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태웅 심
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1 Journal of Korean Society of Construction Vol.29, No.4, pp , August, 2017 ISSN(print) X ISSN(online) DOI 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 최병호 1 * 김태봉 2 박성균 3 1 교수, 한밭대학교, 건설환경공학과, 2 위촉연구원, 한밭대학교, 건설안전기술연구소, 3 부장, 코비코리아교량 3 팀 Flexural Performance of Multistage Prestressed and Self-weight Preflex Girder Choi, Byung Ho 1 *, Kim, Tae Bong 2, Park, Sung Kyun 3 1 Associate Prof, Dept. of Civil & Environmental Engineering, Hanbat National University, Daejeon, 34158, Korea 2 Researcher, Institute of Construction Safety Technology, Hanbat National University, Daejeon, 34158, Korea 3 Specialist. Member. Bridge 3, COWI KOREA., Suwon, 16439, Korea Abstract - This paper deals with the flexural performance of a composite girder system designed to readily form a composite section without a formwork and to easily realize multistage preflexing and prestressing. After a 3-Dimensional finite element modeling for construction stage analysis, the parametric numerical analysis was performed to analyse the stress distribution on the composite girder sections and the prestressing effects along with concrete pouring method and strand tensioning method. Based on the stress distribution analysis, a favorable construction stage model has been rationally chosen and then the ultimate flexural strengths were evaluated to conduct a comparative study, which exceed the nominal flexural strength suggested by the current design specification(asd). It can be concluded that the proposed composite girder and fabrication procedure should have a sufficient structural performance. Keywords - Construction stage analysis, Flexural strength, Prestressed girder, composite girder, Structural performance 1. 서론 강재 콘크리트합성거더는콘크리트와강재의장점을극대화해서효율적으로강성을증가시키고소요단면및재료물량을감소할것으로기대되기때문에교량에도활용되어오고있다. 강합성거더의제작방법은공장에서분절제작된강재거더를현장에서조립하여거치한후이에거푸집을설치하여콘크리트를합성시키고프리스트레스를도입하는방식이널리사용된다. 따라서현장에서의거푸집설치, 콘크리트타설및탈형, 프리스트레스 ( 또는프리플렉스 ) 재 Note.-Discussion open until February 28, This manuscript for this paper was submitted for review and possible publication on June 29, 2017; revised July 24, 2017; approved on July 26, Copyright c 2017 by Korean Society of Construction * Corresponding author. Tel Fax bhchoi@hanbat.ac.kr 하등일련의추가적인제작공정을요한다. 이로인해, 현장작업장의사용여건에따른소요비용이상승되거나거푸집관련작업으로인해제작기간이연장되는등의불가피한문제점들이경쟁력을잃게할수도있다. 이에따라, 현장에서의소요작업을단순화시키는것이합성거더교량의건설비용저감및시공안전성을제고하기위한중요한개선점으로써대두되고있다. 이연구에서는현장에서의제작및가설이용이하며위치별로각단위모듈거더에사용될소요재료물량, 단면강성과긴장력도입을비교적쉽게최적화할수있도록고안된다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더를대상으로시공단계를고려한수치해석모형을수립하고제작과정과단계를변수로하는구조해석적변수연구를수행하여, 해당기술의효과를정량적으로비교평가하고자한다. 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 311

다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 2. 이론적배경및변수연구방법 2.1 다단계프리스트레싱합성거더기본구성이연구의대상이되는다단계프리스트레싱합성거더 [1] 는거푸집겸용절곡부재를적용한합성거더로써, Fig. 1과같이상부방향으로상하부플랜지를절곡하여거푸집의설치없이간편하게합성단면을형성한다.

Cross-section of multistage prestressed composite girder Table 1. Fabrication procedure of the girder system Stage Procedures Step 1 girder setup Step 2 Upper concrete preflex 구성하였다.

그다음거푸집의설치없이간편하게콘크리트를타설하여합성단면을형성하고구간별로배치된강연선에단계적프리스트레스를도입하는제작방식을택한합성거더형식이다. 이의상세한제작단계는 Table 1과같다. 2.2 제작단계에관한변수연구이논문에서다루는합성거더는다단계프리스트레싱과정으로인하여공용하중을재하하기이전에각부재별로선응력이도입되므로제작단계및방식에따라응력분포와단면성능이달라질수있다.

