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문제 정의
- 본 연구에서는 프리캐스트 바닥판의 이음부 채움재로 HSFRC를 적용한 휨 부재의 요소실험을 수행하였으며, 이음부 단면형태 및 철근이음 상세에 따른 정적 휨 거동 및 휨 성능을 평가하였다. 실험결과로부터 도출된 주요 결론은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 프리캐스트 바닥판의 이음부 채움재로 고강도강섬유보강콘크리트(High Strength Fiber Reinforced Concrete,HSFRC)를 적용한 휨 부재의 요소실험을 수행하였으며, 이음부 단면형태 및 철근이음 상세에 따른 정적 휨 거동 및 휨 성능을 평가하였다.
제안 방법
- 0022로 측정되었다. 각 실험체 상면에서의 이음부 형상은 Fig.2와 같으며, 채움재를 이음부에 타설하여 일체화시킴으로서 실험부재를 제작하였다. 각 실험체의 대표적인 형상과 철근 배근 상세는 Fig.
- 도로교설계기준(2015)에 의하면 설계 정착길이 및 겹침이음길이는 최소 15db 이상이 되어야 한다. 본 실험체에 사용된 철근의 지름은 19 mm이므로 겹침이음길이로 약 286mm가 요구되지만 HSFRC의 우수한 부착성능을 고려하여 감소된 겹침이음길이를 적용하였다.
- 수직변위는 실험체의 중앙 및 하중재하 위치에 LVDT를 설치하여 측정하였으며, 이음부 및 콘크리트 부재의 균열발생 측정을 위한 균열 폭 게이지는 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Boundary”), 이음부와 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Joint”) 및 프리캐스트 부재 하중재하 위치(“Precast”)에 설치하였다.
- 프리캐스트 바닥판 이음부의 휨 성능 평가를 위한 구조실험은 파괴시까지 변위제어방법의 정적실험으로 수행되었으며, 순수휨모멘트에 따른 이음부의 구조적 거동을 파악하기 위해 4점 휨 실험으로 수행되었다. 이음부의 하부 돌출부에 의해 실험부재의 상면 및 하면의 이음부 형상이 다르므로 정(+) 모멘트뿐만 아니라 부(-) 모멘트에 대해서도 구조실험을 실시하여 각 경우에 대한 이음부의 구조적 거동을 평가하였다. 하중은 폭 100 mm의 하중 재하판을 사용하여 실험부재의 폭 방향으로 일정하게 분포시켰으며, 600 mm 간격의 두 지점에 재하 하여 이음부가 최대 휨모멘트 구간에 충분히 포함될 수 있도록 하였다.
- 주요 실험변수는 이음부의 폭(겹침이음길이), 이음부 단면 요철의 유·무, 채움재의 종류 등으로 하였으며, 실험부재의 구성 및 상세는 Table 1에 정리하였다.
- 철근 변형률은 인장철근에 대해 측정하였으며, 철근의 겹침이음부(“Splice”), 이음부와 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Joint”) 및 프리캐스트 부재 하중재하 위치(“Precast”)에 철근 변형률 게이지를 부착하였다.
- 실험부재는 길이 2,200 mm, 폭 800 mm, 두께 250 mm의 크기로 제작되었다. 철근은 H19 SD 400을 사용하였으며, 폭 방향으로 150 mm 간격으로 배근하여 일반적인 거더교 수준인 교량 바닥판 지간이 3 m 내외의 경험적 설계법 조건을 만족하도록 설계하였다. 실험체의 이음은 루프철근 이음으로 하였으며, 단순화된 철근 이음상세와의 비교를 위해 동일한 겹침이음길이를 갖는 직선형 철근이음 실험체를 실험에 포함하였다.
