The Development and Application of Unified Prestress System with Post-tension and Post-compression for Bridge

(1)

프리스트레스 시스템

The Development and Application of Unified Prestress System

with Post-tension and Post-compression for Bridge

(2)

Unified Prestress System for Bridge

1. 서론

2. 일체긴장 시스템의 개발 3. 역학적 거동 연구

4. 실험 검증 연구

(3)

제 1 장 서 론

서 론 제 1 장

서 론

(4)

[연구배경]

프리스트레스와 교량

(5)

Prestress의 교량적용

1900 1950 2000

공식화 (특허)

정착

시스템 최초교량 포스트

컴프레션바이프레 고강도

강연선

<최초의 특허>

<최초 정착시스템>

<최초의 교량(미국)>

 짧은 교량적용 기간

 but 핵심기술

(6)

Prestress의 교량적용

 교량의 거더는 외력에 의한 휨응력을 받는 부재

 강연선을 이용한 Prestress는 휨성분과 함께 축방향성분이 존재

+ -

[ post-tension ] [ external load ]

-

+ -

+

+ = -

+ -

+ =

axial flexural combined axial flexural combined

tendon

 인장에 약한 재료인 콘크리트와 조합되어 폭넓게 사용

+

- +

+ - = -

(7)

Prestress 교량의 장경간화/저형고화

 하연의 인장응력은 프리스트레스의 증가로 해결가능

 거더 상연의 압축응력을 해결하여야 함

<도로공사 표준단면>

<장경간화의 문제>

2,000

(8)

[연구배경 및 목적]

기존기술 개요 및 한계

(9)

해결방안1: Bulb Tee단면

 상연의 응력감소

 단면최적화 결과에 부합

<AASHTO-PCI단면>

<미국 NY주> <국내 IPC거더>

<일본표준:JIS A 5316>

(10)

Bulb Tee단면 거더의 문제

 제작단계: 전도사고의 위험이 크다.

 공용단계: 사용재료대비 단면2차모멘트가 작다  처짐 등에 불리

<전도사고>

<단면효율성>

 강연선에 의한 프리스트레스로 국한한 경우의 최적단면

 응력에 대해서만 최적단면  시공안전성, 사용성 고려필요

(11)

 1977년 오스트리아에서 Post-Compression 최초의 적용교량

 1985년 일본의 바이프레공법

해결방안2: 포스트 컴프레션(post compression)

 포스트 텐션(post tension)과의 조합  인장에 약한 콘크리트

 축방향성분이 배제된 프리스트레스(휨 프리스트레스)

[ post-tension ]

[ post-compression ]

-

+ -

+

+ = -

+

- +

+ =

+ -

axial flexural combined

axial flexural combined 인장재

압축재

[post-tension + post-compression]

+ =

post-

tension post-

compression combined

+

- -

+ +

-

압축재

인장재

(12)

바이프레(BiPre)공법

 1985년 가와바타교에 최초적용 / 최저형고 PSC교량(640개소 이상의 교량)

(13)

 복잡한 긴장작업, 많고 복잡한 정착부 보강 필요

 방법의 개선필요 [ 1:강선긴장 및 정착]

[ 2:강봉압입 ]

[ 3:강봉정착 ]

정착부(보강1)

잭반력부(보강2)

정착부(보강3)

Post compression 문제점

(14)

제 2 장 서 론

일체긴장 시스템의 개발 제 2 장

일체긴장 시스템의 개발

(15)

 개별축력  개별긴장 및 정착필요

 최종단계  개별축력은 상쇄

기존방법의 개선

[ post-tension ]

[ post-compression ]

-

+

+ -

+ +

+ -

axial flexural

axial flexural 인장재

압축재

combined + -

 개별긴장  동시긴장

(16)

 긴장단계의 간편화  인장재와 압축재에 동시에 힘을 도입

 불필요한 정착구 보강 생략

압축재

인장재 정착부재`

개선된 방법의 고안

[ 기존방법 ]

[ 개선방법 ]

[ 평면배치 ]

 긴장방향의 일치  인장재(텐던)의 배치변경

 인장재와 압축재의 일체화를 위한 정착구  힘의 평형

 정착부재의 거동필요(cf. Post-tension)  역학적 정식화

 휨 프리스트레스의 도입 검증  실험적 검증

일체긴장 시스템 Unified Prestress System

(17)

 인장재(tendon)와 압축재(PS bar)

 일체긴장 연결구(긴장측, 비긴장측)

