2014 년도한국철도학회추계학술대회논문집 KSR2014A038 프리캐스트 Half Deck의구조성능평가 Evaluation of Structural Performance of Half Decks with New Details 편명철, 조홍빈 *, 엄기영 **, 박용걸 *** Myung-Cheol Pyun, Hong-Bin Cho *, Ki-Young Eum **, Yong-Gul Park *** Abstract In this study, by applying the loop compensation method, Prestressed the pre-tensioning on the panel during fabrication of the half-section and structural continuity in the connecting portion between the panel and the panel of the bridge axis, and set concrete The purpose of evaluating the performance of the half-section precast slab which ensures the load bearing capacity for the hypothesis loads and dead loads, in order to improve the performance of Half Deck bottom plate being developed to meet this purpose, it is used in construction sites have a purpose to prepare a bottom plate of the actual size, and the view to see the continuity from the behavior and overall reinforcement of the bottom plate and fittings influence of prestress introduction of the bottom plate inside through the static load test. Keywords : Precast slab, Panel, Prestress, Pre-tension 초록콘크리트교량의상판및교각등의건설과정에서수반되는거푸집의설치및해체공정을최소화하여공기를단축하고시공공정의효율성및경제성을제고하고자개발된프리캐스트 Half Deck 공법에대한성능평가를수행하였다. 본연구에서는루프이음방식을적용하여사전제작된패널을교축방향으로연속시킴으로써패널간이음부의구조적연속성을확보하고, 프리텐션이도입되어타설콘크리트사하중등의가설하중에대한내하력을확보한반단면프리캐스트바닥판의성능을실험적으로평가하고자실물스케일의시험체를제작하여정적하중실험을통해프리스트레스도입의영향및이음부건전성과전체적인바닥판거동의연속성을분석하였다. 연구결과, 프리텐션으로인한균열복원성능으로인해일반적인현장타설바닥판혹은프리텐션을도입하지않는프리캐스트바닥판에비해내구성이뛰어날것으로예상되었다. 주요어 : 프리캐스트바닥판, 패널, 프리스트레스, 프리텐션 1. 서론일반적으로건설현장에서바닥판을시공하는현장타설공법의문제점들과한계로인해공기단축, 시공성향상의목적으로프리캐스트바닥판이많이사용되고있다. 프리캐스트공법에서바닥판에대한프리캐스트공법은바닥판전체를미리공장이나현장에서제작하여보와벽등에걸쳐놓고주변구조를일체로접합하는완전프리캐스트바닥판공법과, 바닥판단면의일 교신저자 : 서울과학기술대학교철도전문대학원철도시스템학과석사과정 (Pymych@hanmail.net) * 서울과학기술대학교철도전문대학원철도시스템학과석사과정 ** 한국철도기술연구원차세대고속철도기술개발사업단인프라연구단장 *** 서울과학기술대학교철도전문대학원철도건설공학과교수
부를공장이나현장에서미리제작하고그나머지단면부분을현장콘크리트로타설하는반단면프리캐스트바닥판공법이있다. 이러한반단면프리캐스트바닥판공법은상기의완전프리캐스트바닥판공법과현장타설공법의장점을절충, 보완한효과적인공법으로공기단축, 시공성향상을목적으로개발된합성바닥판의일종이다. 본연구에서는루프이음방식을적용하여교축방향패널과패널사이의이음부에구조적연속성과반단면패널제작시프리텐션방식으로프리스트레스를도입하여타설콘크리트사하중등의가설하중에대한내하력을확보한반단면프리캐스트바닥판의성능을평가하는데목적이있다. 또한반단면프리캐스트바닥판의성능향상을위해시공현장에사용될실제크기의바닥판을제작하여정적하중실험을통해바닥판내부의프리스트레스도입의영향및바닥판이음부에서철근과전체적인거동에서의연속성을분석하였다. 2. 본론 2.1 프리캐스트 Half Deck 설계및제작반단면프리캐스트바닥판은루프이음방식을적용하여교축방향패널과패널사이의이음부에구조적연속성과반단면패널제작시프리텐션방식으로프리스트레스를도입하여타설콘크리트사하중등의가설하중에대한내하력을확보한반단면프리캐스트바닥판의성능을극대화시키는효율적인구조로써바닥판내부의프리스트레스도입에따른부재의연성거동및내구성증진및구조적인연속성향상을극대화시킬수있는형태의시스템이다. (a) 철근및프리스트레스텐던배근상세 (b) 제작후반단면프리캐스트바닥판 Fig. 1 반단면프리캐스트바닥판구조특성 실험부재는세그먼트에루프이음을갖도록설계및제작하였으며, 프리캐스트부분의설계기준강도 35MPa과 27MPa의압축강도를갖는현장타설콘크리트를사용하여제작하였다. 부재에사용된철근은 SD40철근을사용하였다. 부재제작은콘크리트거푸집을제작한후에프리스트레스를도입하고콘크리트를타설하는프리텐션방식을사용하여, 증기양생을실시하였다. 증기양생을통해콘크리트공시체의강도가설계기준강도의 80% 이상발현되었을때, 부재양끝단의정착단에서강선을절단하여프리스트레스를도입하였으며, 스틸브러싱을통해접합면처리를한후에현장타설콘크리트를타설하고증기양생을하는순서로제작되었다.
