2.1 CFT 모듈을 이용한 프리스트레싱 도입 실험

모듈형 CFT 부재를 이용한 연속지점부 강박스 거더 단면개선 및 프리스트레싱 공법의 경우 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력의 제거에 따라 합성된 부재에 도입되는 프리스트레스 도입 수준을 확인할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 CFT 모듈과 강판을 이용하여 프리스트레싱 도입과 제거에 따라 도입되는 프리스트레스 수준을 실험적으로 평가하였으며, 프리스트레싱 실험에 사용된 실험체는 소형 CFT 모듈과 실제 강박스 거더용 CFT 모듈로 구분하였다.

프리스트레싱 도입 실험체는 CFT 모듈과 프리스트레스를 적용하기 위한 부재인 강판으로 구성되며, CFT 모듈을 이용한 프리스트레싱 도입 실험의 제원은 Fig. 3에 나타낸 것과 같이 CFT 모듈의 크기에 따라 소형 CFT 모듈과 실제 강박스 거더에 적용될 수 있는 CFT 모듈로 구분하였다. Fig. 3(a)는 한개의 소형 CFT 모듈을 이용한 프리스트레싱 도입 실험체(SS-A)로, 길이 908 mm, 폭 150 mm, 높이 100 mm 및 두께 2 mm인 각관에 공칭 압축강도 60 MPa인 무수축 몰탈을 충전하였다. 소형 CFT 모듈과 일체화되는 강판은 길이 1,220 mm, 폭 250 mm 및 두께 6 mm이다. Fig. 3(b)는 두 개의 소형 CFT 모듈을 이용한 프리스트레싱 도입 실험체(SS-B)이며, 길이 908 mm, 폭 150 mm, 높이 100 mm 및 두께 2 mm인 각관에 공칭 압축강도 60 MPa인 무수축 몰탈을 충전하고 길이 1,220 mm, 폭 500 mm 및 두께 6 mm 강판과 일체화되도록 하였다. Fig. 3(c)는 실제 강박스 거더용 CFT 모듈의 프리스트레싱 도입 실험체(RS-CFT)로 SM355 강판을 이용하여 길이 4,000 mm, 폭 516 mm, 높이 416 mm 및 두께 8 mm인 강박스 부재에 압축강도 50MPa의 콘크리트를 충전하고, 길이 4,852 mm, 폭 1,000 mm, 두께 18 mm 강판과 용접하여 일체화 하도록 계획하였다. Table 1은 프리스트레싱 도입 실험에서 CFT 모듈의 제원을 정리하여 나타낸 것이다.

Fig. 3 Dimension of prestressing test specimens (Unit : mm)

CFT 모듈과 강판을 이용하여 CFT 모듈에 대한 프리스트레싱 도입 및 제거에 따라 일체화된 강판에 도입되는 프리스트레스 수준을 평가하기 위하여 모듈형 CFT 부재를 이용한 연속 강박스 거더의 프리스트레싱 도입 과정을 고려하여 프리스트레싱 도입 실험을 실시하였다. 실험과정은 강봉을 이용하여 각 CFT 모듈 실험체에 프리스트레싱을 도입하고 강판과 용접 한 후 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력을 제거함으로써 용접된 강판에 도입되는 프리스트레스 수준을 계측하였다. 강판에 도입되는 프리스트레스 수준과 CFT 모듈에 도입되는 프리스트레싱력을 측정하기 위하여 각 실험체에 변형률 게이지를 설치하였다.

Fig. 4(a)는 SS-A 실험체의 프리스트레싱 도입 실험과정을 나타낸 것이며, SS-B 실험체의 경우 소형 CFT 모듈의 개수만을 변화시킨 후 SS-A 실험과 동일한 실험과정으로 진행되었다. Fig. 4(b)는 실제 강박스 거더용 CFT 모듈 실험체(RS-CFT)를 이용한 프리스트레싱 도입 실험과정과 실험체를 나타낸 것이다. RS-CFT 실험체의 경우 유압실린더와 대용량 핸드펌프로 구성된 유압잭을 이용하여 프리스트레싱용 강봉을 긴장하여 실험체를 프리스트레싱하고, CFT 모듈 단부에 로드셀(Load cell)을 설치하여 긴장재에 도입되는 프리스트레싱력을 확인하였다.

