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2400MPa 고강도 PC강연선

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포스코 제품이용기술센터 (담당자: 양준모 책임연구원, jm.yang@posco.com, 032-200-2467)

2

‘11.3 Revision

Korean Standard (KS D 7002)

2400MPa PC 강연선

Grade 2160 MPa

Grade 2400 MPa

3

Super Long Span Bridge R&D Program

Government(MLIT)

KAIA

Super Long Span Bridge R&D Center(Korea Expressway Corporation)

7 years (2008.12 ~ 2015.12), 95 billion KRW

1st Core Project

Core Eng. Technology

Seoul National Univ.

3rd Core Project

High Efficiency

Construction Technology

Korea Institute of

Construction Tech.

4th Core Project

Test bed & Operating

Technology

Korea Expressway

Corporation

2009. 5 ~ 2014. 3

(4 years 10 months)

2nd Core Project

High Performance

Material & Application

Technology

POSCO

• 2,100MPa (Φ5.4mm) wire(’12)

• 1,900MPa (Φ7.0mm) wire(’13)

• 2,200MPa (Φ15.7mm) strand(’12)

• 2,400MPa (Φ15.2mm) strand(’11)

High-strength and

high-corrosion

resistant wire & strand

Cable systems

for suspension bridges

Cable systems

for cable-stayed

bridges

Cable performance

qualification system

• 1,960MPa / 2,100MPa (Φ5.4mm)

PPWS cable system

• 2,200MPa (Φ15.7mm)

MS cable system

• 2,400MPa (Φ15.2mm) PT cable system

• Cable performance qualification

system

• Cable test guidelines

2400MPa PC 강연선

4

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50 60

Load

(kN

)

Disp.(mm)

Stress-Strain Curves (five 1860MPa, five 2400MPa Strands)

Stress-Strain Curves

(five 1860MPa, five 2400MPa strands)

Grade 2400MPa strand has 27% larger strength than Grade 1860MPa strand but same performance for other characteristics

Item Diamter

(mm)

Breaking

Strength (kN)

Yield Strength

(kN)

Elongation

(%)

Relaxation

(%)

Fatigue

(Fmax=TS*70%,

△σ=190MPa)

1860MPa

Spec.in KS 15.0~15.6 Min.261 Min.222 Min. 3.5 2.5 2Million

2360MPa

Spec. in KS 15.0~15.6 Min.333 Min.283 Min. 3.5 2.5 2Million

2360MPa

Result 15.4 347.5 321.7 7.5 0.8 Pass

Grade 2400MPa Prestressing Steel Strands

2400MPa PC 강연선

5

Relaxation Tests

Grade 2400MPa Prestressing Steel Strands

2400MPa Strand

Relaxation 0.87% Relaxation 0.78% Relaxation 0.69%

Initial(kN) 235.04 Initial(kN) 233.1 Initial(kN) 233.26

Time Load(kN) Time Load(kN) Time Load(kN)

1 234.08 0.41% 1 232.43 0.29% 1 232.54 0.31%

3 233.88 0.49% 3 232.31 0.34% 3 232.38 0.38%

5 233.76 0.54% 5 232.17 0.40% 5 232.38 0.38%

10 233.6 0.61% 10 232.1 0.43% 10 232.16 0.47%

30 233.42 0.69% 30 231.97 0.48% 30 232.06 0.51%

50 233.32 0.73% 50 231.86 0.53% 50 232 0.54%

100 233.24 0.77% 100 231.76 0.57% 100 231.92 0.57%

300 233.16 0.80% 300 231.45 0.71% 300 231.8 0.63%

500 233.06 0.84% 500 231.28 0.78% 500 231.74 0.65%

700 233 0.87% 700 231.28 0.78% 700 231.72 0.66%

1000 232.99 0.87% 1000 231.28 0.78% 1000 231.66 0.69%

0.0%

0.2%

0.4%

0.6%

0.8%

1.0%

1.2%

1.4%

1.6%

1.8%

2.0%

0 200 400 600 800 1000

Re

laxa

tio

n

Time (hour)