2.2 실내시험 본연구에서실내시험에적용된부재는종방향이음, 횡방향이음, 횡방향텐던개수를변수로하여설계및제작되었다. 종방향이음을갖는 FD1S-LJ1~4 부재는기준부재인 RC 바닥판부재 1기, D13, D16 의간격및직경을변수로제작하였다. 횡방향이음부재는프리캐스트부분에보강철근유무를변수로제작하였으며보강철근의영향이구조물의거동에미치는영향을분석하였다. 이와더불어부재의프리캐스트콘크리트와현장타설콘크리트의접합면은스틸브러싱처리를하여접합면에서의면처리에따른완전부착을도모하고후크를추가로배근하여신구콘크리트가완전한일체단면으로거동하도록하였다. Table 1은실험항목별부재에대한제원을나타내었다. Table 1 실험항목및부재에대한제원 실험항목부재규격지점조건 반단면바닥판 (1EA) 프리캐스트부재에대한정하중실험 (HD1S-1) 2.0m x 3.363m x 0.24m 단순지지 이음부 실험부재 (8EA) 종방향이음정하중실험 (FD1S-LJ1~4) 1.0m x 2.0m x 0.24m 단순지지 횡방향이음정하중실험 (HD2S-TJ1~2) 2.0m x 6.706m x 0.24m 2 경간연속 횡방향텐던개수별정하중실험 (HD1S-PT1~2) 2.0m x 3.363m x 0.24m 단순지지 2.2.1 Half Deck 주부재의정적거동분석본실험은현장타설콘크리트없이반단면바닥판으로만외부하중에저항하여프리스트레스강선의긴장력도입에따른설계의적정성을평가하고자하였다. 실험부재는균열이발생한직후균열폭게이지를부착하고 1mm/60sec의속도로변위제어방식으로가력하였다. (a) HD1S-1 셋업 (b) HD1S-1 균열양상 Fig. 2 프리캐스트부재에대한정하중실험전경 반단면프리캐스트바닥판부재에대한정하중실험결과, Fig. 3과같이프리텐션을도입한반단면프리캐스트바닥판의휨거동은설계값을 2.28배상회하게나타났고양호한균열제어성능을보여주었다. 또한프리텐션으로인한균열복원성능으로인해일반적인현장타설바닥
판 혹은 프리텐션을 도입하지 않는 프리캐스트 바닥판에 비해 내구성이 뛰어날 것으로 분석되 었다. (a) 하중-변위 (b) 하중-철근 변형률 (c) 하중-텐던 변형률 (d) 하중-콘크리트 변형률 Fig. 3 프리캐스트 부재에 대한 정적거동 분석 결과 2.2.2 종방향 이음부의 정적거동 분석 종방향 이음 실험부재는 총 4기를 제작하였으며, 루프이음이 없는 RC기준부재 1기와 D13 철 근을 200mm 간격으로 배근한 부재, D13 철근 간격을 좁혀 100mm 간격으로 배근한 부재, D16 철근을 200mm 간격으로 배근한 부재를 각각 1기씩 제작하였다. 이 실험은 루프이음 된 철근 간격에 따른 바닥판의 거동과, 철근 직경에 따른 강도 증진 효과를 비교 검증하기 위해 변수를 철근 직경과 간격으로 설정한 후에 실험을 수행하였다. (a) FD1S-Lj1 셋업 (b) FD1S-Lj1 균열양상 Fig. 4 종방향 이음 정하중 실험전경(ex. FD1S-Lj1)
실험결과, Fig. 5와같이모든부재가충분한휨강도를보였다. 육안관찰균열하중은설계값과비슷한수준에서관측되었다. 루프이음철근의간격을 200mm로배근한 FD1S-LJ2부재와루프이음간격을 100mm로배근한 FD1S-LJ3부재의극한강도는철근항복을기준으로간격을촘촘히배근한 FD1S-LJ3가 1.52배크게나타났으며, 루프이음철근의간격을 200mm로배근하고철근의직경을변수로한 FD1S-LJ2부재와 FD1S-LJ4부재의극한강도는직경을크게한 FD1S-LJ4 실험부재가 1.23배크게나타났다. 루프이음철근의직경과간격을변수로실험을수행한결과간격을촘촘히배근한경우극한강도의증진효과는있었지만루프이음부의간격에관계없이설계에서의휨강도보다충분한휨강도를보였다. 따라서루프이음부의경우사용성측면과루프이음부에서의정착길이가확보된다면사용철근량을감소시켜도구조물의공용성측면에서는문제가없을것으로분석되었다. (a) 하중 - 변위 (b) 하중 - 인장철근변형률 (c) 하중 - 인장콘크리트변형률 Fig. 5 종방향이음정적거동분석결과 2.2.3 횡방향이음부의정적거동분석반단면프리캐스트바닥판이연결될때긴장재의불연속을보완하기위해보강철근을추가배근하고이에대한효과를검증하기위한실험을수행하였다. 횡방향이음실험부재는총 2기를제작하였으며, 횡방향보강철근의유무에따른시험체의정적거동을분석하였다. Fig. 6은바닥판연속보이음부에서의거동개념도를나타내었고횡방향이음정하중실험전경은 Fig. 7과같다.