Table 2에서보는바와같이콘크리트타설방법은상하부플랜지콘크리트를동시에타설하는방법과상부플랜지콘크리트와하부플랜지콘크리트를분리해서타설하는방법으로나뉜다. 강연선긴장방법은중앙부에설치된강연선에긴장력을도입한다음전구간에설치된강연선에긴장력을도입하는단계긴장방법과전구간에설치된강연선에긴장력을도입하는전체긴장방법두가지가있다.

2 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 2. 이론적배경및변수연구방법 2.1 다단계프리스트레싱합성거더기본구성이연구의대상이되는다단계프리스트레싱합성거더 [1] 는거푸집겸용절곡부재를적용한합성거더로써, Fig. 1과같이상부방향으로상하부플랜지를절곡하여거푸집의설치없이간편하게합성단면을형성한다. 그다음절곡되어형성된공간부에콘크리트를채우고, 단순보양단지지조건하에서자중프리플렉스및다단계프리스트레싱을구현할수있도록단면을구성하였다. 다단계프리플렉스및프리스트레싱합성거더는일반적인기존강합성거더의제작단계를보완하여시공기간을줄이고, 단계적긴장력을도입하여높은구조효율성을갖도록 Fig. 1. Cross-section of multistage prestressed composite girder Table 1. Fabrication procedure of the girder system Stage Procedures Step 1 girder setup Step 2 Upper concrete preflex 구성하였다. 기존강합성거더는제작장에서강재를분절하여제작하고현장에서연결한후, 강재거더에거푸집을설치하고콘크리트를타설한다음프리스트레스를도입하는제작과정을거친다. 이에반면, 이합성거더는강재후판의양끝단을상부방향으로절곡하여거더플랜지용 U형부재를제작한후 U형절곡부재내부에철근및강연선을배치한다. 그다음거푸집의설치없이간편하게콘크리트를타설하여합성단면을형성하고구간별로배치된강연선에단계적프리스트레스를도입하는제작방식을택한합성거더형식이다. 이의상세한제작단계는 Table 1과같다. 2.2 제작단계에관한변수연구이논문에서다루는합성거더는다단계프리스트레싱과정으로인하여공용하중을재하하기이전에각부재별로선응력이도입되므로제작단계및방식에따라응력분포와단면성능이달라질수있다. 따라서다양한제작과정에따라각부재에발생하는시공단계별응력양상과구조성능을정량적으로비교평가하기위해아래 Table 2와같이 4가지경우의변수해석모델을선정하였다. 선정된해석모델은콘크리트타설방법과강연선긴장방법을변수로지정하였고, 이를각기고려한제작단계에관한시공단계별변수해석을수행하였다. Table 2에서보는바와같이콘크리트타설방법은상하부플랜지콘크리트를동시에타설하는방법과상부플랜지콘크리트와하부플랜지콘크리트를분리해서타설하는방법으로나뉜다. 강연선긴장방법은중앙부에설치된강연선에긴장력을도입한다음전구간에설치된강연선에긴장력을도입하는단계긴장방법과전구간에설치된강연선에긴장력을도입하는전체긴장방법두가지가있다. 다단계프리플렉스및프리스트레싱합성거더는하부플랜지에설치된강연선에프리스트레싱을도입함으로써, 공용하중재하이전에각부위별로적정량의선응력이도입된다. 따라서합성거 Step 3 Lower concrete preflex Step 4 1 st stage prestressing Step 5 Multi-stage prestressing Table 2. Parametric analysis cases Cases Upper / lower concrete pouring method Long / short tendon prestressing method 1 Separate Separate 2 Separate Simultaneous 3 Combined Separate 4 Combined Simultaneous 312 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월

최병호 김태봉 박성균 더에는편심모멘트 ( 부모멘트 ) 가유발되어상부플랜지콘크리트부재에는인장응력 (+) 이작용하고, 하부플랜지콘크리트부재에는압축응력 (-) 이작용할것으로예상된다.

이러한특성들을고려하여이논문에서는각제작단계별합성단면에대한극한휨거동과강연선긴장력도입에따른보강효과를수치해석적으로분석하고 3차원유한요소해석을수행하여평가하였다.

