1. 서 론
현재 국내 콘크리트 공사에서 사용되고 있는 현장 타설 콘 크리트 공법은 조형성의 자유도가 높고 복잡한 형상을 만드 는데 매우 적합할 뿐만 아니라, 단품 수주 생산으로 현장생산 이라는 건설공사의 특성에 매우 적합한 공법으로 널리 사용 하고 있다. 하지만 거푸집의 손실, 시공 효율이 낮으며, 거푸 집과 지지하는 동바리의 대량 필요, 현장의 균열 및 동절기 공 사 시 양생의 어려움 등으로 구조물의 품질 저하 그리고 철도 정거장 연변에서의 적절한 장비 조합의 불가로 다양한 문제 점을 내포하고 있다.
이에 비하면 프리캐스트 공법의 경우 현장타설 공법의 합 리화 및 생산성 향상, 거푸집 자재 절감 등의 환경문제, 노동
력 감소 및 시공 시의 안정성 등의 관점에서 프리캐스트 공법 의 적극적 도입 및 이를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다.
프리캐스트 공법은 구조물의 생산지와 설치 현장이 상이함 에 따라 필수적으로 철도 현장 운반을 위한 공정이 발생하는 데 프리캐스트 구조물의 운반이 부재의 규격에 제한이 발생 되어 공법의 장점에도 불구하고 폭넓은 현장 적용에 어려움 을 갖고 있는 것이 현실이다.
이에 현장 타설 콘크리트 공법과 같이 연속성을 가질 수 있 는 프리캐스트 일체화 기술을 철도정거장 토목/건축 구조물 적용성에 구조물의 실제 현장에서 이루어지는 방법과 동일하 게 설치 후 철도 기준에 준하는 설계 후 정적/동적 거동 해석을 통해서 최적 단면을 도출하며, 기존 동적 센서와 3축 가속도 측정 센서를 부착하여 프리캐스트 구조물의 손상 정도에 따 른 가속도 응답과 Mode 분석 자료를 비교하여, 프리캐스트 구 조물의 안정성에 대한 데이터와 철도 연변에서의 불확실성에 대한 개선과 향후 프리캐스트 구조물의 최적 연결 방법 제안 및 손상 예측 등에 대한 기초 자료로 활용하기 위함이다.
Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 5, October 2020, pp.53-60
https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.5.53 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
철도정거장 주변 PC 콘크리트 급속 시공 적용을 위한 PC 콘크리트 구조물 연결 방법 및 손상 정도에 따른 PC 구조물 정적/동적 응답에 대한 실험적 연구
박창진 1 , 정한중 2 , 박용걸 3*
A Test Study on the Static/Dynamic Response of PC Structures According to the Connection Method and Damage Degree of PC Concrete Structures for Rapid Application of PC Concrete Construction Around Railway Stations
Chang-Jin Park 1 , Han-Jung Jeong 2 , Yong-Gul Park 3*
Abstract: In this study, smart precast-in-place concrete, such as continuity with Precast any technology that can be the Application of Building Structures and railway stations, civil structures. After the same way in the field installation design based on the criteria railways and derived the right section, through the Static and Dynamic Response Analysis. Dynamic sensor and the triaxial acceleration measured by attaching the sensor acceleration response according to the extent of the damage of Precast Panel Structures and mode of Precast Structures, by comparing the data. Data for the stability and improvement of the uncertainty in along a railroad and Future of Precast Panel Structures of time to replace. This is to use this data as basic data on damage prediction.
Keywords: Mode Connection precast, Precast structure, Static analysis, Mode analysis, Weak section, Optimal design,rapid construction, broad-headed iron core
1
정회원, 서울과학기술대학교 철도전문대학 철도건설공학과 박사과정
대학원생
2
정회원, 서울과학기술대학교 철도전문대학 철도건설공학과 박사과정
2
대학원생 정회원, 철도과학기술대학교 철도전문대학원 철도건설공학과 교수
*Corresponding author: [email protected]
Seoul National University of Science and Technology, Seoul, korea
∙본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution
2. 프리캐스트 구조물 실험
2.1 프리캐스트 구조물의 정적 파괴실험 2.1.1 실험체
본론에서는 기본이론, 가정, 방법론 등을 상술하고 이론적 해석, 실험 또는 계산 결과와 그에 대한 분석 및 유관한 기존의 연구결과와의 비교 고찰 등에 관하여 기술한다.
