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문제 정의
- 본 장에서는 시공단계의 하중에 대한 시험체 별 처짐 발생량을 비교 및 분석하고자 한다. 시공단계 하중은 크게 세 가지로 시공작업 하중, 강재 하중 그리고 콘크리트 하중으로 구성된다.
- 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 역삼각 형태의 트러스 거더를 더블 골형 데크플레이트(가칭 ‘D Deck’)에 추가하여 데크플레이트 바닥구조의 전반적인 강성 및 강도를 향상시키고자 한다.
가설 설정
- 래티스 철근의 직경은 6mm, 하부근은 14mm이고 상부근은 8mm이다. 강재의 비선형 재료거동을 정확하게 묘사하기 위해 von Mises 항복 조건을 사용하였으며 탄성-완전소성(elastic-perfectly plastic) 거동을 가정시켰다.
제안 방법
- 실험 변수로 트러스거더와 데크플레이트 바닥판을 이어주는 연결철물의 종류 및 트러스 거더의 개수를 설정하였으며, 총 5개의 시험체를 제작하였다. 각 시험체 별 하중-변위 그래프를 작성하고 실험변수에 따른 구조 시스템의 성능을 비교 분석하였다. 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 9는 5개의 시험체별 실험결과와 유한요소해석 결과의 비교 그래프들이다. 각각의 시험체별 실험결과와 해석결과의 일치성을 비교하기 위해서 구조물의 허용 처짐까지의 구간을 비교하였다.
- 17(ABAQUS, 2017)을 이용하여 수행되었다. 구조물의 모델링을 위해 shell 요소(사각형요소: S8R, 삼각형요소: STRI65) 및 beam 요소(B31)를 사용하였으며, 데크플레이트 바닥판과 연결 철물들은 shell 요소로 트러스 거더는 beam 요소로 모델링하였다. 유한요소해석 모델에 3차원 solid 요소가 아닌 shell요소와 beam 요소를 사용한 이유는 비교적 충분한 정확성을 지니면서도 해석시간을 크게 단축시킬 수 있기 때문이다.
- 유한요소해석 모델의 지점 조건은 실험과 동일하게 데크플레이트의 양단부에서 중앙쪽으로 80mm 지점까지의 데크플레이트 하부면의 Y변위를 구속하였고 양단부의 끝 선의 X, Y, Z 변위를 구속하였다. 그리고 실험에서 모래 재하를 위해서 설치한 하중 보조 철물에 의한 데크플레이트 바닥판 상부 플랜지의 양 끝 부분의 횡변위에 대한 구속 조건을 해석 모델에서도 동등하게 적용하기 위해 해당하는 부분의 X변위에 대해서 추가적으로 구속을 주었다. 모델링한 유한요소해석 모델에서의 지점 조건을 Fig.
- 본 연구에서는 더블 골 데크플레이트를 역삼각 형상의 트러스거더로 보강한 바닥 구조시스템(가칭 ‘D Deck’)의 성능을 실험 및 3차원 유한요소해석을 통해 평가하였다.
- 본 장에서는 데크플레이트 시험체 횡 방향 측정 위치에 따른 수직 처짐의 변화를 비교 및 분석하였다. 2장에서 언급한 바와 같이 시험체의 수직 처짐을 Fig.
- 본 장에서는 시험체별 실험결과와 해석결과간의 하중-변위 그래프를 비교 및 분석하였다. Fig.
- 본 장에서는 실험 결과와의 비교를 위해 수행된 3차원 유한요소해석의 요소, 재료 모델 및 물성치 그리고 지점 및 하중 조건에 대한 자세한 정보를 정리하였다.
- 유한요소해석 모델의 지점 조건은 실험과 동일하게 데크플레이트의 양단부에서 중앙쪽으로 80mm 지점까지의 데크플레이트 하부면의 Y변위를 구속하였고 양단부의 끝 선의 X, Y, Z 변위를 구속하였다. 그리고 실험에서 모래 재하를 위해서 설치한 하중 보조 철물에 의한 데크플레이트 바닥판 상부 플랜지의 양 끝 부분의 횡변위에 대한 구속 조건을 해석 모델에서도 동등하게 적용하기 위해 해당하는 부분의 X변위에 대해서 추가적으로 구속을 주었다.
