강교의 구조적 거동은 강도 및 사용성이 충족되고, 피로안전성이 확보될 때 공용수명을 충분히 확신할 수 있다. 그러나, 현재 교량의 피로에 관한 연구들은 상당히 부족하여 이 분야에 대한 지속적인 연구가 절실히 요구된다. 본 연구는 강교의 장기적인 피로안전성을 확보하기 위해서 실무에 적합한 피로설계지침의 방향을 제시함을 목표로 수행되었다. 연속된 강재 트러스교에 실교통량의 누적빈도수를 적용시켜 분석한 결과, 국내의 피로설계규정은 응력범위와 피로강도가 국외의 주요 설계기준에 비하여 과대평가 되는 것으로 나타난다. 따라서, 향후 국내의 피로설계지침에서는 피로설계조항들이 피로설계에 합리적으로 규정되는 것이 필요하다.
강교의 구조적 거동은 강도 및 사용성이 충족되고, 피로안전성이 확보될 때 공용수명을 충분히 확신할 수 있다. 그러나, 현재 교량의 피로에 관한 연구들은 상당히 부족하여 이 분야에 대한 지속적인 연구가 절실히 요구된다. 본 연구는 강교의 장기적인 피로안전성을 확보하기 위해서 실무에 적합한 피로설계지침의 방향을 제시함을 목표로 수행되었다. 연속된 강재 트러스교에 실교통량의 누적빈도수를 적용시켜 분석한 결과, 국내의 피로설계규정은 응력범위와 피로강도가 국외의 주요 설계기준에 비하여 과대평가 되는 것으로 나타난다. 따라서, 향후 국내의 피로설계지침에서는 피로설계조항들이 피로설계에 합리적으로 규정되는 것이 필요하다.
The service life of steel bridges can be assured only when their strength, serviceability and fatigue safety are fulfilled. However, at the present time, the continuous research for fatigue of steel bridges is desperately required since not much research work has been done so far. In this study, a g...
The service life of steel bridges can be assured only when their strength, serviceability and fatigue safety are fulfilled. However, at the present time, the continuous research for fatigue of steel bridges is desperately required since not much research work has been done so far. In this study, a guideline on the fatigue design is suggested for the practical purpose in order to establish the long-term safety of steel bridges against fatigue. The continuous steel truss bridge was analyzed for the cumulative reversals of the actual traffic, stress ranges and fatigue strength. From the results, the domestic fatigue design procedure was found to be fairly overestimated in comparison to the design code of other foreign countries. Therefore, it is necessary to review the current fatigue design specifications and have the new and rationalized design criteria in the future domestic fatigue design guidance.
The service life of steel bridges can be assured only when their strength, serviceability and fatigue safety are fulfilled. However, at the present time, the continuous research for fatigue of steel bridges is desperately required since not much research work has been done so far. In this study, a guideline on the fatigue design is suggested for the practical purpose in order to establish the long-term safety of steel bridges against fatigue. The continuous steel truss bridge was analyzed for the cumulative reversals of the actual traffic, stress ranges and fatigue strength. From the results, the domestic fatigue design procedure was found to be fairly overestimated in comparison to the design code of other foreign countries. Therefore, it is necessary to review the current fatigue design specifications and have the new and rationalized design criteria in the future domestic fatigue design guidance.
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문제 정의
본 연구에서는 국내의 제반 설계기준이 강구조물의 피로설계 조항을 규정하고 있지만, 강교의 피로에 대한 국내 연구결과가 부족한 상태에서 외국의 피로설계 내용을 그대로 인용함으로서 발생되는 피로설계 조항의 불합리성을 규명하고, 특히 신규로 계획, 신설되는 강교량들과 기존 교량들의 장기적인 피로안전성을 확보하기 위해서라도 국내의 실정에 적합하며 실무에서 구체적으로 활용될 수 있는 피로설계지침의 방향을 제시함을 목표로 하여, 본 연구대상 교량인 강재 트러스교의 피로해석결과의 비교 및 분석으로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이에 대한 목표의 일환으로 용접이음된 강교의 피로설계 시에 필요한 적합한 구체적 지침을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.
성능/효과
(4) 그러나, 국내 피로설계기준에는 피로하중 재하방법에 대한 별도의 조항이 없어 교량의 부재강도 설계시와 동일하게 차로부분에 차로 당 1대의 DB하중 또는 1차로 분의 DL하중을 재하시키고 있으므로 피로해석시의 유효응력 범위가 과대하게 평가될 수 있다.
