한 국 방 재 학 회 논 문 집 제10권 1호 2010년 2월
pp. 29 ~ 34
도로교통방재
윤하중 시험 차량을 활용한 프리캐스트 콘크리트 바닥판의 거동 특성
Behavioral Characteristics of Precast Concrete Slab using Wheel Load Tester 박석순*·김낙석**
Park, Seoksoon · Kim, Nakseok
···
Abstract
The main objective of this research is to present the behaviors of precast concrete slab under moving wheel loads.
The simulated moving wheel tester and precast concrete slab were designed for this research. In particular, a comparative analysis between the structural analysis and the moving wheel load test was evaluated in connection parts, deformation, bedding layer of concrete slab panels. In the comparisons of the test results from static and moving wheel loads, the maximum deformations were similar. It should be noted that the deformation of panel 2 from the static loading test was larger than that of other panels, while the deformations of panels 1 and 3 were more noticeable than that of panel 2.
Key words
: moving wheel loads, precast concrete slab, moving wheel tester
요 지
본연구에서는차량의주행으로인한동적하중이프리캐스트바닥판의손상에미치는영향에대하여살펴보았다
.
실제주행조건에근접한윤하중시험차량및프리캐스트바닥판을제작하였으며
,
정적재하시험및반복윤하중시험을통하여패널의접합부
,
시험시편의처짐량,
베딩층,
전단 포켓부의거동을 분석하였다.
프리캐스트 바닥판 패널-1,
패널-2,
패널-3
을연결,
정적 재하시험과윤하중재하시험결과를분석하면변형률과처짐의경우최대값에는큰차이가없으나정적재하시험은패널-2
에서 처짐이가장크게발생한반면,
윤하중재하시험은변형률이전단포켓부에서가장많이발생하였으며,
중앙부패널-2
에서보다패널
-1
과패널-3
에서최대처짐이발생하는차이를보였다.
핵심용어
:
동적하중,
프리캐스트바닥판,
시험차량···
1. 서 론
도로의 구성요소인 포장체의 대표적인 손상요인으로는 반 복적인하중재하
,
기온변화,
동절기제설재료에의한 화학작 용이있다.
이 중 차량의주행에따른 반복적인하중재하로 인한도로바닥판의손상은포장체의위치마다다양한지지조 건과예측하기힘든차량의주행조건 등으로인하여이론과 실험적분석에는어려움이 따른다.
일반적으로차량의주행으로 인한도로바닥판의 파손은차 량의주행 위치
,
타이어및 현가장치등의용수철 역할로인 한 진동과 차량 주행 속도 및 제동,
운전습관의 차이 등에따라 다르게 나타난다
.
이와 같은 복잡한 변수로 인하여 차 량의 주행으로 인한 동적응답에대한 정확한 파악이 어려운실정이며
,
실무에서는충격계수를이용하여동적인효과에상 응하는 정적하중의 추가분을 고려하거나 차량의 현가장치를 무시한 단순한 이동하중 효과를 고려하는 방법을 사용하고 있다.
이동하중 효과를고려하는경우 실제 주행하는차량을 구현할 수 있지만,
차량의 현가장치의효과를고려하지 못하 는 단점이 있다.
이처럼 도로의 손상요인 중 차량의 동적하 중에 의한도로포장의 응답거동에대한분석이 필요하다.
따라서 본 연구에서는 차량의 주행으로 인한 반복하중이 포장체에 미치는 영향을 살펴보고자 한다
.
이때 지지조건이 단순하고도로포장의 응답거동효과가비교적확실하게나타 나는 프리캐스트 바닥판을 대상으로 하였다.
또한 현실적인차량의 주행 조건에 근접한 윤하중 시험차량을 사용하여 실 험적인분석을수행하였다
.
이러한연구를통하여프리캐스트**정회원·(주)청수엔지니어링대표(E-mail : [email protected])
**정회원·경기대학교토목공학과교수(교신저자)
바닥판의 반복하중으로 인한 응답 거동 형태를 실제적으로 파악할수 있을것으로 사료된다
.
2. 프리캐스트 바닥판 실험장치
프리캐스트바닥판은 공기단축과단계시공 등이 가능하고
,
구조물의 균일한 품질과 내구성의 향상을 기대 할 수 있다
.
또한 경제성 및 안정성의 향상 등으로 인하여 연구
(
곽효경등
, 2004 :
정철헌 등, 1998 :
류형근 등, 2002 ; Baidar
등
, 2000)
및시공사례가증가하고 있다.
2.1 시험시편 형상
프리캐스트 바닥판의 실내시험을 위하여 시험시편을 제작 하였다
.
시험에 사용된 시험시편의 제원을 그림1
에 나타내었다
.