- 유한요소해석 모델의 하중 조건은 등분포 수직하중으로 데크플레이트 바닥판에 해당하는 부분에만 적용하였다. 유한요소해석 모델에서 분포하중은 실험과 동일하게 모래가 재하되는 영역에 적용시켰다.
- 5m로 양단부가 지지된 형상이다. 하중 가력에 따른 변위 측정을 위해 LVDT(linear variable differential transformer)를 Fig. 2(c)에 나타난 것과 같이 스팬 중앙에 횡방향으로 서로 다른 두 개의 지점(M1 및 M2)에 설치하였다.
대상 데이터
- 데크플레이트 바닥판 및 연결 철물들의 항복강도는 295MPa이고 두께는 1.0mm로 동일하게 하였으며, 트러스 거더를 구성하는 래티스 철근 및 상하부근의 항복강도는 400MPa이다. 래티스 철근의 직경은 6mm, 하부근은 14mm이고 상부근은 8mm이다.
- 2에 나타내었다. 시험체는 폭 600mm, 두께 1mm 단위 데크 두 장을 함께 사용하여 전체 폭은 1200mm, 순스팬 5.5m로 양단부가 지지된 형상이다. 하중 가력에 따른 변위 측정을 위해 LVDT(linear variable differential transformer)를 Fig.
- 본 연구에서는 더블 골 데크플레이트를 역삼각 형상의 트러스거더로 보강한 바닥 구조시스템(가칭 ‘D Deck’)의 성능을 실험 및 3차원 유한요소해석을 통해 평가하였다. 실험 변수로 트러스거더와 데크플레이트 바닥판을 이어주는 연결철물의 종류 및 트러스 거더의 개수를 설정하였으며, 총 5개의 시험체를 제작하였다. 각 시험체 별 하중-변위 그래프를 작성하고 실험변수에 따른 구조 시스템의 성능을 비교 분석하였다.
- 실험을 위해 총 5개의 시험체를 제작하였으며, 그 기본적인 형상 및 세팅을 Fig. 2에 나타내었다. 시험체는 폭 600mm, 두께 1mm 단위 데크 두 장을 함께 사용하여 전체 폭은 1200mm, 순스팬 5.
- 총 5개의 시험체는 Table 1에 정리된 것과 같이 트러스거더로 보강되지 않은 기준 시험체 이외에 연결철물의 종류 및 트러스 거더의 개수를 실험변수로 설정된 4개의 시험체로 구분할 수 있다. 각각의 시험체는 Fig.
데이터처리
- 4.1장에 나타난 실험 및 해석 결과의 하중-변위 그래프로부터 각 시험체의 초기 강성을 도출하고 이들을 비교 및 분석하였다. 초기강성은 5개의 시험체 모두에서 뚜렷하게 선형탄성거동을 보이는 것으로 판단되는 변위 10mm를 기준으로 계산하였다.
- 2장에서는 제안된 데크플레이트 시스템의 시공단계 하중에 대한 성능 평가를 위한 실험계획 및 방법을, 3장에서는 실험적 평가 결과와 비교하기 위한 3차원 유한요소해석 모델링에 대해 각각 논의하였다. 4장에서는 수행된 실험 및 유한요소해석 결과를 비교 및 분석하였으며 각 시험체별 초기강성, 시공단계 하중에 대한 처짐, 데크플레이트 횡방향 처짐을 비교하여 제안된 시스템의 성능을 평가하였다. 5장에서는 본 연구의 결론을 정리해 제시하였다.
