비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더의 비선형 해석

최규천(Choi Kyu-Chon),이재석(Lee Jae Seok) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.6A

이 논문에서는 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더의 비선형 휨거동에 대한 해석방법을 제시하였다. 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 거더는 CFRP 판의 슬립(slip)으로 인해 인장력이 재분배되어 CFRP 판이 콘크리트에 부착된 경우에 비해 복잡한 비선형 거동을 보이게 된다. 따라서 이 논문에서는 비부착 프리스트레스트 CFRP 판을 여러 개의 곡선 요소로 모사하고, 화이버 뼈대요소의 각 절점에서 힘의 평형 관계를 이용하여 CFRP 판의 인장력을 재분배함으로써 슬립효과를 고려하였다. 이 논문에서 제시한 해석방법을 비부착 프리스트레스트 CFRP 판으로 보강된 콘크리트 보의 해석에 적용하여 해석방법의 정당성을 확인하였다. 또한 비부착 CFRP 판의 보강시점과 보강 전후에 발생한 콘크리트의 시간의존적 변형은 보의 처짐 거동에는 영향을 미치나 극한내력에는 영향을미치지 않음을 확인하였고, 비부착 CFRP 판으로 보강하기 전에 발생한 콘크리트의 균열유무도 비부착 CFRP 판으로 보강한 후의 보의 극한거동에는 거의 영향을 미치지 않음을 확인하였다. A study for the nonlinear analysis method of flexural behavior of concrete girders strengthened with unbonded prestressed CFRP plates is presented. The concrete girders strengthened with un bonded prestressed CFRP plates exhibit more complex nonlinear behavior due to the slip between the concrete girder and the CFRP plates than the case of bonded CFRP plates. The unbonded CFRP plate is modeled as an assemblage of the curved elements both ends of which are rigidly linked to the nodes of fibered frame elements. The slip effect of the unbonded CFRP plate is taken into account using the force equilibrium relationship at each node. To evaluate the validity and the capability of the proposed analysis method, the ultimate analysis results of the concrete beams strengthened with unbonded prestressed CFRP plate are compared with the experimental results obtained from other investigators. The proposed analysis method is found to predict ultimate behaviors of these beams fairly well. Additionally the time-dependent deformations of the concrete beam seems to have little influence on the ultimate behaviors of concrete beams strengthened with un bonded prestressed CFRP plate, and the cracks of the concrete beam which occurred before strengthening it with CFRP plate are found to have almost no influence on the ultimate capacity of the beam.

조립식 프리스트레스트 콘크리트 교각의 접합부에 관한 해석적 연구

김태훈,진병무,김영진,신헌목 한국지진공학회 2007 한국지진공학회논문집 Vol.11 No.1

이 논문에서는 조립식 프킥스트레스트 콘크리트 교각의 접합부에 관한 해석기법을 제시하였다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한 RCAHEST이다. 재료적 비선형성에 대해서는 균열콘크리트에 대한 인장, 압축, 전단모델과 콘크리트 속에 있는 철근모델을 조합하여 고려하였다. 사용된 비부착 텐던요소는 유한요소법에 근거하며 프리스트레스트 콘크리트 부재의 콘크리트와 텐던의 상호작용을 구현할 수 있다. 개발된 접합요소는 세그먼트 접합부의 비탄성거동을 예측할 수 있다. 이 연구에서는 조립식 프리스트레스트 콘크리트 교각의 접합부에 관한 해석기법을 신뢰성 있는 연구자의 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. This paper presents an analysis procedures of Joints in precast segmental prestressed concrete bridge piers. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. An unbended tendon element based on the finite element method, that can represent the interaction between tendon and concrete of prestressed concrete member, is used. A joint element is newly developed to predict the inelastic behaviors of segmental joints. The proposed numerical method for joints in precast segmental prestressed concrete bridge piers is verified by comparison with reliable experimental results.