프리캐스트 바닥판 시편은D16
규격의 이형 철근을 사용하였으며,
시편간의연결부는장승필등(1997)
의Female
to Female
형식을사용하였다.
그리고모형을 이용하지않고실제로시공이가능한바닥판의최소규모를선정하여모형에 의한오차를최소화하고
,
실험의안정성을확보하였다.
시험 시편 제작시 시편의 균일성을확보하기 위하여 최단시간 내 에동시에 타설을하였다.
시험시편은교량의바닥판 형식으로서거더와바닥판은스 터드연결이 가능하도록전단포켓을 설치하였다
.
그리고 철 근 배근 및 거푸집 작업 완료 후 철근 부위에 변형률계를 매설하였다.
이때설치된변형률계가콘크리트타설과정에서 손상되지않도록방수와 보호작업을 수행하였다.
시험시편은그림
1
에 나타낸바닥판패널3
장이연결되어이루어지며,
각 패널의자중은
1.02tonf
이다.
2.2 시험시편의 제작
시험시편
(
강도: 280 kgf/cm
2)
은 그림2
와 같이 각각1.2×2×
0.18 m
의프리캐스트바닥판패널-1,
패널-2,
패널-3
으로연결되어 있다
.
시험시편은교량의 바닥판을표현하기위하여 거더는
200×200×7×9 mm
의H-beam
을사용하였으며,
시험시편과 거더사이는무수축모르터를 이용한베딩층을 타설하였 다
.
또한시험시편의거치용 거더의시편과 맞닿는상부플랜지에는
M16
볼트를이용하여그림3(a)
와 같이 스터드를장착하였다
.
스터드 볼트가장착된거더는 실험기의시편 거치 부 하단으로위치하게되며,
시편 거치부는지름100
의 강봉 을 절단하여제작한받침부분을 설치하여단순지지로시험시 편의 지점조건을합리화하였다.
그림 1. 프리캐스트 바닥판 형상
그림 2. 시편제작형태
프리캐스트바닥판을거더상에설치하기 전에 그림
3(b)
와 같이 거더 상부 플랜지에 무수축 모르터를이용하여 베딩층 을설치 한 후거치하였다.
거더와시험시편간의 전단마찰을담당하는 베딩층은
5-10 mm
두께로 설치하였다.
이때 베딩층은각 바닥판 패널별로설치되었으며
,
시험시편은연결부 의간격을고려하여각 패널별로20
의 간격을두어거치하였다
.
각 패널간의 연결부는
Female to Female
형식을 이용한이음으로서그림
3(c)
과같이 연결부및 전단 포켓부에무수축모르터
(
강도: 400kgf/cm
2)
를 주입하여연결하였다.
무수축모르터 주입시 패널간 연결부 및 전단 포켓부 주변에 주입 작업중 발생할수 있는 무수축 모르터의경화를 피하기 위 하여전단포켓
,
패널간의연결부순서로주입하였으며,
그림3(d)
와같은 시험시편을 제작하였다.
3. 변형률 측정 3.1 주철근의 변형률 및 처짐량 측정프리캐스트바닥판에사용된철근 및콘크리트 표면의변 형률을파악하기위하여 변형률계와처짐계를상·하부철근 및콘크리트 표면에설치하였다
.
3.2 베딩층 상·하부 변형률 측정
시험시편의 바닥판과 거더를 일치거동으로 가정하고 반복 된차량의 동적하중으로인하여베딩층상·하부에서 시험시 편과거더의거동형태를 확인하기위하여교축방향으로변형 률계를시험시편의하부와 거더의상부에설치하였다
.
3.3 전단 포켓부 변형률 측정
시험시편의설치 후 전단 포켓부의 거동을 파악하기 위하 여 매립형 변형률계를거더의 상부 플랜지에 근접한 전단포
켓 하부쪽으로설치하였다
.
전단포켓부의변형률계는전단포 켓이 담당하는전단력의파악을위하여설치하였으며,
교축방향 및 교축직각 방향 각각의 거동을
1
차적으로 지지하는 전 단 포켓부의반응을 파악하였다.
3.4 연결식 패널의 변형률 측정
연결식 패널의거동을살펴보기위하여패널간의연결부에 매립형변형률계를 설치하였다
.
설치 위치는패널-2
와패널-3
의 연결부중심선상이다
.
4. 윤하중 재하시험 4.1 윤하중 시험차량
윤하중 재하 시험차량은 네 개의 바퀴를 가지고 있으며
,
강재블록을 적절히배치하여하중 분포를적정치로할 수 있 도록 구성하였다
.
강재블록은운전시차량의진동 등의 이유 로 인하여전도혹인 이탈을방지하기위하여볼트로체결하 고 클램프를이용하여2
차 고정을시켰다.
