[논문]V자형 배치 외부강선을 이용한 PSC I거더교의 보강 효과

백승철; 송재호; 김행배; 김석수

doi:10.11112/jksmi.2016.20.3.049

[국내논문] V자형 배치 외부강선을 이용한 PSC I거더교의 보강 효과
Reinforcement Effects using V Type External Strands on PSC I Girder Bridges 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.20 no.3, 2016년, pp.49 - 57

백승철 ((주)동일기술공사) , 송재호 (금오공과대학교 토목공학과) , 김행배 (금오공과대학교 토목공학과) , 김석수 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 PSC I거더교에 대한 외부강선을 이용한 보강 방법 중 V자형 보강방식의 효용성을 검증하기 위하여 공용중인 교량을 대상으로 보강장치를 시공하여 보강효과를 분석하였다. 따라서 PSC I거더교의 보강 전과 후 각각의 경우에 대하여 정적 및 동적 재하실험을 실시하였다. 그리고 재하실험에서 측정된 결과를 면밀히 분석하고, 구조해석을 통해 얻은 결과와도 비교분석하여 외부 프리스트레스 도입을 통한 보강효과를 검증하였다. 본 연구에서 외부강선을 이용한 보강방법을 적용하여 보강효과를 검토한 결과, 본 연구에서의 V자형 외부강선 보강방법을 적용할 때 횡방향 하중분배계수 곡선이 완만해져 상부구조의 건전성이 증진됨을 알 수 있었으며, PSC I거더교의 휨 성능 및 전단 성능개선뿐만 아니라 동적구조거동에도 크게 도움을 줄 수 있는 것으로 판단되고, 본 연구에서의 탄성패드를 적용할 때 동적보강효과가 극대화 된다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study intended to analyze reinforcement effects of PSC I girder bridges to which prestresses are introduced using V type of external strands. So that series of bridge loading tests are carried out on existing PSC I girder bridge for the cases of before-reinforcement and reinforcement. The measured results from tests being analyzed and compared with the ones from MIDAS structural analyzing program, the reinforcing effects of the reinforcement system adopted in this study were investigated. It is found out that when the V type systems are applied to the bridge girders, the slope of load distribution factor curves become lower improving soundness of bridge upper structure. And also it is confirmed that the reinforcement system in this study can be taken as helpful for improvement of both flexural and shear ability of PSC I girder bridges, as well as dynamic behavior. Furthermore it is found when the elastic pads are applied to the system, dynamic reinforcing effects are maximized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 PSC I거더교에 대한 외부강선을 이용한 보강 방법의 효용성을 파악하기 위하여 실제로 공용 중인 교량을 연구대상으로 선정하여, 대상교량에 외부강선을 이용한 프리스트레스 도입을 통한 보강장치를 시공하였다. 대상교량의 보강 전 후에 하중재하시험을 수행한 후 측정된 실험결과를 분석하여 보강의 효과를 파악하고자 한다. 또한 대상교량에 대한 구조해석도 병행하여 이론치와 실험결과와의 비교분석을 통하여 외부강선을 이용한 보강방법이 PSC I거더교의 거동 및 부재의 단면력에 미치는 영향을 분석하는데 연구의 목적을 둔다.
외부강선을 V자형 배치를 하여 보강하게 되면 새들을 통하여 보의 중앙부에서 상향력이 가해지는 효과를 가져오기 때문에 보강효율이 우수한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 V자형 배치의 보강 효율성을 분석하기 위하여 공용 중인 PSC I거더교에 V자형 배치 방식의 외부강선 보강을 적용한 후, 재하실험을 통한 구조적 거동을 분석한다.
그러나 수행된 대부분의 연구는 이론적인 내용으로 한정되어있거나, 실험적으로 이루어지더라도 실험실내에서 개별 실험체 시편에 대한 실험거동 연구에 한정되어 있어 실제 교량의 거동이라고는 보기 어려운 상황이다. 따라서 본 연구에서는 현재 공용중인 교량에 대하여 외부강선 프리스트레싱을 통하여 보강한 PSC I거더교에 대한 재하실험을 수행하고, 측정된 자료를 통하여 보강의 효율성을 분석한다. 또한 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 범용 구조해석 프로그램인 MIDASCIVIL을 적용함으로써 이론치와 실험치와의 비교분석을 실시하여 V자형 배치방식 보강의 효율성을 검증한다.
V자형 배치방식은 보의 지간 중앙점에서 프리스트레스에 의한 상향력을 제공하게 됨에 따라 지간 중앙점의 처짐을 감소시키는 효과를 유발하여 일자형 배치방식에 비하여 구조적으로 유리한 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서는 현재 적용되고 있는 V자형 배치방식의 효율성을 분석하기 위하여 현재 공용중인 PSC I거더교에 대하여 보강을 수행한 후 보강의 효율성을 분석 검토하고자 한다.
대상교량의 보강 전 후에 하중재하시험을 수행한 후 측정된 실험결과를 분석하여 보강의 효과를 파악하고자 한다. 또한 대상교량에 대한 구조해석도 병행하여 이론치와 실험결과와의 비교분석을 통하여 외부강선을 이용한 보강방법이 PSC I거더교의 거동 및 부재의 단면력에 미치는 영향을 분석하는데 연구의 목적을 둔다.
본 연구에서는 PSC I거더교에 대한 외부강선을 이용한 보강 방법의 효용성을 파악하기 위하여 실제로 공용 중인 교량을 연구대상으로 선정하여, 대상교량에 외부강선을 이용한 프리스트레스 도입을 통한 보강장치를 시공하였다. 대상교량의 보강 전 후에 하중재하시험을 수행한 후 측정된 실험결과를 분석하여 보강의 효과를 파악하고자 한다.
특히 본 연구에서는 정착장치에 탄성패드를 적용할 경우 동적 보강의 효과를 분석하기 위하여 V자형 외부강선 배치방식 및 V자형+탄성패드 방식을 적용하고, PSC I거더교에서의 교량의 휨성능, 전단성능 개선효과 및 동적 거동 증진효과에 대한 평가가 수행되었다.

