Precast Segmental PSC Bridge Columns with Precast Concrete Footings : I. Development and Verification of System

콘크리트工學

第29卷 第4A 號·2009年 7月 pp. 395 ~ 405

조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 : I. 시스템 개발 및 검증

Precast Segmental PSC Bridge Columns with Precast Concrete Footings : I. Development and Verification of System

김태훈*·박세진**·김영진***

Kim, Tae-Hoon ^· Park, Se-Jin ^· Kim, Young-Jin

···

Abstract

The purpose of this study was to investigate the performance of precast segmental PSC bridge columns with precast con- crete footings. The proposed system can reduce work at a construction site and makes construction periods shorter. The precast concrete footings is intended to support precast segmental PSC bridge columns and provides an alternative to current cast-in- place systems, particularly for areas where reduced construction time is desired. Shortened construction time, in turn, leads to important safety and economic advantages when traffic disruption or rerouting is necessary. A model of precast segmental PSC bridge columns was tested under a constant axial load and a cyclically reversed horizontal load. In the companion paper, the experimental and analytical study for the performance assessment of precast segmental PSC bridge columns with precast con- crete footings is performed.

Keywords : performance, precast segmental PSC bridge columns, precast concrete footings, cast-in-place system, construc- tion time

···

요 지

이 연구의 목적은 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 성능을 파악하는데 있다. 제안된 프리캐스트 교각 시스템은 현장에서의 작업을 줄이고 공사기간의 단축을 가져올 수 있다. 조립식 기초부는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 현장타설 기초부를 대체할 목적을 갖고 있다. 공사기간의 단축은 교통차단이나 교통우회가 필요한 공사의 안전성과 경제성에 직결된다. 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체에 일정 축하중 하에서 횡방향 반복하중을 가하는 준정적 실험을 수행하였다. 연계논문에서는 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 성능평가를 위해 실험 및 해석적 연구 를 수행하였다.

핵심용어 : 성능, 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각, 조립식 기초부, 현장타설 기초부, 공사기간

···

1. 서 론

프리캐스트 세그먼트 교각은 여러 개의 교각 세그먼트를 공장에서 제작한 후 현장에서 조립하여 프리스트레스 힘을 도입하는 교각 시스템으로서 최근 선진 각국에서 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다 (Billington ^등 , 2001; Nasir ^등 , 2001; Billington 등 , 2004; Chou 등 , 2006; Yamashita 등 ,

2006; Wang 등 , 2008). 또한 교량건설에서 전체 공기와 공

사비 면에서 큰 비중을 차지하는 하부구조의 새로운 시스템 에 관한 연구로서 조립식 기초부에 대한 연구도 시도되고 있다 .

이러한 프리캐스트 세그먼트 교각은 여러 가지 복합적인

요인으로 공법의 장점이 부각되어 채택되는 경우가 늘어가 고 있다 . ^{프리캐스트 공법은 콘크리트 타설 또는 거푸집 설}

치 등이 용이하지 않은 입지조건이나 신속한 하부구조 시공이 요구되는 경우에 매우 효과적이며 교량 건설에서 유발되는 환 경문제 및 민원문제를 최소화 할 수 있는 장점이 있다 .

이 연구는 국내 환경에 맞는 프리캐스트 세그먼트 PSC

교각 시스템을 개발하기 위한 일련의 연구로서 교각구체와 기초 사이의 연결 , 교각구체와 교각구체의 연결에서 새롭게 고안한 전단저항 연결체와 프리스트레스 긴장재를 동시에 이 용하여 개발된 구조시스템 ( ^{김태훈 등} , 2008a; ^{김태훈 등} , 2008b; 김태훈 등 , 2008c) 과 연계된다 .

즉 정착부가 일체로 형성된 프리캐스트 기초부재를 지반에

*정회원·교신저자·

(

)

(E-mail : [email protected])

**

(

)

***정회원·

(

)

설치한 후 기초부 나머지 부분과 연결하고 콘크리트를 타설 하여 기초부의 공사기간을 상대적으로 단축시키고 품질 및 시공성을 향상시킬 수 있으며 기존 현장타설 기초부의 문제 점 등 (Xiao 등 , 1996; Saiidi 등 , 2001) 을 개선할 수 있도 록 조립식 기초부를 개발하였다 .

