교량의 설계에 있어서 정확한 하중의 산정은 교량의 안전성 확보에 가장 핵심적인 사항이며 향후 유지 관리 측면에서도 매우 중요하다. 일반적으로 교량에서 차량에 의한 하중효과는 주로 활하중(충격하중 포함) 및 피로하중으로 나타나는데 이들 하중의 정형화를 위해서는 실제 교량 상을 주행하는 중 차량의 중량 및 통행특성을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해서 주행 중인 차량을 정지시키지 않고 중량을 계측할 수 있는 시스템(Bridge Weigh-In-Motion, BWIM)의 개발이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 기능을 갖는 BWIM시스템을 개발하고 이를 고속도로 교량에 적용하여 차량정보를 수집한 후 교량 설계를 위한 활하중 및 피로하중의 정형화를 수행하였다. 본 연구의 목적은 주행 중인 차량의 중량을 산정하는 BWIM시스템을 개발하여 시험 교량에 설치 한 후 교량거동의 계측을 통하여 최종적으로 고속도로 교통량 특성을 반영하는 활하중의 정형화 및 합리적인 피로하중산정 방안을 도출하는데 있다.
교량의 설계에 있어서 정확한 하중의 산정은 교량의 안전성 확보에 가장 핵심적인 사항이며 향후 유지 관리 측면에서도 매우 중요하다. 일반적으로 교량에서 차량에 의한 하중효과는 주로 활하중(충격하중 포함) 및 피로하중으로 나타나는데 이들 하중의 정형화를 위해서는 실제 교량 상을 주행하는 중 차량의 중량 및 통행특성을 정확히 파악하는 것이 중요하다. 이를 위해서 주행 중인 차량을 정지시키지 않고 중량을 계측할 수 있는 시스템(Bridge Weigh-In-Motion, BWIM)의 개발이 선행되어야 한다. 본 연구에서는 다양한 기능을 갖는 BWIM시스템을 개발하고 이를 고속도로 교량에 적용하여 차량정보를 수집한 후 교량 설계를 위한 활하중 및 피로하중의 정형화를 수행하였다. 본 연구의 목적은 주행 중인 차량의 중량을 산정하는 BWIM시스템을 개발하여 시험 교량에 설치 한 후 교량거동의 계측을 통하여 최종적으로 고속도로 교통량 특성을 반영하는 활하중의 정형화 및 합리적인 피로하중산정 방안을 도출하는데 있다.
In design of bridges, estimation of actions and loadings is very important for the safety and maintenance of bridges. In general, effect of traffic loading on the bridge can be modeled as live load (including impact load) and fatigue load. For estimation of traffic loading, it is important to get re...
In design of bridges, estimation of actions and loadings is very important for the safety and maintenance of bridges. In general, effect of traffic loading on the bridge can be modeled as live load (including impact load) and fatigue load. For estimation of traffic loading, it is important to get reliable and comprehensive truck statistical data such as the traffic and weight information. To get statistical data, Bridge Weigh-In-Motion (BWIM), which measures the truck weights without stopping the traffic, is need to be developed. In this study, BWIM system with various functions is developed first. Then this system is used to get comprehensive truck data. Traffic loadings including fatigue and live loading are formulated from the truck data acquired from the bridges. Objectives of this study are to develop the BWIM system, to apply the system in test bridge in Highway, and to formulate the live and fatigue loading for bridge design.
In design of bridges, estimation of actions and loadings is very important for the safety and maintenance of bridges. In general, effect of traffic loading on the bridge can be modeled as live load (including impact load) and fatigue load. For estimation of traffic loading, it is important to get reliable and comprehensive truck statistical data such as the traffic and weight information. To get statistical data, Bridge Weigh-In-Motion (BWIM), which measures the truck weights without stopping the traffic, is need to be developed. In this study, BWIM system with various functions is developed first. Then this system is used to get comprehensive truck data. Traffic loadings including fatigue and live loading are formulated from the truck data acquired from the bridges. Objectives of this study are to develop the BWIM system, to apply the system in test bridge in Highway, and to formulate the live and fatigue loading for bridge design.
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문제 정의
본 논문에서는 고속도로 교량의 차량 활하중 및 피로하중모형을 개발하기 위해 본 연구진이 자체 개발한 BWIM 시스템을 사용하여 서해안고속도로상의 도곡교에 설치하여 수집된 차량 자료를 통하여 활하중 및 피로하중 모형을 제안하는 방법에 대해 논하였다. 축적된 데이터의 양이 많지 않았던 관계로 보다 신뢰성 있는 모형이 되기에는 다소 부족한 점이 있으나 본 논문을 통해 활하중 및 피로하중에 대한 모형개발의 가능성을 보여 주고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
그림 1은 단일차량 및 연행차량 효과를 고려한 하중정형화 순서도이다. 본 연구에서는 활하중 모형개발을 위하여 BWIM시스템을 시험 적용한 서해안선 도곡교에서 측정한 중차량 통행데이터를 이용하여 활하중 모형개발에 대해 논하고자 한다.