제안 방법

동적 재하실험은 내측거더 G2와 G3에서 최대 처짐이 유발될 수 있도록 재하차량의 차륜축이 G2와 G3상을 통과하도록 하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 현재 공용중인 교량에 대하여 외부강선 프리스트레싱을 통하여 보강한 PSC I거더교에 대한 재하실험을 수행하고, 측정된 자료를 통하여 보강의 효율성을 분석한다. 또한 현재 국내에서 널리 사용되고 있는 범용 구조해석 프로그램인 MIDASCIVIL을 적용함으로써 이론치와 실험치와의 비교분석을 실시하여 V자형 배치방식 보강의 효율성을 검증한다.
본 연구에서는 PSC거더 제작 시의 거치용홀인 인양홀을 이용하여 정착부를 설치하는 방식을 채택하였다. 인양홀에 정착부를 설치하는 방식은 교량의 거더 및 가로보 등의 기존 상부구조의 손상을 최소화할 수 있어서 국내에서 널리 적용하고 있는 방식이다.
본 연구에서는 실제 공용 중인 PSC I거더교를 대상으로 외부 강선을 이용한 보강 전과 보강 후에 교량 재하실험을 실시하여 수집된 데이터를 분석하고 평가하여 보강효과를 분석하였으며, Midas-Civil(2012) 구조해석 프로그램을 이용한 구조해석 결과와도 비교하였다.
가설 당시 DB-18로 설계 시공된 교량으로서, 1966년도에 준공이 되어 현재까지 공용중에 있어 노후화로 인한 성능개선이 요구되는 상황이다. 본 연구에서는 일선교의 1개 경간에서 V자형 보강공법, V자형+탄성패드 보강공법을 적용하고 보강 전 및 보강 후의 정적 및 동적 재하실험을 수행하였으며, 실험결과를 바탕으로 보강의 효과를 분석하고 검증하였다.
본 연구에서는 재하실험에서 측정된 처짐을 이용하여 횡방향 하중분배계수를 계산하였다. Fig.
본 연구에서의 재하실험은 정적 및 동적 실험을 병행하였으며, 재하방법은 Table 2와 같다.
본 연구에서의 채택한 외부강선의 배치방식은 국내에서 많이 사용되고 있는 V자형 외부강선 배치방식 및 V자형+탄성 패드 방식을 채택하였다. V자형+탄성패드 방식이란 V자형 외부강선 배치를 취함과 동시에 정착구에 탄성패드를 장착시키는 방식을 말한다.
본 연구의 정적재하실험 중 Load Case 3에서는 외측거더 G1, Load Case 4에서는 내측거더 G3에 최대전단력이 유발하도록 트럭을 재하 하였다. 따라서 거더 복부판에 설치된 스트레인게이지를 통해 측정된 변형률 및 이를 토대로 계산된 주 변형률, 최대전단변형률은 Table 5 및 Table 6과 같다.
7%로 산정되어, 장기재령에 따른 프리스트레스 감소가 상당히 진행된 것으로 판단되었다. 이에 따라 각 재하 경우 별로 거더의 프리스트레스 감소를 고려하지 않은 경우(유효율 100%)와 고려한 경우에 대하여 각각 구조해석을 수행하였다. Fig.
정적재하실험에 있어서는 재하차량을 재하 경우에 따라 적합한 위치에 정지시키고 차량 엔진을 정지시킨 후 매 0.1초마다 데이터를 측정하여 총 1분 동안의 데이터를 확보하였다. 정적재하실험에서는 정적하중이 재하된 상황에서 거더의 처짐 및 변형율을 측정하며, 동적재하실험에 있어서는 재하차량을 시속 10 km/h부터 10 km/h씩 증가시켜 시속 60 km/h까지 총 6가지 재하경우로써 내측거더 위를 통과시켜 처짐 및 변형률을 측정하였다.
1초마다 데이터를 측정하여 총 1분 동안의 데이터를 확보하였다. 정적재하실험에서는 정적하중이 재하된 상황에서 거더의 처짐 및 변형율을 측정하며, 동적재하실험에 있어서는 재하차량을 시속 10 km/h부터 10 km/h씩 증가시켜 시속 60 km/h까지 총 6가지 재하경우로써 내측거더 위를 통과시켜 처짐 및 변형률을 측정하였다.
정적하중 재하에 따른 외부강선 보강과 탄성패드의 도입에 따른 변형률을 비교해 보았다. 재하 경우별 변형률은 Figs.