윤하중시험을 위하여 제안된 설계피로 차량의 제원에 부합되는 차량을 가력 장치로 사용하고 있으며
,
이 차량의 각 타이어 부위에 대한 축중을파악하여야 가력치를산정할수 있으므로시험차량의 축중을측정하였다.
축중검증계측장치는박석순등(2006)
이사용한
Spring Type LVDT
를 사용하였다.
축중은 타이어를통하여 전달되며 타이어의 접지압이 타이어의 단면에 따라 일정하지 않은 경우를 고려하여 측정의 정밀도를 높이기 위 해 소형 로드셀
6
기를 이용하였다.
시험차량의 접지압은 타이어의 외측에서내측으로폭
15
의 접지압분포를 나타나며,
이를 각각 전·후륜을 측정하였다
.
축중 검증시험의 결과는 표1
과 같다.
각 로드셀의번호는타이어외측에서부서내측 의 방향으로부여되었다.
시험실의 여건상총 하중인4.5 tonf
를 적재하지않고
,
검증대상4.0 tonf
을 기준으로전·후륜이그림 3. 시험시편 제작
50%
분배 되는 위치에 적재 후 시험을 시행하였다.
표1
의 시험결과 전후륜편측하중의 합계는2,069.5kgf
로 나타났다.
이는 검증하중인
4.0 tonf
의52%
에 해당하며,
이로서 적재 위치및 이에따른 재하하중의 정확도를검증할수 있었다.
4.2 정적하중 재하시험
정적하중재하시험을통해서시험시편의극한상태에서의분 석이아닌 단순 정적 압축테스트를통한 실제 차량 주행 상 태와 유사한 하중 재하 거동을 모사하고자 한다
.
따라서 왕 복가력이 가능한 차량 하중을 적용,
실제 주행모사를 통한이동차량 하중을 받는 시편에 대한 탄성영역내에 있을 때 의내하력과 응답에대한 정적반응을 규명하고자한다
.
4.3 동적하중 재하시험
프리캐스트바닥판의피로하중은 윤하중에의해 주로발생 하며
,
교량의공용수명동안100
만회이상을초과하여하중이 가해진다.
이러한바닥판의피로하중은콘크리트와철근에점 진적인손상을유발시킨다.
본 절에서는 윤하중의 특성을재현하여병진이동하는차량 의반복하중이가해지는프리캐스트패널의 교량상부구조연 결부위의구조적거동특성을파악하고자한다
.
시험시편은패널간의연결부가존재하고거더와 전단포켓을 통하여연결되 어 있다
.
따라서연결부와 전단포켓의마감시 사용된 모르터 와시편간,
전단포켓내의 스터드볼트와전단포켓간부위등 의 균열 가능성이 존재하는 부위에서의응답거동 형태를 파 악하였다.
반복하중의재하횟수는25,000
회까지진행하였다.
동적하중 재하시험에 사용된 차량의 총 중량은
4.5 tonf
이 며 실효 주행거리는 차량의 중심선 기준으로 전후 각각1.6 m
이다.
그리고하중재하 방법및재하위치는 정적하중재하시험과동일하게시편의폭의 중심부를편측바퀴가지나가 게 되며
,
하중의 재하방법은 동일한 무게의 강재 블럭을 시 험차량상부에적절히 배치하였다.
5. 시험결과 분석 5.1 정적하중 시험결과 분석
5.1.1
주철근의변형률윤하중을반복 재하 하면서 진행 중간에 하중재하를 정지 한 후 정적하중에대한 주철근 변형률을그림
4
에 나타내었 다.
그림4
는 패널-2
인 중앙부패널을기준으로내측패널-1,
외측 패널
-3
으로 구성되어 있으며,
초기 하중 재하 후0
에가까운 부분은 변형률치가 패널
-2,
패널-3,
패널-1
의 순서로 내측 패널의 변형률이 큰 값을 나타내었다.
이는 내측 패널쪽이 축중이크며중앙점을기준으로축중의배치에따른 현 상으로 판단된다
.
또한 윤하중 반복재하 횟수가 늘어나면서패널
-2
의 주철근 변형률은 탄성영역 내에 있으나 철근의 인장영역에대한 변형률치의변동량은패널
-3
의 변동이상향의 값을 나타내었다.
5.1.2
시험시편의처짐량시험시편의 윤하중 시험 중간에 시험차량을 정지시킨 후 정적하중에대한처짐량을그림
5
에 나타내었다.
패널-2
의 처 짐은 지간 중앙에서 최대 처짐을 나타내었으며,
정적시험의특성상하중이 정지한상태에서순수재하시험의형태를나타 내어 처짐의 변동이 거의 없는 일정한 값을 나타내었다
.
그 러나 싸이클 중간에 수행한 정적시험의 처짐량의 차이는 재 하위치의 변동,
변형률 증가에 의한 피로 등의 요인에 기인한다고판단된다
.