조립식 프리스트레스트 콘크리트 교각의 비탄성거동에 관한 해석적 연구

김태훈,진병무,김영진,신현목 한국지진공학회 2005 한국지진공학회논문집 Vol.9 No.5

이 연구의 목적은 조립식 프리스트레스트 콘크리트 교각의 비탄성 거동을 파악하는데 있다. 사용된 프로그램은 철근콘크리트 구조물의 해석을 위한 RCAHEST이다. 재료적 비선형성에 대해서는 균열콘크리트에 대한 인장, 압축, 전단모델과 콘크리트 속에 있는 철근모델을 조합하여 고려하였다. 사용된 비부착 텐던요소는 유한요소법에 근거하며 프리스트레스트 콘크리트 부재의 콘크리트와 텐던의 상호작용을 구현할 수 있다. 개발된 접합요소는 세그먼트 접합부의 비탄성거동을 예측할 수 있다. 이 연구에서는 조립식 프리스트레스트 콘크리트 교각의 비탄성 거동의 파악을 위해 제안한 해석기법을 신뢰성 있는 연구자의 실험결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. The purpose of this study is to investigate the inelastic behavior of precast segmental prestressed concrete bridge piers. A computer program, named RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology), for the analysis of reinforced concrete structures was used. Material nonlinearity is taken into account by comprising tensile, compressive and shear models of cracked concrete and a model of reinforcing steel. An unbonded tendon element based on the finite element method, that can represent the interaction between tendon and concrete of prestressed concrete member, is used. A joint element is newly developed to predict the inelastic behaviors of segmental joints. The proposed numerical method for the inelastic behavior of precast segmental prestressed concrete bridge piers is verified by comparison with reliable experimental results

조강형 결합재를 활용한 프리스트레스트 콘크리트의 강도 특성

조일호 ( Ilho Cho ),성찬용 ( Chanyong Sung ) 한국농공학회 2012 한국농공학회 학술대회초록집 Vol.2012 No.-

해상에 위치한 장대교량 구조물은 콘크리트 고강도화 및 단면 최소화를 위해 프리스트레스트 콘크리트 시공이 이루어 지며, 프리스트레스트 콘크리트는 인장력 도입을 위해 비교적 높은 초기강도를 가지고 있어야 한다. 그러나 이러한 해상의 장대교량 구조물에 염해방지와 같은 내구적인 특성을 감안하여 고로슬래그 시멘트와 같이 잠재수경성 반응을 하는 시멘트를 포함하는 해양콘크리트를 사용하는 경우, 초기강도 발현이 늦어지게 되고 동절기나 바람이 많은 해안가와 같이 외부 환경이 열악한 경우에는 발현되는 콘크리트의 강도가 예상보다 낮아지는 현상이 발생할 수 있으며, 그에 따른 콘크리트의 품질저하, 시공기간 지연 등의 문제를 야기하게 된다. 이에 본 연구에서는 조강형 결합재를 활용하여 초기반응성을 향상시켜 강도 특성에 대한 기초자료를 제공하고자 한다. 사용재료는 국내산 2종 슬래그 시멘트와 T사에서 개발한 조강형 결합재, 비중이 2.62인 쇄석골재를 사용하였다. 슬래그 시멘트의 강도 발현 특성을 확인하기 위한 실험 배합비는 목표 슬럼프 150±25mm, 목표 공기량 4.5 ± 1.5%, 조강형 결합재는 슬래그 시멘트 대비 3%와 5%를 치환하였으며, 조강형 결합재의 혼입율에 따라 S/a를 조정하여 적절한 위커빌리티를 확보하였다. 조강형 결합재를 슬래그 시멘트 대비 3%와 5%를 사용할 시 물-결합재비(W/B) 40%이하인 경우에는 콘크리트의 규격에 관계없이 초기강도가 10 ~ 20%의 강도가 증가되었고, 장기적으로는 조강형 결합재를 혼입하지 않은 배합과 강도발현 특성이 유사하게 나타났다. 프리스트레스트 콘크리트 압축강도의 경우 조강형 저탄소는 조강형 결합재 치환에 따른 수화반응 촉진으로 종전의 개량형 배합에 비해 우수한 강도값을 나타내었다. 따라서, 조강형 결합재와 슬래그 시멘트의 강도발현 특성 결과, 슬래그 시멘트의 조성비율 및 사용 목적에 따라 다양한 용도로 활용이 가능할 것으로 판단된다.