Fig. 4 Prestressing test process and test specimens

2.2 CFT 모듈을 이용한 프리스트레싱 도입 실험 결과

CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱과 프리스트레싱력의 제거에 따라 용접된 강판에 도입된 프리스트레스 수준을 Fig. 5과 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 5는 각 CFT 실험체에 도입된 프리스트레스와 강판과 용접 후 도입된 프리스트레싱력을 제거하였을 경우 복원된 응력 변화를 프리스트레싱 도입과 제거 과정에 따라 나타낸 것이다. SS-A 실험체의 경우 프리스트레싱 도입에 따라 CFT 모듈에 평균 283 µε의 압축변형률, 프리스트레싱 제거 시 CFT에서 211 µε의 인장변형률이 측정되었으며 CFT 모듈의 프리스트레싱 도입과 제거과정에서 복원된 변형률이 약 74.6 %로 나타났다. SS-B 실험체의 경우 CFT 모듈 두 개를 이용하여 프리스트레싱 도입 및 제거 과정에 따른 복원력을 비교한 것으로 프리스트레싱 도입 시 두개의 CFT에 도입된 평균 압축변형률은 240 µε, 프리스트레싱 제거 시 측정된 평균 인장변형률은 220 µε로 나타나 CFT 모듈의 프리스트레싱 도입 및 제거과정에 복원된 변형률은 약 91.7 %로 평가되었다. 강박스 거더용 RS-CFT 실험체의 경우 프리스트레싱력 도입으로 CFT 모듈에 도입된 압축변형률은 평균 226.7 µε, 프리스트레싱 제거 시 측정된 CFT의 인장변형률은 161.9 µε이며 복원된 변형률은 약 71.4 %로 평가되었다. 또한, CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력을 추정하기 위하여 소형 CFT 모듈 실험체의 경우 실험체에 도입된 프리스트레스 수준으로 추정하였으며, SS-A 실험체의 경우 223 kN, SS-B 실험체는 CFT 2개 부재의 합이 340 kN 수준으로 나타났다. RS-CFT 실험체의 경우 로드셀을 이용하여 실험과정에서 측정된 도입 프리스트레싱력은 1,360 kN으로 측정되었다.

Fig. 5 Strain change according to prestressing and release stage of CFT specimens

Fig. 6은 CFT 모듈에 프리스트레싱 도입과 제거과정에 따라 CFT 모듈과 일체화된 강판에서 도입된 프리스트레스 수준을 각 실험별로 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 6에 나타난 것과 같이 SS-A 실험체의 강판에 도입된 프리스트레스는 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력의 제거로 인하여 일체화된 강판 중앙부에 13.2 MPa의 프리스트레스가 도입되고, SS-B 실험체는 20.1 MPa의 프리스트레스가 도입되는 것으로 나타났다. 또한, RS-CFT 실험체의 경우 긴장재에 도입된 프리스트레싱력의 제거에 따라 강판에 도입된 중앙부 최종 프리스트레스는 평균 16.0 MPa으로 나타났다.