2,400 MPa strand

1,860 MPa strand

2400MPa PC 강연선

- 시험방법 : 실측 극한강도의 70% 하중 1000시간 유지

하중감소 측정

- 품질기준 : 2.5% 이하 low relaxation strand

6

1

10

100

0 20 40 60 80 100

Tim

e t

o F

ailu

re (h

ou

r)Failure Probability (%)

2,400 MPa strand

1,860 MPa strand

med. 7.9hr

med. 7.7hr

min. 2.9hr

min. 2.7hr

Stress-Corrosion Tests with Solution A (prEN10138-3: 2009)

‘13.11 Time to failure (Hr)

1 2.7

2 3.3

3 3.7

4 3.7

5 5.3

6 7.7

7 7.7

8 8.6

9 9.5

10 11.2

11 13.2

12 17.2

Min. 2.7 (≥ 2.0)

Med. 7.7 (≥ 5.0)

• Stress corrosion crack(SCC) is the growth of crack formation in

a corrosive environment. It can lead to unexpected sudden

failure of normally ductile metals subjected to a tensile stress

Grade 2400MPa Prestressing Steel Strands

2400MPa PC 강연선

• 시험방법: (1) 하중: 실제 인장강도의 80%(2) 시험용액 (Sol. A) : NH4SCN 수용액(3) 수용액 온도: (50±1)°C(4) 시험체 개수: 6개 이상

• 품질기준: (1) 최소 파단시간: 2시간(2) 파단시간 중앙값 : 5시간

7

Anchorage Systems for Grade 2400MPa Strands

Development of Anchorage / Anchor head / Wedge for Gr. 2400MPa strands

Performance certification through international testing standard* was completed

- Static / Fatigue / Load transfer / Cryogenic / Ultimate load Tests

< Analysis and test of 30hole anchorage >

< Anchorage / Anchor head >

< Static Test / Fatigue Test >

*ETAG-013: Guideline for European Technical Approval of Post-tensioning Kits for Prestressing of Structures

< Load transfer test > < Ultimate load test >

< Cryogenic Test (-196℃) >

2400MPa PC 강연선

8

PT 케이블

2400MPa PT 정착시스템

Post-tension Cable

Post-tension Anchorage

200,000 kl 270,000 kl

Gr. 1860 Gr. 2400 Remarks Gr. 1860 Gr. 2400 Remarks

Type and

number of

tendon

19C15.7-108ea

27C15.7-164ea

16C15.2-108ea

22C15.2-76ea

27C15.2-76ea

▲ 24ea

(▲ 4.4%)

27C15.2-180ea

31C15.2-240ea

24C15.2-64ea

31C15.2-258ea

▲ 196ea

(▲ 23.3%)

Distance

of tendon

Horizontal:

0.280~0.900m

Vertical: 1.268m

Horizontal:

0.320~0.900m

Vertical: 1.268m

Increase of

horizontal

tendon

distance

Horizontal:

0.265~1.320m

Vertical: 0.813m

Horizontal:

0.320~1.320m

Vertical: 1.219m

Increase of

horizontal /

vertical tendon

distance

Quantity

of strand 995 ton 781 ton

▲ 214 ton

(▲ 21.5%) 1,819 ton 1,411 ton

▲ 407 ton

(▲ 22.4%)

PSC LNG Storage Tank : Grade 2400MPa vs. Grade 1860MPa

Reduction in the Quantity of Strands : over 20%

Reduction in the Cost of Post-Tensioning : ~15%

(due to reduction in the cost of labor and material

such as strand, anchorage, etc.)