비선형 해석 모델특성이 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 휨거동에 미치는 영향

최규천,이재석 한국풍공학회 2014 한국풍공학회지 Vol.18 No.4

A parametric study for the effects of nonlinear analysis model characteristics on the prediction of the static flexural behavior of the curved prestressed concrete(PSC) cable-stayed bridge under the wind load is presented. To account for the time-dependent effects of materials at each erection step of the PSC bridge, creep, shrinkage and aging of concrete and the relaxation of tendons and cables are considered. Various case analyses regarding not only the effects of material nonlinearities including nonlinear stress-strain relations of materials, tension crack and tension stiffening effects of concrete but also geometric nonlinearities including geometric stiffness matrix of frame elements and large defflection effect on the static flexural behavior of segmentally erected curved PSC cable-stayed bridge under the wind load are carried out. The numerical results on this bridge show that nonlinear analysis considering the effects of material and geometric nonlinearities is necessary in order to accurately predict the cracking of concrete of the girder section and the excessive deflection of the bridge deck under the static wind load. Tension stiffening effect of concrete and the effect of geometric stiffness matrix due to the axial forces of frame elements are found to have little effect in predicting the static wind load behavior of this bridge. Also the flexural behavior of this bridge under the static wind load is found to be the most disadvantageous just before the closure step of the deck. Finally, the effect of geometric nonlinearities due to large deflections and the change of the topology of the bridge on the flexural behavior of this bridge under the static wind load is found not to be negligible in the erection steps of the bridge decks. 이 논문에서는 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 횡방향 휨거동 해석에 비선형 해석 모델 특성들이 미치는 영향을 검토하여 곡선 프리스트레스트 콘크리트 사장교의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 정당하게 예측할 수 있는 해석방법을 제시하였다. 곡선 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 사장교의 시공단계별 풍하중에 의한 횡방향 휨거동 해석 시 재료의 비선형성은 물론 기하학적 비선형성을 모두 고려하였고 재료의 시간의존적 특성의 영향으로 콘크리트의 크리프, 건조수축, 강도증가와 프리스트레싱(PS) 강재와 케이블의 이완을 고려하였다. 곡선 PSC 사장교의 풍하중에 의한 휨거동을 다양한 비선형 해석 모델 특성들을 조합해서 고려하여 해석을 수행한 결과, 교량 상판의 인장균열 및 이에 따른 처짐의 증가를 정확히 예측하기 위해서는 재료의 비선형 응력-변형률 관계는 물론 콘크리트의 인장균열을 모두 포함한 재료 비선형성과 기하강성도 매트릭스는 물론 대변위에 의한 변형률의 비선형항 및 부재의 위상변화를 모두 포함하는 기하학적 비선형성을 고려한 해석이 반드시 필요함을 확인하였다. 부가적으로, 콘크리트의 인장증강효과 및 뼈대요소의 축력에 의한 기하강성도 매트릭스의 고려여부는 교량의 풍하중에 의한 정적 휨거동을 예측하는 데 영향을 크게 미치지 않는 것으로 나타났다. 또한 풍하중에 의한 곡선 PSC 사장교의 횡방향 휨거동은 상판의 횡방향 변위의 상당한 증가 및 거더 단면의 인장균열로 인해 상판이 폐합되기 직전단계가 폐합된 이후 단계보다 크게 불리함을 확인하였다.

비선형 유한요소법에 의한 부착 및 비부착된 프리스트레스트 콘크리트 보의 휨 모델

이차돈,김민경,이재찬 중앙대학교 건설환경연구소 2001 環境科學硏究 Vol.12 No.2

본 연구에서는 기존의 이론 모델을 고찰하고 이들 모델의 단점을 수정, 보완하여 부착 및 비부착된 프리스트레스트보의 하중-처짐 관계를 예측할 수 있는 비선형 휨모델을 유한요소법에 근거하여 개발하는데 목적이 있다. 주어진 외력과 단면 내력간의 불균형력(unbalanced force)를 감소시키기 위하여 반복계산 형태의 수치해석 방법을 사용하게 되는데, 본 연구에서는 Newton-Raphson Method를 도입하여, 보의 하중-처짐 곡선을 예측할 수 있는 진보된 수치해석 모델을 개발하였다. 또한 비부착 프리스트레스보의 긴장재의 응력은 콘크리트와 긴장재가 부착되어 있지 않기 때분에 부재 전체길이의 변형을 고려한 해석이 이루어져야 하므로, 비부착된 프리스트레스트보의 휨 거동은 부재전체의 휨변형과 관계가 되므로 A.E Naaman이 제시한 부착감소계수(Ω)의 개념을 적용하였다. 개발된 모델은 임의의 텐돈위치와 profile, 임의 위치의 하중에 대해 적용할 수 있도록 개발되으며, 비교적 실험결과과 잘 일치하였다. In this research, various types of theoretical models and solution techniques suggested for predicting flexural behavior of prestressed concrete beam are reviewed. An analytical method based on the nonlinear layered finite element method is then developed to simulate overall load-deflection behavior of bonded and unbonded prestressed concrete beams. Emphasis is given to eveluate the stressed in unbonded tendons Based on the i￥A M ðR¿ n" Ω) suggested by A.E. naaman. The developed model can take into account various types of tendon profiles and loads. The developed model is found to predict experimental results reasonably well.

