2014 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2014A038

프리캐스트 Half Deck의 구조성능 평가

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 pre-stress introduction of the bottom plate inside through the static load test. Keywords : Precast slab, Panel, Prestress, Pre-tension 초 록 콘크리트 교량의 상판 및 교각 등의 건설과정에서 수반되는 거푸집의 설치 및 해체공정을 최소화하여 공기를 단축하고 시공공정의 효율성 및 경제성을 제고하고자 개발된 프리캐스트 Half Deck 공법에 대한 성능평가를 수행하였다. 본 연구에서는 루프이음 방식을 적용하여 사전제작된 패널을 교축방향으로 연속시킴으

로써 패널간 이음부의 구조적 연속성을 확보하고, 프리텐션이 도입되어 타설 콘크리트 사하중 등의 가설하중에 대한 내하력을 확보한 반단면 프리캐스트 바닥판의 성능을 실험적으로 평가하고자 실물스케일의 시험체를 제작하여 정적하중 실험을 통해 프리스트레스 도입의 영향 및 이음부 건전성과 전체적인 바닥판 거동의 연속성을 분석하였다.

연구결과, 프리텐션으로 인한 균열 복원 성능으로 인해 일반적인 현장타설 바닥판 혹은 프리텐션을 도입하지 않는 프리캐스트 바닥판에 비해 내구성이 뛰어날 것으로 예상되었다.

주요어 : 프리캐스트 바닥판, 패널, 프리스트레스, 프리텐션

1. 서 론

일반적으로 건설현장에서 바닥판을 시공하는 현장타설 공법의 문제점들과 한계로 인해 공기

단축, 시공성 향상의 목적으로 프리캐스트 바닥판이 많이 사용되고 있다. 프리캐스트 공법에서

바닥판에 대한 프리캐스트 공법은 바닥판 전체를 미리 공장이나 현장에서 제작하여 보와 벽

등에 걸쳐놓고 주변구조를 일체로 접합하는 완전 프리캐스트 바닥판 공법과, 바닥판 단면의 일

† 교신저자: 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도시스템학과 석사과정(Pymych@hanmail.net)

* 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도시스템학과 석사과정

** 한국철도기술연구원 차세대고속철도기술개발사업단 인프라 연구단장 *** 서울과학기술대학교 철도전문대학원 철도건설공학과 교수

부를 공장이나 현장에서 미리 제작하고 그 나머지 단면부분을 현장콘크리트로 타설하는 반단

면 프리캐스트 바닥판 공법이 있다. 이러한 반단면 프리캐스트 바닥판 공법은 상기의 완전 프

리캐스트 바닥판 공법과 현장타설 공법의 장점을 절충, 보완한 효과적인 공법으로 공기단축,

시공성 향상을 목적으로 개발된 합성바닥판의 일종이다.

본 연구에서는 루프이음 방식을 적용하여 교축방향 패널과 패널사이의 이음부에 구조적 연

속성과 반단면 패널 제작시 프리텐션 방식으로 프리스트레스를 도입하여 타설 콘크리트 사하

중 등의 가설하중에 대한 내하력을 확보한 반단면 프리캐스트 바닥판의 성능을 평가하는데 목

적이 있다. 또한 반단면 프리캐스트 바닥판의 성능 향상을 위해 시공현장에 사용될 실제 크기

의 바닥판을 제작하여 정적하중 실험을 통해 바닥판 내부의 프리스트레스 도입의 영향 및 바

닥판 이음부에서 철근과 전체적인 거동에서의 연속성을 분석하였다.

2. 본 론

2.1 프리캐스트 Half Deck 설계 및 제작

반단면 프리캐스트 바닥판은 루프이음 방식을 적용하여 교축방향 패널과 패널사이의 이음부

에 구조적 연속성과 반단면 패널 제작시 프리텐션 방식으로 프리스트레스를 도입하여 타설 콘

크리트 사하중 등의 가설하중에 대한 내하력을 확보한 반단면 프리캐스트 바닥판의 성능을 극

대화 시키는 효율적인 구조로써 바닥판 내부의 프리스트레스 도입에 따른 부재의 연성거동 및

내구성 증진 및 구조적인 연속성 향상을 극대화 시킬 수 있는 형태의 시스템이다.

(a) 철근 및 프리스트레스 텐던 배근 상세 (b) 제작 후 반단면 프리캐스트 바닥판

Fig. 1 반단면 프리캐스트 바닥판 구조특성

실험부재는 세그먼트에 루프이음을 갖도록 설계 및 제작 하였으며, 프리캐스트 부분의 설계

기준 강도 35MPa과 27MPa의 압축강도를 갖는 현장타설 콘크리트를 사용하여 제작하였다. 부

재에 사용된 철근은 SD40철근을 사용하였다.

부재 제작은 콘크리트 거푸집을 제작한 후에 프리스트레스를 도입하고 콘크리트를 타설하는

프리텐션 방식을 사용하여, 증기양생을 실시하였다. 증기양생을 통해 콘크리트 공시체의 강도

가 설계기준 강도의 80%이상 발현 되었을 때, 부재 양 끝단의 정착단에서 강선을 절단하여 프

리스트레스를 도입하였으며, 스틸 브러싱을 통해 접합면 처리를 한 후에 현장타설 콘크리트를

타설하고 증기양생을 하는 순서로 제작되었다.