- 제안된 데크플레이트 시스템의 성능 평가를 위한 유한요소 해석은 상용 프로그램인 ABAQUS 6.17(ABAQUS, 2017)을 이용하여 수행되었다. 구조물의 모델링을 위해 shell 요소(사각형요소: S8R, 삼각형요소: STRI65) 및 beam 요소(B31)를 사용하였으며, 데크플레이트 바닥판과 연결 철물들은 shell 요소로 트러스 거더는 beam 요소로 모델링하였다.
성능/효과
- 1) 총 5개의 시험체 모두 실험과 유한요소해석 결과가 비교적 서로 잘 일치하며 전반적으로 최대 허용 처짐 범위까지 선형탄성 거동을 보인다.
- 2) 트러스 거더의 개수가 증가할수록 초기 강성이 증가하며, 고정 플레이트보다는 L형 보강 플레이트가 초기 강성증대에 더 효과적이라는 것을 알 수 있다. L형 보강 플레이트가 초기강성의 증가에 더 효과적인 이유는 플레이트 설치 위치에만 트러스 거더가 데크플레이트에 연결된 고정플레이트의 경우와 달리 전체 스팬에 걸쳐 트러스 거더가 데크플레이트에 고정되어 있어 트러스 거더와 데크플레이트의 일체화 정도가 더 뛰어나기 때문인 것으로 판단된다.
- 3) 실험 및 유한요소해석 모두 시공단계 하중에 대한 처짐을 감소시키는데 L형 보강 플레이트가 고정 플레이트 보다 더 효과적이라는 것을 알 수 있다.
- 4) 데크플레이트 시험체 횡 방향 측정 위치에 따른 수직 처짐의 변화를 비교 및 분석한 결과 트러스 거더 개수 증가 및 연결철물에 의한 데크플레이트 구조 요소의 일체화 증대 효과가 스팬 방향 뿐 아니라 횡 방향으로도 나타남을 알 수 있다.
- 표에 나타난 결과로부터 실험과 유한요소해석 모두 시공단계 하중에 대한 시험체의 처짐이 최대 허용 처짐량 보다 작음을 알 수 있다. 4.1장의 초기강성의 비교 결과와 유사하게 트러스 거더의 보강 효과로 인해 TG0-X 시험체를 제외한 다른 시험체의 처짐량이전부 TG0-X의 경우 보다 적은 것을 알 수 있다.
- Fig. 10의 결과로부터 트러스 거더의 개수가 증가할수록 초기 강성이 증가하며, 고정 플레이트보다는 L형 보강 플레이트가 초기 강성 증대에 더 효과적이라는 것을 알 수 있다. L형 보강 플레이트가 초기강성의 증가에 더 효과적인 이유는 플레이트 설치 위치에만 트러스 거더가 데크플레이트에 연결된 고정 플레이트의 경우와 달리 전체 스팬에 걸쳐 트러스 거더가 데크플레이트에 고정되어 있어 트러스 거더와 데크플레이트의 일체화 정도가 더 뛰어나기 때문인 것으로 판단된다.
- Table 3의 결과로부터 연결철물 및 트러스 거더의 사용으로 인해 초기 강성이 증가한 것을 알 수 있고 트러스 거더의 개수가 2개일 때 고정 플레이트 시험체는 104%, L형 보강 플레이트 시험체는 146%로 고정 플레이트로 보강한 시험체보다 L형 보강 플레이트로 보강한 시험체가 초기강성의 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 그리고 트러스 보강체의 개수가 3개일 때 보강 플레이트 시험체는 118%, L형 보강 플레이트 시험체는 196%로 트러스 보강체의 개수가 2개일 때보다 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다.
- 트러스 보강체의 개수가 2개에서 3개로 증가함에 따라 2개 일 때의 초기강성 증가율보다 고정플레이트는 14%, L형 보강 플레이트는 50%의 초기 강성 증가 효과를 보이고 있다. 그리고 연결 철물이 고정 플레이트일 경우 시험체는 TG0-X 시험체의 초기강성의 4%와 18% 밖에 증가하지 않으므로 트러스 거더의 성능이 충분히 발휘되지 않는 다는 것을 알 수 있다. 유한요소해석 결과로부터 얻은 시험체의 초기 강성 또한 실험에 의한 결과와 유사함을 알 수 있다.