1 기본구성및제원 이해석적연구를위한해석모델의단면은콘크리트와강재의장점을혼용하여개발된다단계프리스트레싱합성거더 [3],[4] 를기반으로하고도로교설계기준 (2010) 의허용응력요구조건에만족하도록단면제원을선정하였다. 연구에서사용된합성거더모델의상세한단면제원은 Table 3과같다.

2와같이 4가지해석모델로써정해졌으며, 이에따라시공단계별수치해석을수행하였다. Table 3.

3 최병호 김태봉 박성균 더에는편심모멘트 ( 부모멘트 ) 가유발되어상부플랜지콘크리트부재에는인장응력 (+) 이작용하고, 하부플랜지콘크리트부재에는압축응력 (-) 이작용할것으로예상된다. 또한단계적으로긴장력을도입하면외측부상부플랜지콘크리트부재에는긴장력을한꺼번에도입시킨전체긴장모델에비해인장응력발생량이감소될것으로예상된다. 또한, 상하부플랜지콘크리트를분리타설함으로써하부플랜지콘크리트타설시에기설치된상부플랜지콘크리트에압축응력이유발되면상기의인장응력은상당히상쇄된다. 이러한특성들을고려하여이논문에서는각제작단계별합성단면에대한극한휨거동과강연선긴장력도입에따른보강효과를수치해석적으로분석하고 3차원유한요소해석을수행하여평가하였다. 이로부터 4가지제작단계중공용하중재하이전의선응력발생양상이가장유리한표준모델을선정하여도로교설계기준 (2010) [2] 에서제시하는공칭내하력과비교분석을수행하였다. (a) Case 1 (b) Case 2 3. 수치해석모델링 3.1 기본구성및제원 이해석적연구를위한해석모델의단면은콘크리트와강재의장점을혼용하여개발된다단계프리스트레싱합성거더 [3],[4] 를기반으로하고도로교설계기준 (2010) 의허용응력요구조건에만족하도록단면제원을선정하였다. 연구에서사용된합성거더모델의상세한단면제원은 Table 3과같다. 이미언급된바와같이합성거더는강거더와콘크리트로구성되며, 모듈및구간별강연선배치방안과단계별소요긴장량을합리적으로예측하고결정하기위해시공단계별변수해석이요구된다. 이에제작단계를고려한수치해석적모형을수립하였다. 변수해석을위한콘크리트타설순서와강연선긴장방법은 Fig. 2와같이 4가지해석모델로써정해졌으며, 이에따라시공단계별수치해석을수행하였다. Table 3. Girder dimensions b s t s h f b f t w D h H 2, ,364 1,604 (c) Case 3 (d) Case 4 Fig. 2. Model cases 3.2 재료특성 강재후판강재재료모델은고인성강재 HSB500 을사용하고, 강재를구성하는상하부플랜지및복부판두께는 12mm 를적용하였다. 강재의기준항복강도는설계기준에서제시하는항복강도 380MPa 을사용하고, 완전탄소성비선형재료모델을적용하였다 콘크리트콘크리트재료모델에적용된콘크리트설계강도 ( ) 는다음과같다. 상하부플랜지콘크리트의압축강도는 45MPa, 바닥판콘크리트의압축강도는 27MPa 을사용하였다. 합성거더콘크리트부재의휨거동특성을해석적방법으로얻기위해서는재료의응력 변형률관계를사용해야한다. 이는 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 313

