2.1. 강거더 단부

강거더 단부에서 발생할 수 있는 부식으로 인한 지압강도 변화를 평가하기 위하여 본 연구에서는 실제 강거더 교량의 제원을 고려하여 강거더 단부 지압강도 시험체를 제작하였 다. Table 1에 나타낸 것과 같이 대상 강거더 시험체는 높이 1300 mm이며 상하부 플랜지의 폭이 360 mm, 하부플랜지의 두께가 14 mm, 상부 플랜지의 두께가 12 mm인 강거더 단부 에 폭 170 mm, 두께 16 mm이 수직보강재가 양측으로 적용된 강거더를 대상으로 하여, 복부판 두께 6 mm의 12배를 지압저 항 유효단면적으로 고려하여 Fig. 3(a)와 같은 지압강도 평가 시험체(RD-00-00 시험체)를 제작하였다.

Table 1

Dimension of test specimen

Member	Thickness (mm)	Specimen
Height (hw)	1,300	h-
Width of bottom flange (wlf)	360
Thickness of bottom flange (tuf)	14
Width of upper flange (wuf)	360
Thickness of upper flange (tlf)	12
Width of vertical stiffener (wvs)	170
Thickness of vertical stiffener (ts)	16
Thickness of web (tw)	9

Fig. 3

Sectional damage of test specimen

강거더의 받침으로 인한 지압하중의 재하면적을 고려하기 위하여 두께 27 mm, 폭 300 mm의 솔프레이트도 유효단면적 과 동일한 길이로 제작하여 하부플랜지에 용접하여 부착하였 으며, 강거더 상부플랜지의 하중재하 등을 위하여 두께 40 mm. 폭 450 mm, 길이 450 mm의 강판을 부착하여 하중재하 로 인한 상부플랜지의 국부적인 변형발생을 방지하였다. 그 리고 단부보강재와 복부판의 단면손상을 고려하기 위하여 5 개의 보강재 및 복부판의 단면손상 시험체를 제작하였다. Fig. 3 과 같이 보강재가 손상 위치 및 단면손상 수준을 고려하기 위 하여 보강재 중 좌측 보강재가 각각 75%와 50%의 단면손상 이 발생한 경우가 고려되어 LD-75-00 and LD-50-00 시험체, 보강재 양측모두에 75%의 단면손상이 발생한 경우의 LRD-75-00 시험체, 보강재 양측에 75%의 단면손상과 복부판에서의 50% 단면손상이 발생한 경우를 고려한 LRWD-75-50 시험체, 그 리고 보강재 하부 용접부가 플랜지와 분리되어 단면손상이 발생한 경우를 고려하여 BD-00시험체가 제작되었다. 모든 단 면손상 시험체에서 단면손상은 하부플랜지에서 200 mm로 도입하였으며, 보강재와 복부판의 단면손상은 시험체 제작 시 기계가공을 통하여 도입하였다. 시험체 제작에는 인장강 도가 490 MPa이상인 SM490강재를 사용하였다. Table 2는 강 거더 단부지압강도 평가 시험체를 정리하여 나타내었다.

2.2. 지압강도 시험방법

강거더 단부의 지압성능을 평가하기 위하여 본 연구에서는 제작한 시험체에 압축하중을 재하 하였다. 보강재나 복부판 에서 나타날 수 있는 단면손상에 따른 지압성능 변화를 평가 하기 위하여 5000 kN의 하중재하 성능을 가진 UTM(Universial Testing Machine)을 이용하였으며, 1 mm/min의 변위제어를 통하여 압축하중을 실험체에 재하 하였다. 강거더 단부 지압 강도 시험체에서 발생하는 지압강도 저하에 따른 국부변형 발생과 파괴거동 확인을 위하여 Fig. 4와 같이 인위적인 단면 손상이 도입된 보강재부분과 복부판 부분의 하면(하부플랜지 에서 100 mm높이)에 스트레인게이지(Strain gage)와 변위계 (LVDT)를 설치하고, 데이터로거로 이를 계측 하였다. 또한 하중재하에 따른 시험체의 거동변화를 확인하기 위하여 비디 오카메라로 시험체를 촬영하여 하중재하에 따른 변형과 거동 을 비교할 수 있도록 하였다. Fig. 5는 LD-75-00 시험체에 대 한 하중재하 모습이다.