처짐량을 비교해보면패널-2
를 기준으로 패 표 1.
축중검증시험결과구분
1 2 3 4 5 6
합계(kgf)
전륜
175.15 168.58 166.63 189.95 165.17 170.63 1037.1
후륜
178.06 168.97 162.86 172.86 180.73 169.07 1032.4
그림 4. 주철근 변형률
그림 5. 시험시편의 처짐량
그림 6. 베딩 층 상ㆍ하의 변형률
그림 7. 전단 포켓부 변형률
널
-1
과 패널-3
에 비해약간의 차이를두고정중앙 처짐이발생되는것으로나타났다
.
5.2 동적하중 시험결과 분석
5.2.1
베딩층의변형률반복하중에따른베딩층의변형률변화를그림
6
에나타내 었다.
그림6
을 살펴보면 윤하중재하 횟수가 적은 시험 초 기에는 베딩층 상·하의 변형률이 같은 형태를 나타내므로 거더와 시편이 일체 거동을 하고 있는 것으로 판단된다.
그러나
2,000
회를 지나면서베딩층상·하의 응력의차이가 나타나며
,
약5,000
회부터 상이한 거동을 나타내었다.
이 후7,000
회부터는 거동의 차이가 커지면서 베딩층의 역할이 상당부분감소할것으로 판단되었다
.
5.2.2
전단 포켓부변형률동적하중시험시반복하중에 따른전단포켓부의 변형률을 그림
7
에 나타내었다.
그림7(a)
에서거더와시험시편의전단마찰을 지지하는베딩층의 역할로 인하여 전단 포켓부의 변
형률이
10×10
-6을 나타내고 있다.
그러나 이후 시험이 진행되어가면서 베딩층의베딩 효과가없어지며
,
거더와시험시 편간의 진동차이로인하여수평전단이커지는효과가발생되면서
15,000
회 반복하중에는200×10
-6의 변형률을 나타내었다
.
따라서거더와시험시편간의전단마찰을담당하는베딩 층을 기준으로 윤하중이반복적으로 작용시 강재로 된 거더 와콘크리트 상판사이의진동수혹인 강성대비처짐의차이 로인한 마찰력이감소되어 베딩층의역할이감소되는것으 로판단되며,
이때교축방향의거더와시험시편의합성거동을 위한 교축진행 방향의 전단력은 전단 포켓부에서 지지하게 되며,
이는전단 포켓부의응력이 증가하는현상을초래하는것으로판단된다
.
5.2.3
연결식 패널의변형률연결식패널의 중앙부의변형률을그림
8
에 나타내었다.
그 림8
을 살펴보면 반복하중이 증가 할수록 변형률의 크기가 증가하는것으로나타났다.
이는 윤하중의반복에따른 시험 시편의균열등의발생으로 인하여단면적감소로인한부재 내의응력이 증가하는것으로판단된다.
6. 결 론
본 연구에서는도로용프리캐스트 바닥판을대상으로주행 차량의 정적하중및 반복윤하중 시험을수행하여
,
윤하중에 따른 패널 간의 연결부 전단강성,
베딩층의역할,
전단 포켓부의 거동특성을 분석하였으며연구결과는 다음과같다
.
1)
정적하중 시험결과시험시편내부 인장측주 철근의 변형률은패널
-2
가 가장큰 값을나타내었으며,
패널의변형률은
200-400(
µm)
을 나타내었다.
이는 패널-2
의 축중이 크며중앙점을 기준으로축중의배치에따른 현상으 로 파악된다
.
2)
윤하중 시험 초기단계에서 패널 간 연결부는 스터드와 무수축 모르타르에의한 부착및 베딩층의거더와 시험 시편에 전단마찰을원활하게지지하여 준상태로 변형 률이 미미하였다.
3)
윤하중반복하중시험결과베딩층의 변형률을초기반복하중에는 거더와 시편이 일체 거동을 나타내었지만
,
2,000
회를 지나면서 베딩층의 상·하의 응력의 차이가나타났다
.
또한7,000
회부터는 거동의 차이가 커지면서베딩층의 역할이 감소하는 것으로 나타났다
.
베딩층의 역할이 감소함에따라 거더와시험시편간의진동차이로 인하여 수평전단이커지는 효과가발생 되면서전단 포 켓부의 변형률또한증가하였다.
4)
반복하중이증가할수록패널연결부의변형률의크기가 증가하는 것으로 나타났다.
이는 윤하중의 반복에 따른시험시편의 균열 등의 발생으로 인하여 단면적 감소로 인한 부재내의응력이증가하는 것으로판단된다
.
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◎논문접수일
: 09
년08
월25
일◎심사의뢰일
: 09
년08
월25
일◎심사완료일