고온 및 고압하중에 대한 PSC 원자로 격납구조물의 거동 분석

문일환(Moon Il Hwan),노상훈(Noh Sang Hoon),이승용(Lee Seung Yong),김경진(Kim Kyung Jin) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.6A

본 논문은 설계하중을 초과하는 내압 및 온도 하중작용 하에서의 프리스트레스트 콘크리트 원자로 격납구조물 1/4 축소모형의 거동에 대해 다루었다. 비선형해석을 위해 축대칭 실린더, 반구형 돔 및 콘크리트 기초슬래브로 구성된 프리스트레스트 콘크리트 원자로 격납구조물 1/4 축소모형은 축대칭 고체요소와 축대칭 쉘요소로 이상화 되었다. 콘크리트 및 강재의 온도 증가에 따른 강성감소 특성이 해석에 고려되었으며, 온도영향을 포함하는 기하학적 비선형성과 재료적 비선형성이 고려되었다. 본 연구에서는 비연관 소성흐름을 갖는 Menetrey-Willam 콘크리트 모델이 적용되었다. 본 연구에서는 고온과 내압을 동시에 받는 프리스트레스트 콘크리트 원자로 격납구조물의 거동 예측결과를 수록하였다. 각 구조부분에서의 극한내압능력에 관한 고온의 영향을 분석하기 위해, 압력만이 작용하는 경우와 온도와 압력이 동시에 작용하는 두 종류의 해석을 수행하였다. 해석결과는 라이너 철판 철근, 프리스트레싱 텐던 및 콘크리트에 대해 각각 비교하였다. 해석결과 온도는 라이너 철판의 거동에 직접적으로 영향을 미치지만 PCCV의 극한내압능력에는 영향이 크지 않은 것으로 나타났다. This paper is focused on the behavior of the 1/4 scale prestressed concrete containment vessel(PCCV) under pressure and temperature loading beyond the design basis. In the nonlinear finite element analyses, the 1/4 scale PCCV including the axisymmetric cylindrical vessel, the spherical dome and the concrete base slab are idealized as an axi-symmetric global model with axi-symmetric solid elements and shell elements. The temperature-dependent degradation properties of concrete and steel are considered. Both geometric and material nonlinearities including thermal effects are also addressed in the analyses. Menetrey-Willam concrete constitutive model with non-associated flow potential is adopted for this study. This study includes the results of the predicted thermal and mechanical behaviors of the PCCV subject to high temperature loading and internal pressure simultaneously. In order to find the effect of accident high temperature on the ultimate pressure capacity of each component, two kinds of analyses are performed; one for pressure only and the other for pressure with temperature. The results are compared with each other for the liner plate, reinforcement, prestressing tendon and concrete. The analysis results show that the temperature directly affects the behavior of the liner plate, but have a little impact on the ultimate pressure capacity of the PCCV.

텐던커플러를 사용한 프리스트레스트 콘크리트 교량부재의 이음부 응력분포 특성

오병환,채성태,김병석,이만섭 한국콘크리트학회 2001 콘크리트학회논문집 Vol.13 No.1

최근 프리스트레스트 콘크리트 연속 교량은 다양한 공법에 의해 시공되어지고 있으며, 특히 세스먼트로 시공되는 ILM(Incremental Launching Method)과 MSS(Movable Scaffolding System) 공법을 사용하는 경우 교량 단면에서 시공이음이 발생하게 된다. 이러한 시공이음부에서 연속적인 트리스트레스 하중을 도입하기 위해서는 텐던을 겹침이음(overlapping)하거나 텐던 커플러를 사용하는 방법이 있다. 본 연구에서는 텐던 커플러를 사용한 프리스트레스트 콘크리트 교량 부재의 텐던 접속이음에 대한 응력 상태를 구명하고자 하였으며, 이를 위해 텐던의 커플링 효과를 고려한 실험과 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석 결과와 실험에서 얻은 접속이음부의 응력 상태는 비교적 잘 일치하는 것으로 잘 나타났으며, 텐던 커플러를 사용한 접속이음부의 응력 상태는 텐던 커플러를 사용하지 않은 경우에 비해 종방향 및 횡방향 응력 상태가 상당히 다르게 나타나고 있다. 특히 구조적으로 문제가 되는 종방향 압축응력은 접속이음부 주위에서 텐던의 접속 비율이 증가함에 따라 크게 감소하는 것으로 나타나고 있다. 이러한 텐던 접속이음부 주위에서의 종방향 압축 응력의 감소는 활하중, 온도하중 및 건조수축으로 인해 프리스트레스트 교량에 인장응력이 작용할 때 균열이 발생할 수 있는 것으로 사료된다. 본 연구에서 얻은 텐던 접속이음부에서의 응력 상태는 향후 텐던 접속이음부의 구조 거동을 평가하고, 해석 및 설계에 유용한 기초 자료를 제시하고 있다. Recently, prestressed concrete(PSC) bridge structures with many repetitive spans have been widely constructed using the segmental construction method in many countries. In these segmentally constructed PSC bridges, there exist many construction joints which is required coupling of tendons or overlapping of tendons to introduce continuous prestress through several spans of bridges. The purpose of this paper is to investigate in detail the complicated stress distributions around the tendon coupled joints in prestressed concrete girders. To this end, a comprehensive experimental program has been set up and a series of specimens have been tested to identify the effects of tendon coupling. The present study indicates that the longitudinal and transverse stress distributions of PSC girders with tendon couplers are quite different from those of PSC girders without tendon couplers. It is seen that the longitudinal compressive stresses introduced by prestressing are greatly reduced around coupled joints according to tendon coupling ratios. The large reduction of compressive stresses around the coupled joints may cause deleterious cracking problems in PSC girder bridges due to tensile stresses arising from live loads, shrinkage and temperature effects. The analysis results by finite element method correlate very well with test results observed complex strain distributions of tendon coupled members. It is expected that the results of this paper will provide a good basis for realistic design guideline around tendon coupled joints in PSC girder bridges.