Fig. 4

Location of strain gage and LVDT

Fig. 5

Loading test of LD-75-00 specimen

3.1. 지압하중 - 수직변위 관계

강거더 단부 보강재와 복부판의 단면손실을 고려한 강거더 시험체에 대한 압축하중 재하실험결과 나타난 시험체별 지압 하중 – 수직변위 관계를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6에 나타난 것과 같이 모든 시험체는 단면손실 조건에 따라 압축하중에 따른 지압거동이 다양하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 기준 시험체의 경우 항복 및 최대지압강도 변화가 다른 시험 체보다 명확하게 나타나나, 단면손상이 있는 실험체의 경우 손상이 증가함에 따라 항복하중과 최대 지압강도가 뚜렷하게 나타나지 않는 것으로 나타나고 있다. 보강재 - 하부플랜지 연 결부 손상이 있는 BD-00 실험체의 경우 다른 시험체들과 달 리 상대적으로 항복거동이 빨리 발생하고 항복 후 최대 지압 하중까지 지압변위가 증가하는 거동을 나타내었다. 그리고 양측 보강재가 손상된 LRD-75-00와 LRWD-75-50 시험체의 경우 다른 시험체보다 최대 지압강도의 감소가 급격히 발생 하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6

Compressive load - displacement relationship

Fig. 6에 나타낸 지압하중 – 수직변위관계를 이용하여 각 시 험체별 항복하중과 최대 지압강도를 평가하였다. 최대 지압 강도는 각 시험체별 최대 하중으로 정의하였으며, 항복하중 의 경우 시험체별로 그 특성을 명확히 확인하기 어려우므로 탄성하중은 Fig. 6에서 선형 탄성구간이 변화되는 위치를 항 복하중으로 정의하였다. Fig. 7은 단면 손실에 따른 항복하중 과 최대 지압강도를 나타내었다. 보강재와 복부판의 단면손 실이 없는 기준 시험체 RD-00-00은 1632.2 kN의 항복하중과 2070.8 kN의 최대 지압강도를 가지는 것으로 나타났으며, 좌 측 보강재의 손실이 있는 실험체 LD-75-00와 LD-50-00의 경 우 보강재 손상에 따라 항복하중은 1122.6 kN과 1496.3 kN으 로 나타났으며, 최대 지압강도는 1540.8 kN과 1705.3 kN으로 기준 시험체와 비교하여 74.40%와 82.35%로 지압강도의 감 소가 발생하였다. 또한 좌측 보강재의 단면손실정도에 따라 최대 지압강도 또한 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 양측 수 직보강재가 동시에 손상이 발생한 시험체 LRD-75-00에서는 항복하중이 758.4 kN이며, 853.3 kN의 최대 지압강도를 나타 내었으며, 기준 시험체와 비교하여 41.21%의 지압강도 수준 으로 지압강도가 감소하였다. 또한 좌측 보강재만 손상된 시 험체들과 비교하여 최대지압강도가 급격히 감소하고 있음을 확인 할 수 있다. 양측 수직보강재와 복부판의 단면손실이 있 는 시험체 LRWD-75-50의 경우 항복하중은 419.5 kN, 최대 지압강도는 480.5 kN로 기준 시험체의 23.20% 수준으로 지압 저항 성능이 감소하는 것으로 나타났다. 보강재 - 하부플랜지 연결부 손상을 도입한 BD-00 시험체의 경우 항복하중은 1333.6 kN, 최대 지압강도는 2010.3 kN로 평가되어 최대 지압 강도는 기준 시험체의 97.08% 수준으로 기준 시험체와 비교 하여 최대 지압강도 변화는 크게 차이가 나지 않는 것으로 나 타났다.

