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문제 정의
- 이 연구에서는 실무에서 적용할 수 있는 다양한 수평전단면에 대한 접합상세를 제시하고, 도로교설계기준(한계상태설계법)[11]에 따라 실험체를 설계하였다. 제작된 실험체에 대하여 성능실험을 수행하고 이를 통하여 합성보의 구조적 거동을 평가하고, 이중 수평접합부에 필요한 고려사항과 적합안 상세를 제시하고자 한다.
제안 방법
- 각 단계에서 실험체의 거동 특성을 파악하기 위해 처짐, 강재-콘크리트 및 철근의 변형률을 측정하였다. 실험체 지간의 Le/4 지점과 Le/2 지점에 변형률 게이지 및 LVDT를 설치를 하였고 설치 상세는 Fig.
- 강재 상부플랜지와 케이싱 콘크리트의 수평접합면은 접합면의 수평전단강도에 대하여 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc) 적용 여부에 따라 설계강도(Qr)를 산정하여 스터드 전단연결재의 간격을 배치하였다.
- 콘크리트의 압축강도를 확인하기 위한 공시체는 KSF 2403에 근거하여 100×200mm로 제작하였고 실험체와 동일 조건으로 양생하였다. 공시체는 강도별로 3개씩 실험일정에 맞추어 압축강도시험을 실시하였다. 강판, 철근 및 스터드 전단연결재는 별도의 실험을 실시하지 않고 현장반입된 밀시트 및 시험성적서를 기준으로 재료강도 평가에 반영하였다.
- 도로교설계기준[11]에서는 시공이음 계면에 큰 균열이 발생할 경우, 피로 및 동적하중이 작용하는 경우 매끄러운 표면과 거친 표면에서 부착계수 μ1의 값을 0으로 하도록 규정하고 있으나, 본 실험에서는 피로 및 동적하중이 없는 이중합성보의 합성거동의 평가가 목적이므로 μ1 을 설계의 변수들 중 하나로 고려하였다.
- 본 연구의 실험 주요 변수로 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc), 바닥판 콘크리트 및 철근의 재료저항계수(Φc , Φs), 콘크리트 인장강도에 따른 부착계수(μ1) 그리고 케이싱 콘크리트 표면 상태를 고려하였다.
- 실험은 단순지지의 지간 중앙부를 가력하는 것으로 하여 합성단면의 소성모멘트(Mp)에 대한 극한하중 (Pu = 4Mp / Le)을 산정하였다.
- 실험체 강재 보는 공장에서 제작하여 현장 제작장으로 운반, 철근조립과 콘크리트 타설 작업을 수행하였다. 제작 순서는 Fig.
- 실험체 단면은 일반국도 표준 폭원(B)인 20.9m에 대하여 교량길이(L) 40m, 이의 교량 길이에서 적용이 가능한 최소형고(H) 1.4m를 적용하여 실교량 설계를 수행하고 사용하중 상태에서 단면에 발생하는 응력 변화를 고려하여 응력이 큰 외측거더와 도심축 비율이 일치된 축소 모델을 적용하였다. 이는 탄성거동 상태에서 실험체의 거동 분석을 통하여 실교량 합성거더의 거동 특성을 예측하기 위함이다.
- 실험체는 양단부에 지점(롤러)을 두고, 3,000kN급 Actuator를 이용하여 실험체 중앙부(Le/2)에 연직하중을 가하였으며, 변위제어로 2mm/min 속도로 재하 하였다. 하중재하는 2차로 나누어 진행하였으며 1차 하중 재하는 보의 탄성 거동 범위 내 하중인 1,000kN까지 가력 후하중을 제거 하였고, 2차 하중 재하는 보의 파괴 시까지 가력 하였다.
- )을 산정하였다. 실험체의 수평접합면의 수평전단강도는 각 주요 변수에 따라 실험체의 휨 파괴 발생시까지 일체거동이 확보되도록 설계하였다.