Fig. 6 바닥판 연속보 이음부에서의 거동 개념도 (a) HD2S-Tj2 셋업 (b) HD2S-Tj2 균열양상 Fig. 7 횡방향 이음 정하중 실험전경(ex. HD2S-Tj2) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 실험부재는 현장타설 콘크리트 부분의 이음부에 철근보 강을 통한 구조체의 성능 및 거동을 평가하는데 목적이 있다. 실험결과, Fig. 8과 같이 보강철근 이 있는 경우 같은 하중수준에서 정모멘트부와 부모멘트부의 수직변위가 더 작게 발생했으며 부재의 인장철근과 텐던의 변형률의 비교 결과 보강철근이 있는 경우 철근과 텐던의 항복시점 은 더 높은 수준에서 발생하였다. 이는 균열이 발생한 후에 보강철근이 외부하중에 저항하는 것으로 분석되었다. (a) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 (b) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 시험체의 부모멘트부 수직변위 시험체의 정모멘트부 수직변위
(c) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 (d) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 시험체의 부모멘트부 인장철근 시험체의 정모멘트부 인장철근 (e) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 (f) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른 시험체의 텐던변형률 시험체의 콘크리트 변형률 Fig. 8 횡방향 이음 정적거동 분석 결과 2.2.4 횡방향 텐던 개수별 정적거동 분석 횡방향 텐던의 개수에 따른 정적거동을 분석하기 위하여 텐던의 개수를 2가닥과 4가닥이 들 어간 부재 총 2기를 제작하여 이에 따른 거동을 평가하였다. 실험전경은 Fig. 9와 같다. (a) HD1S-PT1 셋업 (b) HD1S-PT1 균열양상 Fig. 9 횡방향 텐던 개수별 정하중 실험전경(ex. HD1S-PT1) 실험결과, Fig. 10과 같이 텐던의 개수가 4개인 실험부재는 텐던의 개수가 2개인 실험부재보 다 1.1배 더 큰 휨강도를 보였으며, 같은 수준의 하중이 작용했을 때 약 13mm정도 수직변위가
작게 나왔으며, 부재 최하단의 인장 철근 변형률도 유사한 수준을 유지했다. 텐던이 더 많이 들어간 경우 강도 증진의 효과가 있었지만, 구조물의 거동에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났으며, 텐던 2가닥으로도 충분한 내력을 발휘하는 것으로 분석되었다. (a) 하중-변위 (b) 하중-철근 변형률 (c) 하중-텐던 변형률 (d) 하중-콘크리트 변형률 Fig. 3 프리캐스트 부재에 대한 정적거동 분석 결과 3. 결 론 본 연구는 루프이음 방식을 적용하여 교축방향 패널과 패널사이의 이음부에 구조적 연속성 과 반단면 패널 제작시 프리텐션 방식으로 프리스트레스를 도입하여 타설 콘크리트 사하중 등 의 가설하중에 대한 내하력을 확보한 프리캐스트 Half Deck의 성능을 평가하였다. Half Deck의 성능 향상을 위해 시공현장에 사용될 실제 크기의 바닥판 9기를 제작하여 설계 시 고려된 성 능을 실험적으로 입증하고 적용효과를 분석하였으며 결과는 다음과 같다. 1. 프리텐션을 도입한 반두께 프리캐스트 바닥판의 휨 거동은 설계값을 2.28배 상회하게 나 타났고 양호한 균열제어 성능을 보여주었다. 특히, 프리텐션으로 인한 균열 복원 성능으로 인 해 일반적인 현장타설 바닥판 혹은 프리텐션을 도입하지 않는 프리캐스트 바닥판에 비해 내구 성이 뛰어난 것으로 분석되었다. 2. 종방향 이음부의 루프이음부를 갖는 실험에서는 휨내하력은 1.3~1.6배 높은 값을 나타내었 고 균열제어 측면에서는 동일 철근단면적이 필요하게 계산되면 작은 직경의 철근을 조밀하게 배치하는 것이 좀 더 효과적으로 분석되었다.