(4) 그러나, 국내 피로설계기준에서 응력반복회수는 교통량과 하중조사 및 특별한 고려사항이 없으면 규정에 따라 종방향 주부재의 경우는 최대 200만회(2차로 이상 재하시)의 트럭하중을 반복재하 시키고, 윤하중을 받는 횡방향 부재와 상세부는 200만회 이상 반복재하 시키도록 하고 있다.(1)
1) 피로설계를 위한 피로하중은 각 나라마다 별도로 연구하여 규정하고 있으나, 국내에는 아직 그에 대한 연구결과가 없으므로 우선 교량설계시의 표준트럭하중을 대표하중단위로 잠정적으로 설정 및 사용하고, 차선하중은 피로하중의 응력범위가 너무 과대 평가 되고, 교량의 실제 피로거동 양상과는 다르므로 피로설계에 고려하지 않음이 적합할 것이다.
2) 교량의 피로설계를 위한 피로하중의 재하를 부재강도 설계시와 같이 설계차로수에 모두 재하시키면 유효응력범위가 과대하게 평가되고 있으므로, 피로하중의 재하방법은 설계차로수에 관계없이 1대 재하시킴을 원칙으로 하며, 동시에 인접차로에 차량이 재하될 가능성은 적으나 안전측으로 인접차로의 영향을 20％ 정도 고려함이 적합할 것이다.
3) 교량의 피로설계시에 충격하중은 일반적인 정적상태에 대한 동적증폭(충격)계수와는 분명히 다르게 평가되어야 할 것이다. 그러나, 국내 피로설계기준에는 피로해석시의 충격하중에 대한 별도의 조항이 없으므로 강도설계시와 동일하게 적용하여 피로해석결과가 지간장에 따른 영향을 받고 있다.
6) 강재구조가 무한의 피로수명을 확보하기 위해서는 피로하중의 성질에 따른 응력범위를 피로한계 이내로 제한함으로서 가능하다. 본 연구대상 교량의 트러스 부의 경우에도 피로하중 빈도수가 200만회 이상일 때의 일정진폭피로한계의 허용피로응력범위(350 kgf/㎠)가 보다 적합할 것으로 판단되나, 해당부재(종방향 주부재)의 빈도수를 200만회로 규정하여 허용피로응력범위(560 kgf/㎠)가 과대 평가 되는 결과를 초래하고 있다.
7) 피로강도에 미치는 부재두께의 효과로 본 연구대상 교량 부재의 경우에는 피로강도가 최대 24％까지 저감되는 것으로 분석된다.
8) 부분안전계수는 피로하중과 피로강도 모두에서 검토되어야 한다. 본 연구대상 교량도 EUROCODE 에 따른 부분안전계수는 피로강도를 25％ 정도 저감시키고 있으므로, 국내 피로설계지침에서는 부분안전계수의 영향을 어느 정도 고려할 것인지 제시해야 될 것이다.
825×107회 정도로 예상되므로, 현행 국내 피로설계기준에서 규정된 200만회(종방향 주 부재의 경우)를 상회하게 되어 교량의 피로안전성에 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 국내 피로설계지침에서는 피로해석시의 피로하중 빈도수를 200만회(200만회의 빈도수는 구조상세 범주를 분류 하기 위한 피로강도의 기준값으로 선정)로 제한하지 말고, 피로하중의 빈도수는 1일 1차로 당 대형차량의 계획교통량을 교량의 공용수명 기간 동안에 적용하도록 하고, 누적빈도수는 EUROCODE나 JSSC 피로설계지침에서와 같이 소거한계의 빈도수인 최소 1,000만회 정도까지 고려하여 교량의 피로안전성을 확보시켜야 될 것이다.
본 연구대상 교량은 지간이 장대(L=120 m)하여 트러스 부재의 최대 판두께는 75㎜ 정도 되어야 하는데, 이때의 부재두께 영향을 EUROCODE(Table 4의 피로해석결과 참조)와 JSSC 피로설계지침(Table 5의 피로해석결과 참조)에 따라서 계산하면 피로강도가 최대 24％까지 저감되는 것으로 분석된다.
6) 강재구조가 무한의 피로수명을 확보하기 위해서는 피로하중의 성질에 따른 응력범위를 피로한계 이내로 제한함으로서 가능하다. 본 연구대상 교량의 트러스 부의 경우에도 피로하중 빈도수가 200만회 이상일 때의 일정진폭피로한계의 허용피로응력범위(350 kgf/㎠)가 보다 적합할 것으로 판단되나, 해당부재(종방향 주부재)의 빈도수를 200만회로 규정하여 허용피로응력범위(560 kgf/㎠)가 과대 평가 되는 결과를 초래하고 있다.
