Performance Assessment of Precast Concrete Segmental Bridge Columns with Shear Resistance Connecting Structure

콘크리트工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第4A 號·2008年 7月 pp. 591 ~ 601

전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각의 성능평가

Performance Assessment of Precast Concrete Segmental Bridge Columns with Shear Resistance Connecting Structure

김태훈*·김영진**·김성운***·신현목****

Kim, Tae-Hoon

·

Kim, Young-Jin

·

Kim, Seong-Woon

·

Shin, Hyun-Mock

···

Abstract

The purpose of this study was to investigate the performance of precast concrete segmental bridge columns with shear resis- tance connecting structure. The system can reduce work at a construction site and makes construction periods shorter. A model of precast concrete segmental bridge columns with shear resistance connecting structure was tested under a constant axial load and a cyclically reversed horizontal load. A computer program, RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Eval- uation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. An bonded or unbonded tendon ele- ment based on the finite element method, that can represent the interaction between tendon and concrete of prestressed concrete member, is used. A joint element is newly modified to predict the inelastic behaviors of segmental joints. The proposed numer- ical method gives a realistic prediction of performance throughout the loading cycles for several test specimens investigated.

Keywords : performance, precast concrete segmental bridge columns, shear resistance connecting structure, tendon element, joint element, inelastic behavior

···

요 지

이 연구의 목적은 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각의 성능을 파악하는데 있다. 프리캐스트 교각 시스템 은 현장에서의 작업을 줄이고 공사기간의 단축을 가져올 수 있다. 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각 실험 체에 일정 축하중 하에서 횡방향 반복하중을 가하는 준정적 실험을 수행하였다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한 RCAHEST이다. 사용된 부착 또는 비부착 텐던요소는 유한요소법에 근거하며 프리스트레스트 콘크리트 부재의 콘크리트와 텐던의 상호작용을 구현할 수 있다. 새롭게 수정된 접합요소는 세그먼트 접합부의 비탄성거동을 예측할 수 있다.

제안된 해석기법은 조사된 실험체에 대하여 하중단계에 따라 성능을 비교적 정확하게 예측하였다.

핵심용어

:

성능, 프리캐스트 세그먼트 교각, 전단저항 연결체, 텐던요소, 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 연구로서 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 최소화 할 수 있는 장점이 있다(Billington 등, 2001; Nasir 등, 2001).

이러한 프리캐스트 세그먼트 교각은 여러 개의 교각 세그 먼트를 공장에서 제작한 후 현장에서 조립하여 프리스트레 스 힘을 도입하는 교각 시스템으로서 최근 선진 각국에서 실용화를 위한 연구가 진행되고 있다. Billington 등(2004)의 연구에서는 비부착 포스트텐션 방식을 갖으며 지진손상을 제 어하기 위하여 소성힌지 구역에 Fiber 콘크리트를 사용한 프 리캐스트 교각에 대한 거동특성을 평가하였다. Chou 등

*정회원·(주)대우건설 기술연구원 선임연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])

**정회원·(주)대우건설기술연구원수석연구원·공학박사

***정회원·(주)대우건설 기술연구원 연구위원·기술사

****정회원·성균관대학교사회환경시스템공학과교수·공학박사

(2006)

이 수행한 연구에서는 비부착 포스트텐션 방식을 갖으 며 콘크리트 충전강관을 사용한 프리캐스트 교각의 지진하 중과 같은 반복하중에 대한 내진성능을 평가하였다. 일본에 서도 이러한 프리캐스트 세그먼트 교각에 대한 연구가 진행 되고 있다(新井崇裕 등, 2000).

이 연구는 국내 환경에 맞는 프리캐스트 세그먼트 교각을 개발하기 위한 독자적인 연구로서 교각구체와 기초 사이의 연결, 교각구체와 교각구체의 연결에서 새롭게 고안한 전단 저항 연결체(김태훈 등, 2007b; 김태훈 등, 2008)와 프리스 트레스 긴장재를 동시에 이용하는 구조시스템을 개발하였으 며 성능평가를 위하여 기존 철근콘크리트 교각 및 프리스트 레스트 콘크리트 교각과 비교·검토를 수행하였다.

