[논문]철도교 적용 콘크리트 충전 원형강관 거더의 휨성능

조선규; 김성일; 정철헌; 주환중; 이흥수

문제 정의

CFT 부재의 휨성능을 평가하기 위하여 휨재하실험을 수행하였다 . 강관 내부를 설계강도 약 8.
거더 - 바닥판 합성단면과 비충전강관 거더 - 바닥판 합성단면의 재하실험을 통하여 각각의 경우 휨 성능과 충전 콘크리트의 역할을 확인하고자 하였다 . 또한 , 허용응력설계법으로 CFT 거더 철도교 설계를 위해 실제 반영되어야할 항목을 파악하고 작성된 설계 요구 항목을 검토하여 CFT 거더 철도교량을 설계하였다 .
국내 철도교량 설계기준에 준하여 허용응력설계법에 의한 CFT 거더 철도교 설계를 위해 실제 반영되어야 할 항목을 파악 제시하였다 . 제시된 설계방법에 따라 지간 35m 단순지지된 CFT 거더 철도 교량을 설계하였다 .

가설 설정

- 원형단면에 의한 미학적 장점이 우수하다 .
CFT 부재의 휨성능을 평가하기 위하여 휨재하실험을 수행하였다 . 강관 내부를 설계강도 약 8.0 MPa 의 경량기포모르터르를 충전하는 경우와 비충전인 경우로 구분하였고 , 충전재와 강관간의 합성거동을향상시키기 위하여 강관내부에 전단연결재를 두는 경우를 가정하였다 . 재하방법은 그림 2 와 같이 중앙 부분에는 순수 휨모멘트만 작용하도록 하였다 .

제안 방법

위한 설계기준을 제시하였다 . 공통적인 설계항목은 철도설계기준을 적용하는 것을 원칙으로 하였으며 , CFT 거더 철도교의 특성을 고려하여 추가적으로 필요한 항목에 대하여 설계기준을 제시하였다 . CFT 거더는 그림 5 와 같이 단면의 구성이 내부 콘크리트계 충전재와 외부 원형강관으로 구성되며 , 일반 I 형 거더의 복부로 판단할 수 있는 CFT 거더의 헌치부 거리 (d) 대 강관직경 (e) 의 비율이 0.
단면검토는 합성 전과 합성 후로 구분하여 수행하였다 . 임시중간지점이 없는 경우를 고려하여 강관과 충전재 , 헌치 콘크리트 , 슬래브 콘크리트의 자중이 거더에만 작용한다고 고려하고 , 합성 후의 모든 후속 하중은 합성단면에 작용한다고 고려하였다.
역할을 확인하고자 하였다 . 또한 , 허용응력설계법으로 CFT 거더 철도교 설계를 위해 실제 반영되어야할 항목을 파악하고 작성된 설계 요구 항목을 검토하여 CFT 거더 철도교량을 설계하였다 .
설계는 CFT 충전재의 강성을 고려하지 않고 설계에 반영하였다 . 그러므로 실제 보다는 설계내력이 과소평가되었으나 국내에서 철도교의 신형식 교량인 점을 고려할 때 안전측 설계로 적용하였다 .
단면검토는 합성 전과 합성 후로 구분하여 수행하였다 . 임시중간지점이 없는 경우를 고려하여 강관과 충전재 , 헌치 콘크리트 , 슬래브 콘크리트의 자중이 거더에만 작용한다고 고려하고 , 합성 후의 모든 후속 하중은 합성단면에 작용한다고 고려하였다.
CFT 거 더는 단면의 형상이 원형을 갖기 때문에 전단연결재 사용에 주의를 해야하는 형식이다 . 전단연결재는 바닥판과거더와의 사이에 작용하는 교축방향의 가장 큰 전단력에 대하여 설계하였으며 , 바닥판 콘크리트와 거더사이의 부착응력은 무시하고 , 콘크리트의 건조수축 및 바닥판과 거더와의 온도차에 의해 발생하는 전단력을 고려하여 설계하였다. 형 Perfobond 리브 전단연결재는 식 (1) 의 강도평가식에 따라 극한 강도를 계산하였으며 , 계산된 극한강도를 안전율 3 으로 나누어 허용전단저항력을 계산하여 배치하였다 .
철도설계기준에서 바닥판 설계지간에 대한 강교의 규정은 복부가 얇은 I 형 거더에 대한 것이며 콘크리트교의 규정은 복부가 두꺼운 콘크리트 거더를 기본으로 하여 정해진 것이다 . 철도설계기준의 강교와 콘크리트교에 대한 기준을 참고하여 CFT 거더의 바닥판 설계지간은 순지간에 지간 중앙 바닥판의 두께를 더한 값을 설계지간으로 산정하였다 . 그림 5 에서 a 는 순지간이며 , b 는순지간 + 바닥판 두께이며 , c 는 지지보의 중심간격을 나타낸다 .