Fig. 7

Comparison of yield load and vearing strength depending on sectional damage

3.2. 지압거동 및 지압파괴 특징

보강재와 복부판의 단면손실에 따른 강거더 단부의 지압거 동 및 지압파괴 특성을 분석하기 위하여 비디오카메라로 시 험체를 촬영한 이미지를 이용하여 각 시험체에서 나타난 항 복하중과 최대 지압하중 상태에서의 변형 및 파괴 특성을 비 교하여 Fig. 8에 구분하여 나타내었다. Fig. 8에 나타난 것처럼 시험체에 도입된 단면 손상 특성에 따라 다양한 지압변형 및 파괴형태를 나타내고 있음을 알 수 있다. 보강재와 복부판의 단면손상이 없는 기준 시험체 RD-00-00에서는 항복하중에서 시험체의 변형이 나타나지 않았으나 최대지압하중에서는 보 강재의 횡방향 변형으로 시험체 전체의 횡방향 변형이 발생 한 형태의 지압 파괴형태가 나타났다. 양측 보강재가 손상된 LRD-75-00와 LRWD-75-50 시험체의 경우 기준 시험체와 달 리 단면손상이 발생한 수직보강재에서 항복하중에 도달 후 국부 좌굴이 발생한 후 손상이 발생한 부재에서의 횡방향 변 형이 증가한 형태의 파괴가 나타났다. 하지만 상대적으로 손 상이 작은 시험체의 경우 지압하중에 의한 손상부의 국부 좌 굴 손상이 작게 나타났다. 양측 수직보강재가 동시에 손상이 발생한 시험체 LRD-75-00에서도 손상이 발생한 보강재에서 국부변형이 발생하여 지압파괴가 나타났다. 양측 수직보강재 와 복부판의 단면손실이 있는 시험체 LRWD-75-50 또한 지압 하중에 저항하는 단면이 상대적으로 매우 감소하여 손상이 발생한 위치에서 국부좌굴이 발생하고 국부좌굴 변형이 증가 한 후 전체 시험체의 파괴가 발생하였으며, 상대적으로 항복 하중상태에서는 손상부에서의 국부좌굴 변형이 크게 나타나 지 않았다.

Fig. 8

Failure deformation of test specimen

3.3. 시험체별 지압하중 – 국부변형, 변형률 관계

시험체별 지압하중 재하결과 기준 시험체인 RD-00-00에 서는 1632.2 KN의 항복하중과 2070.8 kN의 최대 지압강도, 좌측 보강재의 손실이 있는 실험체 LD-75-00와 LD-50-00에 서는 1122.6 kN과 1496.3 kN의 항복하중, 1540.8 kN과 1705.3 kN의 지압강도, 양측 수직보강재가 동시에 손상이 발생한 시 험체 LRD-75-00는 758.4 kN의 항복하중, 853.3 kN의 지압강 도, 양측 수직보강재와 복부판의 단면손실이 있는 시험체 LRWD-75-50에서는 419.5 kN 항복하중, 480.5 kN의 지압강 도, 보강재 – 하부플랜지 연결부 손상을 도입한 BD-00 시험체 는 1333.6 kN의 항복하중, 2010.3 kN의 지압하중을 가지는 것 으로 지압하중 – 변위관계에서 평가되었다.

지압하중-변위관계와 비교하여 인위손상을 도입한 보강재 부분과 복부판에서의 변위 및 변형률을 지압하중 – 변위관계 와 같이 비교하여 Figs. 9와 10에 나타내었다. 지압하중과 단 면손상부의 국부변형 관계를 비교한 Fig. 9의 경우, 손상이 없 는 기준 시험체와 비교하여 손상이 발생한 부분에서의 변형 이 하중증가에 따라 전반적으로 증가하는 것으로 나타나고 있음을 확인 할 수 있다. 지압하중과 단면손상부의 변형률 변 화 관계를 비교한 Fig. 10의 지압하중 – 국부변형 관계와 같이 국부변형이 발생한 부재에서 변형률 증가가 크게 나타고 있 음을 확인할 수 있다. BD-00 시험체에서 지압하중 – 국부변형 및 변형률 관계가 수직 보강재와 하부플랜지의 연결조건에 따른 상대적인 응력변화와 거동변화에 따라 다른 시험체와 비교하여 상대적으로 변화하나 이는 지압하중 – 변위관계와 동일한 형태로 판단된다.

Fig. 9

Compressive load - lateral displacement relationship

Fig. 10

Compressive load - strain relationship