개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각 은 그림 1과 같다. 분절된 형식의 세그먼트에 강재덕트를 삽 입하여 제작하고, 모든 세그먼트를 거치한 후 강재덕트의 내 부에 이보다 직경이 작은 쉬스관을 삽입한다. 이후 쉬스관에 긴장재를 삽입하고 긴장력을 도입하며 모르타르로 충진하여 프리캐스트 교각을 일체화 하는 방식을 따르고 있다. 적용된 방식에서 프리캐스트 세그먼트의 접합부에서 작용하는 전단력 은 연속된 강재덕트가 저항하고, 접합부에서의 휨모멘트에 대 해서는 긴장재로써 저항하는 메커니즘을 갖고 있다.

교각에 프리스트레스를 도입한 경우에 대한 기존의 실험적 연구(Ito 등, 1997; Mori 등, 2002)에 의하면, 적절한 프리 스트레스를 도입한 프리스트레스트 콘크리트 교각에서는 높 은 휨저항력과 전단력을 얻을 수 있음과 동시에 프리스트레 스의 효과에 의하여 일반적인 철근콘크리트 교각에 비하여 우수한 복원력 특성을 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 프리캐스트 세그먼트 교각에의 적용은 교각 단면을 감소시킴과 동시에 강한 지진에도 충분한 내력을 유지하며, 잔류변위를 감소시키는 효율적인 적용이라고 할 수 있다.

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, 2006; Kim 등, 2007)에 긴장재의 영향을

고려할 수 있는 부착 또는 비부착 텐던요소(김태훈 등,

2005a)

와 세그먼트 접합부의 거동특성을 모사할 수 있도록

개발한 접합요소(김태훈 등, 2007a)를 이식하여 사용하였다.

2.

전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각의 성능 실험

2.1

실험체 설계

전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각의 설계 는 휨에 대한 저항과 전단에 대한 저항으로 나누어 설계하 였다. 수평력에 의해 휨모멘트가 발생할 경우 인장에 대해서 는 실험체 내부에 삽입된 강연선이 부담하고, 압축에 대해서 는 횡방향 철근 내부에 있는 심부구속 콘크리트가 부담하는 것으로 하였다. 설계에서 긴장재의 단면적과 프리스트레스의 크기 결정이 중요한 사항이며 반복 해석한 결과와 축방향 압축응력, 즉 축력과 프리스트레스에 의한 압축응력 합의 증 가에 따라 변위연성도가 급감하는 범위가 20% 내외임을 고 려하여 긴장응력을 긴장재 항복응력의 30% 수준으로 긴장 하였다. 또한, 전단에 대해서는 세그먼트 사이를 연결하는 강 재덕트가 저항하도록 하였다.

실험체의 설계는 시공성을 고려하였으며 부재의 제작과정 을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검 토하여 반영하였다.

실험체는 비교·검증을 위하여 그림 2~그림 4와 같이 기 준이 되는 철근콘크리트 교각 1기와 철근콘크리트 교각의 공칭모멘트와 동일한 수준을 가지는 프리스트레스트 콘크리 트 교각 1기, 그리고 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리 캐스트 세그먼트 교각 1기로 구성되어진다.

교각실험체의 모델 제원을 표 1에 나타내었으며 축력은 철 근콘크리트 교각, 프리스트레스트 콘크리트 교각, 그리고 프 리캐스트 세그먼트 교각의 거동특성 차이를 확인하고자

0.1

로 동일하게 재하하였다.

2.2

실험체 제작 및 실험방법

그림 5는 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세 그먼트 교각 실험체의 제작과정을 나타내고 있다. 그림 5(a) 는 기초부 거푸집의 모습이며 세그먼트와 접합하기 위하여 기초부 강재덕트를 설치하였다. 그림 5(b)는 세그먼트에 전 단저항 연결체인 강재덕트를 배치하고 강재거푸집을 조립한 모습이다. 그림 5(c)는 전단에 대한 변형과 횡구속 능력에

A_gf_ck

그림

1.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 제작과정

그림

2.

철근콘크리트 교각 실험체의 형상

(

단위

: mm)

대한 분석을 위하여 계측용 게이지를 부착한 모습이다. 그림

5(d)

는 강재거푸집을 이용하여 세그먼트를 제작한 모습이다.

그림 5(e)는 크레인을 이용하여 세그먼트를 이동하는 모습이

다. 그림 5(f)는 기초부 콘크리트에 첫 번째 세그먼트를 조 립한 모습이다. 이때 연직도를 맞춘 상태에서 첫 번째 세그 먼트의 강재덕트에 기초부 콘크리트의 강재덕트를 삽입하여 그림

3.

