[논문]PSC 바닥판의 피로 안전성 평가

김영진; 이정우; 주봉철; 김병석; 박성용; 이필구

[국내논문] PSC 바닥판의 피로 안전성 평가
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김영진 (한국건설기술연구원 구조시스템) , 이정우 (한국건설기술연구원 구조시스템) , 주봉철 (한국건설기술연구원 구조시스템) , 김병석 (한국건설기술연구원 구조시스템) , 박성용 (한국건설기술연구원 구조시스템) , 이필구 (포항산업과학기술원 강구조연구실)

This study is peformed to propose the slab deck for the composite bridge with two girders. Considering the characteristics of the long span and the construction conditions in korea, a cast-in-place PSC deck was proposed for that bridge. To examine structural behaviors and safety of the proposed PSC deck, two real scale partitions of deck(12m$\times$3.2m) were tested under the fatigue loading. In the test, the failure mode and behaviors of each specimen, and the ultimate load carrying capacity of the two-girder-bridge deck were identified. Generally, the failure of concrete bridge deck is caused by the local punching shear stress resulting from the moving wheel load. Even though its ultimate flexural capacity is sufficiently larger than the demand, it could be failed by the punching shear fatigue. Therefore, the fatigue safety of the proposed PSC deck should be checked.

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문제 정의

현재 일본과 미국, 캐나다 등에서는 PSC 바닥판의 피로거동에 대한 연구가 어느 정도 진행되어 왔으나, 아직까지 연구 단계에 있으며 명확한 설계 검토 기준으로 정립되지 않은 상황이다. 또한, 국내의 경우도 PSC 바닥판의 피로거동에 대한 연구결과가 많지 않아, 이에 대한 적절한 설계검토가 어려운 실정으로 이를 국내에 차용하여 적용하기에는 무리가 따른다 PSC 바닥판의 정적하중에 의한 사용성 및 안전성은 기 연구에서 검증되었으므로 본 연구에서는 반복하중에 의한 피로실험을 수행하였으며, 실험결과를 통해 PSC 바닥판의 피로안전성에 대한 검토를 하였다.
본 연구에서는 횡방향 PSC 바닥판의 피로안전성에 대해 검증하고, 강연선의 배치간격에 따른 PSC 바닥판에 대해 피로거동 특성을 파악하였으며, 결론은 다음과 같다.

제안 방법

PSC 바닥판의 실험부재는 강연선의 배치간격40cm, 80cm)에 따라 PSC₄₀F, PSC₈₀F로 구분하여 제작하였다 하중 재하면적은 도로교설계기준(2000)의 차륜접지면적에 대한 규정에 따라 DB24하중에 대한 후륜하중(9600kgf)을 기준으로 재하폭을 57.7cmx23.lcm(교축직각방향X교축방향)으로 결정하였다.
FEM해석을 통해 바닥판 중앙교축과 교축직각방향 모멘트가 3차원모델과 부분모델이 거의 일치하도록 강성을 결정하였다. 결정된 강성에 맞는 H형강(594x3O₂X14x23mm)을 교축방향으로 설치하였고, 표 1은 강성보강된 부재와 실모델의 해석 결과이다
교축방향의 양변은 교축방향의 연속성을 재현하기 위해 강성보강을 실시하였다. FEM해석을 통해 바닥판 중앙교축과 교축직각방향 모멘트가 3차원모델과 부분모델이 거의 일치하도록 강성을 결정하였다.
피로실험시 2단계의 하중상태에 대해 실험을 수행하였으며, 먼저 1단계는 바닥판 사용하중 설계모멘트 조건으로 하중진폭은 32.5tonf, 재하속도 2Hz로 총 300만회의 피로수명을 평가하였으며, 온도, 풍하중 등을 상시하중으로 취급하여 최저하중수준을 4tonf으로 결정하였다. 2단계는 하중계수를 고려한 바닥판 극한 설계모멘트 조건으로 하중진폭은 69.
5Hz로 100만회의 피로수명을 평가하였다. 피로실험시 반복하중의 회수가 100, 1000, 10000, 10만, 100만, 200만, 300만회 일 때 정하중험을 수행하여, 반복회수에 따른 부재의 거동 변화를 측정하였다.