시험체는 프리캐스트 보 구조물로 단순 지지형태의 보로 설계하였으며 프리캐스트 구조물의 중앙부에 여러 가지 연결 유형을 설정하여 시험체를 정하였다. 프리캐스트 구조물의 특성상 현장에서 조립 방법에 따라 중량 차이로 구조물이 연 결에 따라서 현장 적용성이 달라지기 때문에 연결하는 방법 에 따라서 구조적 검증이 필요하다. 따라서 일반적인 구조물
의 경우로 철근을 연속적으로 배근하는 경우와 기계적 이음 장치를 사용하는 경우로 구분하였으며, 기계적 이음장치는 기존에 사용되고 있는 제품, 및 최근에 개발된 제품을 사용하 였고, 또한, 기계적 이음장치를 사용하지 않고 철근 상세를 개 선하는 경우의 시험체에 대해서도 평가할 수 있도록 다양한 조건을 설정하여 총 4가지 유형으로 8개의 시험체를 제작하 였다. 시험체의 제원은 다음과 같고 콘크리트 압축강도는 35MPa, 철근은 SD400이다.
2.1.2 실험방법
일체형 실험체의 중앙부 및 다양한 프리캐스트 접합부의 실 험체의 중앙 접합부에 작용하는 모멘트가 0이 되도록 실험 세 팅을 계획하였다. 또한, 단부 지점에 상향 반력에 대하여 실험 체를 구속시키며, 일체형 실험체의 경우 분절형 실험체와의 비 교를 위하여 동일한 간격을 유지하여 실험을 실시하였다.
50
H25
B1 4@150=
600 200
50
H10
50 H25
600 800
50 P/2
H25
H10
150
50
50
4@150=
600
3.000
S1 B2
2@300=
600 50
400
3.400
350
300
P/2 B2
2@125=
250 200
50
300
400
B1 H25
2@300=
600 150
S1 GAGE NO.1(하부인장주근 H25)
(a) Continuous Reinforcement Test Body
GAGE NO.1(하부인장주근 H25) GAGE NO.1(하부인장주근 H25)
3.000 600
H25 4@150=
600
400
H10
350 B1
H25 800
50 2@300=
600
S1
200
50
B2
H25 50 P/2
H10
200 4@150=
600 150
300
H25
2@125=
250 P/2
50 2@300=
600 B1
3.400
50
커플러 S1
50 B2
150 50 30050
400
(b) Threaded jointed test specimen (coupler test design drawing)
300
A 50
50
150 A
400
550 150 A
50
50 150 B
커플러 커플러
50
2@300=
600 50
3.400
S1 P/2 B2
GAGE NO.1(상부압축주근 H25)
GAGE NO.2(하부인장주근 H25)
3.000
150 H25 P/2
150 200
50 B1 800
GAGE NO.1(상부압축주근 H25)
4@150=
600 200
H10 H25
GAGE NO.2(하부인장주근 H25)
A-A
300
4@150=
600
50
2@300=
600
400
600
(c) Block-out type tensile joint test design drawing (block-out test specimen)
GAGE NO.1(상부압축주근 H25) GAGE NO.2(하부인장주근 H25)
200
50
150
0.500
H10
50 PC CONC'
B1
50
50 P/2
2@300=
600 150
300
1.250
B2
3.000 1.250
H25
400
350 4@150=
600
B1
3.400
H25
50
S1
200 50
PC CONC'
50
50 B2
800
2@300=
600
400
H10
200
200 현장타설
S1
300
H25
2@125=
250 P/2
600
H25 4@150=
600
(d) Hook-iron root type connective test design drawing (hook test design drawing)
Fig. 1 Various jointed reinforcement details
(a) Laboratory test specimen setting
(b) Continuous reinforcement test
(c) Threaded joint articulated test
Fig. 2 Static test method(1)
구조물의 반복하중에 의한 구조 성능의 변화 여부에 대한 확인을 위하여 변위를 증가시켜 가면서 동일 변위에 대하여 3 회 반복실험을 하였다. 실험결과를 비교하여 구조 성능의 저 하 여부에 대한 분석을 실시하였다.
2.2 조립식 프리캐스트 구조물의 파괴실험 2.2.1 실험체 설계
콘크리트 부재 접합부의 철근 이음 상세에 대한 휨성능 검 증을 위하여 일반적인 철근 이음, 확대 머리를 갖는 철근 이음
등의 여러 가지 철근 상세를 설계하고 이들 철근 상세를 적용 한 보 시험체를 제작하여 정적 휨 실험을 수행하였다.