- 프리캐스트 바닥판 이음부의 휨 성능 평가를 위한 구조실험은 파괴시까지 변위제어방법의 정적실험으로 수행되었으며, 순수휨모멘트에 따른 이음부의 구조적 거동을 파악하기 위해 4점 휨 실험으로 수행되었다. 이음부의 하부 돌출부에 의해 실험부재의 상면 및 하면의 이음부 형상이 다르므로 정(+) 모멘트뿐만 아니라 부(-) 모멘트에 대해서도 구조실험을 실시하여 각 경우에 대한 이음부의 구조적 거동을 평가하였다.
- 이음부의 하부 돌출부에 의해 실험부재의 상면 및 하면의 이음부 형상이 다르므로 정(+) 모멘트뿐만 아니라 부(-) 모멘트에 대해서도 구조실험을 실시하여 각 경우에 대한 이음부의 구조적 거동을 평가하였다. 하중은 폭 100 mm의 하중 재하판을 사용하여 실험부재의 폭 방향으로 일정하게 분포시켰으며, 600 mm 간격의 두 지점에 재하 하여 이음부가 최대 휨모멘트 구간에 충분히 포함될 수 있도록 하였다. 수직변위는 실험체의 중앙 및 하중재하 위치에 LVDT를 설치하여 측정하였으며, 이음부 및 콘크리트 부재의 균열발생 측정을 위한 균열 폭 게이지는 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Boundary”), 이음부와 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Joint”) 및 프리캐스트 부재 하중재하 위치(“Precast”)에 설치하였다.
대상 데이터
- 실험부재는 길이 2,200 mm, 폭 800 mm, 두께 250 mm의 크기로 제작되었다. 철근은 H19 SD 400을 사용하였으며, 폭 방향으로 150 mm 간격으로 배근하여 일반적인 거더교 수준인 교량 바닥판 지간이 3 m 내외의 경험적 설계법 조건을 만족하도록 설계하였다.
- 실험부재는 선행연구(Chung et al., 2017)에서 제안된 비대칭 구조의 요철형 이음단면을 갖는 연결시스템을 대상으로 하였다. 비대칭 구조의 연결시스템은 Fig.
- 철근은 H19 SD 400을 사용하였으며, 폭 방향으로 150 mm 간격으로 배근하여 일반적인 거더교 수준인 교량 바닥판 지간이 3 m 내외의 경험적 설계법 조건을 만족하도록 설계하였다. 실험체의 이음은 루프철근 이음으로 하였으며, 단순화된 철근 이음상세와의 비교를 위해 동일한 겹침이음길이를 갖는 직선형 철근이음 실험체를 실험에 포함하였다. 주요 실험변수는 이음부의 폭(겹침이음길이), 이음부 단면 요철의 유·무, 채움재의 종류 등으로 하였으며, 실험부재의 구성 및 상세는 Table 1에 정리하였다.
데이터처리
- 정(+) 모멘트 실험에 의한 각 실험체의 하중-처짐 관계를 Fig. 7에나타내었으며, 동일한 조건으로 수행된 기존 연구(Shin et al.,2015)에서의 일체형 RC(fck = 41MPa) 실험체의 실험결과도 포함하여 비교하였다.
성능/효과
- 1) HSFRC 채움재를 사용한 실험체는 이음부 폭 및 이음부 단면 형태와 관계없이 유사한 휨 성능을 갖는 것으로 나타났으며, 일체형 RC 실험체와 동등수준 이상의 휨강도를 갖는 것으로 나타났다. 최종파괴단계에서 겹침이음철근의 파괴는 나타나지 않았으며, 실험체의 최종파괴 경향은 최대 휨모멘트 구간의 콘크리트 압축파괴로 나타났다.
- 2) 루프철근 및 HSFRC 채움재를 사용한 실험체의 균열은 이음부의 연속성 확보에 의해 하중이 증가함에 따라 실험체의 길이방향으로 분포되어 일체형 RC 보와 유사한 균열양상을 보였다. 균열거동에 있어서 가장 취약한 부분은 부(-) 모멘트 실험의 프리캐스트 부재간의 경계부이며, 이음부 단면의 요철 형상에 따른 부착면적의 증가로 인해 이음부 단면의 요철길이가 길수록 균열 저항성능이 양호해 지는 것으로 나타났다.
