[논문]압연형강(H형강) 거더교의 가로보가 활하중 횡분배에 미치는 영향

윤동용; 은성운

문제 정의

본 연구에서는 압연 형강(H형강) 거 더 교에서 가로보가 활 하중의 횡분배에 미치는 영향에 대해 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 또한 콘크리트 바닥 판이 활 하중 횡 분배에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다.
본 연구에서는 압연 형강(H형강) 거 더 교에서 활하중의 횡 분배를 목적으로 설치하는 가로 보의 영향에 대해서 검토하였다. 해석 연구에는 유한요소 프로그램을 이용하였으며, 결과 분석을 통하여 다음과 같은 몇 가지 결론을 얻을 수 있었다.
본 절에서는 가로 보의 설치 여부에 따른 경제성을 검토하였다. 경제성 검토에는 강재의 중량비 변화와 함께 횡 분배율을 비교하였다.
본 절에서는 보 형태의 가로 보를 사용한 경우, 콘크리트 바닥 판과 가로보의 합성 여부가 활 하중 횡 분배에 미치는 영향을 검토하였다. 분석 대상은 폭이 10m인 2차선 교량으로 808^ 302x16x30 주형 5개, 주형 간격 2.
본 절에서는 콘크리트 바닥 판의 강성(두께)이 활하중 횡 분배에 어떤 영향을 미치는지 검토하였다. 해석 교량은 4.
또한 콘크리트 바닥 판이 활 하중 횡 분배에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 횡분배용 가로 보의 설치 필요성에 대해 검토해 보고자 하였다. 결과 분석에서는 가로보의 위치, 개수 등을 주요 변수로 하였으며, 격자해석이나 관용법 등의 결과와도 비교하였다.

제안 방법

5m 간격으로 8개 설치, 교량 지 간은 20m일 때 유한요소 해석 결과를 보면 다음과 같다. 가로 보 간격(Lc)은 2.5m, 5.0m, 10m, 그리고 가로 보를 설치하지 않은 경우(NC)로 구분하였다. 다음 표에서 Lp와 Lre 식 (1), (2) 에 따라 계산된 비합성 주형 단면의 소성과 탄성 한계 비지지 길이다.
경제성 검토에는 강재의 중량비 변화와 함께 횡 분배율을 비교하였다. 비교 모델은 4.
도로교 설계기준(2005)에 규정되어 있는 데로 연석에서 0.6m 떨어진 위치에 DB24의 차량 하중 1대를 재하시켰고, 그 다음 차량은 첫 번째 차량과 1.8m 간격으로 재하시켰다. 유한요소 해석에는 ADINA(2003)라는 프로그램을 사용하였다.
또한 콘크리트 바닥 판이 활 하중 횡 분배에 미치는 영향에 대해서도 분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 횡분배용 가로 보의 설치 필요성에 대해 검토해 보고자 하였다.
본 절에서는 격자해석 및 그림 6에서 설명한 관행적 방법에 의한 횡분배 결과를 분석하였다. 해석 대상 교량은 4.
본 절에서는 그림 3과 4의 보 및 프레임 형태의 가로보를 각각 설치한 경우 횡분배율의 차이를 검토하였다. 해석 교량은 4.
우선 그림 9의 단위 거더, 즉 기준이 되는 모델을 제작하여 1/2대의 차량하중을 재하시켰다. 이때 단위 거더의 하부플랜지에 발생하는 종방향 휨응력(化)을 분모로 삼아 계산하고자 하는 교량 모델의 하부플랜지 응력 (f) 을 나누어 줌으로써 횡분배율(D, F)을 계산하였다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같다.
횡분배 결과를 분석하였다. 해석 대상 교량은 4.1.1 절의 모델과 동일하며, 가로 보의 휨 강성을 변화 시켜 가면서 해석하였다.
검토하였다. 해석 연구에는 유한요소 프로그램을 이용하였으며, 결과 분석을 통하여 다음과 같은 몇 가지 결론을 얻을 수 있었다.

대상 데이터

본 절에서 해석한 교량 모델은 네 가지로 주형 7개(주형간격 1.7m)일 때와주형 6개(주형 간격 2.0m)일 때, 주형 5개(주형 간격 2.5m), 그리고 주형 4개(주형간격 3.2m)인 교량이다. 4개의 교량 모두 지 간은 25m이며, 가로 보 간격(Lc)은 2.
분석 대상은 폭이 10m인 2차선 교량으로 808^ 302x16x30 주형 5개, 주형 간격 2.0m 그리고 지간 16m 이다. 가로보를 설치한 경우 가로 보의 간격은 4.
경제성 검토에는 강재의 중량비 변화와 함께 횡 분배율을 비교하였다. 비교 모델은 4.1.2절에서 사용한 모델로 주형 7 개 및 주형 간격 1.7m일 때와 주형 6개일 때이다.
0m로 고정시켰다. 전체적인 해석 모델은3D 모델과 동일하며, 프레임 형태의 가로 보는 beam 요소를 사용하였다.
어떤 영향을 미치는지 검토하였다. 해석 교량은 4.1.1 절의 모델과 4.1.2절의 주형 간격이 2.5m인 모델을 선택하였다. 도로교설계기준(2005)의 최소 바닥 판의 두께는 22cm인데.