프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 형상

(

단위

: mm)

그림

4.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 형상

(

단위

: mm)

표

1.

실험체의 제원

구분 철근콘크리트 교각 프리스트레스트 콘크리트 교각 프리캐스트 세그먼트 교각

모델명

RC PSC PC

단면 직경(m)

0.6

교각 높이(m)

1.5

재료 강도

Con'c(MPa) 24 35

Steel(MPa) SD40 (400)

Tendon(MPa) - 7

연선 12.7 mm/1본 (1600)

PS

강재 긴장응력(MPa)

- 480

주철근

직경

D10

철근비(%)

0.605

주철근 개수

24

최소량

횡철근 직경

D10

철근비(%)

0.66

피복두께(mm)

30

축력

0.1 A_gf_ck = 665 kN

완성한다. 그림 5(g)는 가력부에 강재 지압판을 거치하고 강 연선의 긴장작업을 수행하는 모습이다. 그리고 그림 5(h)는 모르타르를 충전하고 최종적으로 완성된 프리캐스트 세그먼 트 교각 실험체의 모습이다.

개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각 의 성능을 평가하기 위하여 기존 철근콘크리트 교각 및 프 리스트레스트 콘크리트 교각과 함께 준정적(Quasi-Static) 실 험을 수행하였다. 수평력은 그림 6과 같이 최대변위 ±250

mm

인 1,000 kN 유압가력기(actuator)를 이용하여 재하하였 으며 축력은 교각단면 축강도의 10%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%, ±5.5%, ±6.0%,

±7.0%, ±8.0%, ±9.0%, ±10.0%로 증가시켰으며, 각 단계별 로 2회씩 반복 재하하여 동일 변위 진폭에 대한 교각의 거 동특성 차이를 살펴보았다.

교각에서 소성힌지 구역내의 횡방향 철근과 강재덕트에 변형 률 게이지를 부착하였으며 하중 재하점의 수평변위와 수평하 중은 가력기에 설치된 변위계와 로드셀에 의해 계측하였다. 가 력부 및 교각 중앙부의 하중 재하시 예상치 못한 기초부위의 수평변위나 들림을 변위계를 이용하여 측정하였다.

2.3

실험결과 및 분석

그림 7~그림 9에 각 실험체에 대한 하중-변위 이력곡선을

그림

5.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 제작

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 평가하는 중요한 분석 자료이다.

철근콘크리트 교각 실험체의 공칭모멘트에 대한 설계하중 은 187.0 kN이며 실험값은 245.3 kN이다. 프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 공칭모멘트에 대한 설계하중은

176.6 kN

이며 실험값은 237.6 kN이다. 그리고 프리캐스트

세그먼트 교각 실험체의 공칭모멘트에 대한 설계하중은

176.6 kN

이며 실험값은 214.9 kN이다. 이때 철근콘크리트

교각 실험체와 다른 교각 실험체들의 공칭모멘트에 대한 설 계하중이 동일하지 않은 이유는 설계와 제작에서 사용된 긴 장재의 단면적과 프리스트레스의 크기가 우선 결정되었기 때 문이다.

철근콘크리트 교각 실험체와 프리스트레스트 콘크리트 교 각 실험체의 경우 설계하중의 130% 수준까지 내력이 나타

나고 있으며 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세 그먼트 교각 실험체의 경우 설계하중의 120% 수준으로 충 분한 내력이 발휘되고 있다.

실험에서 교각시스템의 항복변위와 극한변위는 하중-변위곡 선으로부터 간접적인 방법(Park, 1998)으로 결정하였다(그림

10).

즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평 저항능력이

최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위 로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75%에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평변위로 정의하였다.

철근콘크리트 교각 실험체의 변위연성도는 6.8, 프리스트 레스트 콘크리트 교각 실험체의 변위연성도는 5.6 그리고 개 발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각 실 험체의 변위연성도는 8.3으로 도로교설계기준에서 규정하고 있는 단주교각의 요구연성도 5를 충분히 만족하고 있음이 확인되었다.

그림 11에 각 실험체에 대한 누적 소산에너지를 나타내었 그림

6.

실험체의 전경

그림

7.

철근콘크리트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

그림

8.