4 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 모멘트 곡률관계와같은유사한양상을보인다 ( 이형준, 2013) [5]. 이를참조하여이논문에서는보통강도콘크리트와고강도콘크리트에모두적용할수있는응력 변형률관계곡선을이용하였다. 콘크리트응력 변형률관계곡선은널리적용되고있는 Hognestad가제시한식 (1) 과같은곡선으로가정하였다. 이해석모델에적용된응력 변형률곡선 은 Fig. 3과같고, 응력 변형률은 Table 4에나타낸바와같다 강연선 (1) 해석모델의 PC강재는 KS D 7002 SWPC7B 저릴렉세이션강재를사용하였다. 강재의기준인장강도는 1900MPa, 기준항복강도는 1600MPa 이며, 강연선의공칭단면적은 138.7mm 2 이다. 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더경간별실측압축력을재하하고다단계프리스트레싱을구현할수있도록강연선을구간별로배치하였다. 강연선구간별단면배치방안은아래 Fig. 4와같다 이형철근 (a) Upper and lower flange concrete 해석모델의철근의규격은 SD40을사용하였고, 기준항복강도는 400MPa, 공칭단면적 126.7mm 2 의이형철근을강재거더상하부플랜지에종방향으로배치하였다. 철근배치는 Fig. 5와같이상하부플랜지에동일한간격을적용하였다. 3.3 유한요소해석모델링 이연구에서는유한요소해석모델의강재재료물성치는현행설계기준을준용하여탄성계수는 205,000MPa, 포아 Table 4. Stress-strain data (b) Slab concrete Fig. 3. Stress-strain curve Upper and lower flange concrete Slab concrete Ascending Descending Ascending Descending f c f c f c f c ε c ε c ε c ε c MPa MPa MPa MPa (a) Side-span (b) Middle-span Fig. 4. Arrangement of prestressing tendons in lower flange (concrete member in steel casing) (a) Upper flange (b) Lower flange Fig. 5. Reinforcement plan 314 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월

최병호 김태봉 박성균 송비는 0.3을적용하였다. 콘크리트와강재와의접합면은 완전합성으로가정하여서로절점을공유하는방식으로모 델링에적용하고, 경계조건은 Fig. 6과 Table 5에나타낸바 와같이합성거더의하부플랜지에단순지지조건을적용하 (a) Support A (b) Support B Fig. 6. Boundary conditions on girder cross-sections Table 5.

강재거더를형성하는강재후판은 Von Mises 재료비선형모델을적용하고, 합성플랜지를형성하는상하부플랜지와바닥판콘크리트는완전탄소성비선형재료모델및이산균열모델의전변형률균열모델 (total strain crack model) 을각각적용하였다. Fig.

수치해석을위해유한요소해석범용프로그램인 Midas FEA [6] 를이용하였으며, 강연선단계긴장및콘크리트타설순서와같은제작단계를적절히고려한시공단계별탄성해석및비선형해석을수행하였다. 이때하중은 Fig. 8과같이단순보모델의중앙부에집중하중으로재하하고, 긴장력에 Table 6.

5 최병호 김태봉 박성균 송비는 0.3을적용하였다. 콘크리트와강재와의접합면은 완전합성으로가정하여서로절점을공유하는방식으로모 델링에적용하고, 경계조건은 Fig. 6과 Table 5에나타낸바 와같이합성거더의하부플랜지에단순지지조건을적용하 (a) Support A (b) Support B Fig. 6. Boundary conditions on girder cross-sections Table 5. Boundary conditions No. T x, T r T y, T θ T z, T z R x, R r R y, R θ R z, R z Coord. system A Rectangular B Rectangular C Rectangular Free Fixed 였다. 강재거더를형성하는강재후판은 Von Mises 재료비선형모델을적용하고, 합성플랜지를형성하는상하부플랜지와바닥판콘크리트는완전탄소성비선형재료모델및이산균열모델의전변형률균열모델 (total strain crack model) 을각각적용하였다. Fig. 7과같이균열축을취급하는방법에따라고정균열모델 (fixed crack model) 및회전균열모델 (rotating crack model) 로구분되는두가지방법을제공한다. 전자는균열축이한번결정되면변화하지않는것으로가정하는방법이며, 후자는주변형률의변화에따라균열방향이계속해서회전한다고가정하는방법이다. 이해석모델에는 Fig. 7(a) 방법을적용하였다. 수치해석을위해유한요소해석범용프로그램인 Midas FEA [6] 를이용하였으며, 강연선단계긴장및콘크리트타설순서와같은제작단계를적절히고려한시공단계별탄성해석및비선형해석을수행하였다. 이때하중은 Fig. 8과같이단순보모델의중앙부에집중하중으로재하하고, 긴장력에 Table 6. Construction stage analysis Stage FE modeling Step 1 girder (Plate element) Step 2 Upper concrete (Solid element) (a) Fixed crack model (b) Rotating crack model Fig. 7. Total strain crack model Step 3 Lower concrete (Solid element) Step 4 1st stage prestressing Fig. 8. Finite element mesh and loading scheme Step 5 Multi-stage prestressing 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 315

다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 대해서는강연선을 1차원선요소로정의하여솔리드요소사이절점에모델링하고포스트텐션방식으로써강연선의소요긴장력을응력형태로재하하였다. 시공단계별비선형해석은수렴속도가빠르고적은수의반복을통해서도수렴이가능한 Newton Raphson방법 [7] 을적용하였다.