대상 데이터

본 연구에서 교량 재하실험을 실시하고자 하는 교량은 일선교로서, 국도33호선 상에 가설된 PSC I거더교이다. 가설 당시 DB-18로 설계 시공된 교량으로서, 1966년도에 준공이 되어 현재까지 공용중에 있어 노후화로 인한 성능개선이 요구되는 상황이다.
본 연구의 대상인 일선교는 준공 후 50년이 경과된 PSC I거더교로서, 장기재령으로 인한 콘크리트 열화 및 프리스트레스의 감소가 우려되는 교량이다. 본 연구의 실험 시 Schmidt햄머 강도시험을 통하여 측정된 거더 콘트리트의 평균 강도는 36.

성능/효과

1) 장기재령상태의 PSC I 거더 교량의 구조해석에서는 거더프리스트레스 손실을 고려한 구조해석을 행하여야 실제 교량상태를 반영한 정확한 해석이 될 수 있다는 것을 확인하였다.
2) 정적재하실험의 결과 거더의 지간 중앙점에서의 처짐 과 변형률은 보강 전보다 보강 후에 현저히 감소하였으며, 처짐의 경우 보강을 통하여 21~24% 감소효과를 확인할 수 있었다.
3) 재하실험 결과를 바탕으로 구한 횡방향 하중분배계수의 분포를 볼 때, 전체적으로 보강 전보다 보강 후에 횡방향 하중분배계수의 곡선이 완만해져 재하하중이 전체 거더에 고루 분포됨을 볼 수 있었으며, 보강을 통하여 상부구조의 건전성이 증진된 결과로 판단된다.
4) 외부강선을 이용한 보강 후 최대전단변형률이 12.2~20.9% 감소하여 보강을 통하여 거더의 전단성능 향상 효과를 확인할 수 있었다.
5) 동적재하실험 결과를 통하여 보강 후 거더의 최대동적처짐이 20~26% 감소하는 효과를 확인하였고, 탄성패드를 적용하면 동적 보강효과가 더욱 극대화된다는 것을 확인하였다.
6) PSC I거더교에서 외부강선을 이용한 보강을 할 경우 거더의 휨성능 및 전단성능 향상에 기여한다는 것을 확인하였으며, 동적 안정성에도 크게 기여한다는 사실을 알 수 있었다.
13에 나타내었다. Fig. 13에서 볼 때 외측거더 G1, 내측거더 G2 및 G3에서 실측 충격계수는 전반적으로 이론 충격계수보다 하회하는 것으로 나타났으며 또한, 보강 전 실측 충격계수와 보강 후 실측 충격계수, 탄성패드 도입 후 실측 충격계수는 차이가 나타남을 볼 수 있으며, 탄성패드를 도입한 경우 실측 충격계수가 상당한 폭으로 감소함을 볼 수가 있다. 따라서 외부강선과 탄성패드 도입을 이용한 보강이 PSC I 거더교의 동적 구조 안정성 증진에 크게 도움을 주는 것으로 확인되었다.
Table 3에서 프리스트레스 손실을 고려하게 되면 고려하지 않았을 때 보다 처짐이 외측 거더에서는 28.0~43.0% 증가하며, 내측 거더는 처짐이 29.0~43.0%가 증가함을 볼 수가 있어, 재령이 오래된 노후교량에서는 거더 프리스트레스의 손실을 고려한 구조해석을 행하여야만 비로서 실제 교량의 상태를 반영한 정확한 거동해석이 됨을 알 수 있다.
Table 5과 Table 6에서 보듯이 최대주변형률은 보강 후 12.1~31.2%, 최소주변형률은 12.5%~14.8% 감소하였고, 최대전단변형률은 12.2%~20.9%가 감소하여, 외부강선 보강으로 인한 거더의 전단성능 증진 효과를 볼 수가 있었다.
따라서 G3를 중심으로 동적거동을 분석해 보면 재하차량의 주행속도별로 약간씩 차이가 나지만 보강 전보다 보강 후가 최대동적처짐이 20.0~26.4% 작게 나타났으며, 탄성패드를 적용한 보강에서는 28.7~32.4% 작게 나타났다. 따라서 외부강선으로 PSC I거더교를 보강하는 경우 동적거동에 영향을 주어 최대동적처짐을 감소시킴을 확인하였고, 특히 탄성 패드를 적용하게 되면 동적 안정성을 더욱 증진할 수 있게 됨을 알 수 있었다.