프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

그림

9.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

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. 철근콘크리트 교각 실험체와 프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체는 최종 파괴시점에서 거의 유사한 에 너지 소산능력을 보이고 있으며 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체는 동일한 drift ratio에서 철근콘크리트 교각의 에너지 소산능력 의 50%에 해당하지만 최종 파괴시점에서는 프리 캐스트 세그먼트 교각의 에너지 소산능력이 200% 이상 커 지는 것으로 나타나고 있다.

수평하중이 작용할 경우 전단저항 연결체는 가력방향 및 모든 측정방향으로 변형률이 발생하였으며, 이를 통해 전단 저항 연결체가 전단에 대해서 저항을 하고 있으며, 휨에 대 해서도 기여를 하고 있음을 알 수 있다. 또한 횡구속 철근 은 하중의 변화에 따라서 변형률의 증가 또는 감소가 발생 하고 있으며 철근의 항복변형률에 도달하는 경우는 거의 없 고 심부구속 콘크리트가 보호되고 있는 모습을 확인할 수 있다.

철근콘크리트 교각 실험체와 프리스트레스트 콘크리트 교 각 실험체의 파괴 양상은 기존 철근콘크리트 교각 실험체와 유사하게 소성힌지 구간으로 손상이 집중되어 나타났다. 그 리고 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 파괴 양상은 소성 힌지 구간의 압축부 콘크리트의 손상으로부터 나타났다.

철근콘크리트 교각 실험체의 경우에는 주철근의 항복 이후 에 잔류변형이 크게 발생하였으나 프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체와 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 경우에 는 변위가 증가하더라도 잔류변형의 크기가 철근콘크리트 교 각 실험체의 경우에 비해 작게 나타나고 있다(그림 7~그림

9).

이를 통해 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 지진하중에 대한 복원능력이 상당 히 유용할 수 있음을 알 수 있다.

이 연구를 통해 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스 트 세그먼트 교각은 기존 현장타설 철근콘크리트 교각 및 프리스트레스트 콘크리트 교각과 강도, 연성, 에너지 소산능 력 등의 면에서 동등한 성능을 보이고 있음이 확인되었다.

3.

비선형 해석 및 성능 평가

3.1

비선형 유한요소해석 프로그램

RCAHEST

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 전용프로그램으로서 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, 겹 침이음 철근요소 그리고 비부착 텐던요소 등(김태훈, 2003;

Kim

등, 2003; 김태훈 등, 2005a; Kim 등, 2005; Kim 등,

2006; Kim

등, 2007)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개

발한 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)

그림

10.

교각시스템의 항복변위와 극한변위

그림

11.

교각 실험체의 누적 소산에너지 곡선

그림

12.

비선형 유한요소해석 프로그램

RCAHEST

에 세그먼트 접합부의 부착파괴를 모사할 수 있도록 개발한 접합요소(김태훈 등, 2007a)를 새롭게 수정하여 사용하였다

(

그림 12). 사용된 접합요소의 특징을 간단히 요약하면 다음 과 같다.

접합요소는 그림 13과 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 14와 같은

Coulomb

파괴기준을 사용하였으며, 그 식은 다음과 같다.

(1)

여기서

τ

와

σ

는 접합면에서의 전단응력과 수직응력이며,

φ

와

c

는 내부마찰각과 점착력으로 사전단 부착실험 또는 직접전단 실험 등을 통하여 결정할 수 있는 접합면의 재료특성이다.

이 연구에서는 세그먼트 접합부의 거동특성을 지배하는 내부마찰각과 점착력을 기존의 연구결과(김태훈 등, 2005b) 를 근거로 하여 각각 45

^o

와 0으로 가정하였다.

프로그램에서 계산된 접합면의 전단 응력 및 수직 응력이 식

(1)

을 만족하면 해당되는 접합요소가 항복거동을 하는 것으로 하여 접합면에서의 전단 거동을 모사하였다. 그리고 접합요소 의 전단응력 모델은 접촉면 밀도함수에 근거한 전단전달모델

(Li

등, 1989)을 수정하여 표현하였으며 그림 15와 같이 최대 값 이후에는 전단전달 연화계수(softening parameter)로써 부착 파괴까지 감소하는 것으로 가정하였다(김태훈 등, 2007a).

