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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.3 pp.7-12
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.3.007

An Experimental Study on the Static Behavior of Steel Composite Rahmen with Partial Horizontally Prestressed

Dae-Il Cho1, Seung-Yong Lee
2
1MS, Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation, Chungju-si, Korea
2Professor, Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation, Chungju-si, Korea
Corresponding author: Lee, Seung-Yong Department of Civil Engineering, Korea National University of Transportation, 50 Daehak-Ro, Chungju-si, Chungbuk, 27469 Korea +82-43-841-5189, +82-43-841-5180, sylee@ut.ac.kr
July 19, 2017 August 22, 2017 September 1, 2017

Abstract

Recently, a new long span composite rahmen bridge has been developed to complement the short span concrete rahmen bridges. In this study, a static bending test was carried out for steel composite rahmen bridges developed for the purpose of decreasing negative moment at the end of steel girder and positive moment at the center of steel girder by introducing a horizontal prestress to the upper flange of the steel girder end. From this, the reinforcement effect of the introduction to the horizontal prestress was verified and the structural safety for the steel composite rahmen bridges was evaluated. As a result, the maximum tensile strain and the maximum compressive strain of the DL specimen at 800 kN were 16% and 12% smaller than those of the CR specimen, respectively. From this, the DL specimen decreased compressive strain due to the tensile strain of the upper flange caused by introducing the horizontal prestress at the end of the steel girder, and the tensile strain of the lower flange also decreased.


부분 수평긴장력을 도입한 강합성 라멘의 정적거동에 관한 실험적 연구

조 대일1, 이 승용
2
1한국교통대학교 토목공학전공 박사수료
2한국교통대학교 토목공학전공 교수

초록


    1.서 론

    최근 기존 단경간의 콘크리트 라멘교를 보완한 새로 운 장경간 합성 라멘공법이 개발되고 있다. 이 중에 서 강합성 라멘교는 교좌장치 및 신축이음이 없어 유 지관리 면에서 우수하며, 교대부에서 부모멘트를 줄여 강재 단면의 축소로 강재량을 줄이는 장점이 있어 다 양한 강합성 라멘 공법들이 개발되고 있다.

    강합성 라멘교에 관한 연구사례를 살펴보면, 교각 부에 교량받침을 사용하지 않은 라멘식 복합 강교량 의 적용성을 확인하기 위한 연구(Kyung et al., 2003), H형강을 주거더로 사용하고 지점부의 강성을 키우기 위해 H형강을 변단면의 콘크리트 거더로 둘 러싼 합성 라멘교의 적용을 위한 연구(Han et al., 2007), 교대에 매립한 강봉에 수직긴장력을 도입한 합 성 라멘교량의 거동을 분석한 연구(Chung et al., 2009), 강합성 라멘교의 구조적 성능 향상에 관한 연 구(Choi et al., 2010) 등이 수행되었다.

    본 연구는 강재 거더 단부 상부플랜지에 PS강봉 으로 수평긴장력을 도입하여 교대부 부모멘트 및 거 더 중앙부 정모멘트를 감소시킬 목적으로 개발된 강 합성 라멘교에 대해 실물 크기에 가까운 강합성 라멘 교 시험체를 제작하여 정적 휨시험을 실시하고 정적 거동을 분석함으로써 수평긴장력에 도입에 따른 보강 효과를 검증하고, 강합성 라멘교에 대한 구조거동을 분석하였다.

    2.시 험

    2.1.재료

    강합성 라멘 시험체의 강재거더 제작에 사용된 강재 는 일반구조용 압연강재인 SS400으로 H-488×300× 11×18 규격의 H형강을 사용하였다. 강합성 라멘 시 험체의 슬래브 및 교대부에 사용된 콘크리트 설계기 준강도는 27MPa이다. 철근의 규격은 SD400이며, 교 대부 주철근은 공칭직경 19mm, 슬래브 주철근은 공 칭직경 16mm를 사용하였다. 수평긴장은 직경 32mm 의 PS강봉(Dywidag bar)을 강재거더 양쪽 단부에 2 개씩 설치하였다. 각 사용재료의 기계적 성질은 Table 1과 같다.