3. 횡방향이음에대한실험에서는보강철근이보강된경우균열발생이후에도연성거동확보에효과적이며, 균열양상이좀더양호하게나타났다. 휨강도측면에서텐던및철근이보강되지않은부재보다높은수준에서항복하는것을확인하였고부모멘트영역의회전능력확보에도유리하게나타났다. 4. 프리텐션을위한긴장재의배치는 2가닥이상배치할경우에설계에서요구하는균열제어및휨강도를충분히발현하는것을실험적으로입증하였다. 참고문헌 [1] NCHRP Report 519 (2004) Connection of Simple-Span Precast Concrete Girders for Continuity. [2] ACI Committee 318 (2008) Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary and notes, American Concrete Institute, Detroit, ACI 318-08. [3] LRFD AASHTO (2012) Bridge design specifications. [4] Mrinmay Biswas (1986) Precast Bridge Deck Design Systems, PCI Journal, pp. 40-94. [5] PCI Committee on Bridges (1987) Precast Prestressed Concrete Bridge Deck Panels, Special Report, PCI Journal, Vol.32, No. 2. [6] PCI Bridge Producers Committee (1988) Recommended Practice for Precast Prestressed Concrete Composite Deck Panels, Special Report, PCI Journal, Vol.33, No.2. [7] S.P Chang, C.S Shim (2001) Continuous Composite Bridges with Precast Decks, International Journal of Steel Structures, Vol. 1, No. 2, pp. 123-132. [8] C.S Shim, H.H Kim, K.J Yun (2005) Crack Width Control and Flexural Behavior of Continuous Composite Beams, Korean Society of Steel Construction, Vol.17, No.2, pp. 195-206. [9] C.S Shim, Y.S Chung, H.W Song, J Min (2005) Structural Performance Evaluation of Longitudinal Joints of Hollow Composite Deck, Korean Society of Civil Engineers, Vol.25, No.6, pp. 1085-1093. [10] D.W Kim, K.W Park, M.C Pyun, K.H Kim, C.S Shim (2014) Evaluation of Structural Performance of New Half Deck, Proceeding of Korea Concrete Institute spring conference, Jeju, Korea, 2014.05.14-16 논문저자리스트 MyungCheol Pyun : Pymych@hanmail.net Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, Korea HongBin Cho : cho4378@naver.com Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, Korea KiYoung Eum : kyeum@krri.re.kr 360-1, Woram-dong, Uiwang-si, Gyeonggi-do, 437-757, Korea Yonggul Park : ygpark@seoultech.ac.kr Graduate School of Railway, Seoul National University of Science & Technology, 232 Gongneung-ro, Nowon-gu, Seoul, 139-743, Korea