프리스트레스트 중공 슬래브와 현장타설된 토핑콘크리트의 수평전단성능 평가

임주혁,박민국,이득행,서수연,김강수 한국콘크리트학회 2014 콘크리트학회논문집 Vol.26 No.6

프리스트레스트 중공(PHC) 슬래브는 장경간에 적합하도록 경량화된 효율적인 프리캐스트 부재이며, 국내·외에서 많이사용되고 있다. 특히, 국내에서는 현장타설콘크리트와 같이 사용되는 합성슬래브 형태로 주로 적용되고 있다. 그러나, 압출성형방식으로 제작되는 PHC 슬래브 부재는 매우 낮은 슬럼프의 콘크리트로 제작되어 타설 직후에도 표면경도가 높기 때문에 계면의거친면 처리 및 전단연결재 배치가 어려운 단점이 있다. 이 연구에서는 PHC slab 부재와 토핑콘크리트 사이의 합성성능을 고찰하기 위하여 다양한 계면상태를 변수로 직접전단실험을 수행하였으며, 기존 실험결과를 수집하여 국내·외 수평전단강도 설계기준을 평가하였다.

경량골재 콘크리트를 활용한 중공 PPC 거더의 구조거동 평가

노병철,이경수,김익상,차광일 한국구조물진단유지관리공학회 2011 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.15 No.5

최근 건설되는 교량은 철근 콘크리트 대신에 주로 프리스트레스트 콘크리트 교량이 주종을 이루고 있다. 프리스트레스 콘크리트 (PSC)는 철근 콘크리트 (RC)가 지니는 균열발생 문제, 철근의 부식, 누수 등 내구성에 미치는 약점을 보완할 수 있다. 또한 프리스트레싱으로 인한 인장영역의 보완으로 인하여 구조물의 크기를 줄일 수 있다. 하지만 이러한 구조용 주재료인 고강도 콘크리트의 경우는 밀도가 강도에 비하여 상대적으로 크기 때문에 상대적으로 자중을 증대시키는 문제가 있다. 따라서 자중을 감소시킬 수 있는 경량골재를 활용한 중공형 PPC 거더 (Hollowed Prefabricated Prestressed Concrete girder systems using Light Aggregate, 이하 HPPCLA)는 이러한 문제점을 해결할 수 있는 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 HPPCLA 거더의 성능시험 뿐 만 아니라 수치해석을 수행하였으며, 그 결과 HPPCLA 거더는 전형적인 휨파괴 형상을 나타내었다. 수치해석에서 예상한 바와 같이 PPC 거더의 사용하중인 110 kN에서는 완전한 탄성거동으로 구조물의 사용성에는 무리가 없을 것으로 판단된다. Recently prestressed concrete bridges are generally used instead of reinforced concrete. PSC is more durable than RC because it can reduce crack problems, reinforcement corrosion, leakage and carbonation etc. And also PSC is more effective because there is no crack in tension area, and the entire concrete section is considered in section analysis. And it can reduce section size because vertical component by prestressing force can reduce the shear force. However, using high strength concrete can increase the self weight of bridge because of it's higher density. So the hollowed PPC girder with light weight aggregate can be a alternative. In this study the hollowed PPC girder with light weight aggregate is designed and the performance of hollowed PPC girder is evaluated by experimental tests as well as numerical analysis. As a result, The hollowed PPC girder of light aggregate behaved fully elastically under service load of 110kN, and the plastic behavior was showed after elastic behavior through experimental test, and it can be also estimated by numerical analysis.