3.2

해석결과 및 분석

그림 16~그림 18은 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하 여 요소 분할한 예이다. 철근콘크리트 교각 실험체의 경우 그림 16(a)에서 보는 것처럼 일체형 교각으로 총 68개의 요 소로 분할하였다. 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 56개, 기초와 교각의 접합부에 정착슬립 등의 불연속변위를 고려 하기 위하여 6절점 경계면 요소 5개, 변위하중을 가하는 부 분의 국부파괴를 방지하기 위하여 가력부분에 8절점 탄소성 평면응력요소 2개, 그리고 겹침이음된 철근의 역학적 거동을 고려하기 위한 2절점 겹침이음 철근요소 5개가 사용되었다.

또한 원형 철근콘크리트 교각 실험체의 2차원 해석을 위하 여 그림 16(b)에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원 형단면을 5개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였 다. 등가환산단면은 원형 철근콘크리트 교각 실험체의 실제 거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방 향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.

프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 경우 그림 17(a) 에서 보는 것처럼 일체형 교각으로 총 68개의 요소로 분할 하였다. 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소가 56개, 기초와 교각의 접합부에 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위 하여 6절점 경계면 요소 5개, 부착 텐던의 거동을 고려하기 τ σ

+ tan

φ ≥

c

그림

13.

접합요소

그림

14. Coulomb

파괴기준

그림

15.

전단응력 모델

(Note:

β 는 정규화된 전단변형률

, s

는

접합면의 미끄러짐 변위

,

그리고 ω 는 접합면의 열림

변위

)

그림

16.

철근콘크리트 교각 실험체

그림

17.

프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체

위한 다절점 부착 텐던요소 5개, 그리고 가력부분에 8절점 탄소성 평면응력요소 2개가 사용되었다. 또한 원형 프리스트 레스트 콘크리트 교각 실험체의 2차원 해석을 위하여 그림

17(b)

에서 보는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을

5

개의 직사각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 등가환 산단면은 원형 프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 실 제거동과 유사하도록 PS 강재와 콘크리트의 단면적, 하중재 하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 경우 그림 18(a)에서 보는 것처럼 기초부와 함께 교각부에 3개의 세그먼트로 구 성되어 있으며 총 78개의 요소로 분할하였다. 8절점 철근콘 크리트 평면응력 요소가 56개, 교각과 기초사이 및 세그먼트 사이에 6절점 프리캐스트 접합면 요소 15개, 부착 텐던의 거동을 고려하기 위한 다절점 부착 텐던요소 5개, 그리고 가력부분에 8절점 탄소성 평면응력요소 2개가 사용되었다.

이때 부착 텐던요소는 강재덕트와 쉬스관 사이가 좁아 일부 분에서는 그라우팅으로 접합이 완전하게 이루어지지 못할 것 으로도 예상이 되나 전체적인 거동은 부착 강재에 가까울 것으로 판단하여 사용하였다. 또한 원형 프리캐스트 세그먼 트 교각 실험체의 2차원 해석을 위하여 그림 18(b)에서 보 는 것처럼 등가환산단면을 이용하여 원형단면을 5개의 직사 각형 요소로 변환하여 해석을 수행하였다. 등가환산단면은

원형 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 실제거동과 유사 하도록 PS 강재와 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단 면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.

이 연구에서 사용된 유한요소망과 등가환산단면은 일반 탄

그림

18.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체

그림

19.

철근콘크리트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

성해석과의 수렴성 시험(convergence test) 결과 형상비

(aspect ratio)

에 의한 영향은 1.0% 미만이었으며 이는 콘크

리트구조의 비선형해석에서 예상되는 오차에 비하여 매우 작 은 것으로 나타나 그 타당성이 검증되었다.

그림 19~그림 21은 이 연구의 해석모델을 적용한 유한요 소해석 결과와 실험에 의한 하중-변위 관계를 나타내고 있으 며 해석결과가 실험결과와 비교적 잘 일치함을 알 수 있다.

또한 이 연구의 해석에 의한 최대하중과 변위연성도를 실험 과 함께 비교하여 표 2에 정리하였다. 여기서 프리스트레스 트 콘크리트 교각 실험체에 대하여는 이 연구의 해석결과가 실험결과에 비하여 크게 평가하고 있는데 추후 이에 대한 원인규명이 필요할 것으로 판단된다.