특히, 강연선의긴장력도입이완료되는시점에외측부와중앙부상단콘크리트부재단면의종방향응력 (Z방향) 을중점적으로확인하였다. Table 8은각해석모델의시공단계특성을고려하여수치해석적으로평가된단계별응력을비교하고있으며, 각제작단계의차이가합성거더에미치는영향을분석한것이다.

이는콘크리트의자중을강재가부담하도록콘크리트타설순서를정하고, 강연선긴장응력은구간별로강연선을배치하여단계적으로긴장응력을도입한효과에의한것으로보인다. 이에따라해석모델1 이다른해석모델보다콘크리트부재에나타난응력상태로써가장유리한것을확인할수있다. 이에, 해석모델1을표준모델로선정하고제작단계에따른응력차이를확인하기위해해석모델2,3,4 와비교하였다.

6 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 대해서는강연선을 1차원선요소로정의하여솔리드요소사이절점에모델링하고포스트텐션방식으로써강연선의소요긴장력을응력형태로재하하였다. 시공단계별비선형해석은수렴속도가빠르고적은수의반복을통해서도수렴이가능한 Newton Raphson방법 [7] 을적용하였다. 합성거더의제작단계를고려하여구현된유한요소해석모델은 Table 6과같다. 4. 해석결과 4.1 시공단계별선형해석다단계프리플렉스및프리스트레싱합성거더의하부플랜지콘크리트부재에작용하는인장응력을최소화하고, 시공성향상을위해결정된 4가지제작단계에관한시공단계별선형해석을수행하였다. 응력의평가위치는 Fig. 9와 Table 7에제시하였다. 특히, 강연선의긴장력도입이완료되는시점에외측부와중앙부상단콘크리트부재단면의종방향응력 (Z방향) 을중점적으로확인하였다. Table 8은각해석모델의시공단계특성을고려하여수치해석적으로평가된단계별응력을비교하고있으며, 각제작단계의차이가합성거더에미치는영향을분석한것이다. 시공단계별해석결과를살펴보면중앙부상단콘크리트부재단면은해석모델1(Case 1) 과해석모델2에서압축응력 (a) Plane view (-) 이작용하며, 해석모델3과해석모델4에서인장응력 (+) 으로나타났다. 외측부에서는해석모델1(Case 1) 에서만압축응력 (-) 상태로나타났고그외에서는크기에차이는있으나모두인장응력 (+) 이작용한다. 이는콘크리트의자중을강재가부담하도록콘크리트타설순서를정하고, 강연선긴장응력은구간별로강연선을배치하여단계적으로긴장응력을도입한효과에의한것으로보인다. 이에따라해석모델1 이다른해석모델보다콘크리트부재에나타난응력상태로써가장유리한것을확인할수있다. 이에, 해석모델1을표준모델로선정하고제작단계에따른응력차이를확인하기위해해석모델2,3,4 와비교하였다. Table 8에나타낸바와같이상부플랜지콘크리트중앙부는 MPa, 외측부는 MPa 의응력차이가발생한다. 이는하부플랜지콘크리트에설치된강연선에긴장응력을단계적으로도입하여인장에취약한콘크리트부재에압축력이가해진효 Table 7. Locations for stress evaluation Location Member Upper flange-concrete Upper flange-steel Lower flange-concrete Lower flange-steel Table 8. Longitudinal stresses in upper flange-concrete Side span Middle span Section Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Stress (MPa) Diff Stress (MPa) Diff Table 9. Longitudinal stresses in mid-span section along construction stages (b) A-A section (c) B-B section Fig. 9. Composite girder cross-sections Section (MPa) Upper flange Lower flange (MPa) Upper flange Lower flange Stage Stage Stage Stage Stage Remarks ( - : Values are not applicable) 316 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월

7 최병호 김태봉 박성균 Table 10. Phased member stress Stage Longitudinal stress (MPa) STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 STEP 5 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 317

8 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 Table 11. Phased member displacement Stage Vertical displacement STEP 1 STEP 2 STEP 3 STEP 4 STEP 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월

최병호 김태봉 박성균 과로보인다. 따라서논문에서제시한합성거더제작방식에의거하여콘크리트에작용하는인장응력을최소화하고전체콘크리트부재에압축응력이지배하는무인장상태가가능한것으로사료된다. Table 9는표준제작해석모델 (Case 1) 의제작단계마다중앙부단면각부재의종방향응력을정리한표로써, 이로부터단계별응력변동양상을살펴보면다음과같다.

