[논문]리브 형상을 갖는 반단면 프리캐스트 바닥판의 피로 안전성 평가

황훈희

doi:10.14346/jkosos.2019.34.5.103

리브 형상을 갖는 반단면 프리캐스트 바닥판의 피로 안전성 평가
Fatigue Safety Evaluation of the Half-Depth Precast Deck with RC Rib Panel 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.34 no.5, 2019년, pp.103 - 110

황훈희 (한국도로협회 기술연구센터)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to reduce the accidents occurring at construction sites, it is necessary to approach with harmonious measures considering various aspects such as systems, training, facilities, and protection equipments. Suggestion of safe construction method can be a good alternative. In the previous study, the half-depth precast deck with RC rib panel was proposed as an alternative method for safe bridge deck construction, and the performance required by the design code was verified through a four-point bending test. But the actual bridge deck is subjected to the repetitive action of the wheel load rather than the bending condition due to the four-point load. In this study, fatigue test was performed by repeating the wheel load $2{\times}10^6$ cycles to verify the safety of the half-depth precast deck with RC rib panel under actual conditions. As a result, fatigue effect due to repetition of wheel load was not significant in terms of serviceability such as crack width and deflection. In the residual strength test conducted after the fatigue test, the half-depth precast deck with RC rib panel failed by punching shear which is typical failure mode of bridge decks and the residual strength was similar to the punching strength of the RC and PSC bridge decks in spite of the fatigue effects.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Dimensions of bridge type test specimen.
표 Table 1. Summary of bridge type test specimen
그림 Fig. 2. Test setup.
그림 Fig. 3. Details of reinforcement in cast-in-place concrete.
그림 Fig. 4. Details of reinforcement in precast panels⁸⁾.
그림 Fig. 5. Crack pattern(fatigue test).
그림 Fig. 6. Crack width by loading count.
그림 Fig. 7. Deflection by loading count.
그림 Fig. 8. Crack pattern(residual strength test).
그림 Fig. 9. Specimens after static test.
그림 Fig. 10. Crack pattern inside specimen.
그림 Fig. 11. Load-deflection relationship curve.
그림 Fig. 12. Load-strain relationship curve.
그림 Fig. 13. Comparison of punching shear strength.
표 Table 2. Summary of punching shear strength

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 리브 형상을 갖는 프리캐스트 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판의 피로성능을 검증하였다. 고공 작업이 필요한 가시설과 거푸집을 줄일 수 있는 대안 공법으로서의 공용 중 안전성을 검증하고자 현장에서와 동일한 공정에 따라 교량형 실험체를 제작하였으며, 피로실험과 잔류강도 실험을 실시하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.

제안 방법

이 연구에서는 리브 형상을 갖는 프리캐스트 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판의 피로성능을 검증하였다. 고공 작업이 필요한 가시설과 거푸집을 줄일 수 있는 대안 공법으로서의 공용 중 안전성을 검증하고자 현장에서와 동일한 공정에 따라 교량형 실험체를 제작하였으며, 피로실험과 잔류강도 실험을 실시하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
재하위치는 실험체 중앙부이며, 프리캐스트 판넬 간 이음부의 윗쪽이므로 연속성 측면에서 불리할 것으로 판단되는 위치이다. 실험 순서는 먼저 충격계수를 고려한 설계윤 하중 크기인 120 kN을 3 Hz의 속도로 2백만회 반복 재하하는 피로실험을 실시한 후, 파괴에 도달할 때까지 정적재하방법에 의하여 잔류강도평가실험을 수행하였다. 실험 전경은 Fig.
실험체가 가지고 있는 성능을 확인하기 위한 목적으로 정적재하방법에 의해 실험체가 파괴될 때까지 거동을 고찰하는 잔류강도실험을 실시하였다. 이때 실험체는 피로실험을 거친 이후이므로 2백만회의 반복재하에 의해 피로의 영향이 반영된 상태이다.
피로 실험에서는 중차량의 반복적인 통행이 바닥판에 미치는 영향을 모사하기 위하여 충격효과를 포함한 설계윤하중을 2백만회까지 재하하였다. 이 과정 동안 바닥판에 발생되는 하면의 균열 형상, 균열폭, 처짐 등을 측정하였으며, 이에 대한 분석을 통하여 피로에 따른 손상 누적 여부를 평가하였다.
이 연구에서는 교량의 안전한 시공 환경 조성을 위한 대안 선택의 폭을 넓혀 주고 있는 다양한 공법 중 선행 성과를 통해 정적인 거동하에서 휨성능이 입증된 리브 형상을 갖는 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판에 대한 피로안전성 평가를 수행하였다. 이를 위해 강재 거더를 합성한 교량형 실험체를 적용하여 사실적인 거동에 기초한 결과를 얻고자 하였으며, 윤하중의 반복재하에 의한 피로실험 후 잔류강도실험을 실시하여 뚫림전단강도를 평가하였다.
실험체는 반단면 프리캐스트 바닥판 시스템이 주로 적용되는 일반적인 거더교에서 바닥판의 거동을 사실적으로 모사할 수 있도록 제작되었다. 이를 위하여 실제 교량에서와 동일한 순서에 따라 공장에서 제작된 총 4개의 프리캐스트 판넬을 강재 거더 위에 순차적으로 거치하고, 그 위에 현장타설콘크리트를 일괄적으로 시공하였다. 이 때 프리캐스트 판넬에서 돌출된 전단 연결철근(lattice girder)은 현장타설콘크리트와 판넬 간의 일체 거동을 확보하여 바닥판 부재를 완성하고, 거더 상부플랜지에 용접된 스터드형 전단연결재를 통하여 바닥판과 거더의 합성 거동이 유지된다.
이 연구에서는 교량의 안전한 시공 환경 조성을 위한 대안 선택의 폭을 넓혀 주고 있는 다양한 공법 중 선행 성과를 통해 정적인 거동하에서 휨성능이 입증된 리브 형상을 갖는 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판에 대한 피로안전성 평가를 수행하였다. 이를 위해 강재 거더를 합성한 교량형 실험체를 적용하여 사실적인 거동에 기초한 결과를 얻고자 하였으며, 윤하중의 반복재하에 의한 피로실험 후 잔류강도실험을 실시하여 뚫림전단강도를 평가하였다.

