KR101546213B1 - 긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법 - Google Patents

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김장호
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최지훈
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 교량 등에 사용되는 고강도 강연선의 손실량 측정 등을 위한 긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법에 관한 것으로, 본 발명은 일방향으로 길게 형성되고 그 중앙부의 저면이 바닥을 향해 돌출된 구조물바디와, 상기 구조물 바디의 양단에서 하부로 돌출되어 상기 구조물바디를 지지하는 교각을 포함하는 시험구조체와; 상기 시험구조체의 양단에서 매립되고, 상기 구조물바디를 지지하는 긴장재; 및 상기 구조물바디를 지지하는 긴장재의 표면에 부착되는 계측기;를 포함할 수 있다.
본 발명에 의하면, 설계에 대한 안전성이 검증되지 않은 신규 개발 고강도 강연선에 대해 손실량 및 긴장력 프로파일을 얻을 수 있고, 이로 인해 고강도 강연선에 부합되는 새로운 손실량 추정식을 개정하고, 합리적인 설계기준을 제시할 수 있는 효과가 있다.

Description

긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법{The testbed for measuring tensile force and the measuring method thereof}
본 발명은 교량 등에 사용되는 고강도 강연선의 손실량 측정 등을 위한 긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법에 관한 것이다.
프리스트레스(Prestressed : PS) 강연선에 의해 구속효과를 증가시키는 프리스트레스 콘크리트(Prestressed Concrete : PSC) 구조물은 전 세계적으로 건설공법의 발전과 콘크리트 재료 및 구조설계 기술의 발달과 함께 다양한 형태의 교량 및 특수구조물에 적용되고 있다.
이러한 현황에서 구조물의 슬림화, 장대화, 대형화를 위해서 고강도, 고인장력의 PS 강연선 개발은 건설산업에 필수적인 발전이라고 볼 수 있다. 또한 뛰어난 차폐성능과 손상이 점진적으로 발생되는 원자력 격납구조물, LNG 탱크 등과 같은 특수한 구조물에 PS 공법은 필수적으로 적용되고 있다.
이러한 구조물들이 점차 초대형화 되면서 요구되는 고강도 구조물을 건설하기 위해서는 고강도 PS 강연선을 사용한 PSC 구조물 건설이 요구되기 시작하였다.
고강도 PS 강연선을 사용할 경우, 쉬스관의 직경을 줄임으로써 구조물의 슬림화, 장대화에 큰 역할을 할 수 있으며, 공사비 또한 절감할 수 있을 것으로 평가되고 있다.
또한 동일한 강연선의 개수를 설계 할 때 강연선의 강도가 고강도화 될수록 유효긴장력이 증가되면서 차폐성능이나 구조물 성능이 증가할 것으로 예상된다. 경제성을 비교하면 텐던의 개수를 변화시키지 않고 단순히 강연선의 수를 줄임으로써 PSC보의 제작비를 약 2~5%정도 절감할 수 있을 것으로 예측되고 있다.
하지만 고강도 강연선을 구조물에 적용하기 위해서는 고강도 강연선의 역학적 성능 표준화와 고강도 강연선이 적용된 구조물의 성능 검증이 우선실시 되어야 한다. 역학적 성능 검증은 이미 2,400MPa PS 강연선 개발과 함께 이루어져서 규격이 만들어졌지만, 구조물 성능 검증은 앞으로 많은 연구를 통하여 검증되어야 할 분야이다.
여러 가지 장점을 가지고 있는 PSC 구조물의 설계에서 가장 핵심적인 요인은 긴장력 손실을 통한 강도저하의 문제이다. 1,860MPa PS 강연선의 경우 오랜기간 사용되면서 설계에 대한 안전성이 검증되었으며, 긴장력 손실에 대한 연구와 정착구 부분의 설계도 많은 연구가 진행되었다.
하지만 새로 개발된 2,400MPa PS 강연선의 경우 기존의 1,860MPa의 강연선과 다른 거동을 가질 것이며 손실량 계산식에 적합하지 않을 것이다. 이러한 문제는 실제의 강도가 설계강도만큼 발현되지 않아서 구조물의 안전성 문제가 야기될 수 있다.
이러한 문제들로 인해, 새로 개발된 고강도 강연선 등에 대한 PS 손실량과 PS 긴장재의 전 구간 긴장력 프로파일 등이 산업계에 요구되고 있다.