- 압축강도 80 MPa급 고강도 콘크리트를 활용한 이중 합성 보의 이중 수평접합면 구조에 대한 전단성능 및 이에 따른 보의 합성 거동에 대한 실험적 평가를 수행하였다. 이를 위하여 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc), 콘크리트의 재료계수(Φc), 철근의 재료계수(Φs), 부착계수(μ1) 및 케이싱 콘크리트 표면 상태를 실험 변수로 하여 수평접합면의 상세를 달리한 6개의 실험체를 제작하여 성능실험을 수행하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 이를 위하여 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc), 콘크리트의 재료계수(Φc), 철근의 재료계수(Φs), 부착계수(μ1) 및 케이싱 콘크리트 표면 상태를 실험 변수로 하여 수평접합면의 상세를 달리한 6개의 실험체를 제작하여 성능실험을 수행하였으며, 본 연구를 통해 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 재료시험강도를 반영하여 초기 설계시와의 극한하중 및 수평접합면의 전단설계 변화 여부를 파악하였다. 시험성적서의 재료 특성을 반영하여 수평접합면 설계 결과, 상부플랜지와 케이싱 콘크리트 수평접합면의 경우 초기 설계보다 강도가 다소 증가하여 극한하중 재하시까지 일체거동 확보가 가능한 것으로 나타났다.
- 케이싱 콘크리트 단부에 돌출형 스터드 전단연결재의 적용성을 평가하기 위해 DCB6의 강재 복부 단면을 변단면으로 적용하고 강재 상부플랜지가 케이싱 콘크리트에 매립되며 상부플랜지 위에 용접 설치된 스터드 전단 연결재가 케이싱 콘크리트 위로 돌출되도록 설계하였으며, 스터드 전단연결재가 돌출된 부분에는 별도의 전단 철근을 배치하지 않았다. 또한 케이싱 콘크리트 내에서 상부플랜지와 복부 변단면의 단면적이 전단저항 역할에 기여하므로 이를 고려하여 인근 스터드 전단연결재 4개를 제외하여 설계에 반영하였다.
- /2)에 연직하중을 가하였으며, 변위제어로 2mm/min 속도로 재하 하였다. 하중재하는 2차로 나누어 진행하였으며 1차 하중 재하는 보의 탄성 거동 범위 내 하중인 1,000kN까지 가력 후하중을 제거 하였고, 2차 하중 재하는 보의 파괴 시까지 가력 하였다.
대상 데이터
- DCB1~DCB3, DBC6의 경우 케이싱 콘크리트 타설시 별도의 표면처리를 하지 않은 매끄러운 상태로 제작을 하였으며, DCB4의 경우 Fig.2의 조건에 맞추어 40mm 폭에 6mm 깊이의 요철을 제작, DCB5는 40mm 간격에 6mm 깊이의 거친표면을 제작하였다. 또한 DCB5, DCB6의 경우 강재 복부의 높이를 종방향으로 변단면으로 제작하였으며 지점부 수직보강재 상단부가 케이싱 콘크리트 내에 매립되도록 제작하였다.
- 케이싱 콘크리트 단부에 돌출형 스터드 전단연결재의 적용성을 평가하기 위해 DCB6의 강재 복부 단면을 변단면으로 적용하고 강재 상부플랜지가 케이싱 콘크리트에 매립되며 상부플랜지 위에 용접 설치된 스터드 전단 연결재가 케이싱 콘크리트 위로 돌출되도록 설계하였으며, 스터드 전단연결재가 돌출된 부분에는 별도의 전단 철근을 배치하지 않았다. 또한 케이싱 콘크리트 내에서 상부플랜지와 복부 변단면의 단면적이 전단저항 역할에 기여하므로 이를 고려하여 인근 스터드 전단연결재 4개를 제외하여 설계에 반영하였다. 케이싱 콘크리트 위로 돌출된 단부 스터드 전단연결재의 규격은 D22×165mm 를 적용하였다.
- 바닥판 종방향 철근 역시 SD400 강종의 D10 철근 직경을 사용하였으며, 상·하부 횡방향으로 각각 9개씩(8@125mm) 배치하였다(Fig.3 참조).
