터널 수직구의 회전연결재를 갖는 프리캐스트 세그먼트 연결부의 구조 성능 평가 = Structural Performance Evaluation of Precast Segment Connections with Rotational Connectors in Tunnel Vertical Shafts

국문 초록 (Abstract)

기존 프리캐스트(PC) 콘크리트의 연결부에 관한 연구는 주로 일방향 연결부의 구조 거동에 초점을 두어 수행되어 왔다. 그러나 교량의 프리캐스트 바닥판의 경우 교축 방향 및 교축 직각 방향 연결이 동시에 요구되며, 프리캐스트 벽체 역시 수평 연결 및 수직 연결이 결합된 양방향 연결부의 복합 거동이 발생한다. 이러한 양방향 연결부가 적용되는 PC 부재에 기존 이음 방식을 그대로 적용할 경우, 부재 제작 및 조립 과정에서 철근 간섭으로 인한 시공성 저하 문제가 발생한다. 이에 본 연구에서는 이러한 문제를 개선하기 위하여 보우타이(bow-tie) 및 루프철근(loop rebar) 상세를 적용한 회전연결재(rotational connector) 형식을 제안하고 구조 성능을 평가하였다.
본 연구에서는 원형 단면을 갖는 대심도 터널 수직구에 프리캐스트 콘크리트 부재 적용을 대상으로 연결부 성능 향상을 위해 제안된 회전연결재의 구조 거동을 실험 및 비선형 유한요소 해석을 통해 분석하였다. 터널 수직구 구조물을 구성하는 부재의 거동을 모사하기 위하여 곡률부재(curved member), 직선부재(straight member), 직접전단부재(direct shear member)로 구분하여 축소모형 실험체를 제작하였다. 특히, 수직구의 외벽을 이루는 곡률부재는 축력과 휨모멘트를 동시에 받는 구조로써 일반적인 휨부재와는 다른 연결부 거동을 보이게 된다. 각 실험체에 대해 하중–처짐 관계, 균열 발생 및 진전 양상, 철근 변형률 분포를 계측하여 연결상세에 따른 구조 거동을 분석하였다.
실험 결과, 콘크리트 코어를 포함한 루프철근 상세를 적용한 부재가 가장 우수한 휨저항 성능을 보였으며, 보우타이 상세가 그다음으로 높은 성능을 나타냈다. 곡률부재의 경우 루프철근 상세를 적용한 PC 부재의 최대강도는 현장타설(CIP) 부재 대비 약 92% 수준으로 평가되었으며, 단면 공칭강도 대비 약 174% 수준으로 검토되었다. 곡률부재에서는 연결상세의 종류에 따른 최대강도 차이가 비교적 크지 않은 것으로 나타났다. 반면, 직선부재의 경우 휨모멘트 지배 거동으로 인해 보우타이 상세와 루프철근 상세 간의 최대강도 차이가 명확하게 구분되었다.
Midas FEA를 이용한 비선형 유한요소 해석 결과, 직선부재는 실험값 대비 약 87%～122% 범위로 비교적 양호한 일치도를 보였다. 반면, 곡률부재의 경우 해석값이 실험값 대비 약 130%～143% 수준으로 다소 크게 평가되는 경향을 나타냈다. 이는 곡률부재의 실험에서는 지그 변형과 회전 조건을 모사하기 위한 핀 구조의 거동에 따른 복잡한 경계조건의 영향이 존재하는 반면, 해석에서는 이를 이상화하여 적용한 데 따른 차이로 판단된다.
종합적으로, 본 연구에서 제안된 회전연결재는 축력과 휨모멘트를 동시에 받는 곡률부재에서는 보우타이 및 루프철근의 다양한 연결부 상세가 적용 가능함을 확인하였으며, 직선부재의 경우 루프철근 직경을 증가시켜 공칭강도를 확보하는 제한적인 적용 방향이 합리적인 대안으로 제시되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Previous studies on connections in precast concrete (PC) structures have mainly focused on the structural behavior of unidirectional connections. However, precast bridge decks require simultaneous connections in both the longitudinal and transverse directions, and precast wall elements also exhibit complex behavior associated with bidirectional connections combining horizontal and vertical joints. When conventional connection details are applied to PC members with such bidirectional connections, constructability is often reduced due to reinforcement interference during fabrication and assembly. To address this issue, this study proposes a rotational connector incorporating bow-tie and loop rebar details and evaluates its structural performance.