대한민국 특허등록번호 10-0989947
본 발명의 목적은 설계에 대한 안전성이 검증되지 않은 신규 개발 고강도 강연선의 구조물 성능 검증을 위한 긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 본 발명은 일방향으로 길게 형성되고 그 중앙부의 저면이 바닥을 향해 돌출된 구조물바디와, 상기 구조물 바디의 양단에서 하부로 돌출되어 상기 구조물바디를 지지하는 교각을 포함하는 시험구조체와; 상기 시험구조체의 양단에서 매립되고, 상기 구조물바디를 지지하는 긴장재; 및 상기 구조물바디를 지지하는 긴장재의 표면에 부착되는 계측기;를 포함할 수 있다.
상기 긴장재는 상기 구조물바디의 저면으로 노출될 수 있다.
상기 계측기는 상기 긴장재의 외력에 의한 변형률을 전기저항의 변화에 의해 측정하는 스트레인게이지일 수 있다.
상기 구조물바디는 그 중앙부에서 양단으로 갈수록 그 두께가 점점 줄어든다.
상기 구조물바디의 저면은 일정한 곡률을 갖도록 라운드지게 형성된다.
상기 긴장재는 상기 시험구조체의 중간에 배치된 제1긴장부와, 상기 제1긴장부의 양쪽으로 배치된 제2긴장부로 구성되고, 상기 긴장재의 일부 표면은 상기 구조물바디 저면 안쪽으로 매몰된다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 콘크리트로 형성된 구조물바디의 저면으로 긴장재가 노출되도록 시험구조체가 형성되는 단계와; 상기 시험구조체를 지지하는 상기 긴장재에 긴장력을 제공하는 단계와; 상기 구조물바디의 저면으로 노출된 긴장재의 표면에 계측기를 부착하는 단계와; 상기 계측기를 통해 상기 긴장재의 변형율을 온도와 시간의 변화에 따라 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 긴장재는 3개의 독립된 강연선 또는 강연선의 집합으로 구성되고, 상기 긴장재의 일부는 쉬스관의 내부에 구비되어 그라우팅이 이루어지는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 시험구조체는 적어도 3개 이상으로 구성되고, 상기 각각의 시험구조체에는 서로 다른 인장강도를 갖는 긴장재가 배치되는 단계를 포함할 수 있다.
서로 다른 인장강도를 갖는 상기 긴장재가 구비된 상기 시험구조체는 동일한 환경조건에 배치된 상태에서 상기 긴장재 각각의 물성치 계측결과를 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명에서는 설계에 대한 안전성이 검증되지 않은 신규 개발 고강도 강연선에 대해 손실량 및 긴장력 프로파일을 얻을 수 있고, 이로 인해 고강도 강연선에 부합되는 새로운 손실량 추정식을 개정하고, 합리적인 설계기준을 제시할 수 있는 효과가 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴장력 계측 시험체의 구성을 보인 단면도.
도 2a는 도 1의 I-I' 단면을 바라본 단면도.
도 2b는 도 1의 V-V' 단면을 바라본 단면도.
도 3은 본 발명의 실시예에서 계측기가 부착된 상태를 보인 부분 단면도.
도 4는 본 발명의 실시예에서 다수의 긴장재에 복수의 계측기가 구비된 상태를 보인 설명도.
이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 긴장력 계측 시험체의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 긴장력 계측 시험체의 구성을 보인 단면도가 도시되어 있고, 도 2a에는 도 1의 I-I' 단면을 바라본 단면도가 도시되어 있으며, 도 2b에는 도 1의 V-V' 단면을 바라본 단면도가 도시되어 있다.
그리고, 도 3에는 본 발명의 실시예에서 계측기가 부착된 상태를 보인 부분 단면도가 도시되어 있고, 도 4에는 본 발명의 실시예에서 다수의 긴장재에 복수의 계측기가 구비된 상태를 보인 설명도가 도시되어 있다.
도 1에 도시된 바에 따르면, 본 실시예는 일방향으로 길게 형성되고 그 중앙부의 저면이 바닥을 향해 돌출된 구조물바디(20)와, 상기 구조물바디(20)의 양단에서 하부로 돌출되어 상기 구조물바디(20)를 지지하는 교각(30)을 포함하는 시험구조체(10)와, 상기 시험구조체(10)의 양단에서 매립되고, 상기 구조물바디(20)를 지지하는 긴장재(40), 및 상기 구조물바디(20)를 지지하는 긴장재(40)의 표면에 부착되는 계측기(60)를 포함할 수 있다.