본 연구대상인 트러스 교량의 피로하중 누적빈도수도 1.825×107회 정도로 예상되므로 상․하현재의 경우(상세범주 D)에 빈도수 200만회 이상일 때 허용피로응력범위(350 kgf/㎠)가 보다 적합할 것으로 판단 되나, 종방향 주부재의 설계응력 반복회수는 200만회로 규정되어 있어 이때의 허용피로응력범위(560 kgf/㎠)를 적용할 수 밖에 없으므로 해당 부재의 피로강도가 과대평가 되는 결과를 초래한다.
그러나, 국내 피로설계기준에는 피로해석시의 충격하중에 대한 별도의 조항이 없으므로 강도설계시와 동일하게 적용하여 피로해석결과가 지간장에 따른 영향을 받고 있다. 피로설계시의 충격하중은 현장측정 결과를 토대로 정해야 함이 타당하나, 이에 대한 정확한 자료가 없으므로 NCHRP 보고서의 조사결과를 참조하여 피로와 파괴의 한계상태에 대하여 평탄한 노면조도에서는 10％ 정도, 거친 노면조도에서는 최대 30％ 정도까지 고려하면 될 것이다.
후속연구
4) 피로해석시는 피로하중의 작용빈도수 분석방법이 적합하게 제시되어 교량의 피로안전성이 평가되어야 할 것이다. 국내 피로설계지침은 피로해석시의 피로하중 빈도수를 200만회(200만회의 빈도수는 구조상세범주를 분류하기 위한 피로강도의 기준값으로 선정)로 제한하지 말고, 피로하중의 빈도수는 1일 1차로 당 대형차량의 계획교통량을 교량의 공용수명기간 동안에 적용하도록 하고, 누적빈도수는 소거한계의 빈도수인 최소 1,000만회 정도까지 고려하여 교량의 피로안전성을 확보시켜야될 것이다.
8) 부분안전계수는 피로하중과 피로강도 모두에서 검토되어야 한다. 본 연구대상 교량도 EUROCODE 에 따른 부분안전계수는 피로강도를 25％ 정도 저감시키고 있으므로, 국내 피로설계지침에서는 부분안전계수의 영향을 어느 정도 고려할 것인지 제시해야 될 것이다.
5) 교량 각 부재 및 이음부의 피로저항성을 나타내는 피로강도는 각 나라의 연구결과에 따라 다양하게 제시되고 있다. 본 연구대상인 연속트러스교에서 사용된 함형(Box) 단면의 부재이음에 따른 피로강도를 비교한 결과는 도로교설계기준이 국외의 주요 피로설계기준에 비하여 과대평가 되고 있으므로, 국내 피로설계지침에서의 허용피로응력범위는 교량의 공용수명과 국내 교통량 특성에 따라서 탄력적으로 적합하게 적용될 수 있는 피로강도곡선으로 대체되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강교의 구조적 거동의 공동수명을 충분히 확신할 수 있는 경우는 언제인가?
강교의 구조적 거동은 강도 및 사용성이 충족되고, 피로안전성이 확보될 때 공용수명을 충분히 확신할 수 있다. 그러나, 현재 교량의 피로에 관한 연구들은 상당히 부족하여 이 분야에 대한 지속적인 연구가 절실히 요구된다.
강교의 피로파괴에 대한 연구에서 해결되어야 하는 궁극적인 목적은 무엇인가?
최근 국내에서도 당산철교, 성수대교 등과 같은 강재를 이용한 교량의 용접부 결함이 구조물 피로손상의주원인으로 지적되어 강재의 접합부 상세 및 피로현상에 대한 기술적인 관심이 고조되고 있으며, 구조물 안전에 대한 대책마련으로 국가적인 연구사업이 시작되고 추진 중이나, 강재의 피로해석은 토목, 기계 및 재료분야의 다중 지식이 요구됨으로 쉽게 많은 결과를 얻기는 힘든 상황이다. 강교의 피로파괴에 대한 연구에서 해결되어야 하는 궁극적인 목적은 기존 교량의 안전성평가, 파괴예방 방안, 잔류수명예측 및 신설교량의 피로설계기준 마련 등이다. 아직 강교의 피로연구 실적이 부족한 국내의 경우에는 계속해서 신설되고 있는 강교의 장기적인 안전성을 확보하기 위해서라도 우선 국외의 연구개발된 자료를 바탕으로 피로하중 재하방법과 빈도수, 충격, 피로강도, 피로한계 등의 피로 설계지침을 마련하는 일이 시급하다.