데이터처리

분석 결과를 바탕으로 횡분배용 가로 보의 설치 필요성에 대해 검토해 보고자 하였다. 결과 분석에서는 가로보의 위치, 개수 등을 주요 변수로 하였으며, 격자해석이나 관용법 등의 결과와도 비교하였다.

이론/모형

3D 모델에는 4-node shell 요소가 적용되었다. 그리고 격자해석에는 ADINA (2003)의 beam 요소를 사용하였다.
8m 간격으로 재하시켰다. 유한요소 해석에는 ADINA(2003)라는 프로그램을 사용하였다. 3D 모델에는 4-node shell 요소가 적용되었다.

성능/효과

(1) 주형 간격이 넓어질수록 가로 보가 횡 분배에 영향을 미치기는 하지만, 그 값이 미소하여 횡 분배 목적의 가로 보를 설치하는 것은 큰 의미가 없는 것으로 나타났다.
(2) 소성 단면이 될 수 있는 비지지길이 Lp는 사하중과 활 하중이 모두 작용하는 경우를 기준으로 해야 하는데 , 이때는 이미 콘크리트 바닥 판과 합성된 상태이므로 비지지 길이는 의미가 없다. 반면에 탄성 횡-비틀림 좌굴에 대한 비지지길이 Lre 사하중에 대해 고려해야 하므로 가로 보 설치 간격의 기준이 된다.
(3)가 로보로 사용되는 보나프레임의 형식이 횡 분배에는 차이를 주지 못했으며, 바닥판과 가로보의 합성 여부도 횡 분배에는 큰 영향을 주지 못했다. 따라서 가로보 형식은 시공성이나 경제성 등을 고려하여 결정하는 것이 바람직한 것으로 판단된다.
그림 11은 중앙에 차량을 1대 재하시킨 경우 각 주형의 횡 분배율을 나타낸 것인데, 가로 보가 없는 경우는 중앙에 위치한 4번과 5 번 거더에 다소 많은 하중이 집중되는 것을 볼 수 있다. 4번 거더의 횡분배율을 비교해보면 가로 보를 설치한 경우는 가로 보가 없는 경우에 비해 약 9.7%〔니0.154-0.139)/0.154、 100%〕정도 하중 부담율이 감소되는 것으로 나타났다. 가로 보의 활하중 횡 분배 참여율이 9.
분석 결과를 보면, 가로 보의 합성과 비합성의 횡분배율 차이는 0.6%에 불과하다. 더욱이 가로 보가 없는 경우와 비교해 보면 1.
9%의 차이를 보였다. 전체적으로 바닥 판이 두꺼워 질수록 횡 분배율이 작아지는는 것으로 나타났다. 바꾸어 밀하며 바닥 판의 강성이 커질수록 횡 분배가 잘 이루어져 각각의 거더가 분담하는 비율이 비슷해진다고 할 수 있다.
다만, 가로 보가 없는 경우는 격자 모델 자체가 구성되지 않기 때문에 비교가 불가능하다. 전체적으로는 가로보의 간격이 촘촘할수록, 또 가로 보의 강성이 클수록 횡분배가 원할하게 이루어지는 결과를 보이고 있다.

후속연구

그러므로 구조적으로 기여도가 낮거나 불필요한 횡 분배용 가로 보를 제거한다면구조 개선과 공사비의 절감에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 그 밖에도 가로보의 설치로 기대히는 부수적인 효과로는 바닥판에콘트리트를 타설 시 고정하중으로 인한 거더의 상대적 처짐의 감소, 이미 가설된 교량의 경우는 노후 된 바닥판의 교체작업에서도 거더 간의 상대 변위를 억제시키는 역할을 기대한다. 그러나, 이러한 가로 보에 대한 기대효과는 적절한 바닥판 설치공법(deck finisher)으로 충분히 대처 되고 있다.
이러한 관점에서 보면 가로 보에 대한 필요성이나 구조적 역할에 대한 검토 없이 3~5m 간격으로, 그것도 보 형태의 가로보를 일률적으로 설치하는 것은 비용적 측면의 낭비뿐만 아니라 복부판의 변형 증가나 피로 강도 저하 등 역학적 측면에서도 결코 바람직하지 않다. 그러므로 구조적으로 기여도가 낮거나 불필요한 횡 분배용 가로 보를 제거한다면구조 개선과 공사비의 절감에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 그 밖에도 가로보의 설치로 기대히는 부수적인 효과로는 바닥판에콘트리트를 타설 시 고정하중으로 인한 거더의 상대적 처짐의 감소, 이미 가설된 교량의 경우는 노후 된 바닥판의 교체작업에서도 거더 간의 상대 변위를 억제시키는 역할을 기대한다.

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