘크리트 T형 거더 모듈러 교량의 횡방향 연결부(Modular bridge R & BD, 2012)를 대상으로 한다.
본 논문의 대상은 콘크리트 T형 거더 모듈러 교량의 횡방향 연결부(Modular bridge R & BD, 2012)를 대상으로 한다. 실험을 위하여 T형 거더의 플랜지와 이음부를 1방향 슬래브로 하여 6개의 실험체를 제작하였다. 정적 휨 성능을 검증하기 위하여 일체형 슬래브 1개와 모듈러 슬래브 3개를 제작하였으며, 반복하중 재하 시 휨 성능을 비교․ 분석하기 위하여 일체형 슬래브와 모듈러 슬래브를 각각1개씩 제작하였다.
실험에 사용된 실험체는 콘크리트구조설계기준(KCI, 2012)과 도로교 설계기준(KRTA, 2010)을 준용하여 설계 및 제작되었다. 실험체 모두 총길이 3400 mm, 높이 220 mm, 폭 1000 mm로 제작하였고, 순지간은 3000 mm이다. 실험체 제원은 Fig.
일체형 실험체는 철근배근 후 50 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였다. 연결부를 가지는 모듈러 실험체는 연결부를 제외한 양쪽 모듈을 50 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였고 28일 양생하였다. 이후 중앙에서 철근겹이음 후에 120 MPa 초고강도콘크리트를 타설하여 제작하였다.
일체형 실험체는 철근배근 후 50 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였다. 연결부를 가지는 모듈러 실험체는 연결부를 제외한 양쪽 모듈을 50 MPa 콘크리트를 사용하여 제작하였고 28일 양생하였다.
이후 중앙에서 철근겹이음 후에 120 MPa 초고강도콘크리트를 타설하여 제작하였다. 주철근은 H16을 사용하였으며, 제작과정은 Fig. 3에 나타내었다.
데이터처리
11에 식 (5)에서 CTS와 CTM 실험체의 유효한 m값을 도식화 하였다. 하중 단계별로 도출된 m값 중 일정하게 수렴되는 양상을 보이는 구간인 Ma/Mcr = 1.8 ~ 2.2 구간의 값을 평균하였다.
이론/모형
1과 같이 H16 철근을 겹이음 하였으며, 실험체 명을 Table 1에 나타내었다. 실험에 사용된 실험체는 콘크리트구조설계기준(KCI, 2012)과 도로교 설계기준(KRTA, 2010)을 준용하여 설계 및 제작되었다. 실험체 모두 총길이 3400 mm, 높이 220 mm, 폭 1000 mm로 제작하였고, 순지간은 3000 mm이다.
철근콘크리트에서의 단면2차모멘트는 부재의 처짐 검토를 위한 중요한 요소이다. 이를 위하여 콘크리트구조기준에서는 Branson이 제안한 식 (3)을 사용하고 있으며, Table 5에 콘크리트구조기준에 근거한 일체형 실험체를 기준으로 전단면2차모멘트, 균열단면2차모멘트, 균열모멘트를 나타내었다.
는 중앙 처짐 데이터를 대입하여 식 (2)과 같이 구한다. 콘크리트의 탄성계수는 모듈러 부재에 사용된 50 MPa를 기준으로 콘크리트구조기준(2012)에 따라 사용하였다.
성능/효과
(1) CTS 실험체의 단면2차모멘트는 반복하중 재하 횟수가 증가할수록 1%~2%씩 꾸준하게 감소하였으며, 최종85.6% 감소하였다. 반면에 CTM 실험체의 경우 초기 18.
53으로 콘크리트구조기준보다 45% 큰값이며, Branson이 제안한 인장증강효과를 고려한 m값인 4보다는 13% 큰 값을 나타냈다. 100회 때의 m값 8.28은 처짐이 급격하게 증가하는 CTM 실험체의 거동을 적절히 반영한 것으로 판단되나 처짐이 과대평가되었다. 그러나 이후의 값은 처짐 거동을 적절히 반영하지 못하는 것을 확인하였으며, 50000회 이후의 m값은 CTS 실험체의 100000회 이후와 동일하게 신뢰할 수 없는 m값이 도출되었다.
