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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.20 No.1 pp.33-43
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2016.20.1.033

Performance Assessment of Hollow Precast Segmental Bridge Columnswith Reinforcement Details for Material Quantity Reduction

Tae-Hoon Kim1)* , Dong-Kyu Park2) , Jae-Hoon Lee3) , Hyun-Mock Shin4)
1)Construction Technology Division, Samsung C&T Corporation
2)Bid Design Team, Samsung C&T Corporation
3)Bid Design Team, Samsung C&T Corporation
4)School of Civil and Architectural Engineering, Sungkyunkwan University
Corresponding author: Kim, Tae-HoonE-mail: th1970.kim@samsung.com
September 8, 2015 October 27, 2015 October 28, 2015

Abstract

This study investigates the performance of hollow precast segmental bridge columns with reinforcement details for material quantityreduction. The proposed triangular reinforcement details are economically feasible and rational, and facilitate shorter construction periods. The precast segmental bridge columns provides an alternative to current cast-in-place systems. We tested a model of hollow precast segmental bridge columns under a constant axial load and a quasi-static, cyclically reversed horizontal load. We used a computer program, Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology (RCAHEST), for analysis of reinforced concrete structures. The used numerical method gives a realistic prediction of performance throughout the loading cycles for hollow precast segmental bridge column specimens investigated. As a result, proposed reinforcement details for material quantity reduction was equal to existing reinforcement details in terms of required performance.

Precast segmental , Material quantity reduction , Hollow , bridge columns , Performance , Economically feasible , Construction

조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 성능평가

김태훈1)* , 박동규2) , 이재훈3) , 신현목4)
1)삼성물산(주) 건설부문 기술개발실
2)삼성물산(주) 건설부문 수주설계팀
3)영남대학교 건설시스템공학과
4)성균관대학교 건축토목공학부

초록

    1.서 론

    선행연구[1, 2]에서 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면은 경제적이고 합리적인 새로운 형태로서 배근작업이 용이하 고 삼각망 철근 모듈화를 통한 급속시공으로 공기단축이 가능하다. 삼각망 철근 배근상세는 중공단면 교각의 횡방향 철근을 외측 횡철근과 보강 횡철 근에 의한 삼각 구도로 구성하여 내측 횡철근의 감축 또는 생략을 실현하였 으며 안전성을 향상시켰다.

    중공 교각은 단면특성에 의한 구조물의 자중, 사용재료의 경감, 그리고수화열 억제 등 경제적 및 구조적인 측면에서 최근에 고속도로 교량과 철도 교량 등에 널리 설계시공되고 있다[3, 4, 5, 6, 7].

    이 연구의 목적은 선행연구[1, 2]에서 개발된 삼각망 철근상세를 갖는중공 교각단면의 적용확대를 위해 조립식 교각 시스템에 적용하고 그 구조 성능 등을 검증하는데 있다. 조립식 교각은 콘크리트 타설 또는 거푸집 설 치 등이 용이하지 않은 입지조건이나 신속한 하부구조 시공이 요구되는 경 우에 매우 효과적이며 교량 건설에서 유발되는 환경의 피해를 최소화 할 수 있고, 해외에서는 많은 시공사례가 있다[8, 9, 10, 11].

    이 연구에서 채택하여 적용한 조립식 교각 시스템은 Fig. 1과 같다[11].교각의 각 세그먼트는 공장에서 매치 캐스팅으로 제작되며, 축방향 철근이나중에 삽입되는 위치에 쉬스(sheath)를 미리 배치한다. 현장에 운반된 각 세그먼트는 접합면에 에폭시를 도포하며 적층하고 이때 접착 에폭시는 경 화될 때까지 0.3 MPa의 평균응력이 전이음면에 작용되어야 한다[12]. 세 그먼트 적층이 완료된 후 위에서 축방향 철근을 쉬스 내에 삽입하고 덕트 내부로 무수축 모르타르를 주입하여 시스템을 완성한다. 이를 통해 조립식 교각 시스템의 사용성과 내구성 등을 만족시킬 수 있다.

