[논문]분절교량 접합부 거동의 영향인자에 대한 연구

남진원

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.9

분절교량 접합부 거동의 영향인자에 대한 연구
Study on Affecting Factors for the Segmental Joint Behavior of Spliced Girder Bridges 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.3, 2019년, pp.9 - 16

남진원 ((주)에이테크솔루션)

초록
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최근 프리캐스트 PSC 거더 형식의 교량이 널리 시공되고 있으며, 거더의 경간과 운송제한을 극복하기 위하여 분절거더의 시공이 증가하고 있다. 분절 공법을 적용한 세그먼트 간의 접합면에는 불연속면이 존재할 수 있으므로 교량의 건전성에 있어 접합부의 일체거동이 매우 중요하다. 분절 접합부는 접합부의 형태, 전단키 유무, 구속력의 크기에 따라 거동차이를 보이기 때문에 이러한 영향인자를 변수로 한 접합부 거동 연구가 필요하다. 본 연구에서는 프리캐스트 PSC 거더교의 접합부 거동을 평가하기 위하여 전단키의 형상, 구속력 도입여부를 변수로 한 전단키 유한요소해석과 축소모형시험을 실시하고, 그 결과를 비교하여 전단키와 구속력 효과를 평가하였으며, 접합부에 1/2~1/3의 돌출높이비를 갖는 전단키를 설치하고 콘크리트 강도의 1/2 수준의 구속력을 도입하는 것이 분절 접합부 거동향상에 효과적이라는 것을 확인하였다. 또한, 분절 공법으로 시공된 실제 프리캐스트 PSC 거더 교량의 재하시험을 실시하고 접합부 세그먼트 간의 처짐차이를 측정하여 분절부 거동을 평가하는 방법을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, precast PSC girder bridges have been widely applied for short and middle span bridges. The construction of the spliced girder bridges has been increasing to overcome the length limit of girder and transportation restrictions. In case of the spliced girder, the integrity of the segmental joints is very important to secure the structural soundness of bridge because the discontinuity on the segmental joints between adjacent segments could be vulnerable point. The study of segmental joint behavior with different influence factors of joint type, shear key installation, confining force is very important. In this research, finite element analysis and scaled model test with different shear key shapes and confining forces were carried out and the comparative study was performed to evaluate the segmental joint behavior of precast spliced PSC girder bridge. It was confirmed that the installation of shear key with height and depth ratio of 1/2~1/3 and applying of confining force of 1/2 of the concrete strength at the joint was effective in improving the integrity of segmental joint. In addition, the field loading test for existed precast spliced PSC girder bridge was performed and the measurement of the difference of deflection between adjacent segments at segmental joint was proposed as the assessment solution of the integrity of segmental joint.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig.1 2D finite element modeling
표 Table 2 Material properties for nonlinear finite element analysis
표 Table 1 Variations for experimental and analytical studies
그림 Fig.2 FE analytical results for stress distribution
그림 Fig. 3 Test specimen of shear key for scaled model test
그림 Fig. 4 Failure modes according to test variables
그림 Fig. 5 Comparative results of structural test and FE analysis
그림 Fig. 6 Relationship of failure load and confining stress
그림 Fig. 7 Geometry and segmental joint of field tested spliced girder bridge
표 Table 3 Vertical deflections at segmental joints according to load cases
그림 Photo 1 Scene of field loading test

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 프리캐스트 PSC 거더교의 접합부 거동을 평가하기 위하여 전단키의 형상, 구속응력 도입여부를 변수로한 전단키 정밀해석과 축소모형 시험을 실시하여 그 결과를 비교․검증하였으며, 분절 공법으로 시공된 실제 프리캐스트 PSC거더 교량의 재하시험을 실시하여 분절부 거동을 평가하였다.

