1
PC slab Actuator(500kN) 2 set
*변위계(수평 상대변위) 4개 슬래브-Stopper 2개 Base concrete-지지블럭 2개 반력벽
200 Stopper
지지블럭 40
3170
반력상 4000
800
Jig(제작)
간격재 Actuator고정판
Base concrete 218
~358
Base
Wire Wire
그림 1. 전단키 구조 및 수평전단시험 개요도
† 교신저자, 한국철도기술연구원, 초고속열차연구실 E-mail : [email protected]
* 한국철도기술연구원, 차륜궤도연구실
** 삼표이앤씨(주), 철도기술팀
교량구간 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도의 수평전단 거동
Horizontal Shear Behavior of Precast Concrete Slab Track on
Bridge
장승엽† 나성훈* 김유봉** 안기홍**
Seung Yup Jang Sung Hoon Na Yu Bong Kim Ki Hong Ahn
ABSTRACT
The concrete track on bridge should be designed to effectively cope with the behavior of the bridge superstructure. For this purpose, in general, shear keys are designed to be installed at a certain intervals on the bridge deck, and the track slab is cast on these shear keys to transfer the load induced by the relative displacement between track and bridge. In this study, to apply the precast concrete slab track on bridge, a shear key structure and its effective installation method are presented. Also, the structural behavior of this shear key has been evaluated by the laboratory mock-up test.
1. 서론
교량구간의 콘크리트궤도는 교량 상부구조의 움직임에 효과적으로 대응할 수 있도록 설계되어 야 한다. 이를 위해 일반적으로 전단키를 교량 바닥판 위에 일정 간격으로 설치하여 그 위에 궤 도 슬래브를 설치함으로써 궤도와 교량의 상대 변위에 의해 발생하는 전단력을 전달하도록 설계 하고 있다.
본 연구에서는 프리캐스트 콘크리트 슬래브궤도를 교량구간에 적용함에 있어서 이러한 전단키 구조와 이 전단키 구조의 효율적인 설치 방법을 제안하고, 제안된 전단키 구조의 수평방향 힘에 대한 구조적 거동을 실내 모형실험을 통해 검증하였다.
2. 전단키 구조 및 실험계획 전단키의 구조와 수평전단시험 개요도를 그림 1에 나타냈다. 시험 체의 형상과 제작 방법은 그림 2와 같고, 슬래브와 하부 base 콘크리 트 사이를 채우는 충전재로 일반 무수축 시멘트 모르터를 사용하여 3개의 시험체를 제작하였다. 그림 3와 4는 각각 시험체의 제작 과정 과 설치 후 모습을 보여주고 있다.
loading-unloading이 반복되는 환 경에서 계속 안정적인 거동을 나타 낼 수 있는지 확인하기 위해 최소
998
2
40kN에서부터 최대 960kN까지 20kN 단위로 하중을 가하고 제거하는 과정을 반복하도록 하였 다(그림 5 참조).
3. 결과 및 토의
실험을 통해 측정된 하중-변위 관계, 하중-변형율 관계를 그림 6~10에 나타냈다. 시험체 전 단키의 설계 전단력은 554.6kN이지만, 그림에서 알 수 있듯이 960kN까지 재하해도 최종 파괴에 도달하지 않았다. PC 슬래브 단부의 변위는 960kN 최대 하중에서 최대 2.5mm까지 발생하고, 최소 하중까지 하중을 제거하면 약 1.2mm까지 변위가 감소함을 알 수 있다. 이 변위에는 탄성 패드와 전단키의 변형이 모두 포함된다. 반면 PC 슬래브와 전단키의 상대변위는 순수한 탄성패 드의 변형으로 볼 수 있다. 그림에 나타난 바와 같이 PC 슬래브와 전단키 사이의 상대변위는 960kN 최대 하중에서 약 1.0mm까지 발생하였고, 하중 제거 후에는 약 0.7mm까지 감소하고 있 다. 따라서 전단키의 변형에 기인한 변위는 최대 하중에서 약 1.5mm, 잔류변위로는 약 0.5mm 가량이 된다.