2400MPa PC 강연선

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2nd Tae-In Bridge (Extradosed)

- Total length of bridge/Span length between pylons : 210m / 102m

- Application of Grade 2400MPa strand : Longitudinal and transverse(deck) tendon

- Quantity of strand : 24%↓ (185 ton (Gr. 1860) 140 ton (Gr. 2400))

56.5m 102.0m 56.5m

A

A

Section A-A

횡방향 텐던

종방향(캔틸레버) 텐던

종방향(연속화) 텐던

Longitudinal tendon

Longitudinal

tendon

Transverse

tendon

Korean Expressway Corp. adopted Gr. 2400MPa Post-tension system for the

design of new highway bridges

Many bridges are designed and built with 2400MPa PT system in Korea

2400MPa PC 강연선 적용 실적

10

LPG Storage Tank in Gwangyang POSCO Mill

- Tank capacity (Net) : 50,000 ton

- Inner diameter of concrete dike wall : 69 m

Gr. 1860 Gr. 2400

Horizontal tendons 22hole - 304ea 19hole - 256ea

Vertical tendons 12hole - 144ea 10hole - 144ea

Quantity of PC strand 264 ton 198 ton (25%↓)

Precast Post-Tensioned Bridge Girders

- 200 tons of Gr. 2400MPa strand were applied

to 6 bridges

- Many bridges are designed with 2400MPa strand

Prestressed Ground Anchor for Songsan Under Pass

- To resist hydrostatic uplift

- 8 tons of Gr. 2400MPa strand were applied

Incheon LNG Storage Tanks (#21~#23) were designed with 2400MPa PT system

2400MPa PC 강연선 적용 실적

11

2400MPa PT적용 LPG/LNG 탱크 상세해석 및 설계지침 개발

- 연구기관 : (사)한국콘크리트학회 프리스트레싱위원회, 포스코

- 연구내용 :

· LNG/LPG 탱크 프리스트레싱 관련 국내외 규정 분석

· 고강도 강연선 적용 시 구조적 영향 해석

· 경제성/공기단축 효과 분석

· Mock-up 시험

· LNG/LPG 탱크 고강도 강연선 설계지침 개발

<2400PT 적용 LNG/LPG탱크 설계지침>

LNG/LPG 탱크 프리스트레싱 관련 국내외 규정 분석

- 주요규정 :

· 미국 : ACI 350, ACI 373, ACI 376

· 유럽 : EN 14620(Part 3), EN 1991(Part 4), EN 1992(Part 1-1, 1-2, 3)

· 일본 : LNG地上式貯槽指針, 貯水用円筒形PCタソク設計施工規凖

- 주요내용 :

· 일반적인 프리스트레스트 콘크리트 구조물의 설계 및 시공 방법과 유사

· 한계상태설계법(LSD, Limit State Design) 적용

· 최대 중심간격 규정 : (ACI373) 원환텐던은 벽체두께의 3배 이하, 수직텐던은 4배 이하

(일본 貯水用円筒形PCタソク設計施工規凖) 원환텐던은 벽체두께의 5배 이하, 수직텐던은 3배 이하

2400MPa PT적용 LPG/LNG 탱크 설계지침 (KCI)

12

고강도 강연선 적용 시 구조적 영향 해석

- LNG/LPG탱크 외조에 2400PT 적용할 때 수직텐던, 원환텐던 배치간격에 따른 구조적 영향 분석

- 원환텐던 :

· 텐던 수직간격 0.2~1.8m 변화 해석

· 콘크리트 벽체에 도입되는 접선방향 압축응력의 차이가 0.3% 수준 이내로 균등하게 도입

- 수직텐던 :

· 텐던 수평간격 0.5~3.5m 변화 해석

· 정착구에서의 하중은 45° 보다 큰 63° 분포, 이때, 압축응력 차이는 0.5% 수준 이내

- 2400PT 적용시 텐던의 배치 간격을 현행 설계예 보다 넓힐 수 있음

<원환텐던 접선방향 응력해석 결과> <수직텐던 응력해석 결과>

2400MPa PT적용 LPG/LNG 탱크 설계지침 (KCI)

