콘크리트工學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第28卷 第1A 號·2008年 1月 pp. 147 ~ 154
프리캐스트 부재의 새로운 전단저항 연결체의 성능에 관한 연구
Study on the Performance of New Shear Resistance Connecting Structure of Precast Member
김태훈*·진병무**·김영진***·김성운****
Kim, Tae-Hoon
·
Jin, Byeong-Moo·
Kim, Young-Jin·
Kim, Seong-Woon···
Abstract
The purpose of this study is to critically evaluate the structural performance of an innovative new shear resistance con- necting structure of precast member. Joints such as shear resistance connecting structure require special attention when design- ing and constructing precast segmental structures. An experimental and analytical study was conducted to quantify performance measures and examine one aspect of detailing for developed shear resistance connecting structure. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. A joint element is used to predict the inelastic behavior of the joints between segmental members. Future work by the authors will do a model test of precast segmental prestressed concrete bridge columns with this shear resistance connecting structure, and examined both the structural behavior and seismic performance.
Keywords :structural performance, shear resistance connecting structure, precast member, joint element, inelastic behavior
···
요 지
이 연구의 목적은 프리캐스트 부재의 새롭게 고안한 전단저항 연결체의 구조성능을 평가하는데 있다. 프리캐스트 세그먼트 구조물의 설계와 시공시에 전단저항 연결체와 같은 접합부는 특별한 주의가 요구된다. 개발한 전단저항 연결체의 상세와 성 능을 평가하기 위하여 실험 및 해석적 연구를 수행하였다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한
RCAHEST
이다. 이 연구에서 사용된 접합요소는 세그먼트 접합부의 비탄성거동을 정확하게 예측할 수 있다. 추후 전단저항
연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 실험을 수행하여 구조거동과 내진성능을 파악할 것이다.
핵심용어
:구조성능, 전단저항 연결체, 프리캐스트 부재, 접합요소, 비탄성거동
···
1. 서 론
국내 교량의 교각은 대부분 현장타설 콘크리트 교각이 주 종을 이루고 있으며, 공사비 면에서도 큰 비중을 차지하여 전체 교량의 경제성에 많은 영향을 미치고 있다. 이러한 하 부구조의 중요성을 인식하여 최근 국내에서도 새로운 교각 시스템에 대한 연구와 개발이 이루어지고 있다(이재훈 등,
2004).새로운 교각 시스템에 대한 연구로써 프리캐스트 기술의 적용이 최근 들어 활발하게 이루어지고 있는데, 이는 여러 가지 복합적인 요인으로 인해 프리캐스트 공법의 장점이 부 각되어 채택되는 경우가 늘어가고 있기 때문이다. 프리캐스 트 공법은 콘크리트 타설 또는 거푸집 설치 등이 용이하지 않은 입지조건이나 신속한 하부구조 시공이 요구되는 경우
에 매우 효과적이며 교량 건설에서 유발되는 환경의 피해를 최소화할 수 있는 장점이 있다(Billington 등, 2000;
Billington
등, 2001; Nasir 등, 2001).
세그먼트를 제작하여 현장에서 연결하는 프리캐스트 교각 시스템의 개발에서 가장 중요한 점은 개발한 접합부를 적용 한 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각이 현장타설 콘크리트 교 각과 동등한 구조성능을 갖는 것이다. 즉 교각의 일체화 거 동 및 내진성능 등의 소요성능을 충분히 발휘할 수 있는 접 합부에 대한 요소기술을 확보하는 것이 새로운 교각 시스템 개발의 키라고 할 수 있다.
이 연구의 목적은 이러한 프리캐스트 세그먼트 PSC 교 각의 접합부에 사용하기 위하여 새롭게 고안한 전단저항 연결체의 구조성능을 확인하는데 있다. 개발한 전단저항 연 결체의 상세와 성능을 정확하게 평가하기 위하여 실험 및
*정회원·교신저자·(주)대우건설 기술연구원 선임연구원ㆍ공학박사 (E-mail : [email protected])
**정회원·(주)대우건설기술연구원책임연구원ㆍ공학박사
***정회원·(주)대우건설 기술연구원 수석연구원ㆍ공학박사
****정회원·(주)대우건설기술연구원연구위원ㆍ기술사
해석적 연구를 수행하였다. 프리캐스트 세그먼트 PSC 교 각의 일부분을 떼어 접합부로 설정하고 실제 구조 실험이 가능하도록 하였으며 접합부를 대상으로 비선형 유한요소 해석을 실시하여 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악 하였다.