철근콘크리트 교각 실험체의 최대하중에 대한 실험값은

245.3 kN

이며 해석값은 243.2 kN이다. 프리스트레스트 콘크

리트 교각 실험체의 최대하중에 대한 실험값은 237.6 kN이 며 해석값은 280.9 kN이다. 그리고 프리캐스트 세그먼트 교 각 실험체의 최대하중에 대한 실험값은 214.9 kN이며 해석 값은 229.1 kN이다.

철근콘크리트 교각 실험체의 변위연성도에 대한 실험값은

6.8

이며 해석값은 8.0이다. 프리스트레스트 콘크리트 교각 실 험체의 변위연성도에 대한 실험값은 5.6이며 해석값은 7.2이 다. 그리고 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 변위연성도 에 대한 실험값은 8.3이며 해석값은 9.9이다.

유한요소해석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 각각 0.93과 0.09로서, 최대하중의 평균 값은 전반적으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있으며 변 동계수가 0.09에 불과하여 교각 실험체들의 비탄성 거동특성 을 전반적으로 잘 평가하고 있는 것으로 판단된다. 그리고 변위연성도에 대한 평균값은 실험결과 보다 다소 크게 평가 하고 있으나 교각 실험체들의 내진성능을 포함한 거동특성 을 비교적 정확하게 평가하고 있는 것으로 판단된다.

일련의 해석결과와 실험결과와의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 전 단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그먼트 교각과 철근콘 크리트 교각 및 프리스트레스트 콘크리트 교각의 비탄성 이 력거동을 적절히 평가하고 있으며, 개발된 철근콘크리트 구 조물의 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 이용함 으로써, 해석적 방법에 의한 프리캐스트 세그먼트 교각의 성 능평가가 가능할 것으로 판단된다.

4.

결 론

이 연구에서는 새롭게 개발된 전단저항 연결체를 갖는 프 리캐스트 세그먼트 교각의 거동특성과 성능평가를 위하여 실 험 및 해석적 연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1.

실험과 해석적 연구로부터 개발된 전단저항 연결체를 갖 는 프리캐스트 세그먼트 교각 실험체는 설계된 값을 잘 반영하고 있으며 충분한 소요성능을 갖고 있는 것으로 확

그림

20.

프리스트레스트 콘크리트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

그림

21.

프리캐스트 세그먼트 교각 실험체의 하중

-

변위 곡선

표

2.

실험 및 해석 결과의 비교

Specimen

Experiment Analysis

(1)/(3) (2)/(4) Vmax

kN (1)

δ

y

mm

δ

u

mm

μ

(2)

Vmax

kN (3)

δ

y

mm

δ

u

mm

μ

(4)

RC 245.3 7.7 52.5 6.8 243.2 7.5 60.1 8.0 1.01 0.85

PSC 237.6 9.4 52.5 5.6 280.9 7.4 53.0 7.2 0.85 0.78

PC 214.9 14.5 120.0 8.3 229.1 10.0 99.1 9.9 0.94 0.84

Mean 0.93 0.82

COV 0.09 0.05

인되었다.

2.

프리캐스트 세그먼트 교각에서 포스트텐션 방식을 사용함 으로써 잔류변위가 감소하는 효과를 이용하면 내진성능 향 상에 이용할 수 있을 것이다. 다만 동일한 drift ratio에서 철근콘크리트 교각에 비해 구조물의 에너지 소산능력을 감 소시키는 거동특성을 보이고 있어 이에 대한 고려가 필요 할 것으로 판단된다.

3.

제안한 해석기법과 모델은 전단저항 연결체를 갖는 프리 캐스트 세그먼트 교각구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었다. 향후 프리캐스트 세그먼트 교각구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.

4.

프리캐스트 세그먼트 교각의 경우 접합부의 제원특성에 따라 다양한 거동을 나타내게 되므로, 향후 접합면의 수직 강성, 점착력, 그리고 마찰각 등에 대한 실험적 매개변수 연구를 통하여 거동특성을 심도 있게 규명할 필요가 있다.

5.

이 연구에서는 전단저항 연결체를 갖는 프리캐스트 세그 먼트 교각 시스템을 개발하였으며, 더 나아가 개발기술의 적용과 성능향상을 통하여 차세대 교각시스템인 프리캐스 트 세그먼트 교각의 설계 및 시공기법을 완성할 수 있을 것으로 기대된다.

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접수일: 2008.3.17/심사일: 2008.4.29/심사완료일: 208.6.11)