초록 ▼

컴퓨터의 눈부신 성능발전으로 기존의 프레임 요소가 아닌 3차원 쉘 요소에 의한 PSC교량의 해석이 가능하게 되었다. 1차년도 연구를 통하여 실제 구조물의 거동을 정확하게 예측할 수 있는 범용적인 PSC 쉘 요소를 개발한다. 개발된 요소는 임의형상에도 정확한 값을 계산할 수 있는 결점이 없는 4절점 PSC 쉘 요소(Defect Free Shell Element)이며 절점에서의 정확한 응력을 계산할 수 있어야 한다. 또한 PSC 박스교의 시공중 해석시 필수적인 콘크리트의 크리프, 건조수축 등 비선형 거동을 포함한 쉘 요소를 개발하고 A

컴퓨터의 눈부신 성능발전으로 기존의 프레임 요소가 아닌 3차원 쉘 요소에 의한 PSC교량의 해석이 가능하게 되었다. 1차년도 연구를 통하여 실제 구조물의 거동을 정확하게 예측할 수 있는 범용적인 PSC 쉘 요소를 개발한다. 개발된 요소는 임의형상에도 정확한 값을 계산할 수 있는 결점이 없는 4절점 PSC 쉘 요소(Defect Free Shell Element)이며 절점에서의 정확한 응력을 계산할 수 있어야 한다. 또한 PSC 박스교의 시공중 해석시 필수적인 콘크리트의 크리프, 건조수축 등 비선형 거동을 포함한 쉘 요소를 개발하고 ACI, CEB/FIP 및 국내 시방서 기준을 적용할 수 있도록 하며, 텐던의 릴랙세이션과 비선형성을 고려한 모델을 개발한다.
2차년도에는 PSC 쉘 요소와 텐던요소의 자동 메쉬 생성에 의한 데이터 생성기법과 텐던의 즉시손실 및 시간의존적 긴장력 손실을 계산할 수 있는 알고리즘을 개발하고, 임의 형태의 3차원 구조물의 형상을 쉽게 모델링 할 수 있는 새로운 그래픽 기술을 스페인의 CIMNE(국제수치 연산센터)에서 개발된 프리 포스트 프로세서를 이용하여 강력한 Visualization 기술을 활용하여 텐던형상 모델링을 수행 할 수 있도록 한다. 또한, 3차원 시공단계별 해석기법을 개발한다. 완성계 해석 뿐만 아니라 시공단계에서 발생하는 추가하중과 발생되는 응력을 정확하게 해석하여 시공중 발생하는 오차를 제어할 수 있도록 블록의 가설과 해체공법, 트레블러 크레인 설치 및 이동공법, 케이블 설치 및 긴장력 도입공법, 그리고 하중의 재하, 제거 공법 등 단계별 해석기술을 개발 한다. 마지막으로 PSC 곡선교의 거동 파악을 위한 정적하중 재하실험을 실시한다. 3차원 쉘 요소를 이용한 PSC 박스 곡선교 해석결과와의 비교를 통하여 교량의 장기거동과 곡률별 거동특성을 비교하고 긴장재 배치와 긴장력 조절에 관한 시공공법을 제시한다. 실험체는 PSC 곡선교의 설계 및 시공 경향에 따라 연속교로 제작되며 경간수는 3경간으로 한다. 실험 대상의 실제 교량은 제작규모와 작업성을 고려하여 1/2 축소 규모의 실험체를 제작한다.
3차년도에는 교량단면 양측의 긴장재량을 달리한 PSC 곡선교의 하중재하실험을 통하여 PSC 곡선교의 거동을 파악하도록 한다. 실험체에 대해 정적하중재하실험을 실시하고 크리프, 건조수축 등의 장기거동을 관측 후 개발된 요소 및 설계 기술의 유효성을 검토한다. 미래지향형 3차원 해석 기술에 의하여 임의 형상의 3차원 PSC 구조물 해석기법 및 PSC 곡선교의 경제적 설계 기법을 개발하고 곡선교 설계 지침서를 제안한다. 또한, 개발된 설계기법과 실험 결과를 취합하여 PSC 곡선교의 경제적인 시공기법을 개발완료하고 해석 소프트웨어를 개발하도록 한다.