- 실험체 수평접합면에 적용한 전단연결재는 강재와 케이싱 콘크리트의 수평접합면의 경우 스터드 전단연결재 (D22×130)를, 케이싱 콘크리트와 슬래브의 수평접합면의 경우 전단철근(D16)을 적용하였으며 실험변수에 따라 총 6 타입으로 설계하였다.
- 실험체는 조밀단면으로 설계하였으며 지간길이(Le)는 단면의 소성모멘트(Mp) 및 극한하중(Pu)을 고려하여 7.2m로 산정하였고 거더의 전체길이는 7.8m로 설계하였다.
- 케이싱 콘크리트 위로 돌출된 단부 스터드 전단연결재의 규격은 D22×165mm 를 적용하였다.
- Table 4와 Table 5의 수평접합면 설계 결과를 바탕으로 실험체별 계면 상세를 Table 6와 같이 설정하였다. 케이싱 콘크리트 종방향 철근은 SD400 강종의 D10 철근 직경을 상부 및 하부 각각 4개씩(3@85mm) 배치 하였다. 바닥판 종방향 철근 역시 SD400 강종의 D10 철근 직경을 사용하였으며, 상·하부 횡방향으로 각각 9개씩(8@125mm) 배치하였다(Fig.
- 케이싱 콘크리트의 표면은 Table 1에서 제시하는 콘크리트 타설 후 미장 등 별도의 표면처리를 하지 않은 매끄러움(smooth) 상태와 거친(Rough) 상태 그리고 깊이 5 mm이상의 요철이 확실하게 제작된(indented) 상태를 고려하였다.
- 콘크리트의 압축강도를 확인하기 위한 공시체는 KSF 2403에 근거하여 100×200mm로 제작하였고 실험체와 동일 조건으로 양생하였다.
데이터처리
- 시험성적서의 재료 특성을 반영하여 수평접합면 설계 결과, 상부플랜지와 케이싱 콘크리트 수평접합면의 경우 초기 설계보다 강도가 다소 증가하여 극한하중 재하시까지 일체거동 확보가 가능한 것으로 나타났다. 그러나, 케이싱 콘크리트와 바닥판의 수평접합면은 극한하중 재하시 휨 파괴보다 계면 파괴가 먼저 발생하는 실험체가 예상되어 실험체 별 수평접합면이 저항할 수 있는 지간 중앙부 최대 재하하중을 산정하여 향후 실험 결과와 비교 분석 하였다.
이론/모형
- 이 연구에서는 실무에서 적용할 수 있는 다양한 수평전단면에 대한 접합상세를 제시하고, 도로교설계기준(한계상태설계법)[11]에 따라 실험체를 설계하였다. 제작된 실험체에 대하여 성능실험을 수행하고 이를 통하여 합성보의 구조적 거동을 평가하고, 이중 수평접합부에 필요한 고려사항과 적합안 상세를 제시하고자 한다.
성능/효과
- (1) 하중재하 실험결과, 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면에 재료계수와 부착계수를 고려하여 매끄러운(Smooth) 표면상태에 전단철근을 배치한 실험체 (DCB2, DCB3, DCB6)는 바닥판 상단에 휨 압축파괴가 발생하였으며, 케이싱 콘크리트 표면에 폭 40mm, 깊이 6mm의 요철을 형성(DCB4)하거나 40mm 간격에 깊이 6mm의 거친(Rough) 이음을 형성(DCB5)한 실험체는 단부에 중앙부 쪽으로 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이에 계면 분리에 의한 수평전단파괴가 발생하였다. 또한, 하중-처짐 관계 및 변형률 분석결과 휨 파괴가 발생한 실험체 중 DCB2 및 DCB3가 최상의 합성거동을 나타내는 것으로 분석되었다.
- (2) 이중합성보가 극한 휨 파괴시까지 합성거동을 유지하기 위해서는, 강재 상부플랜지와 케이싱 콘크리트의 수평접합면은 스터드 전단연결재의 저항계수를 고려하지 않아도 되나, 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면은 콘크리트 및 철근의 재료계수와 부착계수 등을 고려해야 한다.