이 연구에서는 2축 응력 상태에 대한 직교 이방성 재료모 델에 의해서 균열이 발생한 철근콘크리트 요소의 거동특성 을 표현하고, 이를 유한요소법을 사용하여 확장한 기존의 검 증된 프로그램(김태훈, 2003; Kim 등, 2003; Kim 등, 2005;
Kim
등, 2007)에 세그먼트 접합부의 거동특성을 모사할 수 있도록 개발한 접합요소(김태훈 등, 2007)를 이식하여 사용 하였다.
2. 전단저항덕트를 이용한 프리캐스트 부재의 연결체
프리캐스트 콘크리트 부재의 연결은 주로 긴장재의 긴장에 의한 프리스트레스와 연결부에 요철형태로 형성되어 있는 전 단키(shear key)의 기계적인 맞물림 작용에 의하여 이루어진다.
이 연구에서 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 접합부에 사용하기 위하여 새롭게 개발한 전단저항 연결체는 프리캐 스트 콘크리트 부재의 접합 연결에 사용되는 전단키(shear
key)를 대신할 뿐만 아니라 긴장재용 덕트로써의 기능을 동 시에 수행할 수 있다(그림 1).
개발한 전단저항 연결체는 긴장재가 관통할 수 있도록 원 통형 강관으로 이루어지며, 서로 조립되는 양측 프리캐스트 콘크리트 부재의 단부면에 양단부가 각각 삽입 설치되어 양 측 프리캐스트 부재의 접합부에 발생하는 전단력에 저항하 며 접합부에서의 긴장재 설치공으로의 누수를 방지할 수 있 다(그림 2).
이 연구에서 개발한 연결체는 양측 프리캐스트 콘크리트 부재의 접합부에서 양측에 걸쳐져 위치하게 되므로, 마치 전단키와 같이 프리캐스트 콘크리트 부재의 접합부에 발생 하는 전단력에 저항하는 기능을 발휘하게 된다. 특히, 전단 저항덕트는 양측 설치부에 삽입 장착하는 것만으로 그 설치 가 완료되므로, 전단저항덕트의 설치작업이 매우 간편하게 이루어질 수 있다. 또한 상기 긴장재 설치공간의 불연속면 에 전단저항덕트가 설치되어 연속되므로, 접합면으로 인해 긴장재 설치공 사이로 누수현상이 발생하는 것을 방지할 수 있다.
3. 전단저항 연결체의 성능 실험
3.1
실험체 및 실험방법
그림 3은 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 일부분을 떼 어 전단저항 연결체의 실제 구조 실험이 가능하도록 한 접
그림
1.개발한 프리캐스트 부재의 전단저항 연결체
그림
2.개발한 연결체에 의한 프리캐스트 세그먼트 접합
그림
3.프리캐스트 세그먼트
PSC교각에서의 요소실험체 개요
합부 실험체를 개념적으로 나타낸 것이며 그림 4에는 연결 체의 전단성능을 평가하기 위한 요소실험체의 일련과정을 보 이고 있다.
프리캐스트 세그먼트 PSC 교각이 지진하중과 같은 수평 력을 받는 경우, 거동특성은 접합부의 열림 변위(opening) 와 미끄러짐 변위(slip)에 크게 지배를 받는다. 열림 변위
(opening)
의 경우 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각을 연결하
기 위해 배치된 긴장재의 프리스트레스 힘 및 교각에 작용 하는 축력에 의해 복원되고 제어되지만 미끄러짐 변위(slip) 의 경우에는 그렇지 못하다. 따라서 접합부의 미끄러짐 변 위(slip)가 발생하지 않도록 설계하는 것이 중요하다.
이러한 접합부의 미끄러짐 변위(slip)에 영향을 주는 인자 로는 접합부의 형상, 접합부의 부착 재료, 긴장재량, 긴장재 에 도입된 프리스트레스 힘, 긴장재의 부착 여부 등 다양한 인자를 고려할 수 있으며 이를 고려하여 이론적으로 접합부 의 미끄러짐 변위(slip) 특성을 규명하는 것은 한계가 있다
(Turmo
등, 2005; Ong 등, 2006). 따라서 개발한 전단저항
연결체에 대해서 실험을 통하여 전단강도 및 미끄러짐 변위
(slip)
특성 등의 접합부 성능을 규명하고자 하며 전단실험체
의 제작과정은 그림 5와 같다.