제안 방법

국내 도로설계편람에서는 사다리꼴 전단키의 경사각 θ는 45～60°의 범위를 표준으로 제시하고 있으며, ASSHTO(2012)에서는 전단키 저면과 돌출높이의 비(D/H 비)가 1/2인 경우 가장 효과적이라 제시한 바 있다. 따라서, 본 연구에서는 경사각 45°에 1/3, 1/2의 전단키 저면과 돌출높이의 비(d/h)를 갖는 전단키 형상을 변수로 설정하였다. 접합면에 도입되는 구속응력이 과도하게 적용되면 전단키의 영향이 상쇄되어 전단키 형상별 차이를 확인할 수 없기 때문에 사전 구조해석을 통하여 구속응력이 도입된 경우에는 전단키 형상별 차이를 관찰할 수 있는 350MPa의 응력을 고려하였고, 구속응력이 도입되지 않은 경우에 대해서는 세그먼트 접합을 위한 최소한의 응력인 15MPa 수준의 상대적으로 매우 적은 응력만을 도입하는 것으로 하였다.
본 연구에서는 구조해석 및 접합부 모형시험과 더불어 실물 교량의 분절 접합부 거동 평가를 현장 재하시험을 통해 추가로 실시하였다. 분석 대상 교량은 Fig.
, 1990). 본 연구에서는 여러 접합부 거동 영향인자 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전단키의 형상과 프리스트레스력에 의한 구속응력의 도입여부를 변수로 설정하였다. 접합키의 형상은 접합키의 저면과 돌출높이 비로 설정하였고, 구속응력은 전단키의 형상별 거동차이를 관찰할 수 있는 수준의 응력을 해석적으로 도출하여 적용하였다.
1) 분절 접합부를 갖는 교량의 경우, 접합부 시공이 불량한 경우 교량에 있어 접합부가 불연속면으로 작용될 수 있기 때문에 접합부 설계 및 검토에 세심한 주의를 기울여야 하며, 분절 접합부의 일체거동성 향상을 위해서는 전단키와 더불어 구속력을 도입하는 것이 바람직하다. 이러한 최적의 전단키 형상을 검토하기 위하여 전단키 유무와 구속력 유무에 따른 2차원 유한요소해석을 실시하였고, 이를 축소모형시험결과와 비교하여 전단키 효과를 분석하였다. 전단키는 접합부에 구속력이 없는 경우에도 전단저항력을 약 20배 가량 증가시키는 것으로 나타나 구속력과 더불어 반드시 적용되어야 할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 여러 접합부 거동 영향인자 중에서 가장 큰 영향을 미치는 전단키의 형상과 프리스트레스력에 의한 구속응력의 도입여부를 변수로 설정하였다. 접합키의 형상은 접합키의 저면과 돌출높이 비로 설정하였고, 구속응력은 전단키의 형상별 거동차이를 관찰할 수 있는 수준의 응력을 해석적으로 도출하여 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 구조해석 결과와 시험결과를 비교분석하기 위하여 해석변수와 동일하게 전단키가 없는 경우와 경사각 45°의 1/2와 1/3의 저면과 돌출높이의 비를 갖는 전단키 시험체를 각각 제작하였다. 구속력의 경우에는 직경 40mm의 VSL社의 PS강봉을 사용하여 시험체 양단면에서 긴장하여 구속력을 도입하였다.

이론/모형

이러한 접합부의 파괴모드는 설계에 적용되는 일반적인 탄성해석으로 평가가 어렵기 때문에 접합부 전단키 주변의 국부적인 거동을 해석적으로 파악하기 위해서는 비선형해석이 요구된다. 비선형해석에는 콘크리트의 균열, 강재의 항복, 콘크리트의 압축파괴 등의 현상 등을 구현할 수 있도록 모델링 하였으며, 범용 유한요소해석프로그램이 DIANA를 사용하였다.
한편, 콘크리트 비선형 재료모델에는 Mohr-Coulomb 항목기준을 근사화시킨 Drucker-Prager 이론의 항복함수를 적용하였고, 균열모델로는 다방향 고정균열모델(Multi-directionalfixed crack model)을 적용하였다. 본 논문의 비선형 해석에 사용된 재료물성값은 Table 2와 같다.