이후 100회부터 200000회 까지 1%~2%의 비율로 꾸준히 감소하였으며, 총 86%의 단면2차모멘트 손실이 발생하였다. CTM 실험체는 초기 정적 재하 실험에서 전단면2차모멘트의 18.5%의 값을 보여 CTS 보다 4.4% 작은 값을 보였다. 이는 초기 균열이 연결부 접합부의 부착탈락의 형태로 발생하여 상대적으로 큰 균열이 발생하였기 때문으로 판단된다.
100000회 부터는 실험을 통하여 구한 단면2차모멘트의 값이 균열단면2차모멘트보다 작은 값을 보이기 때문에 계산된 m값의 신뢰할 수 없는 값이다. CTM 실험체의 경우 초기 m값은 4.53으로 콘크리트구조기준보다 45% 큰값이며, Branson이 제안한 인장증강효과를 고려한 m값인 4보다는 13% 큰 값을 나타냈다. 100회 때의 m값 8.
CTS 실험체는 초기 정적 재하에서 전단면2차모멘트의 22.9%의 값을 가졌다. 이후 100회부터 200000회 까지 1%~2%의 비율로 꾸준히 감소하였으며, 총 86%의 단면2차모멘트 손실이 발생하였다.
2 구간이다. CTS 실험체의 경우 균열모멘트가 시작되는 구간에서는 Branson식과 큰 차이를 보였으나 최종 4%의 차이를 보였다. 그러나 CTM 실험체의 경우 22%의 오차를 보여 기존 모듈러 슬래브의 처짐을 과소평가 하고 있는 것으로 나타났다.
STM의 최대하중에서의 처짐은 75.0, 76.4, 89.0 mm 이었고, STS는 100.2 mm를 보여 모듈러 실험체는 일체형 실험체와 비교하여 80% 수준의 극한변위를 보였다. 이를 통해 초반 접합부의 부착탈락이 실험체의 최대 휨 성능 및 변위에 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
(2) 콘크리트구조기준(2012)에서 유효단면2차모멘트의 예측에 사용하고 있는 Branson식을 이용하여 모듈러 슬래브 실험체의 유효단면2차모멘트를 예측하였다. 균열이 시작되는 구간부터 사용하중이 증가할수록 오차는 줄었으나 최종적으로 22%의 오차를 보여 콘크리트구조기준(2012)의 유효단면2차모멘트 식의 적용은 불가능 한 것을 확인하였다.
CTS 실험체의 경우 균열모멘트가 시작되는 구간에서는 Branson식과 큰 차이를 보였으나 최종 4%의 차이를 보였다. 그러나 CTM 실험체의 경우 22%의 오차를 보여 기존 모듈러 슬래브의 처짐을 과소평가 하고 있는 것으로 나타났다. 이는 실험체에 사용된 고강도콘크리트 그리고 모듈러 실험체의 이음부의 존재로 인한 영향이 있는 것으로 판단된다.
5이상의 m값이 사용이 정확할 것으로 판단된다. 또한 모듈러 슬래브의 장기적인 거동에서는 초반과 최종 파괴 전의 단면2차모멘트가 급격하게 낮아지는 것을 확인하여 일체형 실험체와는 다른 단면2차모멘트의 변화를 파악할 수 있었다. 이는 연결부로 인한 연결부 부분의 미세한 철근 뽑힘, 철근겹이음의 시공상태, 콘크리트 강도의 차이 등 의 변수가 영향을 미칠것으로 예상되며 추후 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
2 mm를 보여 모듈러 실험체는 일체형 실험체와 비교하여 80% 수준의 극한변위를 보였다. 이를 통해 초반 접합부의 부착탈락이 실험체의 최대 휨 성능 및 변위에 영향을 끼치는 것을 확인하였다.