2.2 실내시험

본 연구에서 실내시험에 적용된 부재는 종방향 이음, 횡방향 이음, 횡방향 텐던 개수를 변수

로 하여 설계 및 제작 되었다. 종방향 이음을 갖는 FD1S-LJ1~4 부재는 기준부재인 RC 바닥판

부재 1기, D13, D16 의 간격 및 직경을 변수로 제작하였다. 횡방향 이음 부재는 프리캐스트 부

분에 보강철근 유무를 변수로 제작하였으며 보강철근의 영향이 구조물의 거동에 미치는 영향

을 분석하였다. 이와 더불어 부재의 프리캐스트 콘크리트와 현장타설 콘크리트의 접합면은 스

틸 브러싱 처리를 하여 접합면에서의 면처리에 따른 완전 부착을 도모하고 후크를 추가로 배

근하여 신구콘크리트가 완전한 일체 단면으로 거동하도록 하였다. Table 1은 실험 항목별 부재

에 대한 제원을 나타내었다.

Table 1 실험항목 및 부재에 대한 제원

실험항목 부재규격 지점조건

반단면 바닥판(1EA) 프리캐스트 부재에 대한 정하중 실험(HD1S-1) 2.0m x 3.363m x 0.24m 단순지지

이음부

실험부재

(8EA)

종방향 이음 정하중 실험(FD1S-LJ1~4) 1.0m x 2.0m x 0.24m 단순지지

횡방향 이음 정하중 실험(HD2S-TJ1~2) 2.0m x 6.706m x 0.24m 2경간 연속

횡방향 텐던 개수별 정하중 실험(HD1S-PT1~2) 2.0m x 3.363m x 0.24m 단순지지

2.2.1 Half Deck 주부재의 정적거동 분석

본 실험은 현장타설 콘크리트 없이 반단면 바닥판으로만 외부 하중에 저항하여 프리스트레

스 강선의 긴장력 도입에 따른 설계의 적정성을 평가하고자 하였다. 실험부재는 균열이 발생한

직후 균열폭 게이지를 부착하고 1mm/60sec의 속도로 변위제어 방식으로 가력하였다.

(a) HD1S-1 셋업 (b) HD1S-1 균열양상

Fig. 2 프리캐스트 부재에 대한 정하중 실험전경

반단면 프리캐스트 바닥판 부재에 대한 정하중 실험결과, Fig. 3과 같이 프리텐션을 도입한

반단면 프리캐스트 바닥판의 휨 거동은 설계값을 2.28배 상회하게 나타났고 양호한 균열제어

성능을 보여주었다. 또한 프리텐션으로 인한 균열 복원 성능으로 인해 일반적인 현장타설 바닥

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. 5와 같이 모든 부재가 충분한 휨 강도를 보였다. 육안관찰 균열하중은 설계 값

과 비슷한 수준에서 관측 되었다. 루프이음 철근의 간격을 200mm로 배근한 FD1S-LJ2부재와

루프이음 간격을 100mm로 배근한 FD1S-LJ3부재의 극한 강도는 철근항복을 기준으로 간격을

촘촘히 배근한 FD1S-LJ3가 1.52배 크게 나타났으며, 루프이음 철근의 간격을 200mm로 배근하

고 철근의 직경을 변수로 한 FD1S-LJ2부재와 FD1S-LJ4부재의 극한강도는 직경을 크게 한

FD1S-LJ4 실험부재가 1.23배 크게 나타났다. 루프이음 철근의 직경과 간격을 변수로 실험을 수

행한 결과 간격을 촘촘히 배근한 경우 극한 강도의 증진 효과는 있었지만 루프이음부의 간격

에 관계없이 설계에서의 휨강도 보다 충분한 휨 강도를 보였다. 따라서 루프이음부의 경우 사

용성 측면과 루프이음부에서의 정착길이가 확보 된다면 사용 철근량을 감소시켜도 구조물의

공용성 측면에서는 문제가 없을 것으로 분석되었다.

(a) 하중-변위 (b) 하중-인장철근 변형률

(c) 하중-인장콘크리트 변형률

Fig. 5 종방향 이음 정적거동 분석 결과

2.2.3 횡방향 이음부의 정적거동 분석

반단면 프리캐스트 바닥판이 연결될 때 긴장재의 불연속을 보완하기 위해 보강철근을 추가

배근하고 이에 대한 효과를 검증하기 위한 실험을 수행하였다. 횡방향 이음 실험부재는 총 2기

를 제작하였으며, 횡방향 보강철근의 유무에 따른 시험체의 정적거동을 분석하였다. Fig. 6은 바

닥판 연속보 이음부에서의 거동 개념도를 나타내었고 횡방향 이음 정하중 실험전경은 Fig. 7과

같다.

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

시험체의 부모멘트부 수직변위

(b) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른

시험체의 정모멘트부 수직변위

(c) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른

시험체의 부모멘트부 인장철근

(d) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른

시험체의 정모멘트부 인장철근

(e) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른

시험체의 텐던변형률

(f) 횡방향 이음 보강철근 유무에 따른

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. 횡방향 이음에 대한 실험에서는 보강철근이 보강된 경우 균열발생 이후에도 연성거동 확

보에 효과적이며, 균열 양상이 좀 더 양호하게 나타났다. 휨강도 측면에서 텐던 및 철근이 보

강되지 않은 부재보다 높은 수준에서 항복하는 것을 확인하였고 부모멘트 영역의 회전능력 확

보에도 유리하게 나타났다.

4. 프리텐션을 위한 긴장재의 배치는 2가닥 이상 배치할 경우에 설계에서 요구하는 균열 제

어 및 휨강도를 충분히 발현하는 것을 실험적으로 입증하였다.

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New Half Deck, Proceeding of Korea Concrete Institute spring conference, Jeju, Korea, 2014.05.14-16

논문저자 리스트 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