기존에 개발된 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼

트 PSC 교각은 분절된 형식의 세그먼트에 강재덕트를 삽입

하여 제작하고 이를 이용하여 모든 세그먼트를 거치한다 . 이 후 정착부의 특성에 따라 미리 삽입된 또는 후에 삽입되는

PS 강연선에 긴장력을 도입하고 모르타르를 충전하여 프리 캐스트 교각을 일체화 하는 방식을 따르고 있다 . 적용된 방 식에서 프리캐스트 세그먼트의 접합부에서 작용하는 전단력 은 연속된 강재덕트가 저항하고 , 접합부에서의 휨모멘트에

대해서는 PS 강연선이 저항하는 메커니즘을 갖고 있다 .

이 연구의 목적은 이러한 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 기초부에 사용하기 위하여 새롭게 고안한 조립식 기초부의 구 조성능을 확인하는데 있다 . 개발한 조립식 기초부를 갖는 프리

캐스트 세그먼트 PSC 교각의 상세와 성능을 정확하게 평가하

기 위하여 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트

PSC 교각과 비교·검증을 위한 실험적 연구를 수행하였다 . 2. 조립식 기초부의 개발

이 연구에서 개발한 조립식 기초부는 전단저항 연결체와 프리스트레스 긴장재를 동시에 이용하여 개발된 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템 ( 김태훈 등 , 2008a; 김태훈 등 ,

그림 1. 개발한 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템

2008b) 과 연계된다 .

조립식 기초부는 그림 1 과 같이 정착부가 일체로 형성되 도록 제작된 프리캐스트 기초부재를 지반에 설치한 후 기초 부 나머지 부분과 연결하고 콘크리트를 타설하여 기초부의 공사 기간을 상대적으로 단축시키고 시공성을 향상시킬 수 있다 . 또한 기초부에 정착부가 형성되는 중요부위에 프리캐 스트 부재를 사용함으로써 현장타설과 대비하여 품질 및 성 능을 향상시킬 수 있었으며 , 기존 현장타설 기초부의 문제점 을 개선할 수 있도록 하였다 .

조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 시

스템은 먼저 그림 1(a) 와 같이 상면에 전단저항 연결체가

형성된 육면체 또는 원기둥 형태의 프리캐스트 기초부재를 제작한다 . 이때 프리캐스트 기초부재에는 정착부가 형성되어 있으며 횡방향으로 기초부 철근과 연결할 수 있는 커플러가

구비되어 있다 . 그리고 그림 1(b) 와 같이 터파기를 한 확대

기초 등에 기초부 거푸집을 설치한 후 공장에서 제작한 프 리캐스트 기초부재를 운반한다 . 프리캐스트 기초부재의 거치

가 그림 1(c) 와 같이 완료되면 커플러에 헤디드 바가 구비

된 기초부 철근을 연결하여 배근하고 콘크리트를 타설하여

그림 1(d) 와 같이 조립식 기초부를 완성한다 . 양생이 완료되

면 그림 1(e) 와 같이 프리캐스트 기초부재 상면의 전단저항

연결체를 이용하여 기 제작된 교각 구체부 세그먼트를 순차 적으로 조립하고 완성한다 . 이때 개발된 조립식 기초부는 프 리캐스트 기초부재를 먼저 거치하고 기초부 철근을 배근한 다음 거푸집을 설치할 수도 있다 .

3. 시스템의 검증

3.1 실험체의 설계와 제작

개발된 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC

교각의 성능을 평가하기 위하여 그림 2 와 같은 기존 현장타 설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각을 대상으

로 1/3.67 로 축소하여 모델을 설계하였다 . 프리캐스트 세그

먼트 PSC 교각의 설계는 휨에 대한 저항과 전단에 대한 저

항으로 나누어 설계하였다 . 수평력에 의해 휨모멘트가 발생 할 경우 인장에 대해서는 실험체 내부에 삽입된 강연선이 부담하고 , 압축에 대해서는 횡방향 철근 내부에 있는 심부구 속 콘크리트가 부담하는 것으로 하였다 . 설계에서 긴장재의 단면적과 프리스트레스의 크기 결정이 중요한 사항이며 반 복 해석한 결과와 축방향 압축응력 , 즉 축력과 프리스트레스 에 의한 압축응력 합의 증가에 따라 변위연성도가 급감하는 범위를 고려하여 긴장응력을 긴장재 설계강도의 47% 수준으 로 긴장하였다 . 이로 인해 교각에 도입되는 축력의 크기는 교 각 단면강도의 13% 에 해당한다 . 또한 , 전단에 대해서는 세그 먼트 사이를 연결하는 강재덕트가 저항하도록 하였다 . 이때 설 계는 현행 도로교설계기준 (2005), 콘크리트구조설계기준 (2007),

그리고 AASHTO LRFD(2004) 를 근거로 하였다 .