대상 데이터

5tonf, 재하속도 2Hz로 총 300만회의 피로수명을 평가하였으며, 온도, 풍하중 등을 상시하중으로 취급하여 최저하중수준을 4tonf으로 결정하였다. 2단계는 하중계수를 고려한 바닥판 극한 설계모멘트 조건으로 하중진폭은 69.9tonf, 재하속도 1.5Hz로 100만회의 피로수명을 평가하였다. 피로실험시 반복하중의 회수가 100, 1000, 10000, 10만, 100만, 200만, 300만회 일 때 정하중험을 수행하여, 반복회수에 따른 부재의 거동 변화를 측정하였다.
두께는 바닥판 지간 중앙부는 35cm이고, 거더 지점부가 45cm, 캔틸레버 단부가 25cm이다. 거더사이 거리는 6m이며 캔틸레버 길이는 2.915m로서, 전체 교폭은 11.83m이다. 텐던은 횡방향으로만 배치되어 있으며, 바닥판 중앙부에서는 바닥판 상면으로부터 22.
2. 시험체 설계 및 실험방법

실험대상 원형 교량은 경간길이가 50m인 강합성 2주형 거더교로서, 1둥교이다. 두께는 바닥판 지간 중앙부는 35cm이고, 거더 지점부가 45cm, 캔틸레버 단부가 25cm이다.

성능/효과

(1) 사용하중하에서 피로실험결과 텐던의 배치간격이 좁은 것이 휨강성의 감소가 작았으며, 하중계수를 고려한 하중하에서도 텐던 배치간격이 좁은 것이 더 우수하다.
(2) PSC 바닥판의 초기 휨강성은 텐던 배치간격에 따라 큰 차이가 없지만, 10만회 이상의 반복하중에서는 휨강성이 텐던의 배치간격에 따라 차이가 발행하므5, 텐던의 배치간격은 좁은 것이 휨강성의 감소가 적어 안전성이 우수할 것으로 판단된다.
(3) 횡방향 PSC 바닥판의 경우 텐던 배치간격이 좁을수록 하중의 분배효과가 우수한 것으로 나타났다.
(4) 총 400만회 반복하중 재하실험 후 잔류강도가 사용하중보다 6배 이상, 극한하중보다 2.5배 크게 측정되어, 본실험대상 교량의 PSC 바닥판은 소정의 안정성을 확보하고 있음을 알 수 있다.
그림 7(a)는 지간중앙의 최대처짐을 나타낸 것으로 PSC₄₀F 부재가 PSC₈₀F 부재보다 기울기가 완만하여 휨강성의 감소가 적은 것을 알 수 있다. 또한 그림 7(b)는 지간중앙의 잔류처짐을 나타낸 것으로 그림 5(b)와 같이 하중반복회수 10만회를 기준으로 잔류처짐 량이 급속히 증가함을 알 수 있다.
교축방향의 양변은 교축방향의 연속성을 재현하기 위해 강성보강을 실시하였다. FEM해석을 통해 바닥판 중앙교축과 교축직각방향 모멘트가 3차원모델과 부분모델이 거의 일치하도록 강성을 결정하였다. 결정된 강성에 맞는 H형강(594x3O₂X14x23mm)을 교축방향으로 설치하였고, 표 1은 강성보강된 부재와 실모델의 해석 결과이다
그림 3에서 보는 바와 같이 전체적인 균열양상은 두 부재가 서로 유사하지만 PSC₄₀F는 PSC₈₀F 부재 보다 전체적인 균열간격이 좁고, 텐던 배치의 영향으로 횡방향 균열이 더 많아, 균열 분산성이 우수한 것으로 나타난다. 따라서 PSC₄₀F 부재가 PSC₈₀F 부재보다 하중의 횡방향 분배능력이 우수함을 알 수 있다.
위 결과를 종합해 보면 PSC₈₀F 부재가 PSC₄₀F 부재보다 휨강성의 저하가 뚜렷하게 나타남을 알 수 있다. 이는 텐던의 배치간격이 좁을수록 휨강성의 감소가 작고, 하중분배 효과도 좋아 사용성이 향상되는 것으로 판단된다.
위와 같이, 총 400만회의 반복하중 재하 실험 후 시험체의 잔류강도가 사용하중에 대해서는 6배 이상, 극한하중에 대해서는 2.5배 이상으로 측정되었다.

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