철근 이음 상세는 철근의 연결부가 없는 연속 철근 시험체 (REF), 확대 머리 철근을 이음 형식으로 교차 배열하고 인접 한 철근을 H13, H16 스터럽으로 묶은 시험체(HB-S13, HB-S16), 스터럽이 없는 확대 머리 끝단에서 철근을 연장하 고 구부려 압축부에 정착되도록 한 시험체(HB-S13-HK)로 시 험체 각 유형별 2개씩 총 10개의 실험체를 제작하여, 실험하 였다.
실험체의 크기는 300 × 400mm 2 이고 길이는 2,800mm이다.
주철근은 H19, SD400 철근이다. 확대 머리는 직경 50mm, 두 께 30mm의 원형 확대 머리이고 순지압면적은 약 6A b 이다.
확대 머리는 주철근 끝을 길이 40mm까지 나사 가공하여 체결 하였고 확대 머리에서 연장하는 경우는 구부린 철근이 보의 압축 철근 위치에 정착되도록 충분한 길이를 확보하였다.
스터럽 철근은 보의 전단 위험 단면에서는 H13 철근을 사 용하였고, 철근 이음부인 보의 중앙 단면 부근에서는 시험체 의 종류에 따라 H13, H16을 스터럽 형태로 주철근을 배근 하 였고, 별도의 Tie-down 철근이 좁은 간격에 배치되고 현장 조
125
50125
75
75
50
50 300
400 H13
4@150=
600
400
Detail A-A
A
150
300
H19 400
P/2
150 300
50 S1
A
200
50
20 B1
P/2
H13 800
T1 T1
600
300
4@150=
600
300
360 H13
Headed anchor D50, t30
Bottom
50
300
50
20 2.800
50 S1
2.400
Bar details
H19 H19
B1H19 B1H19
50 200
B1-1 50
(a) HB-S13 design drawing
H16 S1
S2 H13
50
T1
Headed anchor D50, t30
125
300 50
2.400 A H19
50 300
50
150
50 A
B1
400
400
Bar details
50 H16
75
S2 800
200 H19
20
75
50 125
360
20 B1-1
Detail A-A
P/2 P/2
A
H13 A
S1 H13
B1 2.800
150 50 200 300
50
H19 4@150=
600
300
300
50
4@150=
600
400
300
S1
600
Bottom
H13 T1 H19
B1 H19
(b) HB-S16 design drawing
300 B1 400 H13
125
50
75 50
H19
300
50 T1
50
H19 S1
H19 H13
50 7512550 300 B2
P/2 S1 P/2
50 75 S1
125
50
Detail A-A
300
50
50
H13
300
400
2.800
50
150
300
T1
200
50
4@150=
600
400
300 H19
4@150=
600
Bar details
A A
B2 H19 50 300
600
200 50
2.400 150
Headed anchor D50, t60 40020 360
20 B1-1 H13
Bottom
(c) HB-S0-HK design drawing
S1 S2
H13 H13
20
125
T1
300
H19
300
H13
B1-1
75
50
Headed anchor D50, t60 360
50
50
50
B2 H13
Bottom
B1-1
125
400
20
300
400
300 S2
Detail A-A
400
50
50
H13 50 H13
50
S1 H19
75
P/2 S1
B2 H13
H19
2.800 A
150
A T1
200
4@150=
600 300
H19
4@150=
600 2.400 150
800
Bar details
P/2
300 600
B2 H19 50 200 50
(d) HB-S13-HK design drawing
S1 H13
B4 H19 A
A
B4
Detail A-A
H19 P/2
Bottom
S1 H13
2.800
150 200
4@150= 70
600 160
300 70
4@150=
600
300 300
50
600
30050
400
T1 H19 P/2
H19 50 200 50
2.400 150
800
50 30050
T1 H19
B4
400
(e) REF design drawing
Fig. 3. Static test method(2)
립이 번거로울 것으로 판단되어 배치하지 않았다. 철근 이음 구간은 교차되는 확대 머리 철근의 양쪽 끝단에서 20mm 연장 한 위치를 기준으로 400mm가 되도록 하였다. 콘크리트 압축 강도는 압축 강도시험 결과 약 30MPa이며, 철근의 항복강도 는 약 480MPa 측정되었다.
2.2.2 실험방법
시험체 끝단에서 200mm 지점에 힌지 지점을 설치하였으 며 중앙에서 양쪽으로 400mm 떨어진 위치에 하중을 재하하 여 4점 휨시험을 하였다. 하중은 2000kN 용량의 만능시험기 를 사용하였으며 0.05mm/min의 속도로 단조 가력하였고, 시 험체의 중앙부에 압축 철근 및 확대 머리 철근에 변형률 게이 지를 각 철근마다 부착하였으며 시험체의 중앙 하면에는 변 위계(LVDT)를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다.