9 최병호 김태봉 박성균 과로보인다. 따라서논문에서제시한합성거더제작방식에의거하여콘크리트에작용하는인장응력을최소화하고전체콘크리트부재에압축응력이지배하는무인장상태가가능한것으로사료된다. Table 9는표준제작해석모델 (Case 1) 의제작단계마다중앙부단면각부재의종방향응력을정리한표로써, 이로부터단계별응력변동양상을살펴보면다음과같다. 1단계는강재가단순지지된상태로강재거더에자중이작용하여강재상부플랜지에는압축응력 29.0MPa, 하부플랜지에는인장응력 39.7MPa 이작용한다. 2단계는강재상부플랜지에콘크리트가타설되는상태로써, 강재가콘크리트의자중을부담하여 1단계와동일한양상이나보다증가된응력이발생하였고, 콘크리트는굳지않은상태이므로아직응력이발생하지않는다. 3단계는하부플랜지에콘크리트가타설되는상태로써, 상부가합성된거더에작용하므로, 중립축의상향이동으로인해상부압축응력보다는하부인장응력이크게증가하였다. 상부콘크리트부재에도압축응력 3.2MPa 이처음으로도입되었고, 단면강성에참여하지않은하부콘크리트에는응력이발생하지않는다. 4단계는하부플랜지중앙부에설치된강연선에긴장응력이도입되는상태로하부강재및콘크리트부재뿐만아니라상부플랜지에도압축응력이증가하였다. 하부플랜지는여전히인장응력상태이나압축효과로인해크게감소하였다. 상부콘크리트상단에는긴장력편심효과로인해상단압축응력은줄어들었으나여전히압축상태에놓여있다. 5단계는전구간에설치된강연선에긴장응력을도입시킨상태로하부콘크리트뿐만아니라강재부재도압축응력상태가되었다. 즉, 공용하중에상반된선하중효과가콘크리트부재뿐만아니라주요부재인강재하부플랜지에도도입되어공용하중에대한휨저항성능의증가에기여할것으로기대된다. 상부콘크리트상단에작용하는압축응력은 0.4MPa 감소하였으나여전히압축응력상태에있고, 하부콘크리트에는선하중압축응력이성공적으로도입되었다. 이는상부는늘어나고하부는줄어드는변형상태인부모멘트효과가작용한결과로보인다. 강재상부플랜지에도꾸준히압축응력이증가되는데, 이는상부콘크리트케이싱의하부가로부재를형성하고있으므로중립축에상대적으로가까워서, 강연선에의해직접작용하는축력에의한압축효과가강선편심에의한인장효과보다크기때문인것으로보인다. 합성거더의콘크리트부재에도강재와마찬가지로강연 선의효과가나타나는것을해석결과를통해서알수있다. 해석결과로부터제시된제작과정과단계는합성거더의강재와콘크리트의장점을극대화시키고, 공용중하중효과와상반되는선하중효과가적절히유도되는것이확인되었다. Tables 10, 11은시공단계별전체부재의종방향응력선도및연직변위를나타내었다. 자중및프리스트레싱하중도입에따른단계별응력및처짐을확인할수있었다. 특히프리스트레싱도입에따른중앙부단면의압축응력증가와더불어상향처짐이발생함을확인할수있었다. 단, 콘크리트처짐형상의경우강재요소와절점이공유되는콘크리트요소에서단계별해석에따른강재요소와의처짐량이격으로인한더미의변형이도시되었다. 4.2 시공단계를고려한비선형해석 Fig. 10은합성거더해석모델의표준제작단계에의한시공단계를고려한비선형해석결과로부터평가된극한상태휨거동이다. 경간중앙단면의최대휨모멘트는 27,329 kn m 으로평가되었다. Table 12에비교된바와같이, 제작단계해석경우 (Cases) 에따른극한휨강도평가결과는크게다르지않다. 중앙부와외측부단면의강연선배치에차이를둔단계긴장방법 (Case 1과 3) 과전구간에설치된강연선강재량이동일한전체긴장방법 (Case 2와 4) 에있어극한휨강도가동일한수준인것에주목할필요가있는데, 외측부하부긴장량과는다소무관한경간중앙상부슬래브콘크리트의압축파괴로 Fig. 10. Ultimate bending behavior (case 1) Table 12. Nonlinear analysis results Section Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 Maximum bending moment (kn m) 27,329 27,329 27,329 27,329 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 319