    조립식 교각에 새롭게 적용된 삼각망 철근상세는 기존 배근과 달리 축방향 철근이 내측보다 외측에 상대적으로 많이 배근되어 구조적으로 유리 한 거동 특성을 나타내며 삼각망 보강 횡철근에 의해 콘크리트의 3축 구속 을 충분하게 실현하고, 특히 축방향 철근의 좌굴을 확실하게 방지하기 때 문에 전체적으로 취성파괴에 대한 저항성이 우수하다. 또한 소성거동 능력 에 미치는 영향이 적은 내측 횡철근을 감축 또는 생략할 수 있고, 중공 교각 의 내진설계시 심부구속을 위한 횡방향철근량 산정에 관한 문제점 등을 해 결하며 삼각망 철근 모듈화에 의한 급속시공으로 공기단축을 가능하게 할 수 있다[1, 2].

    이 연구에서는 개발된 조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 상세와 성능을 정확하게 평가하고 검증하기 위하여 기존 철근상세를 갖는 조립 식 중공 철근콘크리트 교각과 함께 실험적, 해석적 연구를 수행하였다.

    2.조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 성능실험

    2.1실험내용

    조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 성능 평가를 위해서 Fig.2-4와 같은 대표적인 조립식 중공 사각형 교각 실험체를 설계하였다. 실험 체 설계는 국내외 중공단면 교각의 설계 및 시공 사례를 통계적으로 분석하 여 도출된 대표단면을 근거로 하였고 중공치수비(내경/외경)는 실험체 제 작 등을 고려하여 0.5로 결정하였다.

    삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 설계는 현행 도로교설계기준[12], 콘크리트구조기준[13], 그리고 AASHTOLRFD[14]를 근거로 실험체의 제작과정을 통해서 시공오차의 원인 등을 검토하여 반영하였다.

    이러한 조립식 교각 실험체는 기존 철근상세를 갖는 실험체 1기(S-PRHC-80)와 삼각망 물량저감 철근상세를 갖는 실험체 2기(S-PRHT-80, S-PRHT-120) 로 구성하였다. 모델의 단면은 외경이 1000 mm, 내경이 500 mm인 중공 사각형이고 교각의 하중 재하점까지의 높이는 4,500 mm로서 형상비가 4.5로 휨파괴 거동을 유도하였다. 실험체 S-PRHT-80와 S-PRHT-120는 외측 및 내측 횡철근의 감축을 변수로 하고 있다. 외측 횡철근의 단부구역 내 간격을 각각 80 mm와 120 mm로 하였고, 내측 횡철근은 최대간격 제 한에 의해 각각 400 mm와 360 mm로 결정하였으며 제원은 Table 1에 나 타내었다. 그리고 쉬스의 직경은 축방향 철근의 직경보다 최소 20∼30 mm 크게 결정하는 해외사례를 근거로 40 mm로 결정하였다.

    Fig. 5는 조립식 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 제작과정을 나타내고 있다. Fig. 5(a)는 쉬스가 배치된 기초부의 철근 조립이 완성된 모습이 다. Fig. 5(b)는 횡철근, 그리고 보강 횡철근의 거동특성 분석을 위하여 계 측용 게이지를 부착한 모습이다. Fig. 5(c), 5(d), 5(e)는 상하부 매치 캐스 팅을 이용한 각 실험체의 1∼3단 세그먼트의 제작 모습이다. Fig. 5(f)는 제작된 1∼3단 세그먼트를 크레인을 이용하여 적층하고 에폭시를 도포하 고 조립한 모습이다. 이때 0.3 MPa의 압축응력은 기초부에 매입된 인장용 강봉과 가력지그를 이용하여 도입하였다. Fig. 5(g)는 조립식 중공 교각 실 험체의 제작된 가력부 모습이다. 그리고 Fig. 5(h)는 양생후 최종적으로 완 성된 실험체 모습이다.