- 3) 대부분의 철근은 항복변형률 수준의 인장변형을 나타내었으나 이음부에서의 루프철근 변형률은 이음부 단면의 요철길이가 길수록 작아지는 것으로 나타나 이음부 단면의 요철길이가 겹침이음철근의 정착에 영향을 주는 것으로 판단된다.
- 4) 도로교설계기준 설계겹침이음의 60% 수준으로 겹이음된 Lap220uw0 실험체의 정(+) 모멘트 실험에서는 겹침이음길이의 부족에 의해 겹침이음부의 미끄러짐(slip)이 발생되었으나 부(-) 모멘트 실험에서는 다른 실험체와 동등한 수준의 휨 성능을 보였다. 따라서 적절한 이음부 단면의 개선을 통해 이음부 폭의 감소 및 철근 겹침이음의 단순화가 가능할 것으로 판단된다.
- L300mw230N 및 Lap220uw0N 실험체의 경우는 재하 하중의 증가에 따라 이음부 경계면에 균열이 집중되는 반면 루프철근 및 HSFRC를 사용한 나머지 실험체들은 프리캐스트 부재의 하중재하위치(“Precast”)에서도 큰 균열이 발생되어 상대적으로 이음부의 하중전달 효과가 우수한 것으로 나타났다.
- 12에 나타내었다. 각 실험체별로 보면, 정(+) 모멘트 실험 및 부(-) 모멘트 실험의 전체적인 균열 거동 형태는 유사하게 나타났으나 부(-) 모멘트 실험에서의 강성이 작은 것으로 보아 부(-) 모멘트 실험체가 균열 거동에 있어서 다소 불리한 것을 알 수 있다. L300mw230 및 Lap220uw0 실험체의 균열 폭은 이음부 부분(“Boundary”)에 집중되는 것으로 나타났으나 루프이음 및 HSFRC 채움재를 사용한 나머지 실험체들의 균열 폭은 모든 위치에서 비교적 유사하게 분포되었다.
- 결과적으로, 균열거동 및 인장철근의 거동에서는 실험체별로 다소 다르게 나타났으나 HSFRC의 높은 부착특성 및 인장기여에 의해 이음부 폭 및 이음부 단면 형태와 관계없이 충분한 휨 저항성능을 확보하는 것으로 나타났다. 따라서 이음부 폭의 감소 및 요철에 의한 채움재 타설 양의 감소 등 본 연구에서 제안된 연결형식은 프리캐스트 바닥판 이음부에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 2) 루프철근 및 HSFRC 채움재를 사용한 실험체의 균열은 이음부의 연속성 확보에 의해 하중이 증가함에 따라 실험체의 길이방향으로 분포되어 일체형 RC 보와 유사한 균열양상을 보였다. 균열거동에 있어서 가장 취약한 부분은 부(-) 모멘트 실험의 프리캐스트 부재간의 경계부이며, 이음부 단면의 요철 형상에 따른 부착면적의 증가로 인해 이음부 단면의 요철길이가 길수록 균열 저항성능이 양호해 지는 것으로 나타났다.
- 채움재로 HSFRC를 사용한 실험체(L300uw230P, L220uw150P, L220uw0P)들은 철근항복 후 뚜렷한 경화현상 및 최대하중 등 일체형 RC 실험체와 매우 유사한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 일체형 RC 실험체와는 다르게 최대하중 이후에는 충분한 연성거동을 하는 것으로 나타났으며, 최대하중 이후의 거동에서는 다소 차이가 있지만 이음부 폭 및 이음부 단면 형태와 관계없이 전체적으로 매우 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다. 채움재로 무수축 모르타르를 사용한 기존 연구(Chung et al.