Fig. 6 Strain change on steel plates according to prestressing release

CFT 모듈의 프리스트레싱 도입 및 제거실험 결과 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력의 제거에 따라 일체화된 강판에 유효한 프리스트레스가 도입되고 있음을 확인할 수 있으며, 강박스 거더와 CFT 모듈의 일체화에 따른 단면 강성 증대와 함께 유효한 프리스트레스 도입을 기대할 수 있음을 확인할 수 있다. 또한 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력과 프리스트레싱력의 제거 후 CFT 모듈에 잔존한 변형률은 도입 프리스트레싱력의 25.4 %, 8.3 %, 28.6 % 수준으로 나타났다. 이는 CFT 모듈과 일체화되는 강구조 부재의 강성에 따른 것으로 판단되며, 일체화되는 강구조 부재에 도입되는 프리스트레스 수준도 CFT 모듈의 잔존 프리스트레스 수준에 영향을 받을 것으로 판단된다. 또한 소형 CFT 모듈의 경우 상대적으로 부재 길이가 짧고 실험조건 등이 일반적인 CFT 모듈과 다르므로 프리스트레싱 도입과 제거 시 발생하는 변형률 차이가 실험조건에 따라 변화하여 나타난 것으로 판단된다.

2.3 유한요소해석을 통한 프리스트레싱 도입 효과분석

CFT 모듈에 프리스트레싱력 도입과 제거에 따라 일체화된 강판에 도입되는 프리스트레스 수준을 구조해석과 비교하기 위하여 범용해석프로그램 ABAQUS를 이용하여 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 실시하였다^{(ABAQUS, 2014)}. 해석모델에 사용된 강재의 탄성계수는(Young’s Modulus) 205,000 MPa이며, 충전된 무수축 몰탈의 탄성계수는 실험체에 사용된 공칭 압축강도에 따른 탄성계수를 적용하였다. 해석모델에서 CFT의 강관과 충전된 콘크리트의 마찰은 고려하지 않았으며, 강판과 CFT 부재의 용접부는 제약조건(Constraint Type : Tie)을 이용하여 일체 거동하는 것으로 모사하였다. 용접 이외에 각 부재간 접촉조건(Contact : Surface to Surface)은 CFT와 강판의 접촉 면적에 대해 강재의 마찰계수 0.3으로 고려하였다. 실험과정에서 CFT의 압축으로 인한 부재의 축력은 Predefine Field(Type : Stress)기능을 통하여 강재와 콘크리트에서 발생하는 응력을 도입함으로써 프리스트레싱력 제거에 따라 강판에 도입되는 프리스트레싱 효과를 모사할 수 있도록 하였으며, 경계조건은 각 실험 조건에 따라 결정하였다. Fig. 7에 SS-B와 RS-CFT 실험체의 유한요소해석 모델을 나타내었으며, SS-A 실험체 또한 SS-B 해석모델과 유사한 과정을 통하여 모델링되었다. 해석모델은 3차원 8절점 솔리드 요소(Solid, C3D8R)를 이용하여 모델링하였다.

Fig. 7 FE Analysis model of test specimens

2.4 유한요소해석을 통한 프리스트레싱 도입 해석 결과

Fig. 8는 유한요소해석 결과 CFT 모듈에 대한 프리스트레싱 도입 및 제거에 따라 일체화된 강판에 도입된 프리스트레스를 나타낸 것으로, 이를 프리스트레싱 도입 실험결과와 비교하여 Fig. 9에 나타내었다. Fig. 8에 나타낸 것과 같이 유한요소해석결과 SS-A 실험체는 프리스트레싱 제거에 따라 일체화된 강판에 23.1 MPa의 프리스트레스가 도입되고, SS-B 실험체는 18.2 MPa, RS-CFT 실험체는 14.3 MPa의 프리스트레스가 도입되는 것으로 평가되었다. Fig. 9에 나타낸 것과 같이 유한요소해석 결과와 실험결과가 유사한 형태로 프리스트레스가 도입되고 있음을 확인할 수 있으나, SS-A 실험체의 경우 CFT부재의 길이가 짧고 도입된 프리스트레스 수준이 작으므로 상대적으로 도입되는 프리스트레스와 구조해석의 차이가 크게 나타났다. 하지만 두 개의 모듈을 적용한 SS-B 실험체와 실제 CFT 부재를 이용한 RS-CFT 실험체의 경우 도입된 프리스트레싱력의 크기가 상대적으로 크고 제작 및 용접과정에서 발생할 수 있는 상대적인 제작 변형률의 차이가 작아 상대적으로 실험결과와 해석결과가 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. CFT 모듈을 이용하여 강박스 거더에 도입되는 유효한 프리스트레스 수준을 구조해석을 통하여 평가할 수 있음을 확인하였으나, CFT 모듈과 강박스 거더의 일체화 과정에서 발생할 수 있는 프리스트레스의 손실 및 부재변형으로 인하여 강박스 거더에 도입되는 프리스트레스의 차이가 발생할 수 있으므로^{(Teng and Ten, 1998; Lee, 2011)} 프리스트레싱 도입과정 및 강거더 일체화에 대한 적절한 시공관리 및 유효 프리스트레스 수준 등에 대한 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.

