온도프리스트레싱 기법을 이용한 연속 강합성거더교의 시공

김준환(Kim Jun-Hwan),안진희(Ahn Jin Hee),정치영(Jung Chi Young),김상효(Kim Sang-Hyo) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.3A

온도프리스트레싱 공법을 이용한 연속 강합성거더교의 시공은 연속지점부의 콘크리트 바닥판에 프리스트레스를 도입함으로써 교축직각방향으로 발생하는 인장균열을 억제하는 데 그 목적이 있다. 교량의 시공시 일시적으로 인위적인 온도경사를 강거더에 발생시켜 발생하는 거더의 휨변형이 프리스트레싱을 위한 외력으로 작용하므로 별도의 긴장재가 필요 없으며 교축방향 보강철근 사용량 및 강거더 단면을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 본 연구에서는 연속 강합성거더교에 온도프리스트레싱 공법을 적용함에 따라 연속지점부 바닥판에 도입되는 압축응력을 비롯한 구조계의 거동에 미치는 효과를 실험적으로 검증하고자 한다. 이를 위해 2경간 연속 강합성거더교 시험교량을 제작하고 온도프리스트레싱 공법 적용에 따른 연속지점부 바닥판에서의 압축응력 및 교량의 거동을 분석한 후, 해석적으로 예측된 결과와 비교ㆍ분석하여 그 타당성을 입증하였다. The purpose of thermal prestressing of continuous composite girder bridges lies in mitigation of transverse cracks in the concrete deck. Instead of using tendons for prestressing, the thermal prestressing method utilizes the deflection of steel girders induced by a temporary heating process and no prestressing member is required. While the transverse cracks can be effectively mitigated, decrease in the amount of rebar and the steel girder's section area is also possible. This paper describes an experimental investigation conducted to verify and substantiate the preceding analytical study. The experimental results from this research, especially the initial stress measurement from a prototype bridge, prove that the method can be successfully used for prestressing continuous composite girder structures. Also, the experimental and analytical results exhibit good agreement, which implies that thermal prestressing effect can be predicted with reasonable accuracy with the previous proposed methodology.

연속 강합성거더교의 온도프리스트레싱 효과 해석을 위한 간략해석법의 개발

김준환(Kim Jun-Hwan),안진희(Ahn Jin Hee),최규태(Choi Kyu Tae),김상효(Kim Sang-Hyo) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 A Vol.27 No.6A

온도프리스트레싱 공법을 이용한 연속 강합성거더교의 시공은 연속지점부의 콘크리트 바닥판에 프리스트레스를 도입함으로써 교축직각방향으로 발생하는 인장균열을 억제하는데 그 목적이 있다. 교량의 시공시 일시적으로 인위적인 온도경사를 강거더에 발생시켜 발생하는 거더의 휨변형이 프리스트레싱을 위한 외력으로 작용하므로 별도의 긴장재가 필요 없으며 교축방향 보강철근 사용량 및 강거더 단면을 감소시킬 수 있는 장점이 있다. 온도프리스트레싱 효과의 해석에 있어서는 인위적인 가열로 인한 비선형의 온도분포를 고려하여야 하므로 이전까지의 연구에서는 3차원 입체요소를 사용한 유한요소해석에 의존해왔다. 또한 이전의 해석기법에서는 3차원 열전달해석과 열탄성해석을 연계하는 방법을 적용하여 모형화가 어렵고 해석시간이 많이 소요되며 비전문가는 사용이 어렵다는 단점이 있었다. 본 연구에서는 연속 강합성거더교의 온도프리스트레싱 효과를 해석함에 있어 수치해석 모형화와 해석에 소요되는 해석비용을 획기적으로 감축하고 설계 실무자들이 쉽게 접근할 수 있도록 온도프리스트레싱 효과의 간략 해석법을 개발하였다. 이전의 연구에서 제안된 기존 해석법을 활용한 2경간 연속 강합성 거더교의 해석결과와 비교ㆍ분석한 결과, 간략 해석법은 기존 해석법 대비 5% 이내의 오차를 보여 온도프리스트레싱을 적용한 설계 실무에 충분히 적용이 가능한 것으로 판단되었다. The purpose of thermally-prestressed continuous composite girder bridges lies in mitigation of transverse cracks in the concrete deck. Instead of using tendons for prestressing, the thermal prestressing method utilizes the deflection of steel girders induced by a temporary heating process without mechanical prestressing. While the transverse cracks can be effectively controlled, decrease in the amount of rebar and the steel girder's section area is also possible. Although the computation method of thermal prestressing effect proposed in previous studies can give accurate results, the computation cost is high and may be difficult for inexperienced engineers. In this study, a simplified method is proposed for computing the thermal prestressing effect, which neglects the heat transfer analysis procedure and utilizes simple 2-D beam element FE models. Comparison of the computation results using existing and simplified methods was performed where the error between the two methods was less then 5%. Therefore, it is concluded that the simplified method can be used with acceptable accuracy for computation of the thermal prestressing effect.