모델의 직경은 600 mm 이고 교각의 재하점까지의 높이는

2,100 mm ^{로 형상비는} 3.5 ^{이며 상사법칙에 의하여 설계된}

교각실험체의 제원을 표 1 에 나타내었다 . 이때 축력은 조립 식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각과 현장타 설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 거동특 성 차이를 확인하고자 0.075 A

f

로 동일하게 재하하였다 .

실험체의 설계는 시공성을 고려하였으며 부재의 제작과정 을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검 토하여 반영하였다 . 실험체는 비교·검증을 위하여 그림 3, 4 ^{와 같이 기준이 되는 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트}

세그먼트 PSC 교각 (TYPE-1) 2 기와 개발된 조립식 기초부

를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 (TYPE-3) 2 기로 구 성된다 .

개발된 조립식 기초부의 제작과정을 그림 5 ^{에 나타내었다} .

그림 5(a) 는 프리캐스트 기초부재에서 횡방향으로 기초부의

철근과 연결할 수 있는 커플러와 헤디드 바의 모습이다 .

그림 5(b) 는 기초부 철근의 거동특성에 대한 분석을 위하여

계측용 게이지를 부착한 모습이다 . ^그림 5(c) ^{는 프리캐스트}

기초부재를 제작하기 위한 거푸집의 모습이다 . 그림 5(d) 는 프리캐스트 기초부재를 거치하고 커플러에 헤디드 바를 연 결한 후 나머지 기초부 철근을 배근하여 조립한 모습이다 .

그리고 그림 5(e) 는 마지막으로 콘크리트를 타설하여 완성된

조립식 기초부의 모습이다 .

그림 6 은 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체의 제작

과정을 나타내고 있다 . 그림 6(a) 는 구체부 세그먼트 거푸집

의 모습이며 전단에 대한 변형과 횡구속 능력에 대한 분석 을 위하여 계측용 게이지를 부착하였다 . 그림 6(b) 는 강재거 푸집을 이용하여 세그먼트를 제작한 모습이다 . 그림 6(c) 는 세그먼트간의 용이한 접합을 위하여 강재거푸집을 이용하여 매치캐스팅을 적용한 모습이다 . 그림 6(d) 는 크레인을 이용 하여 세그먼트를 이동하는 모습이다 . 그림 6(e) 는 세그먼트 접합부에 내구성 향상 등을 위하여 에폭시를 도포하는 모습

이다 . ^그림 6(f) ^{는 구체부 세그먼트를 조립하는 모습이다} . ^이

때 연직도를 맞춘 상태에서 전단저항 연결체인 강재덕트를

삽입하여 완성한다 . 그림 6(g) 는 매치캐스팅으로 제작된 가

그림 2. Prototype 의 형상

표 1. 실험체의 제원

구 분 Prototype Model

현장타설 기초부 조립식 기초부

TYPE-1 TYPE-3

단면 직경 (m) 2.2 0.6

교각 높이 (m) 7.522 2.1

형상비 3.4 3.5

콘크리트

기초부 설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 40

- 40

48.1 40

48.2

구체부 설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 40

- 40

48.1 40

48.2 PS 강재

직경 7 연선 15.2 mm 7 연선 15.2 mm

설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 1,860

- 1,860

1,968.2

유효긴장응력 (MPa) 881.2 881.2

주철근

직경 D16 D10

철근비 (%) 0.2

( 최소량 ) 0.2 ( ^최소량 )

설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 400

- 400

544.6

횡철근

직경 D29 D13

철근비 (%) 1.2 1.2

설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 400

- 400

476.3

기초부 철근

직경 D32 D29

설계강도 (MPa)

실제강도 (MPa) 400

- 400

517.3

피복두께 (mm) 80 30

축력 0.075 A

f

그림 3. 실험체 TYPE-1 의 형상 ( 단위 : mm)

그림 4. 실험체 TYPE-3 의 형상 ( 단위 : mm)

그림 5. 조립식 기초부의 제작

력부 세그먼트를 구체부 세그먼트에 접합하는 모습이다 . ^그

리고 그림 6(h) 는 강재 지압판을 거치하고 강연선의 긴장작

업과 모르타르를 충전하는 모습이다 .