본 실시예에서 상기 시험구조체(10)는 3개가 구비되고, 각각의 시험구조체(10)에는 서로 다른 물성을 가지는 긴장재(40)가 구비된다. 상기 긴장재(40)는 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)에서 콘크리트에 프리스트레스를 주기 위해서 콘크리트 중 또는 외부에 배치된 강재(鋼材) 등을 말하며, 이것에 기계적으로 인장력을 주어 그 반작용으로 프리스트레스를 도입(導入)한다
본 실시예에서 긴장재(40)로 사용되는 강연선의 역학적 성능 중 인장강도는 각각 1,860MPa, 2,160MPa, 2,400MPa이다. 이러한 긴장재(40)의 물성은 그 자체성능을 나타내지만, 이러한 긴장재(40)가 적용된 구조물의 성능은 여러가지 설계조건에 따라 상이하게 나타나므로 이러한 차이를 실험적으로 분석할 필요가 있다.
상기 시험구조체(10)는 전체적으로 교량의 형상으로 형성되며, 상기 시험구조체(10)의 양단은 바닥에 지지되는 교각(30)이 구비되고, 교각(30)의 사이에는 구조물바디(20)가 구비된다.
상기 구조물바디(20)와 교각(30)은 각각의 형상과 역할을 위하여 구분한 것으로, 실제는 하나의 구조체를 형성할 수 있다. 즉, 상기 시험구조체(10)와 대응되는 형상의 거푸집을 제작한 후 철근 및 상기 긴장재(40)를 조립한 후 콘크리트를 타설하여 상기 구조물바디(20)를 제작한 후 상기 구조물바디(20)의 내부에 위치한 상기 긴장재(40)가 외부로 노출될 수 있도록 상기 구조물바디(20)의 하단부를 제거하여 형성할 수 있는 것이다.
상기 시험구조체(10)는 상기 긴장재(40)가 일정부분 매립된 상태에서 콘크리트가 굳어져 형성될 수 있다.
상기 구조물바디(20)는 그 중앙부에서 양단으로 갈수록 그 두께가 점점 줄어드는 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 구조물바디(20)의 저면(22)은 일정한 곡률을 갖도록 라운드지게 형성될 수 있다.
이는 상기 긴장재(40)가 상기 구조물바디(20)의 전 영역에 밀착되어 상기 시험구조체(10)를 균일하게 지지하기 위함이다. 즉, 상기 구조물바디(20)의 무게 등이 상기 긴장재(40)의 전 영역에 골고루 작용하여 상기 긴장재(40)의 인장강도를 합리적으로 균일하게 측정할 수 있다.
또한, 이는 실제 교량을 구축하는 과정에서 긴장재(40)의 실제 적용사항과 유사하기 때문에 실제 구조물의 성능검증에 유효하게 적용될 수 있다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 상기 긴장재(40)는 상기 시험구조체(10)의 양단, 즉 상기 교각(30) 영역에서는 상기 시험구조체(10)의 중간 높이에 위치한다. 그리고, 상기 긴장재(40)는 상기 시험구조체(10)의 중간부, 즉 상기 구조물바디(20) 영역에서는 상기 시험구조체(10)의 저면으로 노출되게 된다.
상기 긴장재(40)는 3개로 이루어질 수 있는데, 이는 상기 시험구조체(10)의 중간에 배치된 제1긴장부(42)와, 상기 제1긴장부(42)의 양쪽으로 배치된 제2긴장부(44)로 구성될 수 있다.
상기 시험구조체(10)의 중간에 배치되는 제1긴장부(42)는 상기 시험체(10)의 인장력을 부담하게 된다. 상기 제1긴장부(42)는 다수의 강연선으로 구성될 수 있다. 상기 제1긴장부(42)는 쉬스관에 들어가 외부 가혹환경으로부터 보호될 수 있다.
또한, 상기 제1긴장부(42)의 양측에 배치된 상기 제2긴장부(44)는 모노텐던 한 가닥으로 구성될 수 있다. 상기 제2긴장부(44)는 손실량을 측정할 수 있는 강연선이고, 중앙부에 설치된 제1긴장부(42)와 측면에 설치된 제2긴장부(44)는 동일한 인장력을 통해 포스트텐션하게 된다.