편심 브라켓 설치 온도프리스트레싱 강재보의 하중저항 성능

김상효,정치영,최규태,안진희,Kim, Sang-Hyo,Jung, Chi-Young,Choi, Kyu-Tae,Ahn, Jin-Hee 한국강구조학회 2010 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.22 No.6

본 연구는 편심 브라켓이 설치된 온도프리스트레싱 강재보의 하중저항 성능에 관한 실험적 연구이다. 본 연구에서 제안한 강재보는 편심 브라켓을 이용하여 온도프리스트레싱 강판을 편심 설치하여, 기존 온도프리스트레싱 강재보 보다 도입되는 프리스트레스 및 단면강성을 증대 할 수 있다. 제안하고자 하는 공법의 검증을 위하여 편심 브라켓이 설치된 강재보, 온도프리스트레싱 강재보 등에 대한 정적하중 재하시험을 실시하여 강재보의 하중저항 성능을 비교 평가하였다. 또한 재료비선형성을 고려한 강재보의 구조해석을 실시하고 소성이론에 근거한 극한하중평가를 통하여 실험결과의 타당성 및 실설계에 대한 적용성을 검토하였다. 본 연구결과를 통하여 편심 브라켓이 설치된 온도프리스트레싱 강재보가 기존 온도프리스트레싱 강재보 보다 증가된 보강강판의 편심효과로 강성, 항복하중 및 극한하중이 모두 증가됨을 확인하였다. This study evaluates the load-carrying capacity of a thermal prestressed steel beam with an eccentric bracket. The steel beam that is proposed in this study has an eccentrically installed cover plate through application of the eccentric bracket. The eccentric bracket helps the steel beam achieve greater sectional stiffness and more efficiently induces prestress. A material non-linear characteristic applied finite element analysis was also conducted to check the validity of the experiments. The results of this study showed that the structural stiffness, yield load, and ultimate strength of the TPSM-applied steel beam with the eccentric bracket increased due to the eccentricity of the cover plate.

커버플레이트를 이용한 다단계 온도프리스트레싱으로 보강된 합성보의 하중-저항성능 분석

안진희,정치영,최규태,김상효 한국구조물진단유지관리공학회 2009 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.13 No.4

본 연구는 다단계 온도프리스트레싱 공법으로 보강된 합성보의 하중재하 실험 및 구조해석을 통하여 온도프리스트레싱 공법의 프리스트레스 도입효과와 단면증가효과를 평가하였다. 연구결과 온도프리스트레싱을 이용한 합성보의 보강공법은 온도프리스트레싱에 의한 프리스트레스 도입 뿐 아니라 커버플레이트의 설치에 의한 단면증가로 합성보의 처짐 또한 감소시킬 수 있으므로 합성보의 효율적인 보강공법으로 적용이 가능할 것이다. In this study, static loading tests and numerical analyses of the composite beam strengthened by multi-stepwise thermal prestressing method were carried out to evaluate the prestressing effect of the thermal prestressing prestress and the sectional effect of the installed cover-plate on the increase in the load-carrying capacity of composit beam. From this study, the strengthening method using multi-stepwise thermal prestressing method (TPSM) can be applied to reduce the deflection of the composite beam as well as to strengthening the composite beam by inducing the prestress in case of the occurrence in the large deflection by the insufficiency of the section properties of the composite beam. because of the expectation of the increase in the yield load and the sectional properties of the composite beam.