3.2 준정적 실험

조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 거동특성을 살펴보기 위하여 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각과 함께 준정적 (Quasi-Static)

실험을 수행하였다 . 수평력은 그림 7 과 같이 최대변위 375

mm ^인 2,600 kN ^{유압가력기} (actuator) ^{를 이용하여 재하하였}

으며 축력은 교각단면 축강도의 7.5% 를 일정하중 유지장치

로 변화가 없도록 재하하였다 . 변위진폭은 drift ratio ± 0.25% 로 시작하여 ± 0.5%, ± 1.0%, ± 1.5%, ± 2.0%, ± 2.5%, ± 3.0%,

± 3.5%, ^± 4.0%, ^± 4.5%, ^± 5.0%, ^± 6.0%, ^± 7.0%, ^± 8.0% ^{로 증가}

시켰으며 , 각 단계별로 2 회씩 반복 재하하여 동일 변위 진 폭에 대한 교각의 거동특성 차이를 살펴보았다 .

교각에서 소성힌지 구역내의 횡방향 철근과 강재덕트에 변

형률 게이지를 부착하였으며 또한 조립식 기초부와 현장타

그림 6. 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체의 제작

설 기초부의 거동특성 차이를 확인하기 위하여 상·하면 기 초부 철근에 변형률 게이지를 부착하였다 ( 그림 8). 그리고 하중 재하점의 수평변위와 수평하중은 가력기에 설치된 변 위계와 로드셀에 의해 계측하였으며 , 가력부 및 교각 중앙부 의 하중 재하시 예상치 못한 기초부위의 수평변위나 들림을 변위계를 이용하여 측정하였다 .

3.3 검증 및 고찰

그림 9~12 에 검증 실험체에 대한 하중 - 변위 이력곡선을

나타내었다 . 또한 각 실험체의 공칭모멘트에 대한 설계하중

과 최종 재하 단계에서의 파괴 양상을 함께 나타내었다 . 하 중 - 변위 이력곡선은 횡방향 하중 및 가력지점의 변위에 의해 표시되는데 실험체의 강도 , 연성 , 그리고 에너지 소산능력을

그림 7. 실험체의 전경

그림 8. 기초부 철근의 변형률 게이지

그림 9. 실험체 TYPE-1(1) 의 하중 - 변위 곡선

그림 10. 실험체 TYPE-1(2) 의 하중 - 변위 곡선

그림 11. 실험체 TYPE-3(1) 의 하중 - 변위 곡선

그림 12. 실험체 TYPE-3(2) 의 하중 - 변위 곡선

평가하는 중요한 분석 자료이다 .

현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각

실험체 [TYPE-1(1), (2)] 의 공칭모멘트에 대한 설계하중은

226.6 kN 이며 실험값은 각각 386.2 kN 과 399.6 kN 이다 .

그리고 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교

각 실험체 [TYPE-3(1), (2)] 의 공칭모멘트에 대한 설계하중은

226.6 kN ^{이며 실험값은 각각} 377.1 kN ^과 372.4 kN ^이다 .

기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교

각 실험체 (TYPE-1) 의 경우 설계하중의 170% 수준까지 내력

이 나타나고 있으며 개발된 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트

세그먼트 PSC 교각 실험체 (TYPE-3) 의 경우 설계하중의

160% 수준으로 충분한 내력이 발휘되고 있다 ( 그림 13).

실험에서 교각시스템의 항복변위와 극한변위는 철근콘크리 트 교각의 변위연성도 평가에서 가장 널리 사용되고 있는 하중 - 변위곡선으로부터 결정하는 간접적인 방법 (Park, 1998)

으로 구하였다 ( 그림 14). 즉 , 하중 - 변위곡선으로부터 시스템

의 수평 저항능력이 최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며 , 항복변위는 하중 - 변 위곡선의 원점과 최대 내력의 75% 에 달하였을 때의 변위점

을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평변위로 정의하였다 .

프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 경우 구조시스템의 특성 상 RC 대응 항복변위가 철근콘크리트 교각의 경우에 비해 일반적으로 크게 평가됨에도 불구하고 , 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체 [TYPE-1(1), (2)] 의 변위연성도는 각각 5.9 와 5.1 이다 . 그리고 개발된 조 립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC ^{교각 실험체} [TYPE-3(1), (2)] 의 변위연성도는 각각 5.4 와 6.6 으로 도로 교설계기준에서 규정하고 있는 단주교각의 요구연성도 5 를 만족하고 있음이 확인되었다 .

그림 15 에 각 실험체에 대한 누적 소산에너지를 나타내었 다 . 소산에너지는 하중 - 변위 이력곡선의 내부면적으로 정의 되며 누적 소산에너지는 내부면적의 합으로 산정된다 . 교각 의 손상을 평가하기 위해 부재가 파괴될 때까지 흡수 또는 소산할 수 있는 능력은 내진성능을 평가하는데 중요한 요소 중 하나이다 .