본 연구대상 교량인 강재 트러스교의 피로해석결과의 비교 및 분석으로 얻어진 결론은 무엇인가?
1) 피로설계를 위한 피로하중은 각 나라마다 별도로 연구하여 규정하고 있으나, 국내에는 아직 그에 대한 연구결과가 없으므로 우선 교량설계시의 표준트럭하중을 대표하중단위로 잠정적으로 설정 및 사용하고, 차선하중은 피로하중의 응력범위가 너무 과대 평가 되고, 교량의 실제 피로거동 양상과는 다르므로 피로설계에 고려하지 않음이 적합할 것이다.
2) 교량의 피로설계를 위한 피로하중의 재하를 부재강도 설계시와 같이 설계차로수에 모두 재하시키면 유효응력범위가 과대하게 평가되고 있으므로, 피로하중의 재하방법은 설계차로수에 관계없이 1대 재하시킴을 원칙으로 하며, 동시에 인접차로에 차량이 재하될 가능성은 적으나 안전측으로 인접차로의 영향을 20％ 정도 고려함이 적합할 것이다.
3) 교량의 피로설계시에 충격하중은 일반적인 정적상태에 대한 동적증폭(충격)계수와는 분명히 다르게 평가되어야 할 것이다. 그러나, 국내 피로설계기준에는 피로해석시의 충격하중에 대한 별도의 조항이 없으므로 강도설계시와 동일하게 적용하여 피로해석결과가 지간장에 따른 영향을 받고 있다. 피로설계시의 충격하중은 현장측정 결과를 토대로 정해야 함이 타당하나, 이에 대한 정확한 자료가 없으므로 NCHRP 보고서의 조사결과를 참조하여 피로와 파괴의 한계상태에 대하여 평탄한 노면조도에서는 10％ 정도, 거친 노면조도에서는 최대 30％ 정도까지 고려하면 될 것이다.
4) 피로해석시는 피로하중의 작용빈도수 분석방법이 적합하게 제시되어 교량의 피로안전성이 평가되어야 할 것이다. 국내 피로설계지침은 피로해석시의 피로하중 빈도수를 200만회(200만회의 빈도수는 구조상세범주를 분류하기 위한 피로강도의 기준값으로 선정)로 제한하지 말고, 피로하중의 빈도수는 1일 1차로 당 대형차량의 계획교통량을 교량의 공용수명기간 동안에 적용하도록 하고, 누적빈도수는 소거한계의 빈도수인 최소 1,000만회 정도까지 고려하여 교량의 피로안전성을 확보시켜야될 것이다.
5) 교량 각 부재 및 이음부의 피로저항성을 나타내는 피로강도는 각 나라의 연구결과에 따라 다양하게 제시되고 있다. 본 연구대상인 연속트러스교에서 사용된 함형(Box) 단면의 부재이음에 따른 피로강도를 비교한 결과는 도로교설계기준이 국외의 주요 피로설계기준에 비하여 과대평가 되고 있으므로, 국내 피로설계지침에서의 허용피로응력범위는 교량의 공용수명과 국내 교통량 특성에 따라서 탄력적으로 적합하게 적용될 수 있는 피로강도곡선으로 대체되어야 할 것이다.
6) 강재구조가 무한의 피로수명을 확보하기 위해서는 피로하중의 성질에 따른 응력범위를 피로한계 이내로 제한함으로서 가능하다. 본 연구대상 교량의 트러스 부의 경우에도 피로하중 빈도수가 200만회 이상일 때의 일정진폭피로한계의 허용피로응력범위(350 kgf/㎠)가 보다 적합할 것으로 판단되나, 해당부재(종방향 주부재)의 빈도수를 200만회로 규정하여 허용피로응력범위(560 kgf/㎠)가 과대 평가 되는 결과를 초래하고 있다.
7) 피로강도에 미치는 부재두께의 효과로 본 연구대상 교량 부재의 경우에는 피로강도가 최대 24％까지 저감되는 것으로 분석된다.
8) 부분안전계수는 피로하중과 피로강도 모두에서 검토되어야 한다. 본 연구대상 교량도 EUROCODE 에 따른 부분안전계수는 피로강도를 25％ 정도 저감시키고 있으므로, 국내 피로설계지침에서는 부분안전계수의 영향을 어느 정도 고려할 것인지 제시해야 될 것이다.
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