성능/효과

1) 분절 접합부를 갖는 교량의 경우, 접합부 시공이 불량한 경우 교량에 있어 접합부가 불연속면으로 작용될 수 있기 때문에 접합부 설계 및 검토에 세심한 주의를 기울여야 하며, 분절 접합부의 일체거동성 향상을 위해서는 전단키와 더불어 구속력을 도입하는 것이 바람직하다. 이러한 최적의 전단키 형상을 검토하기 위하여 전단키 유무와 구속력 유무에 따른 2차원 유한요소해석을 실시하였고, 이를 축소모형시험결과와 비교하여 전단키 효과를 분석하였다.
2) 접합부 거동평가를 위한 축소모형시험에서는 전단키의 돌출높이 비가 1/3인 경우에 가장 높은 전단저항력을 보였으며, 전단키 형상이 1/2인 경우에 비하여 구속력이 도입되지 않은 경우 24%, 구속력이 도입된 경우 13%의 증가된 전단저항력을 보였다. 또한 전단키 형상이 1/3인 경우 구속응력의 도입에 따라 전단저항력이 최대 49%까지 증가하는 것으로 시험되었다.
3) 접합부의 구속력의 크기에 따른 효과를 분석하기 위하여 추가적인 유한요소해석을 실시하였으며, 콘크리트의 강도의 1/2배 이상의 구속력을 도입하였을 경우에는 전단키 및 구속력의 효율이 감소되는 것으로 해석되었다. 이를 바탕으로 거더에 사용된 콘크리트 강도의 1/2에 해당하는 응력을 접합부의 구속응력으로 도입하였을 경우에 가장 효율적인 접합효과를 발휘할 수 있음을 해석적으로 확인하였다.
4) 실제 시공된 분절 거더의 접합부 거동 평가를 위하여 차량하중을 임의로 재하하여 인접 접합 세그먼트 간의 처짐차를 측정하였으며, 측정결과 약 3.5% 수준의 처짐차가 측정되었으나, 이는 처짐측정 위치 차이에 따른 차이 수준으로 평가되었고, 이를 바탕으로 접합부의 일체거동을 확인할 수 있었다. 따라서, 분절 교량의 안전진단시에는 중앙경간 외에는 접합부 세그먼트 간의 처짐차이를 반드시 측정하여 접합부의 건전성을 평가할 것을 제안한다.
이러한 이유는 구속력이 일정 수준 이상의 구속력에서는 전단키 간의 맞물림 효과가 줄어들고, 접합부에서의 파괴거동이 접합면과 접합부재의 재료적 파괴에 귀속되기 때문인 것으로 분석할 수 있다. 따라서, 적절한 구속력 도입과 전단키 설치가 접합부의 거동을 효율적으로 향상시킬수 있으며, 구속력은 콘크리트 강도의 1/2에 수준으로 도입하는 것이 가장 효과적인 것으로 나타났다.
전단키가 없는 경우에는 구속력이 여부에 따라 접합부에서 슬립이 발생하는 시점에서의 하중값을 접합부의 파괴하중으로 정의했을 때, 파괴하중이 약 8배 증가한 반면, 전단키가 있는 경우 구속력 여부에 따라 파괴하중이 약 2배 증가하였다. 또한, 전단키 효과는 구속력이 없는 경우에 있어 전단키가 없는 경우와 있는 경우를 비교했을 때 파괴하중이 약 20배 수준으로 증가하는 것으로 나타나전단키가 접합부의 일체거동에매우 효과적인 요소임을 확인할 수 있었다.
3) 접합부의 구속력의 크기에 따른 효과를 분석하기 위하여 추가적인 유한요소해석을 실시하였으며, 콘크리트의 강도의 1/2배 이상의 구속력을 도입하였을 경우에는 전단키 및 구속력의 효율이 감소되는 것으로 해석되었다. 이를 바탕으로 거더에 사용된 콘크리트 강도의 1/2에 해당하는 응력을 접합부의 구속응력으로 도입하였을 경우에 가장 효율적인 접합효과를 발휘할 수 있음을 해석적으로 확인하였다.
전단키가 없는 경우에는 비교적 파괴하중을 구조해석을 통해 유사하게 예측이 가능했지만, 전단키가 있는 경우에는 구조해석을 통해 초기 거동은 시험과 유사한 결과로 도출되었지만, 파괴하중은 시험결과보다 약 10~30% 가량 작게 해석되었는데, 이는 구조해석에 있어 실제 경계조건과 시험체간 구속응력 도입효과의 차이, 그리고 전단키의 2차원 모델링에 따른 접합부 및 전단키의 면내 저항력을 충분히 반영하지 못한이유로 판단된다. 그러나, 일반적으로 교량의 접합부는 탄성범위 내에서 거동하도록 설계되므로, 공용 중의 거동예측에 있어서는 2차원 모델을 이용한 구조해석결과를 효과적으로 적용가능하며, 균열 및 비선형 거동분석을 위해서는 3차원 정밀해석이 보다 효과적일 것으로 판단된다.