Fig. 8 Stress contour of the steel plate in FE analyses

Fig. 9 Comparison of induced stress of tests and FE analyses

3.1 CFT 모듈을 이용한 강박스 거더의 단면제원 및 유한요소해석 모델

모듈형 CFT 부재를 이용한 강박스 거더의 단면개선 및 프리스트레싱 도입 효과는 CFT 모듈과 강박스의 일체화로 인한 강박스 단면의 단면강성 증대와 CFT 모듈의 복원력을 이용한 하부플랜지에 대한 프리스트레스 도입으로 구분할 수 있다. 따라서 모듈형 CFT 부재를 강박스 거더의 연속지점부에 대한 단면강성 증대효과를 확인하고 프리스트레스 도입 효과를 유한요소해석을 통하여 비교하였다. 이를 위하여 강박스 거더에 대한 CFT 모듈 적용 여부와 CFT 단면 조건 변화에 따른 단면 강성변화를 비교하고, CFT 모듈의 단면조건에 따라 강박스 거더에 도입되는 프리스트레스 수준을 비교하였다.

모듈형 CFT부재를 이용한 강박스 거더의 단면개선 및 프리스트레싱 도입 효과 분석을 위한 강박스 거더의 단면을 Fig. 10에 나타내었으며, 하중저항설계법에 따라 설계된 50m 2경간(총 100m) 연속 강박스 거더교의 연속지점부 강거더를 대상으로 하였다^{(KDS 14 31 10, 2017)}. 강박스 거더에 대한 유한요소해석은 범용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였으며, Fig. 11에 나타낸 것과 같이 강박스 거더와 보강재는 3차원 8절점 솔리드(Solid, C3D8R)요소로 모델링하였다. 개구제형 강박스 거더의 경우 상부 슬래브 타설 전 연속지점부 강박스 거더와 CFT 모듈을 일체화하는 것으로 고려하고 있으므로, 본 유한요소해석에서는 상부슬래브는 고려하지 않았으며, 프리스트레싱 효과와 단면강성 증가효과만 비교할 수 있도록 하였다. 강박스의 경계조건은 시공과정 및 시공조건을 고려하여 단순지지 조건으로 가정하였다. 강박스 거더의 재료특성으로 탄성계수 205,000 MPa를 적용하였으며, CFT 모듈에 적용되는 콘크리트의 설계압축강도는 45 MPa로 가정하고 이에 따른 탄성계수를 적용하였다. CFT 모듈과 연속지점부 강박스 거더의 일체화는 프리스트레싱 도입 실험의 유한요소해석과 동일하게 제약조건(Constraints Type : Tie)으로 적용하였으며, 프리스트레싱 도입 또한 Predefined Field(Type : Stress)기능을 이용하였다.