 인장재의 긴장력을 압축재에 전달

PS bar

tendon

Linear Parabolic Linear

일체긴장 연결구

Tendon

PS bar Duct

일체긴장 연결구 상세 일체긴장 연결구 상세

일체긴장 시스템의 개요

 콘크리트의 탄성수축은 발생하지 않음

 압축재의 탄성수축을 위해 일체긴장 연결구의 거동

(18)

+ + =

Axial

Axial flexuralflexural AxialAxial flexuralflexural combinedcombined

+

인장재에 의한 응력

인장재에 의한 응력 압축재에 의한 응력압축재에 의한 응력

Basic Concept Method Basic Concept Method

일체긴장 시스템의 프리스트레스

 인장재의 응력 = 축압축 + 부모멘트1

 압축재의 응력 = 축인장 + 부모멘트2

 일체긴장 시스템의 응력 = 부모멘트1 + 부모멘트2

(19)

Load Balancing Method Load Balancing Method

일체긴장 시스템의 프리스트레스

2

) 1 (

8 l

e e

w P 

등가하중



등가하중 ^{단부편심모멘트}^{단부편심모멘트}

M  P  e 1  P  e 1  0

e e1

+ + =

Axial

+

 인장재의 포물선 배치에 따른 휨모멘트 발생, 단부 모멘트는 상쇄

(20)

+ + =

Axial

+

+ + =

Axial

+

Basic Method Basic Method

Load Balancing Method Load Balancing Method

일체긴장 시스템의 프리스트레스 정리

 휨 성분만 존재하는 프리스트레스 도입

 압축재의 역할: 인장재의 축방향력이 거더에 전달되지 않도록 하는 역할

(21)

제 3 장

역학적 거동 연구 제 3 장

역학적 거동 연구

(22)

거동 개요

(23)

 유압잭을 활용한 인장재의 신장  늘음량 발생

 인장재의 긴장반력을 이용한 압축재의 압축  축방향변형(일체긴장 연결구의 이동)

C(x) : 압축재의 축력 T(x) : 인장재의 축력

δ

_s

: 인장재의 늘음량(연결구면에서 측정) δ

₁

: 긴장측 일체긴장 연결구의 이동량 δ

₂

: 비긴장측 일체긴장 연결구의 이동량 δ

_c

: 압축재의 탄성변형량 (= δ

₁

– δ

₂

)

δ

_T

: 인장재의 탄성변형량 (= δ

_s

– δ

_c

)

일체긴장 시스템의 긴장시 거동

δ

₁

δ

₂

δ

_s

x=0 x=L

T(x)

C(x)

(24)

Type 이동방향 이동의 원인 이동 결과

긴장측 연결구

A1

거더외측 압축재의 탄성신장 압축재의 힘 감소

A2

거더내측 압축재의 탄성수축 압축재의 힘 증가

비긴장측 연결구

P1 거더외측

C(L) > T(L) C: 압축재의 힘 T: 인장재의 힘

인장재의 힘 증가

P2 거더내측

C(L) < T(L) C: 압축재의 힘 T: 인장재의 힘

압축재의 힘 증가

긴장측 연결구 비긴장측 연결구

A2

A1 P2 P1

일체긴장 연결구의 이동

(25)

마찰에 따른 기본거동

(26)

 비긴장 측에서도 힘의 평형이 자연히 이루어짐 cf) 마찰손실량이 같은 경우

Force

L x 0

T(0)=C(0) C(L) = T(L)

δ

₁

δ

₂

δ

_s

마찰손실이 없는 경우 or 같은 경우(case1)

(27)

 비긴장 측에서 힘의 평형이 이루어지지 못함

 힘의 평형을 이루는 방향으로 거동

Force

L x 0

T(0)=C(0)

C(L) δ

₁

δ

₂

δ

_s

T(L)

P2 P1

 P2방향의 힘: 인장재

 P1방향의 힘: 압축재

 P1방향으로 이동

(늘음량 증가, 마찰방향 반대)

인장재의 마찰이 큰 경우(case2)

(28)

Force

L x 0

T(0)=C(0)

C(L) T(L)

Force

x T(0)=C(0)

T(L)=C(L)

a

 마찰력의 방향이 바뀌는 점 존재

 힘의 평형 성립

 비긴장측 연결구에서의 힘의 평형을 위한 거동  거더외측방향의 거동

A2 P1

인장재의 마찰이 큰 경우(case2)

(29)

일체긴장 시스템의 개념적 거동량(case2)