Abstract ▼

The PSC box bridge constructed of concrete, reinforcing bar and tendon is a complex structure that exhibits tension cracks, nonlinear behaviour of steel and time dependent behaviour of concrete. Thus, it is essential to consider the construction stage analysis in the design stages. In the constructi

The PSC box bridge constructed of concrete, reinforcing bar and tendon is a complex structure that exhibits tension cracks, nonlinear behaviour of steel and time dependent behaviour of concrete. Thus, it is essential to consider the construction stage analysis in the design stages. In the construction stage of PSC box bridges the instant loss of prestressing by anchor slip, friction and elastic deformation and time dependent loss of prestressing by the creep, shrinkage and relaxation.
The frame element is commonly used for construction stage analysis PSC bridges to consider the material nonlinearity by concrete crack and nonlinear behaviour of reinforcing bar. This method by the frame element is to assume the bridge as frame element line. However, the frame element does not show sufficient information when in the curved PSC box bridges. For the case of curved PSC box bridges, the deformations in the inner and outer web are different. In this case, different jacking forces are required in the inner and outer webs. However, it is impossible to calculate different jacking forces if we use the frame element for construction stage analysis. Thus, the same amount of tendon and forces are used. In addition because the exact calculation of negative reaction is impossible using the frame element model, after construction of PSC bridge the gap of bridge bearing occurs.
Although the curved PSC bridges are excellent in the construction cost, the above mentioned problem makes the civil engineers not to use PSC in the bridge design. So the design and construction method should be developed for 3 dimensional PSC bridge structures.
In order to overcome this problem, the use of the shell element is essential for a three-dimensional construction stage analysis of PSC bridges. However, the three dimensional analysis using shell element requires big amount of data input and easy way of data input by graphics are not developed. Because of this problem the three dimensional method by shell element is not used practically.
In the following, quasi-conforming shell element with nonlinear concrete behaviour and loss of prestressing is developed. In order to do the accurate analysis of PSC curved bridge, the material nonlinearity of the concrete is to be considered. The PSC shell element without defect is required to develop to calculate the solution accurately for arbitrary shape. The present PSC shell element which considered the concrete creep and shrinkage shows satisfactory results and can be used in the construction stage analysis of PSC bridges. The construction stage analysis using PSC shell element can predict the 3-D model very accurately because the tendon in the upper and lower flange can be put in the lateral direction. Thus, the lateral tendon analysis is not required, but the conventional method with the frame element is required to do lateral tendon analysis. In addition, the design code of ACI and CEB/FIP are used to calculate the deflection, shear and moments based on the time dependent behavior such as the concrete creep and shrinkage.
The development of automatic mesh generation of tendon in PSC shell element is performed. In order to use PSC shell element in the construction stage analysis, the data input of the bridge must be easy. Due to the advanced graphic technology, the preprocessing of the bridge structures and tendon hasbeen developed to input the complex data easily.
By carrying out the linear and the construction stage analysis of PSC bridge, the necessity of construction stage analysis are suggested. In the bridge design, the design code of ACI and CEB/FIP are used and compared with each other. The nonlinear analysis of numerical examples using the frame and shell model is carried out in the construction stage analysis.
And 3-D PSC curved analysis and experimental works are studied. The static experimental works are carried out on the half scale model of PSC curved bridge to investigate of the behavior curved bridge. The concrete material testing used are the compression, shrinkage and creep. The loss of prestressing will be investigated in the experiments. At the same time, the experiments of time dependent behavior are being carried out. The results of concrete creep, shrinkage, loss of PS tendon data is included. And the experimental results of elastic deformation, compressive strength, loss of prestress is included in the report.
In the computational analysis using the PSC quasi-conforming element which developed in this study, we can find the difference from inner and outer behavior of PSC curved bridge. If radius of curve was decreased, difference would be grater. Thus, using the shell element with nonlinear concrete behaviour and loss of prestressing is necessary for the exact design for PSC curved bridge. In the modelling of PSC curved bridge with shell element, tendon must be modeled differently in inner and outer region of the bridge. And from the result of shell element analysis, stress concentration occurred in bridge supports and tendon anchored region. Thus, PSC curved bridge analysis must be performed with the exception of stress concentrated region.
If curvature angle of bridge was decreased, reaction force caused from jacking force would be increased and negative moment could be generated in inner part of bridge. Thus, jacking force must be not excessive in low curvature angle PSC bridge. In the case of low jacking force in inner region, the difference of reaction force from inner and outer region is small. When we adjust the inner prestressing force, we can find that the change of inner web displacement is greater than the change of outer web displacement and when we adjust the outer prestressing force, we can find that the change of outer web displacement is greater than the change of inner web displacement. An Increasing inner prestressing force decreases the difference between inner and outer stress. We can reduce the difference displacements and stresses by adjusting the inner and outer prestressing forces and this approach leads to optimal and economic design of PSC curved bridges.