Fig. 10 Dimension of a steel box girder (Unit : mm)

Fig. 11 FEA model of steel box girder

CFT 모듈을 이용한 강박스 거더 하부플랜지에 도입되는 프리스트레스 수준은 CFT 모듈 제작 시 도입되는 프리스트레싱력에 따라 변화할 것이므로, 유한요소해석 시 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력이 총 1,600 kN, 2,000 kN 및 2,400 kN으로 변화함에 따라 하부플랜지에 도입되는 프리스트레스 수준을 비교하였다. CFT 모듈 제원에 따라 강박스 거더에 적용되는 단면 강성증대 효과를 확인하기 위하여 CFT 모듈과 일체화되지 않은 강박스 거더(w/o CFT module)와 CFT 모듈(500×400, 700×400, 700×350, mm)과 일체화된 강박스 거더(w/ CFT module)에 대한 단면특성을 Table 2에 정리하여 나타내었다. CFT 모듈이 강박스 거더와 일체화 됨에 따라서 강박스 거더의 단면 특성이 변화할 수 있음을 확인할 수 있으며, 강박스 거더와 CFT 모듈의 일체화 여부에 따라 단면적이 56~72 %수준으로 증가하며, 하부플랜지를 기준으로 중립축이 72~67 % 수준으로 변화하는 것으로 나타났다. 또한, 강박스 거더교의 사용중에 나타날 수 있는 휨 거동에 대하여 단면 휨 강성은 28~33 %이상 증가되는 것으로 확인할 수 있다. 강박스 거더와 일체화 되는 CFT 모듈의 제원에 따라 강박스 거더의 중립축이 변화하며 연속지점부 하부플랜지에 작용하는 압축응력 또한 영향을 받을 것으로 판단되므로, CFT 모듈의 제원의 변화에 따라 변화되는 연속지점부 강박스 거더 하부플랜지의 프리스트레스 수준을 비교하였다.

3.2 CFT 모듈에 도입된 프리스트레싱력 및 CFT 모듈의 단면적에 따른 하부플랜지 프리스트레스 수준 분석

Fig. 12는 동일한 CFT 모듈의 단면조건(500×400, mm)을 대상으로 프리스트레싱이 도입된 CFT 부재를 강박스 거더와 일체화한 후 프리스트레싱력 제거에 따라 도입되는 연속지점부 강박스 거더 하부플랜지의 프리스트레스 수준을 프리스트레싱력의 크기에 따라 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 12에서 나타난 것과 같이 중앙부에 도입되는 평균 프리스트레스는 25.3~37.7 MPa로 평가되고 있으며, CFT 모듈에 도입한 프리스트레싱력의 증가에 따라 강박스 거더 하부플랜지에 도입되는 프리스트레스 수준이 선형적으로 증가함을 확인할 수 있다.

Fig. 12 Prestress of bottom plates depending on prestressing force

Fig. 13은 다양한 CFT 모듈(500×400, 700×400, 700×350, mm)에 동일한 프리스트레싱력 1,600 kN을 도입한 경우 연속지점부 강박스 거더 하부플랜지에 도입되는 프리스트레스 수준을 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 13에 나타난 것과 같이 CFT 모듈의 단면적이 상대적으로 적은 500×400 단면의 CFT부재를 강박스 거더와 일체화한 경우 강박스 거더 하부플랜지에 상대적으로 큰 응력이 도입되는 것으로 나타났다. 또한 CFT 모듈의 단면적에 따라 하부플랜지에 도입되는 종방향 프리스트레스 수준을 Fig. 14에 비교하여 나타내었으며, 500×400 단면의 CFT 부재를 강박스 거더와 일체화한 경우 하부플랜지 중앙부에 도입되는 평균 프리스트레스는 약 25.1 MPa, 700×400 의 경우 약 20.5 MPa, 700×350의 경우 약 22.8 MPa의 프리스트레스가 도입되는 것으로 평가되었다. 이는 강박스 거더와 CFT 모듈의 일체화에 따른 상대적인 단면 특성 변화에 따른 것으로 CFT 모듈의 제원에 따라 도입되는 프리스트레스 수준과 단면강성이 변화하게 되므로 실제 연속 강박스 거더교에 대한 CFT 모듈의 제원과 프리스트레싱력은 설계하중 수준과 강박스 거더의 단면제원 등을 고려하여 결정하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.

Fig. 13 Prestress of steel box girder with CFT module (Prestressing force = 1,600 kN)

Fig. 14 Prestress of bottom plates depending on CFT section