13에서 볼 때 외측거더 G1, 내측거더 G2 및 G3에서 실측 충격계수는 전반적으로 이론 충격계수보다 하회하는 것으로 나타났으며 또한, 보강 전 실측 충격계수와 보강 후 실측 충격계수, 탄성패드 도입 후 실측 충격계수는 차이가 나타남을 볼 수 있으며, 탄성패드를 도입한 경우 실측 충격계수가 상당한 폭으로 감소함을 볼 수가 있다. 따라서 외부강선과 탄성패드 도입을 이용한 보강이 PSC I 거더교의 동적 구조 안정성 증진에 크게 도움을 주는 것으로 확인되었다.
4% 작게 나타났다. 따라서 외부강선으로 PSC I거더교를 보강하는 경우 동적거동에 영향을 주어 최대동적처짐을 감소시킴을 확인하였고, 특히 탄성 패드를 적용하게 되면 동적 안정성을 더욱 증진할 수 있게 됨을 알 수 있었다.
따라서 외부강선을 이용한 보강방법이 기존 PSC I거더의전단능력 향상에 도움을 준다는 것을 확인할 수 있었다.
1%의 처짐 감소가 일어났다. 또한 Load Case 2에서는 보강 전에는 최대처짐이 G3에서 1.51 mm로 측정되었으나, 보강 후에는 최대처짐이 G3에서 1.15 mm, 탄성패드 도입 후에는 1.13 mm로측정되어 보강 후 23.8%, 탄성패드 도입 후 25.2%의 처짐 감소가 이루어진 것을 확인할 수 있었다.
4는 재하실험 시 거더에 부착된 센서의 위치를 나타낸다. 또한 본 연구에서 정착구 및 새들에 적용한 탄성패드는 교량 및 암거 등에서 완충을 목적으로 일반적으로 사용하는 것과 동일한 탄성패드로서 내구성, 내후성, 내저온성이 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에서의 정착구에 장착된 탄성패드의 제원은 22 cm×20 cm×2.
본 연구에서는 프리스트레스 감소를 계산하는 근사해법(Shin, 2007)을 적용한 결과 유효율이 75.7%로 산정되어, 장기재령에 따른 프리스트레스 감소가 상당히 진행된 것으로 판단되었다. 이에 따라 각 재하 경우 별로 거더의 프리스트레스 감소를 고려하지 않은 경우(유효율 100%)와 고려한 경우에 대하여 각각 구조해석을 수행하였다.
본 연구의 대상인 일선교는 준공 후 50년이 경과된 PSC I거더교로서, 장기재령으로 인한 콘크리트 열화 및 프리스트레스의 감소가 우려되는 교량이다. 본 연구의 실험 시 Schmidt햄머 강도시험을 통하여 측정된 거더 콘트리트의 평균 강도는 36.3MPa로서 설계시의 콘크리트 압축강도 35.0 MPa 보다 낮아지지 않은 점으로 볼 때 거더 콘크리트는 별다른 열화를 보이지 않는 것으로 판단된다. 그러나 장기재령으로 인한 프리스트레스의 손실이 진행되어 교량의 성능저하가 우려됨에 따라, 감소된 프리스트레스를 산정하였다.
상기의 사실을 통해 외부강선을 이용한 프리스트레싱 보강을 통하여 장기재령하의 PSC I거더교에 있어 거더 처짐의 감소 효과가 크게 발휘되는 것으로 확인되었다.
5%의 감소율을 보인다. 압축 측 변형률은 G1에서 보강 전보다 보강 후 20.9%, 탄성패드 도입 후 32.1%의 감소율을 보인다.
5%의 감소율을 보인다. 압축측 변형률은 G3에서 보강 전보다 보강 후 22.1%, 탄성패드도입 후 21.2%의 감소율을 보인다.