    조립식 물량저감 중공 교각 실험체의 구조 및 내진 거동특성을 파악하기 위하여 준정적(Quasi-Static) 실험을 수행하였으며 수평력은 Fig. 6과 같이 최대변위 ±600 mm인 3,500 kN 유압가력기(actuator)를 이용하여 재하하였다. 축력은 교각단면 축강도의 7.0%를 일정하중 유지장치로 재 하하였고 변위진폭은 drift ratio ±0.25%로 시작하여 ±0.5% ~ ±6.0%까지 0.5%씩 증가시키면 2회씩 재하하였다.

    조립식 교각 실험체의 국부거동 특성을 확인하기 위하여 소성힌지 구역내의 축방향 및 횡방향 철근과 보강 횡철근에 Fig. 7과 같은 변형률 게이지를 부착하였다. 그리고 하중 재하점의 수평변위와 수평하중은 가력기에 설 치된 변위계와 로드셀에 의해 계측하였으며, 하중 재하시 예상치 못한 기 초부의 수평변위나 들림은 변위계를 이용하여 측정하고 관리하였다.

    2.2실험결과 및 고찰

    조립식 중공 사각형 교각 실험체의 하중-변위 이력곡선을 Fig. 8-10에나타내었으며 실험체의 공칭모멘트에 대한 설계하중과 최종 파괴 양상을 함께 도시하였고 Table 2에 각 실험체별 최대하중과 변위연성도를 정리하 였다. 이러한 하중-변위 이력곡선은 횡방향 하중 및 가력지점의 변위로 도 시되는데 실험체의 강도, 연성, 그리고 에너지 소산능력을 평가하는 중요 한 분석 자료이다[15, 16]. 이때 변위연성도는 철근콘크리트 교각의 변위 연성도 평가에서 가장 널리 사용되고 있는 Park[17]의 간접적인 방법으로 산정하였다.

    실험에서 최초 휨균열은 기초부와 첫 번째 세그먼트의 접합면에서 가장먼저 발생하였고, 점차적으로 각 세그먼트 자체에 새로운 휨 균열이 발생 하면서 교각 하단부에 고른 분포를 보여 현장타설 교각의 경우와 유사하였다. 그러나 파괴에 근접할수록 균열이 세그먼트 접합면에 집중되어 모든 실험체에서 기초부와 첫 번째 세그먼트의 접합면에 발생한 균열이 최대 균 열폭을 나타내었다. 이러한 세그먼트 접합면의 열림과 닫힘 등을 검토해 볼 때 철근의 부식 등 내구성과 사용성 측면을 충분히 만족하고 있음을 확 인할 수 있었다. 또한 축방향 철근의 항복과 콘크리트 피복의 압축 파쇄 및 박리현상은 현장타설 철근콘크리트 교각과 유사하게 발생하였고, 모든 실 험체는 쉬스 내부 축방향 철근의 좌굴과 이로 인한 파단으로 파괴되었다.

    기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHC-80)의 공칭모멘트에 대한 설계하중은 554.2 kN이며 실험값은 (-)907.8 kN, (+)726.7 kN이다. 단부구역에 내측 횡철근을 약 80% 감축하여 배근한 삼 각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHT-80)의 공칭모멘 트에 대한 설계하중은 534.7 kN이며 실험값은 (-)883.1 kN, (+)699.4 kN 이다. 그리고 단부구역에 외측 횡철근 약 20% 및 내측 횡철근 약 80%을 감축하여 배근한 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHT-120) 의 공칭모멘트에 대한 설계하중은 534.7 kN이며 실험값은 (-)864.2 kN, (+)697.3 kN이다.

    기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHC-80)의 경우설계하중의 130% 수준, 단부구역에 내측 횡철근을 약 80% 감축하여 배근한 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHT-80)의 경우 설계하중의 130% 수준, 그리고 단부구역에 외측 횡철근 약 20% 및 내측 횡철근 약 80%을 감축하여 배근한 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 실 험체(S-PRHT-120)의 경우 설계하중의 130% 수준까지 내력이 발휘되고 있다.