상기 제2긴장부(44)는 완전 노출하여 포스트텐션 후 계측기(60)가 부착된다. 상기 제2긴장부(44)는 노출로 인해 부식이 야기될 수 있으므로 공업용 그리스 등을 도포하여 부식을 방지할 수 있다. 또한 긴장재(40)의 제1긴장부(42) 및 제2긴장부(44)는 동일 수평면 상에 위치하여 도심이 일치할 수 있도록 한다.
참고로, 상기 제1긴장부(42)는 쉬스관에 매립되는데, 절반은 상기 구조물바디(20)에 매립되고, 나머지 절반은 노출시켜 추후 그라우팅 상태를 확인할 수 있도록 한다. 그라우팅(grouting)은 그라우트(주입액)를 주입하거나 충전(充塡)하는 것을 말한다.
상기 계측기(60)는 상기 긴장재(40)의 외력에 의한 변형률을 전기저항의 변화에 의해 측정하는 스트레인게이지 등으로 설명될 수 있다. 스트레인게이지는 물체가 외력으로 변형될 때 변형을 측정하는 측정기를 말하며, 물체에 부착시켜 측정한다. 합금선은 인장방향의 변형을 받으면 길이가 증가하여 단면적이 감소되어 전기저항이 증가하며, 그 증가분을 측정한다. 저항측정은 원리적으로는 전기저항 측정기(Wheatstone Bridge)를 사용할 수 있다.
상기 계측기(60)는 상기 긴장재(40)에 부착되어 체결구(70)로 고정될 수 있다. 이때, 상기 긴장재(40)의 표면은 정밀한 측정을 위해 표면처리되고, 상기 계측기(60)는 에폭시 접착제 등에 의해 부착될 수 있다.
상기 계측기(60)는 접착력 확보를 위해 약 24시간 일정한 압력으로 상기 긴장재(40)에 밀착되는 것이 바람직하며, 접착면은 방수를 위한 코팅처리 될 수 있다.
또한, 도시되지는 않았지만, 상기 구조물바디(20)의 중앙 상면에 일정중량을 가지는 하중체를 두어 실제 교량 등에 차량의 운행등에 의해 가해질 수 있는 하중을 구현하여 보다 현장과 가까운 형태의 실험을 구현할 수도 있다. 상기 구조물바디(20)에서 상기 하중체가 위치하는 부분은 비단 중앙상면 뿐만 아니라 상기 구조물바디(20)의 중앙을 기준으로 어느 일측으로 치우친 위치에 구비하는 것도 가능하다.
도 4를 참조하면, 상기 시험구조체(10)는 동일한 환경조건에서 서로 다른 인장강도를 갖는 긴장재(40)가 구비된 3개로 구성될 수 있다. 즉, 3개의 시험구조체(10)가 각각 1,860MPa, 2,160MPa, 2,400MPa의 인장강도를 갖는 긴장재(40)로 지지되는 것이다.
이때, 상기 계측기(60)는 상기 긴장재(40)의 중간을 기준으로 일정한 거리로 이격되어 다수개가 배치될 수 있다.
1,860 MPa의 인장강도를 갖는 긴장재(40)는 실제 구조물에 적용되어, 그 역학적 성능과 구조물의 성능이 검증되었으므로, 2,160 MPa과 2,400 MPa의 인장강도를 갖는 긴장재(40)는 1,860 MPa의 긴장재(40)와 데이터를 비교하여 실제 구조물에 적용되었을 때의 성능을 가늠할 수 있는 지표로 삼을 수 있다.
다음으로 본 발명에 의한 긴장력 계측방법의 실시예를 설명한다. 본 실시예는 콘크리트로 형성된 구조물바디(20)의 저면으로 긴장재(40)가 노출되도록 시험구조체(10)가 형성되는 단계와, 상기 시험구조체(10)를 지지하는 상기 긴장재(40)에 긴장력을 제공하는 단계와, 상기 구조물바디(20)의 저면으로 노출된 긴장재(40)의 표면에 계측기(60)를 부착하는 단계와, 상기 계측기(60)를 통해 상기 긴장재(40)의 변형율을 온도와 시간의 변화에 따라 측정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 긴장재(40)는 3개의 독립된 강연선 또는 강연선의 집합으로 구성될 수 있고, 상기 긴장재(40)의 일부는 쉬스관의 내부에 구비되어 그라우팅이 이루어지는 단계를 더 포함할 수 있다.