- , 2011; Lee, 2015). 기존 연구 사례들로부터 고성능콘크리트의 높은 강도와 부착특성에 의해 프리캐스트 바닥판의 사용성능 확보 및 이음부 폭의 축소와 철근이음상세의 단순화가 가능함을 확인할 수 있다. 그러나 아직까지는 연구의 초기단계로서 실용화를 위한 보다 다양한 실험적 검증이 필요하다.
- 12에 나타내었듯이 L300mw230 및 Lap220uw0 실험체의 균열은 이음부 부분에 집중되므로 균열 폭 거동이 상대적으로 다소 불리한 것으로 나타났다. 동일조건의 루프이음철근 및 HSFRC 채움재를 사용한 실험체들은 이음부 단면의 요철길이가 증가될수록 균열폭 거동이 양호해 지는 것으로 나타났으며, 특히 L300uw230N실험체는 도로교설계기준(2015)의 한계균열폭인 0.3 mm 이내에서 일체형 RC 실험체와 동등한 수준의 균열거동을 보였다. 균열거동에 있어서 가장 취약한 Lap220uw0N 실험체의 한계균열폭 0.
- 4) 도로교설계기준 설계겹침이음의 60% 수준으로 겹이음된 Lap220uw0 실험체의 정(+) 모멘트 실험에서는 겹침이음길이의 부족에 의해 겹침이음부의 미끄러짐(slip)이 발생되었으나 부(-) 모멘트 실험에서는 다른 실험체와 동등한 수준의 휨 성능을 보였다. 따라서 적절한 이음부 단면의 개선을 통해 이음부 폭의 감소 및 철근 겹침이음의 단순화가 가능할 것으로 판단된다.
- 또한, L300uw230, L220uw150, L220uw0 실험체를 비교해 보면, 이음부 단면의 요철길이가 길수록 루프 철근의 겹침이음부(“Splice”) 변형률이 작아지는 경향을 보였으며, 특히 L300uw230의 경우는, 이음부와 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Joint”)에서 변형이 집중되는 것으로 나타났다.
- 채움재로 무수축 모르타르를 사용한 실험체(L300mw230P) 및 직선형 겹침이음 실험체(Lap220uw0P)의 경우는 하중이 증가함에 따라 초기균열이 발생한 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Boundary”)에 균열이 집중되는 것으로 나타났다. 반면, 루프이음 연결 및HSFRC 채움재를 사용한 실험체들의 균열은 하중이 증가함에 따라 실험체의 길이 방향으로 분포되었으며, 지점부에서 사인장균열이 발생하는 등 전형적인 RC보와 유사한 균열양상을 나타내었다.
- 본 연구에서 대상으로 하는 바닥판의 지간 L = 3.0m인 경우의 설계휨모멘트 및 휨강도와 비교했을 때, 불리한 휨 성능을 갖는 부(-) 모멘트 실험의 경우임에도 L300mw230N 실험체의 최대휨모멘트는 각각 303%, 100%의 수준으로 나타났으며, HSFRC 채움재를 사용한 실험체들은 약 383%, 126% 수준을 보여 충분한 구조성능을 확보하는 것으로 나타났다.
- 부재실험 직전 수행된 재료실험 결과, 프리캐스트 바닥판의 콘크리트 압축강도는 43 MPa, 채움재로 사용된 HSFRC의 압축강도는 74 MPa, 무수축 모르타르의 압축강도는 52 MPa로 측정되었으며, 철근의 항복강도 및 항복변형률은 각각 446 MPa, 0.0022로 측정되었다. 각 실험체 상면에서의 이음부 형상은 Fig.
- (2017)은대칭구조의 요철형 이음단면 연결시스템의 시공성을 개선한 비대칭 구조의 요철형 이음단면을 갖는 프리캐스트 바닥판 연결시스템을 제안하여 요소실험을 통해 휨 성능을 평가하였다. 실험 결과, 이음부의 부착강도보다는 요철 격벽부분에서의 루프이음철근의 정착성능 확보 및 부착파괴 방지가 구조성능에 지배적인 요인인 것으로 나타났다.