대상 데이터

교량형 실험체의 크기는 주철근단면인 교축직각방향으로 4.0 m, 배력철근단면인 교축방향으로 5.8 m이다. 프리캐스트 판넬은 지간(교축직각방향) 3m, 폭(교축방향) 1.
실험체는 반단면 프리캐스트 바닥판 시스템이 주로 적용되는 일반적인 거더교에서 바닥판의 거동을 사실적으로 모사할 수 있도록 제작되었다. 이를 위하여 실제 교량에서와 동일한 순서에 따라 공장에서 제작된 총 4개의 프리캐스트 판넬을 강재 거더 위에 순차적으로 거치하고, 그 위에 현장타설콘크리트를 일괄적으로 시공하였다.
철근콘크리트바닥판은 지간(거더 중심 간격) 2.2 m, 두께 240 mm, 동일한 철근 배근 상세를 가지나 실측된 콘크리트 기준압축강도가 각각 22.14 MPa(RC deck-1)과 34.06 MPa(RC deck-2)인 두 경우를 인용하였다. 철근콘크리트바닥판은 현장타설공법으로 시공되었으며 뚫림전단강도는 각각 941.
8 m이다. 프리캐스트 판넬은 지간(교축직각방향) 3m, 폭(교축방향) 1.2 m의 제품을 적용하였다. 이 판넬은 선행 성과에서 MLB30T16으로 명명된 실험체와 동일한 것으로서 상대적으로 넓은 거더 간격에 적용할 수 있도록 제안되고 정적 성능이 검증되었다⁸⁾.

데이터처리

실험체의 잔류강도를 평가하기 위하여 설계기준의 뚫림전단강도평가식⁹⁾, 현장타설 철근콘크리트바닥판¹⁶⁾ 및 프리캐스트 프리스트레스트콘크리트 바닥판¹⁷⁾의 뚫림전단강도와 비교하였다. 설계기준에서 전단철근이 없는 슬래브의 설계뚫림 전단강도는 다음과 같이 주어진다.