다단계 온도프리스트레싱 공법의 현장적용을 위한 실험적 연구

안진희,이상우,김상효,김준환 한국구조물진단유지관리공학회 2008 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.12 No.1

다단계 온도프리스트레싱 공법은 기존의 프리스트레싱 공법과 단면접합공법의 장점을 이용한 새로운 개념의 프리스트레싱 공법으로 프리스트레싱용 커버플레이트를 다단계로 가열하여 거더의 하부플랜지에 고장력볼트로 접합한 뒤, 열원을 제거하여 발생하는 다단계 수축력을 보강에 필요한 프리스트레싱력으로 이용한 공법이다. 본 연구는 다단계 온도프리스트레싱 공법의 실제적인 적용성 평가를 위하여 다단계 가열을 위한 가열장비의 가열성능 평가 실험을 실시하였으며, 라멘형 강거더 임시교량을 제작하고 다단계 온도프리스트레싱 공법을 적용하여 도입 프리스트레싱력을 확인하였다. 또한, 트럭을 이용한 하중재하 실험을 실시하여 구조해석 결과와 비교하였다. Multi-stepwise Thermal Prestressing Method(TPSM) is a newly proposed prestressing method, which is combined the external prestressing method and the external bonding method. Multi-stepwise thermal prestressing force is induced by cooling process of cover-plate in the multi-stepwise temperature distribution after the cover-plate being bolted to the girder. In this study, the heating capacity test of the developed heating system for applying the multi-stepwise TPSM effectively and multi-stepwise TPSM inducing test of H-beam is performed. Also, a field test of the rhamen type temporary bridge is carried out to evaluate the effect and application of the multi-stepwise TPSM. Truck load was loaded and compared with the structure analysis results.

인공신경망을 이용한 온도프리스트레싱 공법의 적정 가열구간 설정에 관한 연구

김준환,안진희,김강미,김상효,Kim, Jun Hwan,Ahn, Jin-Hee,Kim, Kang Mi,Kim, Sang Hyo 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.6

온도프리스트레싱 공법은 강합성거더교 또는 강구조물에 인위적인 온도경사를 가하여 프리스트레싱력을 도입하기 위해 개발된 공법으로, 연속 강합성거더교에 적용할 경우 부모멘트 발생지점인 연속지점부 부근의 바닥판에 프리스트레스를 도입함으로써 콘크리트 바닥판의 인장균열을 억제하는 한편, 교축방향 보강철근 사용량 및 강거더 단면을 감소시킬 수 있어 경제성과 시공성의 향상이 가능한 공법이다. 이전의 연구에서 가열구간을 설정하기 위해 사용한 시행오차법은 비효율적인 것으로 온도프리스트레싱 공법을 적용한 설계가 효율적으로 이루어지기 위해서는 보다 합리적인 적정 가열구간의 설정기법이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 개선하기 위하여 패턴인식, 최적화, 진단 및 예측 등을 수행하는데 많이 사용되고 있는 인공신경망 이론을 적용하여 온도프리스트레싱 공법을 적용한 연속 강합성거더교의 가열구간을 효과적이고 경제적으로 설정하는 기법을 제안하고자 한다. 인공신경망 이론을 학습시키기 위한 학습알고리즘으로는 일반적으로 널리 사용되는 오차역전파 알고리즘을 사용하였으며, 이를 이용하여 2경간 및 3경간 연속 강합성거더교의 가열구간을 예측하고 유한요소해석과의 비교를 통하여 학습알고리즘의 특성 및 예측의 정확도를 분석하였다. The Thermal Prestressing Method for continuous composite girder bridges is a new design and construction method developed to induce initial composite stresses in the concrete slab at negative bending regions. Due to the induced initial stresses, prevention of tensile cracks at the concrete slab, reduction of steel girder section, and reduction of reinforcing bars are possible. Thus, the construction efficiency can be improved and the construction can be made more economical. The method for determining the optimum heating region of the thermal prestressing method has not been established although such method is essential for improving the efficiency of the design process. The trial-and-error method used in previous studies is far from efficient, and a more rational method for computing optimal heating region is required. In this study, an efficient method for determining the optimum heating region in using the thermal prestressing method was developed based on the neural network algorithm, which is widely adopted to pattern recognition, optimization, diagnosis, and estimation problems in various fields. Back-propagation algorithm, commonly used as a learning algorithm in neural network problems, was used for the training of the neural network. Through case studies of two-span and three-span continuous composite girder bridges using the developed procedure, the optimal heating regions were obtained.