그림 2. 시험체 형상
그림 3. 시험체 제작 과정
999
3
그림 3. (계속)
그림 4. 시험체의 설치
Time
Load Failure or
<480kN (500kN Actuator) 1.5 kN/s 20kN
그림 5. 하중재하방법
철근과 콘크리트 및 충전 모르터(전단키 상부)의 변형율을 살펴 보면 그림 8, 9에 나타낸 바 와 같이 모르터의 압축 변형율은 최대 140με의 변형율이 발생하고 있다. 이 값은 극한 변형율에 비해 매우 작은 값으로 파괴에는 미치지 못하는 값이다. 그러나 취약부가 되는 전단키의 하단부 에서는 더 큰 인장 변형이 발생할 것으로 예상된다. 그림 10에서 전단키 수직철근의 인장 변형 율은 철근의 항복강도 400MPa에 해당하는 항복 변형율(약 2000με)에 비해서는 낮은 수준에 머 무르고 있지만 하중이 더 증가하게 되면 하단부의 전단키에서 균열이 발생하고 철근에 응력이 집중되면서 최종적으로 철근의 항복에 도달하는 파괴모드를 예상해 볼 수 있다.
실험 완료 후에는 슬래브와 하부 기층을 분리하여 전단키 주변의 파손 여부, 충전 상태 등을 확인하였다. 그림 11은 슬래브 측면과 상부의 실험 후 모습과 슬래브와 하부 기층을 분리한 후 상태를 보여 주고 있다. 슬래브와 기층의 분리 경계면을 따라 균열이 발생하였으나, 그 외 슬래 브의 파손이나 상부 전단키의 파손 등은 전혀 발생하지 않았고, 슬래브 하부의 충전상태는 전반
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0 -1.2 -1.4 -1.6 -1.8 -2.0 -2.2 -2.4 -2.6 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Load(kN)
Slab end displacement(mm)
그림 6. 슬래브 단부 수평변위 측정결과
0.0 -0.2 -0.4 -0.6 -0.8 -1.0
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Load(kN)
Slab-shear key relative displacement(mm)
그림 7. 슬래브-전단키 상대변위 측정결과
1000
4
0 -20 -40 -60 -80 -100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Load(kN)
Concrete strain()
그림 8. 슬래브 콘크리트 표면 변형율 측정결과
0 -20 -40 -60 -80 -100 -120 -140 -160
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Load(kN)
Mortar strain()
그림 9. 전단키 표면 변형율 측정결과
0 20 40 60 80 100
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
Load(kN)
Rebar strain()
그림 10. 전단키 철근 변형율 측정결과 그림 11. 실험 후 시험체 상태
적으로는 양호한 것으로 나타났으나, 슬래브 모서리, 전단키와의 경계부 등에서는 충전이 부족한 부분이 몇 군데 관찰되었고, 직경 4cm 이상의 기포도 관찰되었다. 이것은 하중의 전달 측면에서 큰 영향은 없지만 물이 경계층에 침투하여 동결되면 부등변위나 충전재층의 파손 등이 발생할 수 있으므로 향후 충전재에서 기포를 효과적으로 제거하는 배합방법과 모서리 등 충전 취약부까 지 충분히 채워지도록 주입방법의 개선이 필요하다고 판단된다. 그리고 분리재와 탄성재의 모서 리 마감면이 매끄럽지 못하고, 분리재가 슬래브 표면에 완전히 밀착되지 않는 점도 개선되어야 할 점으로 나타났다.
4. 결론
본 연구에서는 교량구간에 적용할 수 있는 프리캐스트 콘크리트궤도의 구조에 있어서 교량 상 부구조와의 상호작용을 위한 전단키 구조에 대한 수평전단실험을 수행하였다. 실험 결과에 따르 면 설계 수평력을 초과하는 하중까지도 파괴에 도달하지 않았고, 전단키 표면에 부착된 탄성패드 의 잔류 변형 등 1.0mm 내외의 잔류 변위가 발생하였으나, 변형율 수준으로 볼 때 탄성 영역에 서 거동하고 있는 것으로 나타났다. 따라서 합리적인 전단키의 크기와 철근량의 결정을 위해서는 보다 최적화된 설계가 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업 “친환경 및 에너지 기술”(세부과제 : “철도 구성품 환 경성 향상 기술 개발”) 연구의 연구비 지원으로 수행되었습니다.
참고문헌
1. 구병춘 외, 철도 구성품 환경성 향상 기술 개발, 2010년 연차보고서, 한국철도기술연구원.
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