    2.2.시험체 형상 및 치수

    정적 휨시험에 사용된 강합성 라멘 시험체의 형상 및 치수는 Fig. 1과 같다.

    2.3.시험방법

    강합성 라멘 시험체의 정적성능 평가를 위해 강재 거 더 단부에 강봉을 수평긴장한 강합성 라멘 시험체(이 하 DL시험체라 함) 2개와 비교평가를 위해 긴장력을 도입하지 않은 강합성 라멘 시험체(이하CR시험체라 함) 1개를 각각 제작하였다.

    DL시험체의 강봉 수평긴장력 시험에 사용된 Dywidag 강봉은 거더 양측 단부에 각각 2개씩 총 4 개를 시용하였으며, 강봉의 긴장은 400kN 용량의 오일 잭을 사용하여 강봉 1개당 200kN의 긴장력을 도입하 였다. 강봉 긴장은 시험체의 우측 강봉(P5∼P8)을 긴 장한 후, 시험체의 좌측 강봉(P1∼P4)을 긴장하였다.

    정적거동을 파악하기 위하여 Fig. 2와 같이 강재 거더 및 강봉에 변형률게이지를 부착하였으며, 변위계 는 시험체 중앙(LV2)과 1/4 및 3/4지점(LV1 및 LV3)에 설치하였다. 정적시험은 Fig. 3과 같이 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 반력프레임에 고정하여 시 험체 중앙에 수직으로 1점 가력 하였다.

    3.결과분석 및 고찰

    3.1.하중-변위 관계

    정적시험 결과 얻어진 CR시험체 및 DL시험체의 하 중-변위 관계를 Table 2 및 Fig. 4에 나타내었다.

    Fig. 4의 하중-변위 곡선을 살펴보면 모든 변위계 위치별로 DL시험체의 변위가 CR시험체보다 작게 나 타나는 경향을 보였다. 이를 정량적으로 비교한 Table 2로부터 재하하중 800kN에서 중앙변위는 DL 시험체 11.2mm, CR시험체 12.5mm로 DL시험체가 약 0.89배 적게 발생함을 알 수 있다. 이는 DL시험체의 경우 강재 거더 단부에 수평긴장력을 도입하여 상부 플랜지(S13 및 S14)에 발생한 인장변형률, 즉 압축변 형률 감소에 따른 것으로 판단된다. 이로부터 DL시험 체의 강봉 수평긴장력 도입이 강합성 라멘 교량의 처 짐 감소 효과를 기대할 수 있을 것이다.

    3.2.강재 거더 상부플랜지의 변형률 분포

    정적시험 결과 얻어진 CR시험체 및 DL시험체의 강 재 거더 상부플랜지의 재하하중 단계별 변형률 분포 를 Table 3 및 Fig. 5에 나타내었으며, 하중 800kN 재하시 변형률 분포를 그림 Fig. 6에 나타내었다. Table 3 및 Fig. 5에서 시험체 중앙을 기준으로 좌측 은 (-), 우측은 (+)로 나타내었고, 0m, 2m, 3.1m, 4.5m 위치에서의 변형률을 비교하였다. 각 위치에서 의 변형률게이지는 –4.5m에서 S3 및 S4의 평균값, -3.1m는 S7 및 S8의 평균값, -2m는 S11 및 S12의 평균값, 0m는 S13 및 S14의 평균값, 2m는 S15 및 S16의 평균값, 3.1m는 S19 및 S20의 평균값, 4.5m는 S23 및 S24의 평균값을 사용하였다.