전단저항덕트 실험체는 덕트의 두께(4.5, 5.7, 7.0 mm)에 따라 3가지 실험체가 있으며 그림 5(a)에 보인바와 같이 높 이 410 mm의 크기로 상하부에 이보다 한 치수가 큰 보강 캡에 삽입된다.
그림 5(b)의 보강캡은 강관으로 제작되어 전단저항덕트의
1/2씩을 각각 하부 및 상부에 삽입되도록 콘크리트 세그먼 트 제작시 설치된다. 보강캡의 상하부는 약 8 mm 정도 두 께의 Ring형 강판으로 제작되어 전단저항덕트가 빠지지 않 도록 되어있다.
실험체의 제작에 사용된 D19 철근의 항복강도는 400
MPa
이며 전단저항덕트와 보강캡에 사용된 강재의 항복강도 는 307.5 MPa 이다. 그리고 DW-A1, DW-A2, DW-A3의 공시체 압축강도는 각각 41.3 MPa, 40.4 MPa, 40.7 MPa 이며 실험체의 상세한 제원은 표 1과 같다.
실험체는 상부세그먼트와 하부세그먼트를 조립하여 전단저 항덕트에 의한 접합부를 모델화한 요소모형이며 개발한 전 단저항 연결체의 순전단강도를 평가하기 위하여 접합면에 데 프론 시트를 사용하여 마찰을 가능한 배제하였다. 또한 실험 체는 일반적으로 교각이 받는 압축응력을 고려하기 위하여 그림 6과 같이 유압잭에 의해 82 tonf(1.0 MPa)의 압축응력 을 도입한 후, 수평가력을 통해 전단저항덕트에 전단하중을 작용시켰다.
3.2
실험결과 및 분석
이 연구에서는 개발한 전단저항 연결체의 전단항복하중 을 안전측으로 평가하기 위해서 강관의 순전단내력을 산 출하기 위하여 新井崇裕 등(2000)이 제안한 다음 식을 사용하였다.
(1)
여기서 P
sy는 전단항복하중,
τsy는 전단항복응력, r
i는 내경, 그리고 t
i는 두께이다.
그림 7~그림 9는 실험에 의한 하중-변위 관계와 식 (1)에 의한 전단항복하중를 함께 비교하여 나타내고 있다.
실험체 DW-A1의 식 (1)에 의한 전단항복하중은 201.3
kN이며 실험값은 579.9 kN이다. 실험체 DW-A2의 식 (1) 에 의한 전단항복하중은 248.3 kN이며 실험값은 703.1kN이 다. 그리고 실험체 DW-A3의 식 (1)에 의한 전단항복하중은
296.2 kN
이며 실험값은 466.9 kN이다.
실험체 DW-A1과 DW-A2의 경우 강관의 순전단내력의
280%
수준까지 전단내력이 크게 나타나고 있으나 실험체
DW-A3
의 경우 150% 수준으로 강관내부에 충전이 제대로
이루어지지 않아 충분한 전단내력이 발휘되지 못하고 있다
(그림 10~그림 12).
결과를 분석해 볼 때 전단저항덕트의 전단항복하중은 강관 두께에 따른 상관성을 갖고 있는 것으로 판단되며 전단저항 연결체의 설계시 위의 식 (1)은 안전측의 결과를 줄 것으로 판단된다.
각 실험체의 파괴형태를 기술하면 다음과 같다. 실험체
DW-A1
는 상하부 블록이 완전히 분리되는 전단파괴 형태를
보이고 있으며 보강캡은 1.3 mm 미끄러진 것으로 나타났다.
하부세그먼트의 상부 균열의 개수는 7개 정도이며 파괴형태 는 그림 10과 같다.
실험체 DW-A2는 전단파괴 형태를 보이고 있으며 보강캡 은 9.7 mm 미끄러진 것으로 나타났다. 그리고 전단저항덕 트의 전단변위량은 13 mm 이며 그림 11과 같이 하부세그 먼트의 균열양상이 심하다.
실험체 DW-A3는 전단파괴 형태를 보이고 있으며 보강캡 은 12.4 mm 미끄러진 것으로 나타났다. 그리고 전단저항덕 트의 전단변위량은 20 mm이며 그림 12와 같이 하부세그먼 트의 균열이 좌우까지 심하게 진전되었다.