    실험체(S-PRHC-80)의 변위연성도는 5.4, 5.0이고, 실험체(S-PRHT-80)의 변위연성도는 5.8, 5.2이다. 그리고 실험체(S-PRHT-120)의 변위연성 도는 6.6, 5.7로서 도로교설계기준에서 규정하고 있는 횡방향철근량의 약 50% 미만으로 배근하였음에도 단주교각의 요구연성도 5를 만족하고 있음 이 확인되었다. 즉 실험변수인 외측 및 내측 횡철근의 간격, 그리고 보강띠 철근의 형태와 개수 및 간격과 상관없이 요구연성도를 만족하고 있으나 이 는 현행 도로교설계기준에서 중실단면에 비해 상대적으로 심부콘크리트 면적이 작은 중공단면의 횡방향철근량이 과도하게 산정되고 있기 때문인 것으로 판단된다.

    Fig. 8-10에는 실험체의 최종 재하 단계에서의 중공 내부를 함께 나타내고 있는데 기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 사각형 철근콘크리트 교각 실 험체와 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 교각 실험체 모두 파괴가 거의 발생 하지 않음을 알 수 있다.

    Fig. 11에 각 조립식 중공 교각 실험체에 대한 누적 소산에너지를 도시하였다. 소산에너지는 하중-변위 이력곡선의 내부면적으로 정의되며 누적 소산에너지는 내부면적의 합으로 산정되고, 내진성능을 평가하는데 가장 중요한 요소이다. 기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHC-80) 의 누적 소산에너지는 3,000,000 kN·mm이다. 단부구역에 내측 횡철근을 약 80% 감축하여 배근한 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHT-80)의 누적 소산에너지는 2,900,000 kN·mm이다. 그리 고 단부구역에 외측 횡철근 약 20% 및 내측 횡철근 약 80%을 감축하여 배 근한 삼각망 철근상세를 갖는 조립식 중공 교각 실험체(S-PRHT-120)의 누적 소산에너지는 3,100,000 kN·mm으로서 개발된 물량저감 철근상세 를 갖는 교각이 기존 철근상세를 갖는 교각과 동등이상의 내진성능을 보이 고 있음을 확인할 수 있다.

    조립식 중공 사각형 교각 실험체의 국부적 거동특성을 분석하기 위하여전술한 바와 같이 소성힌지구간에서 축방향 철근과 심부구속 철근에 변형 률 게이지를 부착하였다. 수평하중이 작용할 경우 횡방향철근은 하중의 변 화에 따라서 변형률의 증가 또는 감소가 발생하고 있으며 항복변형률 (2,000 microstrains) 이내에서 실험변수에 따라 유사한 거동특성을 보이고 있음을 Fig. 12-14에서 확인할 수 있다.

    위와 같은 실험결과로 부터 삼각망 물량저감 철근상세를 갖는 조립식 중공 사각형 철근콘크리트 교각은 삼각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 방지하는 뛰어난 거동특성으로 기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 철근콘크리트 교각과 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 동등 이상 의 성능을 보이고 있음이 확인되었다.

    3.조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각의 비선형 해석 및 성능 평가

    3.1해석 내용 및 결과

    이 연구에서는 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 비선형 유한요소해석을 위해 저자 등에 의한 범용 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)[18]에 중공 단면의 구속효과를 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(Fig. 15).

    철근콘크리트 평면응력요소, 접합요소 등[18, 19, 20, 21, 22]을 이용하였고 비선형재료모델은 그대로 적용하였으며 중공 단면의 구속효과는 Mander et al.[23]의 제안모델을 채택하여 고려하였다. 이 모델은 콘크리트의 단면형 상에 관계없이 적용할 수 있고, 축방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있다. 이 연구에서는 중공치수비(내 경/외경)에 따라 횡구속 효과를 저감시키는 수정계수를 도입하여 중공 단 면의 구속효과를 고려하였다[21, 22].