목차 Contents

• 제출문...1
• 보고서 요약서...3
• 요약문...4
• SUMMARY...9
• 목차...13
• 제 1 장 서 론...43
• 제 1 절 연구개발의 목적...43
• 제 2 절 연구개발의 필요성...44
• 제 3 절 연구개발의 범위...48
• 제 2 장 국내.외 기술개발 현황...51
• 제 1 절 국내 기술개발 현황...51
• 제 2 절 국외 기술개발 현황...58
• 제 3 장 연구개발 수행 내용 및 결과...63
• 제 1 절 서론...63
• 1. 연구배경...63
• 2. 연구목적 및 방향...64
• 제 2 절 PSC 쉘요소 개발...67
• 1. 준적합 요소를 이용한 PSC 쉘 요소 개발...67
• 가. 준적합 요소...67
• 나. 선형 준적합 4절점 쉘 요소...69
• 다. 비선형 준적합 4절점 쉘 요소...78
• 라. 쉘 긴장재 세그먼트 강성도와 하중 계산...91
• 2. 쉘 요소의 수치 예제 검정...92
• 가. 반구형(Hemispherical) 쉘...93
• 나. 집중 하중을 받는 실린더...96
• 다. Scordelis-Lo의 원통형 지붕(4절점, 8절점 및 9절점 쉘요소)...98
• 라. 직선 캔틸레버 보...99
• 마. 곡선형상의 고정보...101
• 바. 뒤틀린 캔틸레버 보...102
• 사. 테이프된 고정보...103
• 아. 고정된 판...104
• 자. 비틀린 형상을 가진 정사각형판 ...108
• 차. 마름모형상 판의 휨...108
• 3. 프리스트레스트 콘크리트의 긴장력 손실...110
• 가. 서론...110
• 나. 프리스트레스트 콘크리트의 시간의존 거동...114
• 다. 프리스트레스의 즉시 손실...119
• 라. ACI Committee 209 권장...126
• 마. CEB-FIP 코드에서의 크리프 & 건조수축...130
• 바. 콘크리트 구조설계기준(2007)에서의 건조수축 & 크리프...135
• 4. PSC 교량의 시공중 해석이론...140
• 가. 세그멘탈 교량 시공...140
• 나. 시간의존 모멘트의 재분배...151
• 다. 시공단계 해석...154
• 5. 뼈대요소(Frame Element)를 이용한 시공중 해석 방법...161
• 가. 개요...161
• 나. 교량제원 및 일반 단면...162
• 다. 사용재료 물성치...164
• 라. 구조 모델링...166
• 마. 시공단계 해석...177
• 6. 쉘 요소(Shell Element)를 이용한 시공중 해석 방법...192
• 가. 개요...192
• 나. 구조 모델링...192
• 다. 해석결과...201
• 7. 프레임 요소와 쉘 요소의 결과 비교...220
• 가. 처짐(Displacement)...220
• 나. 프리스트레싱 힘 손실...222
• 다. 응력(Stress)...226
• 8. 기존 해석기법(프레임요소)과 비교...229
• 가. 반력...229
• 나. 변위...231
• 다. 응력...232
• 9. 기존 소프트웨어(Shell 요소)와의 비교...236
• 가. 해석모델...236
• 나. 해석결과...237
• 제 3 절 PSC 곡선교의 정적재하실험...241
• 1. 실험목적...241
• 가. 실험 대상의 선정...241
• 나. 실험 항목...244