10 다단계자중프리플렉스및프리스트레싱합성거더의시공단계에따른휨성능평가 인해극한상태에도달한것으로분석되었으며외측부하부콘크리트긴장력의저감이전체거더의휨강도수준에별다른유의미한영향이없는것을볼수있다. 이는, 비선형비탄성상태에가장먼저도달하여거더전체의휨성능에지배적인영향을갖는경간중앙단면의제원특성이모든해석경우에서동일한데다, 제작과정상의차이로유발된단면내선응력 ( 외력재하이전의응력 ) 분포의차이는비선형극한상태로진행하면서합성거더의연성거동에의해적절히분배되는등에기인한것으로사료된다. Fig. 11은각해석모델의시공단계를고려한비선형해석으로부터분석된경간중앙단면위치에재하된휨모멘트 연직처짐량관계를나타내고있다. 최대모멘트의약 70% 에해당되는범위까지는선형거동을보이다가이후비선형비탄성거동이두드러지게나타난다. 허용휨모멘트 (M a ) 에해당 하는범위까지균일한강성수준의탄성거동을지속하며소요성능을유지하고있음이확인되었다. 제작단계가상이한해석모델들을서로비교해보면휨모멘트약 20,000kN m까지변위가비교적선형적으로증가하고, 휨모멘트약 24,000kN m 부터는변형경화가일어나는비선형거동이뚜렷해진다. 해석결과로부터얻은각해석모델의모멘트 변위곡선형태는대체로유사한양상을보인다. Table 13은해석결과로부터작용휨모멘트에상응하는경간중앙의연직처짐량을나타낸다. 강연선배치와긴장방법의차이는선형탄성거동범위에서는괄목할만한큰차이를나타내지않지만, 비선형거동범위에서변위제어에다소효과가있을것으로보인다. Table 14는해석결과를설계기준에근거해서산정한휨성능과비교한결과이다. 합성거더의휨성능은도로교설계기준해설 (2008) [8] 을근거해서산정한허용휨모멘트 (M a ) 보다 85.4%, 기준강도휨모멘트 (M n ) 에비해 9.0% 이상상회하는것으로분석되었다. 따라서이논문에서다루는합성거더는설계기준에서예상하는적정공칭내하력을보유하는것으로확인되었으며, 관련설계기준에서제시하는안전율을충분히확보할수있을것으로판단된다. 5. 결론 Fig. 11. Bending moment-displacement diagram at mid-span section Table 13. Vertical displacements along bending moments Bending Vertical displacement moment (kn m) Case 1 Case 2 Case 3 Case 4 5, , , , , Table 14. Comparison of flexural strength with design specifications Analysis result Design specifications (FEA) M a M n kn m kn m Diff. (%) kn m Diff. (%) 27,329 14, , 이논문에서는거푸집의설치없이간편하게합성단면을형성하고다단계의프리플렉스및프리스트레싱을구현할수있도록고안된합성거더의각제작단계별응력분포와최대휨강도에관한수치해석을수행하여, 제작과정의특성에따라비교분석하였다. 이연구로부터도출된주요결론은다음과같다. (1) 제작과정에서콘크리트부재에발생하는인장응력은상반된선하중효과로써서로상쇄되게하거나단계적긴장력도입에의해제어할수있는것을확인하였다. 따라서해당기술을적용하여시공중및공용하중재하시에콘크리트부재의무인장상태를유도하여합성거더의내구성을향상시킬수있을것으로판단된다. (2) 변수해석결과를통해, 콘크리트타설과정과강연선긴장순서에따라응력분포가다르게나타나는것을확인할수있었다. 이때상부콘크리트부재에작용하는응력은표준제작해석모델 (Case1) 에서가장적절한수준의압축상태에있는것으로분석되었다. 320 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월