    Fig. 16은 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할한 예이다.조립식 중공단면 교각 실험체들의 유한요소해석을 위해서 등가환산단면을 이용하여 Fig. 16(a)와 같이 2차원 평면요소로 해석이 가능하도록 하였다. 등가환산단면은 중공단면 철근콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철 근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유 도하였다. 그리고 사용된 유한요소망 Fig. 16(b)의 타당성 검증을 위한 탄 성해석과의 수렴성 시험(convergence test) 결과 형상비(aspect ratio)에 의한 영향은 1.0% 미만이었으며 이는 콘크리트구조의 비선형 해석에서 예 상되는 오차에 비하여 작은 것으로 나타났다.

    이 연구에서 사용된 접합요소는 수직방향 2개 절점의 위치가 같은 가상의 절점을 이용한 6절점 접합요소 또는 4절점 접합요소 중 하나를 선택할 수 있다. 접합요소를 사용하면 접합부에 평행한 수평방향의 전단응력과 이 에 수직방향의 인장응력 또는 압축응력을 결정할 수 있다. 세그먼트 접합부 의 부착파괴 기준으로는 Coulomb 파괴기준을 사용하였으며, 세그먼트 접 합부의 거동특성을 지배하는 내부마찰각과 점착력을 기존의 연구결과[10, 20]와 사용된 에폭시의 재료물성을 근거로 각각 45°와 5.88 MPa으로 정하 였다.

    Fig. 17은 비선형 유한요소해석 결과와 실험에 의한 하중-변위 관계를도시하고 있으며 해석결과가 실험결과와 전반적으로 잘 일치하고 있다. 비 선형 유한요소해석 결과에서 (+)최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 0.93과 0.01이고 (+)변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균 과 변동계수는 0.92와 0.10이다. 이러한 해석결과는 실험 결과와 재하, 제 하, 그리고 재재하시의 거동면에서도 잘 일치하고 있으며 조립식 교각 실험 체에 반복 주기하중이 진행되는 동안 소성힌지부의 비탄성 변형이 증가함 에 따라 일어나는 균열, 파쇄, 그리고 손상 및 파괴와 잘 일치하고 있다.

    중공비 0.5의 조립식 중공 사각형 실험체는 파괴시 중립축의 위치가 모두 중공 단면내부에 위치하고 있는 것으로 확인되었고, 중실교각과 동일하 게 중립축을 기준으로 압축과 인장력이 단면에 나타나 연성적인 파괴거동 을 보였다.

    3.2내진성능평가

    이 연구에서는 성능기반 내진설계 체제[24]에 의한 손상지수를 이용한내진성능평가 기법[19]을 확장, 적용하여 조립식 중공 철근콘크리트 교각 의 내진성능을 평가하였다. 성능기반 내진설계는 구조물이 예측 가능한 내 진성능을 확보하고 규정된 성능목표를 달성할 수 있도록 하는데 필요한 해 석과 설계절차를 포괄하는 개념이다.

    이러한 성능기반 내진설계 체제는 손상상태의 정량화가 필수적이며 이연구에서는 손상지수를 이용하였다. 손상지수는 비선형 유한요소해석에 서 필연적으로 계산되는 가우스 적분점에서의 변형률을 이용하여 해석단 계별로 직접 산정할 수 있으며 콘크리트와 철근의 극한변형률에 근거한 파 괴기준을 토대로 하고 있다. 이때 각 손상상태는 한 개 또는 그 이상의 한계 상태에 의해 결정되고 각각은 성능수준을 규정할 수 있다. 완전기능 수준은 손상이 거의 발생하지 않아 보수가 요구되지 않는 상태, 기능수행 수준은 경미한 손상이 발생하여 보수가 필요한 상태, 그리고 붕괴방지 수준은 심각한 손상이 발생하여 부분 또는 전체적인 보수 및 보강이 필요한 상태이다[19].