성능/효과

1) 충격을 포함한 윤하중이 작용할 때 균열폭은 하중 반복 회수에 따라 미소하게 증가되며, 구조적 원인에 따라 발생되는 교축방향 균열의 폭보다 이음부의 이격효과가 반영된 교축직각방향 이음부 균열이 더 크게 측정되었다. 이는 공용환경에서 이음부 연속성 확보의 중요성을 볼 수 있는 결과이지만, 철근콘크리트 구조물의 한계균열폭 0.
2) 반복하중에 따른 피로효과에 의하여 재하횟수에 따라 처짐값도 증가하는 경향을 나타내었다. 단, 2백만 회의 반복재하 이후에 측정된 처짐값은 설계기준에서 제시하는 가장 엄격한 처짐제한과 비교하여도 약 26% 수준이었다.
3) 공용환경을 모사한 피로실험에서는 휨거동에 의한 교축방향 균열이 관찰되었으며, 그 위치는 프리캐스트 판넬 리브 하단에 거더 사이 중심부를 따라 주로 분포되었다. 그러나, 파괴시까지 수행된 잔류강도실험에서는 하면의 균열이 점차 방사형으로 진전되고 상면에 위치한 재하면의 함몰이 발생되었다.
4) 잔류강도실험으로부터 구한 실험체의 뚫림전단강도는 설계기준에서 제시하는 평가식에 의한 예측값보다 1.8배 큰 수준이었다. 철근콘크리트 및 프리스트레스트콘크리트 바닥판의 경우 1.
이 중 리브 형상을 갖는 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판은 거푸집과 구조체로서의 역할을 동시에 수행하는 프리캐스트 판넬의 단면효율성을 향상시키기 위해 리브 형상의 보강단면을 도입하고, 현장타설콘크리트와의 합성효율을 높일 수 있는 전단연결재를 적용하여 휨성능을 개선한 사례로서 극한한계상태와 사용한계상태에 대해 설계기준⁹⁾에서 요구하는 성능을 충분히 확보하고 있음이 이 연구의 선행 성과를 통하여 검증되었다⁸⁾.
06 MPa(RC deck-2)인 두 경우를 인용하였다. 철근콘크리트바닥판은 현장타설공법으로 시공되었으며 뚫림전단강도는 각각 941.4 kN과 1,153 kN으로서 리브 형상을 갖는 반단면 프리캐스트 바닥판 실험체의 잔류 강도 대비 68%와 83% 수준이었다.

후속연구

위의 결론은 공사 현장에 보급되는 실제 부재를 활용한 실증적 결과이나 단일 실험체로부터 도출된 한계를 갖는다. 추후 추가적인 실험이나 해석적 기법 등을 통해 보완 연구가 수행된다면 리브 형상을 갖는 프리캐스트 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판의 공용 중 피로안전성에 대해 보다 신뢰성 있는 평가 결과를 제공할 수 있을 것이다.
위의 결론은 공사 현장에 보급되는 실제 부재를 활용한 실증적 결과이나 단일 실험체로부터 도출된 한계를 갖는다. 추후 추가적인 실험이나 해석적 기법 등을 통해 보완 연구가 수행된다면 리브 형상을 갖는 프리캐스트 판넬을 적용한 반단면 프리캐스트 바닥판의 공용 중 피로안전성에 대해 보다 신뢰성 있는 평가 결과를 제공할 수 있을 것이다.
한편, 이 연구에서는 리브형상을 갖는 반단면 프리캐스트 바닥판과 동일한 조건으로 설계된 다른 형식 바닥판에 대한 비교실험이 수행되지 못하였다. 따라서, 잔류강도평가로부터 구한 하중-처짐 관계인 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공사중 현장타설공법의 위험성은?	건설 현장에서 발생되는 안전사고를 줄이기 위해서는 제도, 교육, 시설, 보호구 등 여러 측면에서 조화로운 대책이 필요하며, 안전한 시공법의 제안도 좋은 대안이 될 수 있다. 일반적인 거더교량의 공정 중 현장타설공법으로 시행되는 철근콘크리트 바닥판 공사는 높은 위치에 설치된 거푸집 위에서 철근조립과 콘크리트 타설작업 등이 인력에 의해 수행되므로 추락의 위험이 상존한다. 특히, 이를 지지하기 위한 가시설과 같은 가설구조물에서 추 락재해의 약 34% 이상이 발생되는 것으로 보고된 바 있다1) .
	프리캐스트 공법의 장점 및 단점은?	최근에는 이러한 위험요소를 감소시키기 위한 여러 대안중 가시설과 거푸집의 사용을 줄일 수 있는 다양한 프리캐스트 공법이 활용되고 있다4-8) . 이러한 공법들은 안전한 시공 환경 조성을 위한 대안 선택의 폭을 넓혀주지만 기술적 차별성의 구현 과정에서 일반적 구조와 다른 단면상세를 갖는 경우가 많으므로 공용 중 안전성에 대해 반드시 검증되어야 한다. 또한, 영구 부재인 프리캐스트 판넬 위에서의 작업시에도 작업자를 위한 안전난간이나 생명줄 등의 안전시설은 반드시 설치되어야 한다.
	추락사고란 무엇의 가장 큰 원인인가?	특히, 이를 지지하기 위한 가시설과 같은 가설구조물에서 추 락재해의 약 34% 이상이 발생되는 것으로 보고된 바 있다1) . 추락사고는 업무상 사고사망자 발생의 가장 큰 원인으로 지목되고 있으며2) , 가시설의 부실로 인한 바 닥판의 시공 중 붕괴사고가 지속적으로 보고되고 있어 이에 대한 지속적인 관심과 대책이 요구된다3) . 최근에는 이러한 위험요소를 감소시키기 위한 여러 대안중 가시설과 거푸집의 사용을 줄일 수 있는 다양한 프리캐스트 공법이 활용되고 있다4-8) .

참고문헌 (17)

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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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