Psy
τ
sy× π ×
ri×
ti ---2=
그림
4.요소실험체의 전단성능평가 실험
그림
5.전단실험체의 제작 표
1.실험체의 제원
실험체 벽체
유효폭
(mm)벽체두께와 전단
저항덕트 외경의 비 벽체두께 전단저항덕트 보강캡
전단 저항덕트와 보강캡의 간격
(mm)
외경 두께 외경 두께
T/
Φ
i T(mm)
Φ
i(mm)
ti
(mm)
Fo
(mm)
to
(mm) DW-A1
1500 5.3 540 101.6
4.5
114.3 4.9 1.45
DW-A2 5.7
DW-A3 7.0
4. 비선형 해석 및 성능 평가
4.1
비선형 유한요소해석 프로그램
유한요소해석 프로그램을 작성하는 방법은 사용목적에 맞 는 전용 프로그램을 새롭게 작성하는 방법과 사용자가 개발 한 요소를 추가할 수 있는 모듈화된 범용 유한요소해석 프 로그램을 이용하는 방법으로 구분될 수 있다. 전자의 방법은 전용프로그램으로써 입력자료의 작성이 간단하고 해석시간을 줄일 수 있는 장점이 있는 반면에 이미 개발된 또는 앞으로 개발될 다른 종류의 요소와 조합으로 사용하기가 곤란하다.
이 연구에서는 후자의 방법을 택하여 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 경계면요소, 그 리고 비부착 텐던요소 등(김태훈, 2003; Kim 등, 2003;
Kim
등, 2005; Kim 등, 2007)을 미국 버클리 대학의
Taylor
가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver.
7.2(Taylor, 2000)
에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석
프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in
Higher Evaluation System Technology)(
김태훈 등, 2001)에
세그먼트 접합부의 부착파괴를 모사할 수 있도록 개발한 접 합요소(김태훈 등, 2007)를 이식하여 사용하였다(그림 13).
사용된 접합요소의 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.
그림
6.실험체의 형상
그림
7.실험체
DW-A1의 하중
-변위 곡선
그림
8.실험체
DW-A2의 하중
-변위 곡선
그림
9.실험체
DW-A3의 하중
-변위 곡선
그림
10.실험체
DW-A1의 파괴형태
접합요소는 그림 14와 같이 수직방향 2개 절점의 위치가 같은 가상의 절점을 이용한 6절점 접합요소 또는 4절점 접 합요소 중의 하나를 선택하여 사용할 수 있도록 하였다. 접 합요소를 사용하면 접합부에 평행한 수평방향의 전단응력과 이에 수직방향의 인장응력 또는 압축응력을 결정할 수 있다.
세그먼트 접합부의 부착파괴 기준으로는 그림 15와 같은
Coulomb
파괴기준을 사용하였으며, 그 식은 다음과 같다.
(2)
여기서
τ와
σ는 접합면에서의 전단응력과 수직응력이며,
φ와
c는 내부마찰각과 점착력으로 사전단 부착실험 또는 직접전단 실험 등을 통하여 결정할 수 있는 접합면의 재료특성이다.
이 연구에서는 개발한 전단저항 연결체의 순전단강도를 평
가하기 위하여 접합면에 데프론 시트를 사용하여 마찰을 가 능한 배제하였으며 따라서 내부마찰각과 점착력을 각각
0.05o와 0으로 최소로 하여 접합부의 열림과 미끄러짐을 모 사하였다.
프로그램에서 계산된 접합면의 전단 응력 및 수직 응력이 식 (2)을 만족하면 해당되는 접합요소가 항복거동을 하는 것 으로 하여 접합면에서의 전단 거동을 모사하였다. 그리고 접 합요소의 전단응력 모델은 접촉면 밀도함수에 근거한 전단 전달모델(Li 등, 1989)을 수정하여 표현하였으며 최대값 이 후에는 전단전달 연화계수(softening parameter)로써 부착파 τ σ
+ tanφ ≥
c그림
11.실험체
DW-A2의 파괴형태
그림
12.실험체
DW-A3의 파괴형태
그림
13.비선형 유한요소해석 프로그램
RCAHEST그림
14.접합요소
그림
15. Coulomb파괴기준
그림
16.전단응력 모델
(Note:β 는 정규화된 전단변형률
, s는
접합면의 미끄러짐 변위
,그리고 ω 는 접합면의 열림
변위
)괴까지 감소하는 것으로 가정하였다(그림 16).