    Table 3은 하중재하에 따른 손상지수의 변화를 실험결과와 함께 비교하여 조립식 교각실험체의 내진성능평가를 나타내고 있다. 수행된 예로서 단부구역에 내측 횡철근을 80% 감축하여 배근한 조립식 물량저감 중공 사 각형 철근콘크리트 교각 실험체(S-PRHT-80)의 실험결과를 재하 단계별 로 기술하면 다음과 같다. Drift 0.50%에서 교각 전면에 미세한 수평 휨균 열이 생기며 1.0%에서는 소성힌지부의 휨 균열이 진전하였다. 1.5%에서 첫 번째와 두 번째 세그먼트 접합면의 균열이 약 2.0 mm 까지 진전하였으 며 2.0%에서는 모서리 부분의 수직균열이 진전하였다. 2.5%에서 모서리 에서 기초부로부터 약 100 mm 높이에 걸쳐 콘크리트 피복이 박리되었으 며 3.0%에서는 소성힌지부의 수직균열이 진전되었다. 3.5%에서 피복박 리가 진전되었으며 4.0%에서 축방향 철근의 좌굴이 시작되었다. 4.5%에 서 기초부로부터 약 100 mm 높이에 걸쳐 콘크리트 피복이 탈락되었으며 5.0%에서 축방향 철근의 좌굴이 진전되었다. 5.5%에서 축방향 철근이 파 단이 일어났으며 6.0%에서 다수개의 축방향 철근이 파단되어 실험을 종료 하였다. 이에 대하여 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값은 drift 0.5%에 서 0.04, 1.0%에서 0.08, 1.5%에서 0.21, 2.0%에서 0.27, 2.5%에서 0.32, 3.0%에서 0.37, 3.5%에서 0.39, 4.0%에서 0.49, 4.5%에서 0.50, 5.0%에 서 0.63, 5.5%에서 1.00 그리고 6.0%에서 1.00을 나타내고 있다. 이러한 손상지수의 값을 성능평가 기법으로 표현하면, drift 0.5%에서는 완전기 능 수준으로 손상이 거의 발생하지 않아 보수가 요구되지 않는 상태이다. Drift 3.5%에서는 기능수행 수준으로 경미한 손상이 발생하여 보수가 필 요한 상태이다. Drift 5.0%에서는 붕괴방지 수준으로 심각한 손상이 발생 하여 부분 또는 전체적인 보수 및 보강이 필요한 상태를 의미한다.

    하중재하에 따른 요소레벨의 손상지수의 변화를 나타내는 Fig. 18은 이실험의 변수로 사용한 개발된 물량저감 철근상세에 따른 실험체의 거동특 성을 비교한 것이다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 1.0%에서 S-PRHC-80 실험체는 0.08, S-PRHT-80 실험체는 0.08, S-PRHT-120 실험체는 0.08이다. Drift 3.0%에서 S-PRHC-80 실험체는 0.40, S-PRHT-80 실험체는 0.37, S-PRHT-120 실험체는 0.38이다. 그리 고 drift 5.0%에서 S-PRHC-80 실험체는 0.72, S-PRHT-80 실험체는 0.63, S-PRHT-120 실험체는 0.75이다. 즉 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 S-PRHT-80 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-PRHC-80 실험체보 다 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다. 이는 손상 의 주요 원인이 축방향 철근의 좌굴에 의한 것인데 삼각망 철근상세를 갖는 실험체는 삼각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 직접적으로 방 지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.

    실험결과와 해석결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 내진성능평가 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 조립식 물량저감 중공 철 근콘크리트 교각의 비탄성 이력거동을 적절히 나타내고 있으며, 신설 또는 기존 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 가능할 것으로 판 단된다.

    4.결 론

    이 연구에서는 개발된 조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각 시스템의 검증을 위하여 대표적인 조립식 중공 사각형 철근콘크리트 교각 실험체 와 함께 실험적, 해석적 연구를 수행하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1) 실험적, 해석적 연구결과로부터 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 조립식중공 사각형 철근콘크리트 교각은 설계된 값을 잘 반영하고 있으며 삼 각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 방지하는 뛰어난 거동 특성으로 기존 철근상세를 갖는 조립식 중공 사각형 철근콘크리트 교각 과 동등 이상의 소요성능을 갖고 있는 것으로 확인되었다.