7의 (a), (b)는 Load Case 1의 인장측과 압축측 변형률을 나타낸 것이다. 인장측 변형률은 G1에서 보강 전보다 보강 후 16.7%, 탄성패드 도입 후 19.5%의 감소율을 보인다. 압축 측 변형률은 G1에서 보강 전보다 보강 후 20.
8의 (a), (b)는 Load Case 2의 인장측과 압축측 변형률을 나타낸 것이다. 인장측 변형률은 G3에서 보강 전 보다 보강 후 10.7%, 탄성패드 도입 후 14.5%의 감소율을 보인다. 압축측 변형률은 G3에서 보강 전보다 보강 후 22.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	PSC I거더교에 외부강선을 이용하여 보강을 했을 때 얻을 수 있는 이점은 무엇인가?	그러나 앞서의 연구들은 주로 이론해석이나 실내 모형실험을 통하여 보강효과를 검증한 것들이 대부분으로서 수행된 연구는 적지 않지만 실제 공용중인 PSC I거더교에서 재하실험을 통하여 보강효과를 검토한 연구는 찾아보기 힘든 실정이다. PSC I거더교에 대하여 외부강선을 이용한 보강을 하게 되면 휨 성능뿐만 아니라 전단성능의 상승도 기대할 수 있어 구조적, 경제적으로 효과를 극대화할 수 있다. 현재 국내에서 적용하고 있는 PSC I거더교에 대한 보강으로서 인양홀을 이용한 정착방법이 유력하게 적용되고 있으나, 외부강선의 배치방식으로서는 다양한 타입이 혼재되어 시공되고 있으며, 외부강선 배치방식의 효율성에 대한 분석도 이루어져 있지 않은 상황이다.
	최근 PSC I거더교의 보강을 위하여 사용되는 외부강선 배치방법은 어떻게 변화하고 있는가?	또한 현재 국내에서 적용되는 외부강선 배치 방식으로는 일자형 배치, V자형 배치, U자형 배치 등이 있다. 종래에는 국내에서 일자형배치 방식이 많이 적용되어 왔으나, 최근에는 V자형 배치방식이 보다 효율적인 방식인 것으로 인식되며, 적용이 확대되는 추세이다. 외부강선을 V자형 배치를 하여 보강하게 되면 새들을 통하여 보의 중앙부에서 상향력이 가해지는 효과를 가져오기 때문에 보강효율이 우수한 것으로 알려져 있다.
	국내에서 시행하는 PSC I거더교에 대한 보강 방안은 무엇인가?	국내에서는 PSC I거더교에 대한 보강 방안의 하나로서 거더에 외부강선을 거치하여 프리스트레스를 도입하므로써 거더의 휨강성을 증대시켜서 교량 상부구조 전체의 내하력을 향상시키는 보강방법이 널리 시행되고 있다. 외부강선을 이용한 PSC I거더교의 보강방법은 거더 단면의 치수를 증가시키지 않고 보강이 이루어지게 되고, 강선의 선형이 단순하여 보강 시공이 간편하고, PSC I거더교의 신설 시 수반되는 텐던 그라우팅 등의 문제점이 존재하지 않으며, 강선이 노출되어있으므로 보강 시공 후 구조물의 사용 중에도 보강된 강선의 상태를 손쉽게 파악할 수 있는 장점을 가지고 있다.

참고문헌 (15)

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상세보기
Shin, H.M., Prestressed Concrete, Dongmyeong Publishing Co., 2008, pp.112-117.
Tonias, D.E., and Zhao, J,J., Bridge Engineering, McGraw Hill, 2007, pp.128-137.

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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