4.2
해석결과 및 분석
그림 17은 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할한 예이며 3점 가우스 적분을 적용한 8절점 등매개 요 소를 이용하였고 하중이 재하되는 부위에는 실험에서와 동 일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 8절점 탄성요소를 사용하였다. 또한, 세그먼트 접합부의 비탄성 거 동을 고려할 수 있도록 개발된 6절점 접합요소를 이용하였 고 전단저항덕트를 모사할 수 있도록 8절점 탄소성요소를 사용하였으며 콘크리트와 전단저항덕트 사이의 거동특성을 모사할 수 있도록 2절점 탄소성 스프링 요소를 사용하였다.
그림 18~그림 20은 이 연구의 해석모델을 적용한 유한요 소해석 결과와 실험에 의한 하중-변위 관계를 나타내고 있다.
그림 18과 그림 19는 해석결과가 실험결과와 전반적으로 잘 일치함을 알 수 있으나, 그림 20은 강관내부에 충전이 제대 로 이루어지지 않아 충분한 전단내력이 발휘되지 못해 해석 결과와 실험결과가 차이를 보이고 있다.
실험체 DW-A1의 실험값은 579.9 kN이며 해석값은
563.3. kN
이다. 실험체 DW-A2의 실험값은 703.1 kN이며
해석값은 687.6 kN 이다. 그리고 실험체 DW-A3의 실험값 은 466.9 kN이며 해석값은 798.8 kN 이다.
강관내부에 충전이 제대로 이루어지지 않아 충분한 전단내 그림
17.유한요소모델
그림
18.실험체
DW-A1의 하중
-변위 곡선 그림
19.실험체
DW-A2의 하중
-변위 곡선
그림
20.실험체
DW-A3의 하중
-변위 곡선
력이 발휘되지 못한 실험체 DW-A3를 제외하면 유한요소해 석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동 계수가 각각 1.03과 0.01로서, 최대하중의 평균값은 전반적 으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있으며 변동계수가 0.01 에 불과하여 세그먼트 접합부의 비탄성 거동을 적절히 평가 하고 있는 것으로 판단된다.
일련의 해석결과와 실험결과와의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 전단저항 연결체의 비선형 거동을 적 절히 평가하고 있으며, 개발된 접합요소를 조합하여 사용한 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램
(RCAHEST)
을 이용함으로써, 해석적 방법에 의한 신축 또는
기존 프리캐스트 부재의 전단저항 연결체의 거동특성 예측 이 가능할 것으로 판단된다.
5. 결 론
이 연구에서는 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 접합부에 사용하기 위하여 새롭게 고안한 전단저항 연결체의 구조성 능을 확인하기 위한 실험 및 해석적 연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
1.
이 연구에서 개발한 전단저항 연결체는 프리캐스트 콘크 리트 부재를 연결함에 있어서 충분한 소요성능을 갖고 있 는 것으로 확인되었으며, 기존의 전단키(shear key)가 가 지는 문제점과 부재의 접합면 존재에 의한 긴장재 덕트로 의 누수 현상 등의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 기 대된다.
2.
프리캐스트 세그먼트 PSC 교각의 일부분을 떼어 접합부 로 설정하고 실제 구조 실험이 가능하도록 하였으며 접합 부를 대상으로 비선형 유한요소해석을 실시하여 실험결과 와 해석결과를 비교하였다.
3.
제안한 2차원 비선형 유한요소해석은 전단저항 연결체를 포함한 접합부의 응력 분포 및 변형에 대한 구체적인 정 보를 제공할 수 있으며 전단저항덕트를 이용한 프리캐스 트 부재의 연결체의 강도 등이 바르게 추정되고 있음이 입증되었다. 향후 프리캐스트 세그먼트 PSC 교각구조의 정밀해석이 가능하며, 각종 콘크리트 구조물의 해석에 유 용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
4.
이 연구에서는 프리캐스트 세그먼트를 연결하는 접합 기 술을 개발하였으며, 더 나아가 접합 기술의 적용과 성능향 상을 통하여 차세대 교각시스템인 프리캐스트 세그먼트
PSC교각의 설계 및 시공기법을 개발할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 개발한 접합기술은 교각뿐만 아니라, 일반 적인 토목 구조물에 대해서도 확장 적용이 가능할 것이다.
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(