후속연구

5% 수준의 처짐차가 측정되었으나, 이는 처짐측정 위치 차이에 따른 차이 수준으로 평가되었고, 이를 바탕으로 접합부의 일체거동을 확인할 수 있었다. 따라서, 분절 교량의 안전진단시에는 중앙경간 외에는 접합부 세그먼트 간의 처짐차이를 반드시 측정하여 접합부의 건전성을 평가할 것을 제안한다.
2(a),(c),(e)의 해석결과를 비교해보면 전단키가 없는 경우와 비교하여 전단키가 있는 경우 약 15배 이상의 하중까지 저항할 수 있는 것으로 해석되었고 돌출높이 비 1/2와 1/3의 경우에는 1/3의 돌출높이 비를 갖는 전단키가 미소하게 외부하중에 대한 저항력이 높은 것으로 해석되었다. 한편, 본 연구의 해석결과에서는 전단키가 구속력 유무보다 외부하중에 대한 저항력을 높이는데 효과적인 것으로 나타났으나, 구속력의 크기에 따라 이 결과는 달라질 수 있으므로 구속력의 크기를 변수로 한 추가적인 분석이 필요할 것으로 판단된다.
이러한 처짐차는 차량재하시 재하차량의 2축 바퀴를 기준으로 하였기 때문에 일정 수준의 오차는 발생가능하며, 처짐곡선에 의하여 중앙경간으로 갈수록 처짐이 증가하는 이상적인 거동이 확인할 수 있다. 한편, 현장계측에서 측정된 접합부에서의 세그먼트 간 처짐차는 무시가능한 수준의 작은 값으로 세그먼트 간에는 불연속성 없이 일체로 거동하는 것으로 평가할 수있으며, 분절 교량의 안전진단에 있어서는 중앙경간 처짐과 더불어 접합부에서 인접 세그먼트 간의 처짐 및 응력차이 측정을 통해 분절교량의 접합부 거동을 추가적으로 평가하는 것이 필요하다고 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	분절 공법 적용시 주의해야 할 점은?	이러한 분절 공법을 적용한 세그먼트 간의 접합면에는 불연속면이 존재하므로 접합부를 통하여 세그먼트 간에 압축력과 전단력이 효과적으로 전달되도록 설계해야 하며, 각 세그먼트들이 정확히 체결되어 일체로 거동하기 위해서는 교량의 설계에서부터 공용단계까지에 걸쳐 접합부에 대한 세심한 연구를 필요로 한다(Lee and et al., 2005).
	분절공법이란 무엇인가?	프리캐스로 제작되는 PSC 거더교의 경우 공장 혹은 현장에서 제작되기 때문에 중소 경간장을 갖는 교량에 대해서는 경제성이 우수하지만 특정 길이 이상의 경간장을 갖는 교량의 경우에는 운송, 인양 등에 제약으로 인해제작상 문제가 발생할 수 있고 경제성이 저하될 수 있는 특징이 있다. 이러한 프리캐스트 PSC 거더의 경간장의 제약을 극복하기 위한 방법으로 프리캐스트 거더를 분할하여 제작하여 운반한 후 현장에서 포스트텐션 방식으로 체결하여 일체화시킨 후 가설하는 분절공법이 최근 증가하고 있는 추세이다.
	분절 공법을 적용하였을 때 특히 주의해야 하는 부분은?	, 2005). 특히 프리캐스트 세그먼트 사이의 접합부에서 전단 파괴가 흔히 발생 가능하고, 이는 접합부의 형태, 접합부의 접합방식 등의 영향을 받는 것으로 알려져 있다. 따라서, 분절공법이 적용된 교량에서는 전체적인 교량의 구조안전성과 더불어 접합부의 국부적인 안전성검토가 반드시 추가되어야 하며, 필요시 공용중에도 접합부의 거동을 측정할 수 있는 모니터링 시스템을 구축하는 것도 유용하다 할 수 있다.

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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