1. 개요

현재 나무-콘크리트 복합 구조부재는 보통 건물 구조물에 적용되었음.나무-콘크리트 복합재를 교량에 적용한 사례는 상대적으로 적음. 이렇게 새로운 복합부재를 교통량이 많은 교량에 사용하는 문제는, 장기 반복하중 하에서 복합부재의피로 거동(fatigue behavior)이 알려져 있지 않다는 것임. 이 보고서는 스투트가르트 대학(University of Stuttgart)과 협력하여 수행된연구를 기술하는데, 저/고 사이클의 반복하중 테스트에 근거하여 노치(notched)나무-콘크리트 연결부의 피로하중에 대한 S-N 커브를 만들기 위해 노력함. 나무와 콘크리트가 노치 부위에서 내장 앵커 나사에 의해 서로 연결된14개의 1,524mm 길이의 복합빔 시험편에서 실험결과가 얻어졌음.5개의 시험편은 정적으로 하중이 주어졌고, 나머지는 최대와 최소 하중 비율을10으로 하여 주기적으로 파괴되었음. S-N 커브 상의 점들은 평균 정적 파괴하중으로써최대하중의 세 단계에 대해 결정되었음. 관측된 전형적인 파괴 형태는 노치에서 나무의 블락 전단(block-shear)과 중간 부위에서 나무의 응력 파괴(tension failure)임. 그 결과, 얻어진 S-N 커브는 교량에 대한 목재-콘크리트 부재 구조물을 다루는 설계서를 만드는데 있어 미래의 고려를 위해 제안될 수 있음.

2. 소개

나무-콘크리트 복합 시스템은 나무층을 그 위에 콘크리트층으로 연결함으로써건설되었음. 이러한 면에서 나무는 휨과 결합된 응력에 취약하고 콘크리트 판은 주로 압축되기 때문에,두 재료의 혜택을 이용하는 것이 가능함. 사실상 복합 시스템은 더 큰 취성(stiffness)과 강도, 진동에 대해 향상된 성능, 더 나은 지진 성능,그리고 더 나은 외양을 보여줌. 추가적으로, 비복합 시스템에 비교할 때, 나무층을 콘크리트 판에 대한 영구적인 거푸집(formwork)으로 사용하는 가능성이 있음.

노치 상호층의 연결 세부가 수직 지지 표면을 가지고 이연구에서 채택되었음. 나무와 콘크리트의 상호연결은나무 표면위에 노치에서 콘크리트의 직접적인 지지에 의해 달성됨. 노치 상세의 이점은 기계적 연결부 상세와비교할 때 더 높은 복합 활동(즉, 복합 시스템의 취성)과 더 큰 하중 지지력을 포함함.

높은 사이클(high cycle)의 반복하중 하에서 그와같은 부재의 거동은 가용한테스트 데이타가 제한적이기 때문에 잘 알려져있지 않음. 이러한 부재들의 피로 성능을 아는 것은 교량에의 적용에 필수적임. 그럼에도 불구하고,많은 교량이 건설되었고 나무-콘크리트 복합 시스템을 교량에 적용했을 때의 적합성을보여줌.

3. 실험 셋업

3.1 기하학

14개의 1626 mm(64 인치) 길이의 나무-콘크리트 복합빔 시험편이 만들어졌음.시험편의 넓이는 191 mm(7.5 인치)이고,각각은 89 mm(3.5 인치) 두께의 나무층과63 mm(2.5 인치)의 콘크리트층으로 구성됨. 나무와 콘크리트층은 내장된 앵커 나사에 의해 서로 연결되어 있는데, 앵커는12 mm(0.5 인치)의 직경과 100 mm(4 인치) 길이로 50 mm(2 인치) 깊이로 노치 개소에 내장되어 있음. 노치는 25 mm(1 인치) 깊이로 파여져 있고, 150 mm(6 인치)길이로 되어 있음. 나무층은 습도의 침입을 줄이기위해 실러 페인트(sealerpaint)로 코팅되었음. 페인트는 나무판의 끝에 살포되었음.