- 이음부 채움재로 무수축 모르타르를 사용한 실험체(L300mw230P)는철근항복 후 경화현상 없이 소성거동을 보이는 것으로 나타났으며, 동일 조건의 HSFRC 채움재를 사용한 실험체(L300uw230P)의 약 76% 수준의 최대하중을 보였다. 채움재로 HSFRC를 사용한 실험체(L300uw230P, L220uw150P, L220uw0P)들은 철근항복 후 뚜렷한 경화현상 및 최대하중 등 일체형 RC 실험체와 매우 유사한 거동을 보이는 것으로 나타났다.
- 이음부 채움재로 무수축 모르타르를 사용한 실험체(L300mw230P)는철근항복 후 경화현상 없이 소성거동을 보이는 것으로 나타났으며, 동일 조건의 HSFRC 채움재를 사용한 실험체(L300uw230P)의 약 76% 수준의 최대하중을 보였다. 채움재로 HSFRC를 사용한 실험체(L300uw230P, L220uw150P, L220uw0P)들은 철근항복 후 뚜렷한 경화현상 및 최대하중 등 일체형 RC 실험체와 매우 유사한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 그러나 일체형 RC 실험체와는 다르게 최대하중 이후에는 충분한 연성거동을 하는 것으로 나타났으며, 최대하중 이후의 거동에서는 다소 차이가 있지만 이음부 폭 및 이음부 단면 형태와 관계없이 전체적으로 매우 유사한 거동을 하는 것으로 나타났다.
- 채움재로 무수축 모르타르를 사용한 실험체(L300mw230P) 및 직선형 겹침이음 실험체(Lap220uw0P)의 경우는 하중이 증가함에 따라 초기균열이 발생한 프리캐스트 부재 간의 경계면(“Boundary”)에 균열이 집중되는 것으로 나타났다.
- 이것은 프리캐스트 부재(콘크리트) 및 채움재(HSFRC 또는 무수축 모르타르)의 인장강도 보다 부착면에서의 부착강도가 낮기 때문으로 판단되며, 각 실험체별 초기 균열하중은 유사하게 나타났다. 최종파괴단계에서 겹침이음철근의 파괴는 나타나지 않았으며, 실험체의 최종파괴 경향은 최대 휨모멘트 구간의 콘크리트 압축파괴로 나타났다. 그러나 재하 하중이 증가되면서 각 실험체별 균열거동은 다소 다르게 나타났다.
후속연구
- 결과적으로, 균열거동 및 인장철근의 거동에서는 실험체별로 다소 다르게 나타났으나 HSFRC의 높은 부착특성 및 인장기여에 의해 이음부 폭 및 이음부 단면 형태와 관계없이 충분한 휨 저항성능을 확보하는 것으로 나타났다. 따라서 이음부 폭의 감소 및 요철에 의한 채움재 타설 양의 감소 등 본 연구에서 제안된 연결형식은 프리캐스트 바닥판 이음부에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단된다. 향후, 본 연구에서 제안된 연결시스템을 갖는 합성형 교량실험을 통해 교량구조계에서의 구조성능 및 피로내 구성 등을 검토할 예정이다.
- 3 mm에서의 균열하중은 약 78 kN으로 나타났으며, 이 하중은 일체형 RC 실험체 하중의 약 60%에 해당된다. 이는 이음부 경계면의 표면이 매끄러운 경우에 대한 결과이므로 이음부 경계면의 표면처리 등을 통해 HSFRC 채움재의 부착성능을 향상시킨다면 이음부 단면에 요철이 없는 경우에도 한계균열폭 조건을 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
- 따라서 이음부 폭의 감소 및 요철에 의한 채움재 타설 양의 감소 등 본 연구에서 제안된 연결형식은 프리캐스트 바닥판 이음부에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단된다. 향후, 본 연구에서 제안된 연결시스템을 갖는 합성형 교량실험을 통해 교량구조계에서의 구조성능 및 피로내 구성 등을 검토할 예정이다.
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