    Table 3 및 Fig. 5(a)(b)로부터 CR시험체 및 DL시험체의 강재 거더 상부플랜지의 변형률 분포는 두 시험체 모두 하중 증가에 따라 일정하게 변형률이 증가하고, 좌우대칭의 분포양상을 나타내고 있음을 알 수 있다. Fig. 5(a)의 CR시험체의 상부플랜지는 거더 중앙부에서 압축변형률, 거더 단부에서 인장변형률이 발생하여 일반적인 라멘교의 변형률 분포가 발생하는 것을 알 수 있으나, 단부에 수평긴장력을 도입한 Fig. 5(b)의 DL시험체의 경우 거더 중앙부는 압축변형률 이 발생하며, 거더 단부에서도 중앙부보다 더 큰 압 축변형률이 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 DL시험 체의 경우 PS강봉을 사용하여 거더 단부에 수평긴장 력을 도입한 관계로 CR시험체와는 다르게 단부에 압 축변형률이 발생하는 것을 알 수 있으며, 이러한 양 상은 하중 800kN 재하시 변형률 분포를 비교한 Fig. 6에서 명확하게 확인할 수 있다.

    3.3.강재 거더 하부플랜지의 변형률 분포

    정적시험 결과 얻어진 CR시험체 및 DL시험체의 강 재 거더 하부플랜지의 재하하중 단계별 변형률 분포 를 Table 4 및 Fig. 7에 나타내었으며, 하중 800kN 재하시 변형률 분포를 Fig. 8에 나타내었다. Table 4 및 Fig. 7에서 시험체 중앙을 기준으로 좌측은 (-), 우측은 (+)로 나타내었고, 0m, 2m 위치에서의 변형률 을 비교하였다. 각 위치에서의 변형률게이지는 –2m 에서 S35 및 S36의 평균값, 0m는 S37 및 S38의 평 균값, 2m는 S39 및 S40의 평균값을 사용하였다.

    Fig. 7(a)(b)로부터 CR시험체 및 DL시험체의 강재 거더 하부플랜지의 인장변형률 분포는 두 시험 체 모두 하중 증가에 따라 일정하게 변형률이 증가하 고 정확하게 좌우대칭의 분포양상을 나타내고 있다. Table 4로부터 하중 800kN 재하시 최대 인장변형률 은 CR시험체는 976×10-6, DL시험체는 824×10-6으로 이를 강재의 탄성계수 2.1×105MPa을 적용하여 응력 으로 환산하면 CR시험체는 205MPa, DL시험체는 173MPa로 도로교설계기준의 SS400 강재의 기준항복 강도 235MPa에는 이르지 않는 것을 알 수 있다. 또 한 도로교설계기준의 1등교 설계활하중인 DB-24 하 중인 총중량 432kN 재하시 최대 인장변형률은 CR시 험체는 439×10-6, DL시험체는 429×10-6으로 이를 응 력으로 환산하면 CR시험체는 92MPa, DL시험체는 90MPa로 도로교설계기준의 SS400 강재의 기준항복강 도 235MPa 보다 휠씬 작아 DB-24 설계활하중인 총 중량 432kN이 작용하여도 강재 거더 하부플랜지의 발 생응력은 항복강도에 도달하지 않는 것을 알 수 있다.

    3.4.최대하중

    본 연구에서는 시험기의 용량을 고려하여 최대 800kN까지 재하하였으며, 강재 거더 상부플랜지 중앙 에 부착한 S13 및 S14 변형률게이지의 평균값과 강 재 거더 하부플랜지 중앙에 부착한 S37 및 S38 변형 률게이지의 평균값에 대한 최대하중 800kN 재하시의 하중-변형률 곡선을 각각 Fig. 9에 나타내었다

    Fig. 9(a)(b)로부터 DL시험체의 최대 인장변 형률 및 압축변형률이 전반적으로 CR시험체에 비해 다소 작게 나타나는 경향을 보이는 것을 알 수 있으 며, Table 5에서 하중 800kN 재하시의 DL시험체 및 CR시험체의 강재 거더 상부플랜지, 하부플랜지 중앙 부 및 강재 거더 교대부의 변형률을 함께 비교하였다.