상술한 바와 같이, 상기 시험구조체(10)는 적어도 3개 이상으로 구성될 수 있고, 상기 각각의 시험구조체(10)에는 서로 다른 인장강도를 갖는 긴장재(40)가 배치될 수 있다.
그리고, 서로 다른 인장강도를 갖는 상기 긴장재(40)가 구비된 상기 시험구조체(10)는 동일한 환경조건에 배치된 상태에서 상기 긴장재(40) 각각의 물성치 계측결과를 측정할 수 있다.
이와 같은 긴장력 계측 시험체 및 그 계측 방법에 의하면, 설계에 대한 안전성이 검증되지 않은 신규 개발 고강도 강연선에 대해 손실량 및 긴장력 프로파일을 얻을 수 있고, 이로 인해 고강도 강연선에 부합되는 새로운 손실량 추정식을 개정하고, 합리적인 설계기준을 제시할 수 있는 이점이 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 시험구조체 20: 구조물바디
30: 교각 40: 긴장재
42: 제1긴장부 44: 제2긴장부
60: 계측기 70: 체결구

Claims (10)

  1. 일방향으로 길게 형성되고 그 중앙부의 저면이 바닥을 향해 돌출된 구조물바디와, 상기 구조물 바디의 양단에서 하부로 돌출되어 상기 구조물바디를 지지하는 교각을 포함하는 시험구조체;
    상기 시험구조체의 양단에서 매립되고, 상기 구조물바디를 지지하는 긴장재; 및
    상기 구조물바디를 지지하는 긴장재의 표면에 부착되는 계측기;를 포함하고,
    상기 긴장재는 상기 구조물바디의 저면으로 노출되고,
    상기 계측기는 상기 긴장재의 외력에 의한 변형률을 전기저항의 변화에 의해 측정하는 스트레인게이지이며,
    상기 긴장재는
    쉬스관의 내부에 구비되는 다수의 강연선으로 구성되고 상기 시험구조체의 중간에 배치되는 제1긴장부와,
    상기 제1긴장부의 양쪽으로 한 쌍이 배치되고 모노텐던으로 구성되어 상기 계측기가 일정간격으로 다수개 설치되는 제2긴장부로 구성되고, 상기 긴장재의 일부 표면은 상기 구조물바디 저면 안쪽으로 매몰되는 긴장력 계측 시험체.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 구조물바디는 그 중앙부에서 양단으로 갈수록 그 두께가 점점 줄어드는 긴장력 계측 시험체.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 구조물바디의 저면은 일정한 곡률을 갖도록 라운드지게 형성되는 긴장력 계측 시험체.
  6. 삭제
  7. 콘크리트로 형성된 구조물바디의 저면으로 긴장재가 노출되도록 시험구조체가 형성되는 단계와;
    상기 시험구조체를 지지하는 상기 긴장재에 긴장력을 제공하는 단계와;
    상기 구조물바디의 저면으로 노출된 긴장재의 표면에 계측기를 부착하는 단계와;
    상기 계측기를 통해 상기 긴장재의 변형율을 온도와 시간의 변화에 따라 측정하는 단계;를 포함하고,
    상기 긴장재는
    쉬스관의 내부에 구비되는 다수의 강연선으로 구성되고 상기 시험구조체의 중간에 배치되는 제1긴장부와,
    상기 제1긴장부의 양쪽으로 한 쌍이 배치되고 모노텐던으로 구성되어 상기 계측기가 일정간격으로 다수개 설치되는 제2긴장부로 구성되고, 상기 긴장재의 일부 표면은 상기 구조물바디 저면 안쪽으로 매몰되는 것을 특징으로 하는 긴장력 계측방법
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제1긴장부의 일부에 그라우팅이 이루어지는 단계를 더 포함하는 긴장력 계측방법.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 시험구조체는 적어도 3개 이상으로 구성되고, 상기 각각의 시험구조체에는 서로 다른 인장강도를 갖는 긴장재가 배치되는 단계를 포함하는 긴장력 계측방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    서로 다른 인장강도를 갖는 상기 긴장재가 구비된 상기 시험구조체는 동일한 환경조건에 배치된 상태에서 상기 긴장재 각각의 물성치 계측결과를 측정하는 단계를 포함하는 긴장력 계측방법.
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