3.2 재료 특성

나무 재료는 프리미엄 등급으로 평균 탄성률(modulus of elasticity, MOE)은7.65 GPa(1110 ksi)이고 측정된 평균습도 함량은 6.3%인데,이는 NDS-2005에 의해 명시된 8.96 GPa(1300ksi)보다 작음. 탄성률 값은 Instron 5569 장치를 사용하여 ASTM D143에 따라 28개의 나무표본을 테스트함으로써 결정되었고, 습도 함량은 Delmhorst 11212 습도 매핑계(moisture mapping meter)를 사용하여 결정되었음.콜로라도 기후에서 건조상태가 일반적임. 콘크리트는 유리섬유를 가진3000 psi 타입이었음. 두 개의 10 mm(3/8 인치) 길이방향 철근이 사용되었음.

3.3 테스트 셋업

시험편은 1524 mm(60 인치)의길이로 단순 지지되었음. 하중은 MTS 유압 하중 및 디지탈 데이타획득 시스템을 사용하여 경간의 중간에 주어졌음. 각 지지단은 수평방향 힘을 피하기위해 롤러가 사용되었음.

시험편의 일부는 정적 하중에 노출되었고 나머지는 주기적인진동 하중이 주어졌음. 모든 하중은 변위가통제되었음. 통제된 변위 요소는 하중이 적용된 지점에서 부재의 휨이었음. 주기적인 하중 부여 중에, 하중은 계속해서 모니터링되었고 통제 변위에 대한 조정이 이루어졌음.

4. 결과

4.1 정적 테스트 결과

평균 정적 파괴하중을 결정하기 위해, 5개의 시험편이 EN 26891에 의해 제안된 절차를 사용하여 테스트되었음. 이러한 유럽의 기준은 목재 구조에서 기계적 연결부에서의강도와 굴절 특성을 결정하는 원칙을 서술함. 44.5 kN(10 kip)의 참조 최대하중이 가정되었는데,이는 EN 26891에서 제안된 값과 비교했을 때 실제 하중부여 속도보다 조금 낮았음.전형적인 하중-휨(load-deflection) 특성은 <그림 1>에서 보여지는 것과 같음.

<그림 1> 전형적인 하중-휨 커브

4.2 피로 테스트 결과

하중은 1 Hz의 주기로 최대하중(Pmax)와 최소하중(Pmin)의 비율 R = Pmin/Pmax = 0.1로 유지하였고, <그림 2>에서 보는 바와같음.

<그림 2> 전형적인 진동하중

<그림 2>에서 보여진 하중에 대응하여 관측된 시험편의 전형적인 주기적 거동은 <그림3>에서 보여짐.

<그림 3> 하중 주기에 따른 전형적인 거동
 

5. 결론

이 보고서는 스투트가르트대학과의 협력으로 덴버 대도시 주립대학(Metropolitan State College of Denver)에서 연구의 결과를 기술하는데, 노치 나무-콘크리트 연결부에서의피로하중에 대한 S-N 커브를 만들기 위해 노력함. 실험결과는14개의 복합빔 시험편에서 얻어졌음. 5개의 시험편은 정적으로 하중이 주어졌고 나머지는주기적으로 파괴되었음.

S-N 커브에서 점들은 평균 정적 피로하중의함수로써 최대하중의 3개 단계에 대해 결정되었음. 관측된 전형적인 파괴형태는노치에서 나무의 블락 전단이었고, 그 다음 형태는 중간부에서 나무의 응력 파괴였음. 얻어진 S-N 중간선은 유로코드(Eurocode) 5: 목재 구조물 EN 1995-2:2004와 비교를 가능하게 하고, 이는 목재 교량에서 피로강도의 실증을 기술함. 계수 b = 1.3을 가정할 때, 계수 a = 9.68로 나타나고,이는 전단에서 목재에 대한 계수 a = 6.7에 대해 제시된 값보다 보수적인 것임.

따라서, 임시적인 결과에 의하면 예상되는 파괴 형태가 노치에서 나무의 전단에의한다고 한다면 피로 실증에 대한 EC5 EN 1995-2:204의 제공은 여기서 연구된 복합부재의 타입에사용될 수 있음. 이는 쿨만과 알디(Kuhlmann and Aldi)의 연구와 일치함.

이러한 결과에 근거하여, 나무-콘크리트 시스템은 단경간,교통량이 적은 부수적인 도로 교량에 고려될 수 있음. 이 결론은 이 연구에서 수행된테스트의 작은 수 때문에 확정적인 것이라고 할 수는 없음.