    Table 5로부터 하중 800kN 재하시 DL시험체의 중앙부 최대 인장변형률 및 압축변형률은 CR시험체 에 비해 각각 16% 및 12% 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 교대부의 상부플랜지의 변형률은 CR시 험체의 경우 인장변형률이 발생하나 DL시험체의 경 우 수평긴장력의 도입으로 인하여 압축변형률이 발생 하는 것을 알 수 있다. 이로부터 DL시험체의 경우 강 재 거더 단부에 수평긴장력을 도입하여 발생한 상부 플랜지의 인장변형률에 의해 압축변형률이 감소하며, 이에 따라 하부플랜지의 인장변형률도 감소하는 것으 로 판단되어, 강재 거더 단부에 PS강봉을 사용하여 수 평긴장력을 도입함으로써 발생하는 교대부 부모멘트 및 중앙부 정모멘트 감소 효과를 확인할 수 있었다.

    4.결 론

    교량 단부 상부플랜지에 PS강봉을 사용하여 수평긴 장력을 도입한 강합성 라멘교에 대해 정적시험을 실 시하여 얻어진 결론을 요약하면 아래와 같다.

    • (1) 교량 단부 상부플랜지에 수평긴장력을 도입한 DL시험체는 긴장력을 도입하지 않은 CR시험체에 비 해 시험체 중앙 최대변위가 약 0.89배 적게 발생하였 으며, 이는 수평긴장력의 도입으로 상부플랜지에 발생 한 인장변형률, 즉 압축변형률 감소에 따른 것으로 판단된다. 이로부터 DL시험체의 강봉 수평긴장력 도 입이 강합성 라멘 교량의 처짐 감소 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.

    • (2) 하중 800kN 재하시 DL시험체의 최대 인장변 형률 및 압축변형률은 CR시험체에 비해 각각 16% 및 12% 작게 나타나는 것을 알 수 있다. 이로부터 DL시험체의 경우 강재 거더 단부에 수평긴장력을 도 입하여 발생한 상부플랜지의 인장변형률에 의해 압축 변형률이 감소하며, 이에 따라 하부플랜지의 인장변형 률도 감소하는 것으로 판단되어, 강재 거더 단부에 PS강봉을 사용하여 수평긴장력을 도입함으로써 발생 하는 교대부 부모멘트 및 중앙부 정모멘트 감소 효과 를 확인할 수 있었다.

    • (3) 본 연구결과로부터 교량 단부 상부플랜지에 수평긴장력이 도입된 강합성 라멘교의 응력 및 변위 감소효과를 확인할 수 있었으며, 이로부터 강합성 라 멘교의 형고 감소 및 장지간화를 기대하고, 강재량을 감소시켜 경제성면에서도 우수한 장점을 활용할 수 있을 것으로 판단된다.

    Figure

    KOSACS-8-7_F1.gif
    Rahmen specimen for static flexural test
    KOSACS-8-7_F2.gif
    Position of measuring sensor
    KOSACS-8-7_F3.gif
    Static flexural test
    KOSACS-8-7_F4.gif
    Load-displacement curves
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    Strain distribution of upper flange due to applied load
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    Strain distribution of upper flange at 800kN
    KOSACS-8-7_F7.gif
    Strain distribution of lower flange due to applied load
    KOSACS-8-7_F8.gif
    Strain distribution of lower flange at 800kN
    KOSACS-8-7_F9.gif
    Load-strain curves

    Table

    Mechanical properties of materials
    Displacement due to applied load
    Strain of upper flange due to applied load
    Strain of lower flange due to applied load
    Strain at maximum loads

    Reference

    1. Choi J W , Joo H J , Cheon J U , Yoon S J (2010) “A study on the enhancement of structural performance of the steel-concrete composite rahmen bridge” , Proc. of the 29th KSCE, ; pp.92-95
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