- (3) 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면은 케이싱 콘크리트 표면에 거친 이음이나 요철 이음 등을 형성하는 방법보다는 재료계수 등을 고려하여 전단철근을 충분히 배치하는 것이 이중합성보의 극한 휨 파괴시 까지 합성거동을 유지하는데 유리한 것으로 분석되었다.
- (4) SC 이중합성거더의 실교량 설계시 단면의 소성영 역까지 합성거동을 유지하기 위해서는 수평전단설계에 있어 케이싱 콘크리트 표면에 거친 이음 또는 요철 이음 형성시키는 상세보다는 전단철근의 간격을 보수적으로 설계하여 반영하는 것이 적합하다.
- 보 중앙부 슬래브 상연에 휨 압축파괴가 발생한 DCB2, DCB3, DCB6의 경우 극한하중에 도달할수록 강재 및 케이싱, 바닥판 종방향 철근의 변형률이 증가하는 합성거동 특성을 나타내었다. DCB1, DCB5의 경우 하중 증가에 따라 강재 및 케이싱 종방향 철근의 변형률은 증가하나 항복하중(1800kN) 이상에서 바닥판 상부 종방향 철근의 변형률이 오히려 감소하는 현상이 나타났다. 이는 케이싱과 바닥판 사이의 계면이 분리되어 바닥판의 중립축 거리가 짧아졌기 때문이다.
- DCB2와 스터드 전단연결재의 배치간격이 같고 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면의 전단철근 배치간격이 다른 DCB1의 경우, 항복하중(Py) 이후 재하하중이 증가할수록 동일 하중 상태에서 DCB2와 처짐 차이가 크게 나타났다. 이는 항복하중 이후 어느 일정 하중 이상에서 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면 에서 분리 현상이 발생하여 합성보의 단면 강성이 감소되기 때문인 것으로 판단된다.
- 하중-처짐 관계 분석 결과, 극한하중 재하시까지 합성 거동이 우수한 실험체는 DCB2와 DCB3로 나타났으며, 이중합성보의 합성거동 여부를 지배하는 수평접합면은 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면인 것으로 분석되었다. 그리고, 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면 상세는 매끄러운(Smooth) 표면에 재료저항 계수들을 고려하여 전단철근을 배치한 상세가 합성거동에 효과적인 것으로 분석되었다.
- 따라서, Table 6에서 보는 바와 같이 DCB2와 DCB3의 수평접합면 상세 차이를 고려할 때 강재 상부플랜지와 케이싱 콘크리트 수평접합면의 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc) 고려에 따른 스터드 전단연결재 배치는 합성거동에 영향을 주지 않는 것으로 분석되었다.
- (1) 하중재하 실험결과, 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면에 재료계수와 부착계수를 고려하여 매끄러운(Smooth) 표면상태에 전단철근을 배치한 실험체 (DCB2, DCB3, DCB6)는 바닥판 상단에 휨 압축파괴가 발생하였으며, 케이싱 콘크리트 표면에 폭 40mm, 깊이 6mm의 요철을 형성(DCB4)하거나 40mm 간격에 깊이 6mm의 거친(Rough) 이음을 형성(DCB5)한 실험체는 단부에 중앙부 쪽으로 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이에 계면 분리에 의한 수평전단파괴가 발생하였다. 또한, 하중-처짐 관계 및 변형률 분석결과 휨 파괴가 발생한 실험체 중 DCB2 및 DCB3가 최상의 합성거동을 나타내는 것으로 분석되었다.
- 보 중앙부 슬래브 상연에 휨 압축파괴가 발생한 DCB2, DCB3, DCB6의 경우 극한하중에 도달할수록 강재 및 케이싱, 바닥판 종방향 철근의 변형률이 증가하는 합성거동 특성을 나타내었다. DCB1, DCB5의 경우 하중 증가에 따라 강재 및 케이싱 종방향 철근의 변형률은 증가하나 항복하중(1800kN) 이상에서 바닥판 상부 종방향 철근의 변형률이 오히려 감소하는 현상이 나타났다.