- Table 3의 결과로부터 연결철물 및 트러스 거더의 사용으로 인해 초기 강성이 증가한 것을 알 수 있고 트러스 거더의 개수가 2개일 때 고정 플레이트 시험체는 104%, L형 보강 플레이트 시험체는 146%로 고정 플레이트로 보강한 시험체보다 L형 보강 플레이트로 보강한 시험체가 초기강성의 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 그리고 트러스 보강체의 개수가 3개일 때 보강 플레이트 시험체는 118%, L형 보강 플레이트 시험체는 196%로 트러스 보강체의 개수가 2개일 때보다 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 트러스 보강체의 개수가 2개에서 3개로 증가함에 따라 2개 일 때의 초기강성 증가율보다 고정플레이트는 14%, L형 보강 플레이트는 50%의 초기 강성 증가 효과를 보이고 있다.
- 하중-변위 그래프의 결과로부터 5개의 시험체 모두 실험과 유한요소해석 결과가 비교적 서로 잘 일치하며 전반적으로 최대 허용 처짐량 범위까지는 선형탄성 거동을 하는 것을 알 수 있다. 유한요소해석 결과로부터 L형 보강 플레이트로 보강되지 않은 TG0-X,TG2-F 및 TG3-F 시험체의 경우 최대 허용 처짐 범위 이상으로 하중을 증가시킬 경우 강성이 점차 감소하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 고정 플레이트가 L형 보강 플레이트에 비해 구조물의 일체화 및 강성 증대 효과가 상대적으로 적기 때문에 나타나는 것으로 판단된다.
- 최대 허용 처짐량에 대한 각 시험체의 상대 처짐비를 살펴보면 트러스 거더의 개수가 2개일 때 고정플레이트는 73.8%,L형 보강 플레이트는 54.8%로 L형 보강 플레이트가 효과적이란 것을 알 수 있다. 트러스 거더의 개수가 3개일 때는 각각 71.
- 8%로 L형 보강 플레이트가 효과적이란 것을 알 수 있다. 트러스 거더의 개수가 3개일 때는 각각 71.1%, 42.9%로 트러스 거더의 개수 증가로 인한 처짐량의 감소 효과가 고정플레이트보다 L형 보강플레이트에서 크다는 것을 알 수 있다. 유한해석결과 역시 실험 결과와 유사한 경향을 보여준다.
- 그리고 트러스 보강체의 개수가 3개일 때 보강 플레이트 시험체는 118%, L형 보강 플레이트 시험체는 196%로 트러스 보강체의 개수가 2개일 때보다 증가율이 더 큰 것을 알 수 있다. 트러스 보강체의 개수가 2개에서 3개로 증가함에 따라 2개 일 때의 초기강성 증가율보다 고정플레이트는 14%, L형 보강 플레이트는 50%의 초기 강성 증가 효과를 보이고 있다. 그리고 연결 철물이 고정 플레이트일 경우 시험체는 TG0-X 시험체의 초기강성의 4%와 18% 밖에 증가하지 않으므로 트러스 거더의 성능이 충분히 발휘되지 않는 다는 것을 알 수 있다.
- 5mm이다. 하중-변위 그래프의 결과로부터 5개의 시험체 모두 실험과 유한요소해석 결과가 비교적 서로 잘 일치하며 전반적으로 최대 허용 처짐량 범위까지는 선형탄성 거동을 하는 것을 알 수 있다. 유한요소해석 결과로부터 L형 보강 플레이트로 보강되지 않은 TG0-X,TG2-F 및 TG3-F 시험체의 경우 최대 허용 처짐 범위 이상으로 하중을 증가시킬 경우 강성이 점차 감소하는 것을 관찰할 수 있는데, 이는 고정 플레이트가 L형 보강 플레이트에 비해 구조물의 일체화 및 강성 증대 효과가 상대적으로 적기 때문에 나타나는 것으로 판단된다.
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