Design Parametric Analysis for Plastic Neutral Axis of PSC Composite Girder Bridges Using High-Strength Concrete

Wen-Cheng Cui; Seok-Goo Youn

doi:10.4334/JKCI.2023.35.5.469

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자료유형: 학술저널

저자정보: Wen-Cheng Cui (Beihua University) Seok-Goo Youn (Seoul National University of Science and Technology)

저널정보: 한국콘크리트학회 콘크리트학회 논문집 콘크리트학회 논문집 제35권 제5호(통권 제197호)

발행연도: 2023.10

수록면: 469 - 477 (9page)

DOI: 10.4334/JKCI.2023.35.5.469

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이 논문에서는 고강도 콘크리트가 적용된 PSC 합성거더교에 대한 설계변수해석을 수행하고, 설계 규정인 소성중립축 깊이를 만족시킬 수 있는 설계 방법을 연구하였다. 설계 기준은 현행 도로교설계기준(한계상태설계법)을 적용하였다. 설계 변수는 PSC 거더 콘크리트의 설계압축강도, 긴장재의 초기허용긴장력, 강연선의 강도, 그리고 콘크리트 교량바닥판의 설계압축강도와 종방향 철근비이다. 지간장 50 m인 한국도로공사 EX 거더 표준단면을 변수해석을 위한 PSC 거더 단면으로 활용하였다. 사용한계상태를 만족시키는 PSC 합성거더교를 설계한 후, 극한한계상태에서 소성중립축 깊이 규정을 만족되는지 검토하였다. 시공단계별 장기거동해석은 콘크리트 재령을 고려한 AEMM 방법을 적용하였고, 설계휨강도는 단면 설계를 위한 긴장재와 콘크리트의 응력변형률 곡선을 이용한 변형률적합해석 방법을 적용해 산정하였다. 변수해석결과 PSC 합성거더교는, PSC 거더 콘크리트 설계압축강도가 증가할수록 소성중립축 깊이가 증가하여, 설계 규정을 만족하는데 불리한 요인으로 작용함을 확인할 수 있었다. 소성중립축 깊이에 대한 설계요구조건을 만족시키는 설계 방법으로, PSC 합성거더 콘크리트바닥판 설계압축강도를 증가시키는 방법보다, 사용하중 작용 시 PSC 거더 하연에 발생하는 허용인장응력을 증가시키는 방법이 효과적이라 평가하였다.

In this paper, a parametric analysis of the design is conducted for a pre-stressed concrete (PSC) composite girder bridge utilizing high-strength concrete, focusing on the study of design approaches to meet the required plastic neutral axis depth. The current road bridge design standard, known as the limit state design method, serves as the basis for this study. The design variables encompass the compressive strength of the PSC girder concrete, the initial allowable jacking force of the tendon, strand strength, and the design compressive strength of the concrete bridge deck, along with the longitudinal reinforcement ratio. For the parametric analysis, standard cross-sections of the Korea Expressway Corporation EX girder, with a span of 50 m, were selected as the PSC girder sections. The process involved designing PSC composite girder bridges that satisfy the serviceability limit state, followed by an evaluation of whether the regulation on the plastic neutral axis depth is satisfied during the ultimate limit state. To address the time-dependent factors during construction stages, the study applies the age-adjusted effective modulus method, which considers the age of concrete. The design flexural strength is calculated by applying the strain compatibility analysis method, using the stress-strain curves of the prestressing tendon and concrete for cross-section design. Based on the results of the parametric analysis, it was confirmed that the plastic neutral axis depth increased as the PSC girder concrete design compressive strength increased, acting as a detrimental factor in complying with design regulations for the PSC composite girder bridge. As a method to meet the design criteria for the plastic neutral axis depth, the study evaluates that increasing the allowable tensile stress developed at the lower surface of the PSC girder under service load conditions is more effective than enhancing the design compressive strength of the concrete deck.

#PSC composite girder bridge #EX girder #high-strength concrete #SWPC 7DL #depth of plastic neutral axis #PSC 합성거더교 #EX 거더 #고강도 콘크리트 #소성중립축 깊이

참고문헌 (11)

참고문헌 신청

Ahn, S. S., Gang, S. G., Gu, B. S., Lee, C. G., and Lee, T. H.(2017) Research on Advanced EX-Girder Technology. Expressway & Transportation Research Institute. No. 2017-33-534.9607. (In Korean)

CEN (2004) Eurocode 2: Design of Concrete Structures - Part 1-1: General Rules and Rules for Buildingsn (BS EN 1992-1-1:2004). London, UK: European Committee for Standardization (CEN), British Standards Institute (BSI). 33-45.

Cui, W. C., and Youn, S. G. (2022). Parametric Analysis for Post-Tensioned PSC Composite Girder Bridges Using 2,360 MPa High-Strength Strand. Journal of the Korea Concrete Institute 34(2), 213-221. (In Korean)

Gilbert, R. I. (1988) Time Effects in Concrete Structure. Amsterdam, Netherlands: Elsevier.

KIBSE (2015) Korean Highway Bridge Design Code (Limit State Design) Commentary. Seoul, Korea: Korea Institute of Bridge and Structural Engineering. (In Korean)

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