9%의 값을 가졌다. 이후 100회부터 200000회 까지 1%~2%의 비율로 꾸준히 감소하였으며, 총 86%의 단면2차모멘트 손실이 발생하였다. CTM 실험체는 초기 정적 재하 실험에서 전단면2차모멘트의 18.
정적 휨 실험에서 STM는 평균 휨 강도 123.5 kN·m을 보여 131.9 kN·m의 최대 휨 강도를 가지는 STS와 비교하여 94%의 성능을 확보하고 있는것으로 나타났다.
후속연구
연결부를 가지는 CTM 실험체는 접합부로 인하여 초반에 급격한 단면2차모멘트의 감소가 이루어졌다. 따라서 본 연구에서 사용된 모듈러 슬래브에서 초기 접합부의 부착탈락을 방지할 수 있도록 추가적인 공법을 사용한다면 접합부에서 사용된 고강도콘크리트, 추가적인 공법으로 인하여 보다 더 효율적인 휨 거동을 보일 것으로 예상된다.
또한 모듈러 슬래브의 장기적인 거동에서는 초반과 최종 파괴 전의 단면2차모멘트가 급격하게 낮아지는 것을 확인하여 일체형 실험체와는 다른 단면2차모멘트의 변화를 파악할 수 있었다. 이는 연결부로 인한 연결부 부분의 미세한 철근 뽑힘, 철근겹이음의 시공상태, 콘크리트 강도의 차이 등 의 변수가 영향을 미칠것으로 예상되며 추후 추가적인 연구가 필요하다고 사료된다.
53의 m값이 도출되었다. 향후 연결부를 가지는 슬래브의 유효단면2차모멘트의 평가 시에는 4.5이상의 m값이 사용이 정확할 것으로 판단된다. 또한 모듈러 슬래브의 장기적인 거동에서는 초반과 최종 파괴 전의 단면2차모멘트가 급격하게 낮아지는 것을 확인하여 일체형 실험체와는 다른 단면2차모멘트의 변화를 파악할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모듈러 교량이란?
모듈러 교량은 프리캐스트 부재를 활용하여 공장에서 표준 모듈을 생산하고 이를 운반하여 현장에서 연결하는 형식이다. 이에 따라 공사기간의 단축, 부재의 품질 확보, 현장작업의 최소화, 안전, 내구성, 유지관리 비용의 감소 등의 장점을 가지고 있다.
모듈러 교량의 장점은?
모듈러 교량은 프리캐스트 부재를 활용하여 공장에서 표준 모듈을 생산하고 이를 운반하여 현장에서 연결하는 형식이다. 이에 따라 공사기간의 단축, 부재의 품질 확보, 현장작업의 최소화, 안전, 내구성, 유지관리 비용의 감소 등의 장점을 가지고 있다. 그러나 프리캐스트 부재 간에 발생하는 연결부로 인하여 힘의 불연속면이 존재하게 되고, 이로 인하여 일반적인 철근콘크리트 부재와 비교하여 휨 성능 확보가 어려우며, 상이한 휨 거동을 보일 것으로 예상된다.
구조물의 유지관리는 점점 더 어려워지고 있는 이유는?
최근 선진국을 중심으로 교량의 노후화가 심화되면서 보수 및 보강, 교량 재건설에 관한 요구가 증가되고 있다(ASCE, 2013). 그러나 유지관리 공사로 인한 교통체증, 환경피해, 막대한 비용의 투입 등이 문제가 되면서 구조물의 유지관리는 점점 더 어려워지고 있는 실정이다. 따라서 선진국에서는 이를 효과적으로 해결하기 위하여 조립식 교량에 관한 연구를 진행하고 있으며, 미국의 경우 이를 ABC(Accelerated Bridge Construction) 공법으로 명명하여 활발히 개발, 연구하고 있다(FHWA, 2011).
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