13

경제성/공기단축 효과 분석

- 텐던 중심간격 조정에 따른 경제성 약 15% 확보 가능

Mock-up 시험 (두께 750mm, 폭 4mm, 길이 7m 벽체 긴장시험)

- 텐던간격 변수해석 결과 검증 및 시공성 (31C15.2, 약850톤(=0.8fpu=0.94fpy)) 검증

- 도입 압축응력 크기가 해석치와 유사 2400PT 31hole 설계/시공 가능

강연선 및

텐던

20만 kl 27만 kl

1,860MPa 2,400MPa 모의 2,400MPa 수정 1,860MPa 2,400MPa 모의 2,400MPa 수정

원환텐던 27C15.7 - 164ea

22/27C15.2 - 152ea

27C15.7 - 116ea

31C15.2 - 240ea

24/31C15.2 - 202ea

31C15.2 - 168ea

원환텐던 배치간격

0.280 ~0.900m

0.320 ~0.900m

0.365 ~1.170m

0.265 ~1.320m

0.320 ~1.320m

0.345 ~1.715m

경제성 100% 약 96% 약 85% 100% 약 89% 약 85%

<Mock-up 시험체 평면도> <Mock-up 시험 전경> <Mock-up 시험체 해석값/시험값 비교>

2400MPa PT적용 LPG/LNG 탱크 설계지침 (KCI)

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앵커헤드, 쐐기, 정착구, 구속철근으로 구성되며, 다음 품질기준을 만족하여야 함

(1) 정하중성능; (2) 하중전달성능; (3) 극저온성능

LNG탱크용 2400MPa PT 정착장치 품질 기준

LNG탱크용 2400MPa PT 정착장치

*KCI-PS101: PSC 텐던 정착장치 및 접속장치의 성능 시험 방법 **ETAG-013: Guideline for European Technical Approval of Post-tensioning

Kits for Prestressing of Structures

정하중 시험 (KCI-PS101*, ETAG013**)

품질기준 :

(1) 최대하중 : 실측 극한하중의 95% 이상

(2) 최대 하중에서 측정된 자유장에서 강연선의 총 신장량 : 최소 2%

<긴장력 도입단계> <웻지와 덴던에서의 변위 측정 위치>

15

하중전달시험 (KCI-PS101, ETAG013)

시험방법 : 공칭극한하중(Fpk) 80% 도입 하중감소 (20% Fpk)

10회 이상 반복하중 재하 (20% Fpk ~ 80% Fpk) 파괴까지 하중 재하

<하중가력곡선>

품질기준 :

(1) 최대하중 : 공칭 극한하중의 110% 이상

(2) 반복가력 중 최초 0.8Fpk / 마지막 0.12Fpk / 마지막 0.8Fpk 하중시 콘크리트 균열폭

: 최대 0.15mm / 0.15mm / 0.25mm

<하중전달시험 전경>

LNG탱크용 2400MPa PT 정착장치 품질 기준

16

극저온시험 (ETAG013)

시험방법 : 공칭극한하중(Fpk) 80% 도입 및 하중 1시간 유지 액체질소 주입, -196℃ 시험체 냉각

10회 반복하중 재하 (공칭항복하중 80% ~ 100%) 텐던 파단까지 하중 재하

품질기준 :

(1) 최대하중 : 실측 극한하중의 95% 이상

(2) 시험종료 후 : 정착장치의 파괴 없어야 함

<극저온시험 전경>

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

8000

0 50 100 150 200

Load

(kN

)

Deformation (mm)

<22hole 정착구 극저온시험 결과*>

<긴장력 도입 및 온도이력 곡선>

*파단하중 : 7,376kN > 95% AUTS : 7,273kN

LNG탱크용 2400MPa PT 정착장치 품질 기준