대상 데이터

CFT 거더에서사용되는전단연결재는 형 Perforbond 리브전단연결재를사용하였다 .CFT 거 더는 단면의 형상이 원형을 갖기 때문에 전단연결재 사용에 주의를 해야하는 형식이다 .
제시된 설계방법에 따라 지간 35m 단순지지된 CFT 거더 철도 교량을 설계하였다 . 강관과 바닥판 콘크리트의 전단연결재는 저항성능이 크고 피로성능이 우수한 형 perfobond 리브 전단연결재를 사용하였다 .
재하방법은 그림 2 와 같이 중앙 부분에는 순수 휨모멘트만 작용하도록 하였다 . 실험에 사용된 강관은 지름 508mm, 두께는 9mm 이고 , 강종은 SS400 이다 .
항목을 파악 제시하였다 . 제시된 설계방법에 따라 지간 35m 단순지지된 CFT 거더 철도 교량을 설계하였다 . 강관과 바닥판 콘크리트의 전단연결재는 저항성능이 크고 피로성능이 우수한 형 perfobond 리브 전단연결재를 사용하였다 .

성능/효과

CFT 거더와 콘크리트 바닥판을 합성한 부재의 경우에는 , 그림 4 에서 보는 바와 같이 빈강관 - 바닥 판 합성 단면에 비해 충전강관 - 바닥판 합성단면의 극한내력이 약 17% 증가하였으며 , 강관내부에 기계적 합성기구를 둔 경우에는 약 30% 까지 극한내력이 증가하는 결과를 얻었다 . 특히 , 강관내부를 충전하지 않은 경우에는 거더 중앙부에서 강관의 좌굴이 발생하였고 , 바닥판 파괴이후에 내력이 급격히 감소하여 빈 강관의 파괴거동과 비슷한 양상을 보였으나 , 강관내부를 충전한 CFT 거더의 경우에는 바닥판 파괴 이후에 CFT 거더 만의 연성거동으로 저항하는 파괴양상을 보였다 .
CFT 거더의적용성파악을위해 CFT 거더 - 바닥판합성단면과비충전강관거더 - 바닥판합성단면의재하실험을 통하여 각각의 경우 휨성능과 충전콘크리트의 역할을 확인하였다 . 재하실험을 통해 CFT 거 더 강 합성 교량의 휨성능과 내력증가 효과 및 파괴거동을 알 수 있었으며 , 강관 내부를 충전함에 따른 내력증가와 바닥판과의 합성을 통한 내력증가가 있음을 확인하였다.
이미 알려진 바와 같이 강관내부를 충전하므로써 내력의 증가와 함께 부재 거동도 국부좌굴에 의한 취성거동에서 연성거동으로 파괴거동도 바뀌어 있음을 알 수 있다. 비록 저강도의 경량기포모르터르를 충전하였음에도 불구하고 , 충전재에 의한 강관의 국부좌굴 제어 효과가 충분히 나타나고 있음을 알 수 있었다 . 특히 강관내부에 기계적인 부착기구를 둠으로써 합성효과 및 보강효과를 통한 내력향상을 얻었고 , 이때의 극한내력은 설계강도 27 MPa 의 일반 콘크리트를 충전한 경우와 거의 동일한 결과였다.
통하여 각각의 경우 휨성능과 충전콘크리트의 역할을 확인하였다 . 재하실험을 통해 CFT 거 더 강 합성 교량의 휨성능과 내력증가 효과 및 파괴거동을 알 수 있었으며 , 강관 내부를 충전함에 따른 내력증가와 바닥판과의 합성을 통한 내력증가가 있음을 확인하였다.
둔 경우에는 약 30% 까지 극한내력이 증가하는 결과를 얻었다 . 특히 , 강관내부를 충전하지 않은 경우에는 거더 중앙부에서 강관의 좌굴이 발생하였고 , 바닥판 파괴이후에 내력이 급격히 감소하여 빈 강관의 파괴거동과 비슷한 양상을 보였으나 , 강관내부를 충전한 CFT 거더의 경우에는 바닥판 파괴 이후에 CFT 거더 만의 연성거동으로 저항하는 파괴양상을 보였다 .
비록 저강도의 경량기포모르터르를 충전하였음에도 불구하고 , 충전재에 의한 강관의 국부좌굴 제어 효과가 충분히 나타나고 있음을 알 수 있었다 . 특히 강관내부에 기계적인 부착기구를 둠으로써 합성효과 및 보강효과를 통한 내력향상을 얻었고 , 이때의 극한내력은 설계강도 27 MPa 의 일반 콘크리트를 충전한 경우와 거의 동일한 결과였다.
휨재하실험을 통해 CFT 거더 강합성 교량의 휨성능과 내력증가 효과 및 파괴거동을 알 수 있었으며 , 강관 내부를 충전함에 따른 내력증가와 바닥판과의 합성을 통한 내력증가가 각각 설계에 반영되어야 함을 알 수 있었다 . 또한 , 효율적인 CFT 거더 강합성 교량의 설계를 위해서는 기존의 압축부재로서의 설계개념을 응용한 것이 아닌 , CFT 부재의 휨거동에 대한 실험연구를 통해 설계법을 개선할 필요가 있다고 판단된다.

후속연구

알 수 있었다 . 또한 , 효율적인 CFT 거더 강합성 교량의 설계를 위해서는 기존의 압축부재로서의 설계개념을 응용한 것이 아닌 , CFT 부재의 휨거동에 대한 실험연구를 통해 설계법을 개선할 필요가 있다고 판단된다.

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