다단계 온도프리스트레싱을 이용한 강거더교의 보강에 관한 연구

김상효,김준환,김준환,Kim, Sang Hyo,Kim, Jun Hwan,Ahn, Jin Hee 한국강구조학회 2006 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.18 No.6

교량의 보강공법으로 주로 사용되는 외부강봉을 이용한 후인장공법은 적용범위가 넓고 교량의 극한 및 항복에 대한 강성을 증가시켜 휨 보강 효과가 뛰어나지만, 모재접합부의 응력집중, 비효율적인 하중분배, 고정앵커부설치, 유지관리의 어려움 등의 단점이 있다. 본 연구는 기존의 외부강봉을 이용한 후인장공법이 가지는 단점을 보완하고 강판접합공법의 장점을 접목한 새로운 개념의 보강공법으로 커버플레이트의 열변형 특성을 이용한 다단계 프리스트레싱 보강공법을 제안하고자 한다. 커버플레이트의 열변형 특성을 이용한 다단계 프리스트레싱 보강공법은 커버플레이트를 다단계로 가열하여 가열단계별로 거더의 하부플랜지에 고장력볼트로 접합한 뒤, 열원을 제거하여 발생하는 다단계 수축력을 보강에 필요한 프리스트레싱력으로 이용하는 보강공법이다. 커버플레이트의 다단계 프리스트레싱에 의한 보강효과는 커버플레이트의 온도분포와 가열구간에 따라 결정되므로 본 연구에서는 커버플레이트의 열전달 모형실험 및 강거더 모형 실험을 통하여 커버플레이트의 열전달해석과 프리스트레스 도입효과를 분석하였으며, 단경간 강거더 교량을 대상으로 제안된 보강공법의 효율성 및 적용성을 검토하였다. Traditional external post-tensioning method using either steel bars or tendons is commonly used as a retrofitting method for steel composite bridges. However, the method has some disadvantages such as stress concentration at anchorages and inefficient load-carrying capability of live loads. Multi-stepwise prestressing method using thermal expanded coverplate is a newly proposed prestressing method, which was originally developed for prestressing steel structures. A new retrofitting method for steel girder bridges founded on a simple concept of thermal expansion and contraction of cover plate, the method is a hybrid of and combines the advantages of external post-tensioning and thermal prestressing. In this paper, basic concepts of the method are presented and an illustrative experiment is introduced. From actual experimental data, the thermal prestressing effect was substantiated and the FEM approach for its analysis was verified. The retrofitting effects ofa single-span bridge were analyzed and the feasibility of the developed method was examined.

H형강 교량의 성능개선을 위한 다단계 온도프리스트레싱 효과 분석

안진희,김준환,정치영,김상효,Ahn, Jin Hee,Kim, Jun Hwan,Jung, Chi Young,Kim, Sang Hyo 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.5

H형강 교량은 공장에서 압연 제작한 H형강을 주형과 가로보로 사용함에 따라 품질 및 관리가 용이하고 공장제작으로 현장작업 및 공사기간의 단축과 보강재의 설치량이 적은 단순하고 경제적인 교량형식이다. 본 연구는 기존 H형강 교량의 지간 및 단면 효율 개선을 위한 방법으로 다단계 온도프리스트레싱(Multi-Stepwise TPSM) 공법을 H형강 교량에 적용하여 도입효과 및 적용지간을 분석하였다. 구조해석결과 H형강교의 다단계 온도프리스트레싱 효과는 H-$900{\times}300$형강을 이용한 30m 5주형 H형강교량을 기준으로 기존 플레이트 거더 교량의 높이를 50.7~55.1%, 중량을 24.1~26.2% 수준으로 감소시킬 수 있는 것으로 평가되었다. 또한 7주형 H형강교량의 주형수를 5주형으로 감소시켜 경제적인 교량건설이 가능한 것으로 나타나 온도프리스트레싱이 도입된 H형강 교량은 기존 H형강과 비교하여 중소지간용 교량으로 충분한 경제성을 가질 수 있을 것으로 판단된다. The main girders and cross-beams of an H-beam bridge consisted of factory-made H-beams, providing better conditions for quality control. Also, on-site fabrication works can be minimized and most of the stiffeners can be omitted, enabling simple and economic construction. In this study, the effect of the Multi-Stepwise TPSM (M-TPSM) on improving the maximum span length and section efficiency is analyzed. Compared to a 30-m-long, five-girder conventional plate girder bridge, structural analysis results showed that 50.7~55.1% of the girder height and 24.1~26.2% of the self-weight may be reduced by the application of M-TPSM to a five-girder H-beam bridge constructed with H-$900{\times}300$beams. In case of conventional H-beam bridges without M-TPSM, it was found that seven girders are required for a similar level of load-carrying capacity. Therefore, it is concluded that by the application of the M-TPSM, the H-beam bridge would become one of most cost-competitive options for short- and medium-span bridges.

지하식 LNG 저장탱크의 지붕 콘크리트의 요구성능에 관한 실험적 연구

권영호(Yeong-Ho Kwon) 한국콘크리트학회 2013 콘크리트학회논문집 Vol.25 No.3