This study investigates the structural behavior of the proposed rotational connector for application to precast concrete members used in deep circular tunnel vertical shafts through experimental testing and nonlinear finite element analysis. To simulate the behavior of structural components comprising the tunnel shaft, scaled specimens were fabricated and classified into curved members, straight members, and direct shear members. Especially, the curved members forming the outer wall of the vertical shaft are structural elements that simultaneously resist axial force and bending moment, and therefore exhibit connection behavior different from that of conventional flexural members. For each specimen, load–deflection relationships, crack initiation and propagation characteristics, and reinforcement strain distributions were measured to analyze the structural behavior according to different connection details.
The experimental results showed that members incorporating loop rebar details with a concrete core exhibited the highest flexural resistance, followed by those with bow-tie details. For curved members, the maximum strength of PC specimens with loop rebar details reached approximately 92% of that of cast-in-place (CIP) specimens and about 174% of the nominal flexural strength of the section. In curved members, the differences in maximum strength among the connection details were relatively small. In contrast, for straight members, which exhibited flexure-dominated behavior, the differences in maximum strength between bow-tie and loop rebar details were clearly distinguished.
Nonlinear finite element analysis conducted using Midas FEA indicated that the analytical results for straight members ranged from approximately 87% to 122% of the experimental values, showing reasonably good consistency. In contrast, for curved members, the analytical results tended to overestimate the experimental values, ranging from approximately 130% to 143%. This discrepancy is attributed to the influence of complex boundary conditions associated with the behavior of pin structures used to simulate jig deformation and rotational conditions in the experiments, whereas such effects were idealized in the numerical analysis.
Overall, the proposed rotational connector demonstrated that various bow-tie and loop rebar connection details can be effectively applied to curved members subjected to combined axial force and flexural moment. For straight members, a more limited application is recommended, in which the nominal strength is secured by increasing the diameter of the loop reinforcement.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 범위 및 목표 4
• 1.2.1 연구 범위 4
• 1.2.2 연구 목표 9
• 1.3 논문의 구성 11
• 1.3.1 실험적 연구 12
• 1.3.2 해석적 연구 12
• 1.4 연구의 기대효과 13
• 제 2 장 연결부 사례 조사 및 상세 개발 14
• 2.1 프리캐스트 바닥판 연결부 14
• 2.1.1 루프이음 연구결과 14
• 2.1.2 국내 프리캐스트 루프이음 연구 18
• 2.1.3 국내 교량의 프리캐스트 바닥판 연결부 사례 26
• 2.1.4 프리캐스트 바닥판 재료 특성 28
• 2.1.5 프리캐스트 연결부 설계기준 29
• 2.2 프리캐스트 벽체 연결부 34
• 2.2.1 수평 연결부 34
• 2.2.2 수직 연결부 36
• 2.3 회전연결재 제안 39
• 2.3.1 회전연결재 개념 40
• 2.3.2 회전연결재 종류 42
• 제 3 장 실모형 구조실험 46
• 3.1 실험 개요 46
• 3.2 실험 변수 47
• 3.2.1 곡률부재 49
• 3.2.2 직선부재 50
• 3.2.3 직접전단부재 52
• 3.3 계측 계획 및 실험체 제작 53
• 3.3.1 철근 및 콘크리트 변형률 게이지 53
• 3.3.2 실험체 제작 59
• 3.4 구조실험 계획 62
• 3.5 실험 결과 66
• 3.5.1 곡률부재 67
• 3.5.2 직선부재 75
• 3.5.3 직접전단부재 83
• 3.6 실험 결과 분석 86
• 3.6.1 곡률부재 86
• 3.6.2 직선부재 103
• 3.6.3 직접전단부재 118
• 3.7 목업 시험 125
• 3.8 소결 129
• 제 4 장 유한요소 해석 132
• 4.1 유한요소 해석 개요 132
• 4.2 재료 모델 132
• 4.2.1 콘크리트 모델 132
• 4.2.2 철근 모델 136
• 4.3 부재 모델링 137
• 4.3.1 곡률부재 137
• 4.3.2 직선부재 138
• 4.4 유한요소 해석 결과 141
• 4.4.1 곡률부재 141
• 4.4.2 직선부재 148
• 4.5 소결 155
• 제 5 장 유한요소 해석 결과 분석 157
• 5.1 곡률부재 157
• 5.1.1 초기 경계조건 157
• 5.1.2 경계조건 변경 160
• 5.2 직선부재 168
• 5.2.1 CIP 부재(Reference) 168
• 5.2.2 PC 부재(보우타이) 169
• 5.2.3 PC 부재(루프철근) 170
• 5.2.4 직선부재 결과 분석 171
• 5.3 소결 175
• 제 6 장 결 론 178
• 6.1 곡률부재 178
• 6.2 직선부재 180
• 6.3 직접전단부재 182
• 6.4 종합 결론 183
• 참 고 문 헌 185
• 부록 A 각 실험체 철근 변형률 191
• 부록 B 재료시험 결과 225
• Abstract 232