Force

L x

0 a

Force

L x

0 a

Force

L x

0 a

+

긴장측 연결구 거동량 긴장측 연결구 거동량 비긴장측 연결구 거동량

비긴장측 연결구 거동량

Force

L x

0 a

Force

L x

0 a

+

인장재의 늘음량 인장재의 늘음량

1

2

0 0

1 0

) 4

( 2

) 2 (

4 L

L

l

L l

a L

T T

c







        

(30)

b

Force

L x 0

T(0)=C(0)

T(L) C(L)

Force

L x 0

T(0)=C(0)

T(L)=C(L)

b

 비긴장측 연결구에서의 힘의 평형을 위한 거동  거더내측 방향으로 이동

A2 P2 P1

압축재의 마찰이 큰 경우(case3)

c

T T

c L l

b 









2 4 ₀ 

 

(31)

Type Case2 Case3

조건

압축재의 변형

인장재의 변형

비긴장측 연결구 거동량

비긴장측 연결구 거동방향 거더외측방향 거더내측방향

긴장측 연결구 거동량

인장재의 늘음량

일체긴장 시스템의 거동정리

(32)

제 4 장 서 론

실험 검증 연구 제 4 장

실험 검증 연구

(33)

PSC 사각보 실험

(34)

 목적1: 일체긴장 시스템의 긴장시 거동이 정식화와 같이 거동하는지 확인

 목적2: 휨 프리스트레스가 도입되었는가 확인

 일체긴장 시스템을 적용한 보와 일반 프리스트레스만 도입한 거더와의 비교

 시험체 사이즈: 800 x 450 x 10000

PSC 사각보 실험체

[일체긴장보]

[일반긴장보]

[일체긴장보] [일반긴장보]

(35)

 19가닥 텐던을 중앙으로 공통배치

 최종단계에서 거더하연의 응력을 유사하게 함

일체긴장보 응력(Mpa) 일반긴장보 응력(Mpa)

단계 상연 하연 단계 상연 하연

자중 -2.41 2.41 자중 -2.36 2.41

19 strands 텐던 -7.99 -7.98 19 strands 텐던 -7.71 -8.13 일체긴장

(7 strands) 10.69 -10.69 9 strands 텐던 3.43 -11.08

합계 0.29 -16.27 합계 -6.64 -16.81

구분

순단면계수 충실단면계수 긴장력(kN)

A (m²)

y (m)

I (m⁴)

A (m²)

y (m)

I (m⁴)

일체긴장 (2-7)

Tendon1 (19)

Tendon2 (9) 일체긴장보 0.3444 0.400 0.01919 0.3967 0.362 0.01921 1000 2750

일반긴장보 0.3471 0.404 0.01919 0.3833 0.375 0.01920 2750 1350

PSC 사각보 실험체의 구조계산

(36)

PSC 사각보 실험체의 제작전경

베드설치 철근/쉬스관 설치 단부거푸집 설치 강봉삽입

거푸집설치 콘크리트 타설 탈형 강선삽입

(37)

긴장시 변형률

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0

Micro strain

mea_upper mea_lower cal_upper cal_lower

Tendon1 (19 strands) 일체긴장

-600 -500 -400 -300 -200 -100 0

Micro strain

mea_upper mea_lower cal_upper cal_lower

Tendon1 (19 strands) Tendon2 (9 strands)

일반긴장보 일반긴장보 일체긴장보

일체긴장보

 자중에 의한 응력에서 차이 발생  하연의 자중응력 발현 딜레이 - 지점조건이나 솟음변형 발생

 구조계산에 잘 부합: 휨모멘트의 도입효과

(38)

구분

일체긴장 연결구

강선의 늘음량

긴장측 비긴장측

설계값 37.6 mm 18.6 mm 74.6 mm

계측값 36.3 mm 18.2 mm 77.4 mm

계측/설계 96.5 % 97.8 % 103.8 %

일체긴장 시스템의 긴장시 거동

 case2(인장재의 마찰이 큰 경우) 거동

 설계값과 계측값의 부합( 5% 비오차 이내 )

(39)

 하연에 도입된 프리스트레스가 유사하므로 강성변화 위치는 유사 (프리스트레스 도입후: 16.27 vs 16.81)

 인장부의 9가닥 강연선과 7가닥 강연선의 차이로 극한하중은 일반긴장보가 크다 일반긴장보

일반긴장보 일체긴장보

일체긴장보

일체긴장 시스템의 가력시험

(40)

400㎜

일반긴장보 일반긴장보 일체긴장보 일체긴장보

 균열패턴의 차이  휨성분 프리스트레스

The Development and Application of Unified Prestress System with Post-tension and Post-compression for Bridge

프리스트레스 시스템