2.3 프리캐스트 구조물의 손상 예측 시험 2.3.1 실험방법
대상구조물을 프리캐스트 부벽식 옹벽 구조물로서 실제 옹 벽 구조물 시공현장에 사용되는 실구조물을 대상으로 실험을 수행하였다. 옹벽은 배면의 토압이 작용하고 토사가 접해있을 경우 배면토에 의해 감쇠가 발생할 것으로 예상되어 구조물을 시공하기 전 출고 준비 중인 구조물을 대상으로 모의실험을 수 행하였다. PC 옹벽 구조물의 형상과 제원은 다음과 같다.
3. 실험결과
3.1
3.1.1 연속 철근 실험체
연속 철근 시험체의 하중-변위 곡선에서 구조물의 변위는 하중 증가에 따라 거의 선형으로 증가하고 공칭강도 이후부 터는 재료 비선형성으로 인해 강성의 변화가 나타남을 알 수 있었다.
하중-변형률 관계에서도 시험 초기의 강성의 변화가 있는 데 이는 시험체 하면의 인장 균열 발생 시점이고 그 이후 선형 적 변화를 나타낸다. 공칭강도 이후에는 철근의 항복 시점에 도달하여 변형률이 크게 증가하는 현상이 나타나는데 일정 하중 이후에는 항복상태로 지속됨을 알 수 있다. 이때 공칭강 도는 철근의 공칭응력을 기준으로 산정되었기 때문에 실제 철근의 항복강도는 공칭 값 보다 높다. 따라서 공칭강도를 하 중의 손상 허용한계로 설정하는 것은 파괴 시에 대한 구조물 의 안전성의 약간의 여유를 고려하면 타당하다고 볼 수 있으 며, 압축 철근의 경우는 최대 파괴 하중까지 거의 선형적으로 증가하고 있음을 확인하였다. 이는 콘크리트의 파괴 시 변형 률로 볼 수 있는 0.003에 도달하지 않았기 때문이며, 이는 보 의 설계가 연성 파괴 보로 설계되었기 때문이다. 따라서 연성 파괴 보에 대한 변형률 검증이 된 경우에는 인장 철근에 의한 구조물의 거동 분석 또는 손상, 안전성 평가에 활용 가능함을 알 수 있다.
3.1.2 커플러 실험체
커플러 시험체의 경우는 약 810kN의 하중에서 인장측 커 플러 철근(나사철근)이 항복하였으며 하중 증가에 따라 변형 률이 계속 증가하는 양상을 나타내었다. 이에 반해 압축측 커 플러 철근은 약 –350μ ~ -580μ의 범위로 압축변형률이 상대적 으로 매우 낮게 나타났으며, 변위는 약 810kN에서 강성의 변 화를 나타낸 이후 계속 증가하고 있음을 알 수 있었다.
이러한 결과는 실험체 하면에 인장 균열이 발생한 이후 커플 러 철근이 콘크리트와 일체가 되어 휨거동을 하지 못하고 커플 러 철근과 콘크리트 사이에 슬립이 발생하여 인장측 콘크리트 의 파괴를 유발함으로써 균열폭이 증가하였고 그로 인해 중립 축이 압축측으로 이동함과 동시에 단면의 강성이 약해진 것에 원인이 있다. 따라서, 커플러를 이용한 실험체의 실험 단면 강 도는 설계 강도를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
따라서, 실험 시 사용된 커플러는 커플러 자체의 문제보다 커플러 철근의 정착길이 연장 또는 정착방식의 개선이 필요 하며, 커플러 철근과 콘크리트 간의 부착력이 충분히 발휘되 지 않을 경우 구조물의 손상, 소요 강도 등 확보되기 어려우므 로 철근 상세에 대한 구조검토가 선행되어야 하며, 그에 따른 손상 및 보수 평가, 안전성 평가 기준은 수정돼야 판단된다.
3.1.3 블록 아웃 실험체
블록 아웃 시험체는 인장 저항형 박스 체결장치의 간이형 커플러로서 철근과 블록은 나사로 체결되는 구조이다. 이 경 우 순수 인장을 받는 경우 어느 정도 성능을 나타낼 수 있으나 휨과 인장을 동시에 받는 경우는 면외 변형에 의해 하중전달 이 원활하지 못한다고 판단된다.
배 수 홀
단 면 도
100x100
S=1:20
정 착 앵 커 5t용, L=220mm
?100 5t용, L=220mm
정 착 앵 커
배 수 홀
?100-?70