    2) 조립식 물량저감 중공 철근콘크리트 교각단면은 기존 철근상세를 갖는조립식 중공 교각단면과 동등 이상의 연성능력을 나타내고 있으며, 최 대하중 도달 후 하중의 급격한 감소현상을 보이지 않고 있다. 또한 하중 단계별로 동등 이상의 에너지 소산능력을 보이고 있음을 알 수 있다.

    3) 개발된 물량저감 철근상세를 하중단계별 철근의 변형률 변화 등을 통해기존 철근상세와 비교 분석한 결과 전반적으로 유사한 거동특성을 보 이고 있어 그 적용성이 확인되었으며 경제적인 중공 단면의 도출로 조 립식 중공교각의 물량감축을 실현할 수 있고 이에 따라 시공원가를 절 감할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 배근작업이 불편한 내측 횡철근을 감축 또는 생략할 수 있기 때문에 시공과정에서 철근 배근의 시공성을 향상시킬 수 있으며, 삼각망 철근 모듈화를 통한 급속시공으로 공기단 축이 가능하다.

    4) 이 연구에서 제안한 비선형 유한요소해석 결과 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 0.93과 0.01이고 변위연성도에 대한 실 험값/해석값의 평균과 변동계수는 0.92와 0.10으로서, 전반적으로 실 험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 제안한 해석기법 과 모델은 조립식 중공 철근콘크리트 교각구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었으며 조립식 중공 교각구조의 정밀해 석이 가능할 것으로 판단된다.

    5) 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타낼 수 있는 기존의 손상지수에 의한 내진성능평가 기법을 확장, 적용하여 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능을 평가하였고, 제대로 평가함으로써 조립식 중공 교각구조의 내진성능평 가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

    6) 조립식 교각의 경우 접합부의 제원특성에 따라 다양한 거동을 나타내게되므로, 향후 접합면의 수직강성, 점착력, 그리고 마찰각 등에 대한 매개 변수 연구를 통하여 거동특성을 심도 있게 규명할 필요가 있다. 또한 조 립식 물량저감 중공교각의 내진설계기준을 정립하기 위해서는 단면형 상, 중공비, 축력비, 축방향철근비 등 제원특성에 따른 추후 연구를 통하 여 조립식 중공 교각의 거동특성을 심도 있게 규명할 필요가 있다. 그리 고 개발기술의 적용과 성능향상을 통하여 삼각망 물량저감 철근상세를 갖는 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 설계 및 시공기법을 완성할 수 있을 것으로 기대된다.

    Figure

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    Hollow precast segmental reinforced concrete bridge columnsystems[11]

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    Hollow precast segmental column specimen S-PRHC-80(Unit: mm)

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    Hollow precast segmental column specimen S-PRHT-80(Unit: mm)

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    Hollow precast segmental column specimen S-PRHT-120(Unit: mm)

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    Construction sequence for hollow precast segmentalcolumn specimens

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    Loading Setup

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    Instrumentation of the test specimen

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    Lateral load-displacement relationship for specimen S-PRHC-80

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    Lateral load-displacement relationship for specimen S-PRHT-80

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    Lateral load-displacement relationship for specimen S-PRHT-120

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    Hysteretic energy dissipation

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    Lateral load-strain curves of transverse reinforcement (OT1)

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    Lateral load-strain curves of transverse reinforcement (IT1 or IT2)

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    Lateral load-strain curves of transverse reinforcement (CL1)

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    RCAHEST nonlinear finite element analysis program

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    Finite element model for hollow precast segmental columnspecimens

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    Comparison of results from the experimental results

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    Assessment of performance level for hollow precast segmentalcolumns

    Table

    Properties of test specimens

    Experimental results

    Comparative evaluation of progressive damage for specimens

    Reference

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    Journal Abbreviation J. Earthq. Eng. Soc. Korea
    Frequency Bimonthly
    Doi Prefix 10.5000/EESK
    Year of Launching 1997
    Publisher Earthquake Engineering Society of Korea
    Indexed/Tracked/Covered By