조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실 험체 [TYPE-3(1), (2)] 의 누적 소산에너지는 각각 357,000

kN·mm 와 386,000 kN·mm 이고 기존 현장타설 기초부를 갖

는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체 [TYPE-1(1), (2)]

의 누적 소산에너지 각각 333,000 kN·mm 와 258,000

kN·mm ^이다 . ^{조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트}

PSC 교각 실험체는 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스

트 세그먼트 PSC 교각 실험체에 비해 하중단계별로 동등

이상의 에너지 소산능력을 보이고 있으며 최종 파괴시점에

서는 125% ^{이상 커지는 것으로 나타나고 있다} . ^{또한 기존}

연구 ( 김태훈 등 , 2008a) 에서 프리캐스트 세그먼트 교각 실험

체는 동일한 drift ratio 에서 철근콘크리트 교각의 에너지 소

산능력의 50% 에 해당하지만 최종 파괴시점에서는 프리캐스 트 세그먼트 교각의 에너지 소산능력이 200% ^{이상 커지는}

것을 확인하였다 .

개발된 조립식 기초부 시스템과 기존 현장타설 기초부 시 스템의 국부적 거동특성을 분석하기 위하여 전술한 바와 같 이 기초부 상하면의 철근에 각각 6 개씩의 변형률 게이지를 부착하였다 . 수평하중이 작용할 경우 기초부 철근은 하중의 그림 13. 실험체 하중 - 변위 곡선의 비교 예

그림 14. 교각시스템의 항복변위와 극한변위

그림 15. 실험체 TYPE-1 과 TYPE-3 의 누적 소산에너지 곡선

변화에 따라서 변형률의 증가 또는 감소가 발생하고 있으며 조립식 기초부 철근과 현장타설 기초부 철근은 모두 항복변

형률 (2,000 microstrains) ^{이내에서 전반적으로 유사한 거동}

특성을 보이고 있음을 그림 16, 17 에서 확인할 수 있다 .

그림 18 은 개발된 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그

먼트 PSC ^{교각 실험체} (TYPE-3) ^{와 기존 현장타설 기초부를}

그림 16. 실험체 TYPE-1(1) 기초부 철근의 변형률 그림 17. 실험체 TYPE-3(2) 기초부 철근의 변형률

갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각 실험체 (TYPE-1) 의 하 중단계별 파괴거동의 예를 보여주고 있으며 두 실험체 모두 유사한 거동특성을 나타내고 있다 .

이 연구를 통해 개발된 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트

세그먼트 PSC 교각은 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐

스트 세그먼트 PSC 교각과 강도 , 연성 , 에너지 소산능력 등

의 면에서 동등 이상의 성능을 보이고 있으며 그 적용성이 확인되었다 .

4. 결 론

이 연구에서는 새롭게 개발된 조립식 기초부를 갖는 프리

캐스트 세그먼트 PSC 교각 시스템의 검증을 위하여 실험적

연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다 .

1. 실험적 연구로부터 개발된 조립식 기초부를 갖는 프리캐

스트 세그먼트 PSC 교각은 설계된 값을 잘 반영하고 있

으며 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트

PSC 교각과 동등 이상의 소요성능을 갖고 있는 것으로 확인되었다 .

2. ^{조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼트} PSC ^{교각 실}

험체는 기존 현장타설 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼

트 PSC 교각 실험체에 비해 하중단계별로 동등 이상의

에너지 소산능력을 보이고 있으며 최종 파괴시점에서는

125% 이상 커지는 것으로 나타나고 있다 .

그림 18. 하중단계별 파괴거동 비교 예

3. 개발된 조립식 기초부를 하중단계별 기초부 철근의 변형 률 변화 등을 통해 기존 현장타설 기초부와 비교·분석한 결과 전반적으로 유사한 거동특성을 보이고 있어 그 적용 성이 확인되었다 .

4. 이 연구에서는 조립식 기초부를 갖는 프리캐스트 세그먼

트 PSC 교각 시스템을 개발하였으며 , 더 나아가 개발기

술의 적용과 성능향상을 통하여 차세대 교각시스템인 프

리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 설계 및 시공기법을 완성

할 수 있을 것으로 기대된다 . 참고문헌

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( 접수일 : 2009.4.3/ 심사일 : 2009.5.7/ 심사완료일 : 2009.6.7)