11 최병호 김태봉 박성균 (3) 합성거더표준제작모델의최대휨강도는현행설계기준에서제시하는허용휨모멘트에비해 85.4%, 기준강도휨모멘트보다 9.0% 이상상회하는것으로평가되었다. 이러한합성거더는설계기준에서예상하는적정공칭내하력을보유하는것으로확인되어소요안전율을충분히확보가능할것으로판단된다. (4) 비선형해석결과의비교를통해, 외측부하부콘크리트긴장력의단계적저감이전체거더의휨강도수준에별다른유의미한영향이없는것을볼수있다. 이로써, 강연선과긴장량을경간내위치에따라단계적으로적합하게적용하는것은합리적이다. 감사의글이논문은 2015년도한밭대학교교내학술연구비의지원을받았음. 참고문헌 (References) [1] 한밭대학교산학협력단 (2013) 거푸집겸용절곡부재적용초간편합성빔거더기술개발 : 최종보고서, 연구보고서, 한국산학연협회. Hanbat National University Industry-University Cooperation Foundation (2013) Development of the Manufacturing Process of a Prestressed Composite Girder Cast without Formwork, The Final Report, Research Report, Korea Institute of Industrial Technology (in Korean). [2] 한국도로교통협회 (2010) 도로교설계기준, 국토해양부제정. Korea Road and Transportation Association (2010) Standard Specification for Highway Bridges, sponserd by ministry of Land, Infrastructure and Transport (in Korean). [3] 김민호, 오정균, 최병호 (2014) 거푸집겸용절곡부재적용스마트간편합성거더의휨성능시험평가방안, 한국산학기술학회학술발표회논문집, 한국산학기술학회, pp Kim, M.H., O, J.G., and Choi, B.H. (2014) Flexural Performance Test Plan for Smart Composite Girder Using Cold Formed Flanges, Proceedings of Annual Conference Korea Academia-Industrial Cooperation Society, KAIS, pp (in Korean). [4] 김정원, 김태봉, 최병호 (2014) 거푸집겸용절곡부재적용초간편합성거더의시공단계별구조성능수치해석, 한국산학기술학회학술발표회논문집, 한국산학기술학회, pp Kim, J.W., Kim, T.B., and Choi, B.H. (2014) Construction Sequence Analysis on Structural Performance of Simple -concrete Composite Girder with Pressbraked Flanges, Proceedings of Annual Conference Korea Academia-Industrial Cooperation Society, KAIS, pp (in Korean). [5] 이형준 (2013) 고강도재료를사용한철근콘크리트보곡률연성지수예측, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제33권, 제2호, pp Lee, H.J. (2013) Predictions of Curvature Ductility Factor of Reinforced Beam Sections Used High Strength and, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, KSCE, Vol.33, No.2, pp (in Korean). [6] Midas FEA, ANALYSIS & ALGORITHM Civil Engineering, Version 3.6.0, Midas Information Technology Co., LTD. [7] Midas FEA, Midas Technical Paper, Version 3.6.0, Midas Information Technology Co., LTD. [8] 대한토목학회 (2008) 도로교설계기준해설, 기문당. Korea Society of Civil Engineering (2008) Manual on Design Specifications for Highway Bridges, Kimoondang (in Korean). 요약 : 이논문은거푸집의설치없이간편하게합성단면을형성하고다단계의자중프리플렉스및프리스트레싱을비교적쉽게구현할수있도록고안된합성거더시스템의휨성능에관한것이다. 시공단계를고려한 3차원유한요소해석모형을수립하고콘크리트타설방법과강연선긴장방법을변수로지정하여합성거더단면에작용하는선응력분포와강연선에의해도입되는긴장효과를수치해석적으로분석하였다. 변수해석결과를비교하여응력분포가가장유리한해석모델의제작과정을표준제작단계로선정하여비선형비탄성해석을통해극한휨강도를평가하였다. 이를국내설계기준에서제시하는기준강도와비교검토해보니, 적정공칭내하력을보유하는것으로확인되어소요안전율을충분히확보가능할것으로판단된다. 핵심용어 : 시공단계별해석, 휨강도, 프리스트레스트거더, 강합성거더, 구조성능 한국강구조학회논문집제 29 권제 4 호 ( 통권제 149 호 ) 2017 년 8 월 321

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