- 재료시험강도를 반영하여 초기 설계시와의 극한하중 및 수평접합면의 전단설계 변화 여부를 파악하였다. 시험성적서의 재료 특성을 반영하여 수평접합면 설계 결과, 상부플랜지와 케이싱 콘크리트 수평접합면의 경우 초기 설계보다 강도가 다소 증가하여 극한하중 재하시까지 일체거동 확보가 가능한 것으로 나타났다. 그러나, 케이싱 콘크리트와 바닥판의 수평접합면은 극한하중 재하시 휨 파괴보다 계면 파괴가 먼저 발생하는 실험체가 예상되어 실험체 별 수평접합면이 저항할 수 있는 지간 중앙부 최대 재하하중을 산정하여 향후 실험 결과와 비교 분석 하였다.
- Table 10에 SC 이중합성 보 실험체에 대한 지간 중앙부 최대 가력 하중과 파괴모드를 정리하였다. 실험 결과 DCB4와 DCB5를 제외한 대부분의 실험체가 설계극한 하중 이상의 가력 하중을 저항하는 것으로 나타났다. DCB2, DCB3, DCB6는 설계극한하중(2,273 kN)을 초과하는 가력하중 상태에서 Fig.
- 실험체는 중앙부 단면에서 하중이 증가할수록 중립축이 아래 방향으로 미소하게 이동하다가 극한하중에 도달 할수록 중립축이 다시 상승하는 경향을 나타내었다. 이는 하중이 증가할수록 케이싱 콘크리트 하연에서 상연방향으로 점진적으로 균열이 발생하여 합성보의 단면 강성이 저하되었다가 극한 하중 작용시 압축단면과 인장단면의 하중 평형상태에 도달하기 때문인 것으로 판단된다.
- 하중-처짐 관계 분석 결과, 극한하중 재하시까지 합성 거동이 우수한 실험체는 DCB2와 DCB3로 나타났으며, 이중합성보의 합성거동 여부를 지배하는 수평접합면은 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면인 것으로 분석되었다. 그리고, 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면 상세는 매끄러운(Smooth) 표면에 재료저항 계수들을 고려하여 전단철근을 배치한 상세가 합성거동에 효과적인 것으로 분석되었다.
- 휨 파괴가 발생한 실험체에서 상부플랜지와 케이싱 콘크리트 수평접합면의 설계에 스터드 전단연결재의 저항계수(Φsc)를 고려한 경우(DCB3)와 고려하지 않은 경우(DCB2, DCB6) 모두 극한하중까지 저항하는 것으로 나타나 상부플랜지와 케이싱콘크리트의 수평접합면 설계는 저항계수(Φsc)를 고려하여 설계할 경우 이중합성의 합성거동을 유지하는데 안전한 것으로 분석되었다.
후속연구
- )를 적용하여 안전측으로 설계하였으나 수평접합면이 저항하는 설계 재하하중 보다 작은 하중상태에서 수평접합면에 전단파괴가 발생하였다. 따라서, 향후 SC 이중합성 거더의 실교량 설계시 상부 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면 설계에 요철을 형성하여 전단 설계를 하는 방식은 바람직하지 않다. 케이싱 콘크리트 표면에 40mm 간격 6mm 깊이 의 거칠기를 형성한 DCB5의 경우, 최대 가력 하중이 재료저항계수(Φc, Φs)를 고려하지 않은 경우(NRF)에서는 수평접합면이 저항할 수 있는 최대하중에는 미치지 못하였다.
- 휨파 괴가 발생한 실험체들의 케이싱 콘크리트와 바닥판 사이의 수평접합면 상세는 케이싱 표면상태가 매끄러움 (Smooth) 상태이며 재료계수(Φc , Φs)를 적용하고 부착 계수(μ 1)는 적용하지 않은 전단철근 115 mm의 간격으로 배치된 상세로, 케이싱 콘크리트와 바닥판의 수평접합면이 이중합성보의 휨 파괴까지 일체거동을 유지하기 위해서는 재료계수를 고려하고 부착계수를 고려하지 않는 등의 방법을 설계에 고려해야 할 것으로 판단된다.
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