• 2. 실험 대상 및 실험 항목의 선정...244
• 가. 실내 실험...244
• 나. 현장 재하실험...244
• 3. 실험 방법...245
• 가. 콘크리트의 압축강도 실험...245
• 나. 콘크리트의 탄성계수 산출...247
• 다. 콘크리트 크리프 시험...248
• 라. 정적재하실험...253
• 4. 계측센서 및 계측장비...257
• 가. 계측센서의 선정...257
• 나. 계측센서의 설치...263
• 다. 현장 계측에 영향을 미치는 요인...266
• 5. 실험체 제작...274
• 가. 실험체 제원...274
• 나. 텐던 배치방법 및 프리스트레스량...275
• 다. 실험체 제작 공정...276
• 라. 시공일정...286
• 6. 정적재하실험 준비...287
• 가. 하중재하...287
• 나. 계측용 게이지 설치...288
• 7. 실험 결과...290
• 가. 기초물성시험...290
• 나. 단기 정적재하실험...295
• 다. 장기계측결과...324
• 8. 실험결과 종합...350
• 가. 지점반력...350
• 나. 텐던의 긴장력 변화...351
• 다. 수직변위...352
• 라. 내부 응력 변화...352
• 마. 결론...253
• 제 4 절 PSC 곡선교의 거동 경향분석...354
• 1. 해석결과 및 실험결과 비교를 통한 1차 실험체 거동 경향분석...354
• 가. 해석 수행 대상 실험체...354
• 나. 지점반력...356
• 다. 수직변위...359
• 라. 텐던의 긴장력...366
• 2. 해석결과 및 실험결과 비교를 통한 2차 실험체 거동 경향분석...368
• 가. 해석 수행 대상 실험체...368
• 나. 지점반력...370
• 다. 수직변위...372
• 라. 텐던의 긴장력...382
• 3. 1.2차 실험체에 대한 실험결과와 해석결과 비교 검토...387
• 제 5 절 PSC 곡선교의 해석 및 설계기법...388
• 1. PSC 곡선교의 거동특성에 관한 매개변수 연구...388
• 가. 해석모델 및 매개변수 선정...388
• 나. 곡선반경별 내외측 거동 특성...396
• 다. 내외.측 긴장력 변화에 따른 거동 특성...447
• 라. 소 결...512
• 2. 외부텐던 배치에 의한 PSC곡선교의 반력특성 검토...515
• 가. 개요...515
• 나. 해석결과 및 분석...518
• 3. PSC 곡선교의 거동특성에 적합한 해석 및 설계기법 제시...522
• 제 4 장 연구개발목표 달성도 및 관련분야에의 기여도...524
• 제 1 절 연구성과 달성도...524
• 제 2 절 계획서 목표대비 성과결과...526
• 제 3 절 성과지표 및 실적...527
• 제 5 장 연구개발결과의 활용계획...537
• 제 6 장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보...541
• 제 7 장 참고문헌...542
• APPENDIX. PSC 전용 준적합 쉘요소 매뉴얼...557
• 1. 해석교량개요...557
• 가. 교량제원...557
• 2. 모델링 & 구조해석...589
• 가. Geometry modeling...589
• 나. Data 입력...594
• 3. GRAPHICALLY REVIEW THE ANALYSIS RESULTS...828