지간 중앙부외에 지간 중앙부에서 10 m 떨어진 지점의 상부플랜지에도 차선별로 2개씩 총 4개의 변형률 센서를 설치하여 향후 축 감지 센서가 없는 FAD(Free Axle Detector) BWIM 시스템도 고려해 보고자 설치하였다. 이는 인공지능의 패턴인식기법을 이용하여 차량의 속도, 축수, 축간거리, 축 중량, 총중량 등을 구하기 위한 새로운 시스템으로 교량의 변형률이 교량을 통과하는 차량의 축에 대하여 민감하게 변화하는 교량에 대해 적용 가능한데 그 가능성을 확인하기 위하여 설치하였다. 다음으로 축 중 센서로는 전기 저항식 변형률게이지를 각 거더 별로 2개씩 총 6개를 설치하였다.
신규교량의 총 수명 또는 기존교량의 잔존 수명동안의 안전성을 평가하기 위해서는 통과차량의 총 중량 분포 및 통행량 등에 대한 정확한 예측이 필요하며, 차종별 축 중량 및 축간 거리 뿐만 아니라 통행 차량 사이의 간격도 이를 평가하는데 중요한 인자라고 볼 수 있다. 이들 자료로부터 피로 검토를 위한 이상화된 확률 통계적인 피로하중모형을 개발하게 되는데 본 연구에서는 서해안선 도곡교에서 설치된 BWIM시스템에서 측정한 중 차량 자료를 통계확률적으로 분석하여 실제 통행 차량에 의해 교량에 발생하는 피로손상을 모사할 수 있는 피로하중모형을 개발하는 과정을 논하고자 한다.
이에 본 연구진은 센서 교체 시 교통 흐름을 방해하지 않는 큰 장점이 있는 BWIM시스템을 독자 개발한 후 이를 고속도로 상 일부교량(서해안선 도곡교)에 시범 적용한 후 일정기간동안 차량 하중 정보를 수집한 후 축적된 데이터의 통계확률적인 분석을 통하여 제한적이긴 하지만 고속도로 교량의 설계 차량 활하중 및 피로하중의 통계확률적인 모형을 개발하고자 하였다.
본 논문에서는 고속도로 교량의 차량 활하중 및 피로하중모형을 개발하기 위해 본 연구진이 자체 개발한 BWIM 시스템을 사용하여 서해안고속도로상의 도곡교에 설치하여 수집된 차량 자료를 통하여 활하중 및 피로하중 모형을 제안하는 방법에 대해 논하였다. 축적된 데이터의 양이 많지 않았던 관계로 보다 신뢰성 있는 모형이 되기에는 다소 부족한 점이 있으나 본 논문을 통해 활하중 및 피로하중에 대한 모형개발의 가능성을 보여 주고자 하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
− 연행차량의 앞, 뒤차가 동일차종의 같은 확률의 중량을 갖는 것으로 가정한다.
이러한 자료를 통해 교량에 발생하는 피로손상은 Miner의 법칙을 이용하여 유도한 식4(a)를 상수 값인 #으로 나누어 정규화한 식4(b)를 손상평가에 사용하였다. 각각의 트럭은 하나의 응력주기를 발생시킨다고 가정한다.
교량의 사용기간을 AASHTO에서와 같이 75년으로 가정하고 이 기간 동안 발생가능한 차종별 최대중량을 확률지를 이용하여 구하였다. 차종별로 최대중량을 추정하기 위하여 대표차종인 차종 50, 60, 70 자료의 상위 10%만을 정규 확률지에 도시하였다.
표에서 진하게 표시된 부분은 연행차량의 모멘트 산정 시 이용되는 차종별 최대 중량 값이다. 이와 같이 결정된 차종별 최대중량을 선행차량의 최대 총중량으로 가정하고, 후행차량은 선행차량과 동일한 중량 값을 갖는 차량으로 가정하였다. 두 차량에 의해 발생하는 모멘트와 현재 사용중인 활하중에 의한 모멘트비를 각 지간별로 나타내면 그림 9와 같다.
표에서 진하게 표시된 값은 각 교량의 연행차량 중 완전무관인 경우에 대한 사용기간 동안의 모멘트 산정시 이용되는 차종별 최대중량 값이다. 이와 같이 결정된 차종별 최대중량을 선행차량의 최대 총중량으로 가정하고, 후행차량은 차종의 추세선을 이용하여 산정한 평균중량 중에서 가장 큰 값을 갖는 차량으로 가정한다. 두 차량에 의해 발생하는 모멘트와 현재 사용 중인 활하중에 의한 모멘트비를 각 지간별로 나타내면 그림 8과 같다.
차량별 발생하는 피로손상 평가 시 차량 1대 통과 시 응력발생 횟수는 1회로 가정하였다. 손상은 각 차종별로 나누어 통과차량 각각의 도곡교에 대한 누적 손상을 평가하였다.
제안 방법
1. 도곡교에 설치된 BWIM 시스템에 의해 수집된 자료를 통하여 교량사용기간의 최대 총중량을 산정하기 위해서 대표차종을 선정한 후 정규확률지에 도시하여 추세선을 이용함으로써 차종별 최대중량을 추정하였다.
2. 차량의 최대하중효과를 산정하기 위해서 교량사용기간내의 최대 총중량으로 대표차종에 축 중량 분배를 한 후 축간거리를 적용해 단순교에서의 단일차량 및 연행차량에 의한 지간별 모멘트비를 구하여 최대모멘트를 산정하였다.
4. 도곡교에 설치된 BWIM시스템을 통해 총중량 10 tonf 이상의 통행 트럭만을 대상으로 하여 자료를 통계 분석하여 확률론적인 피로하중 모형을 개발하였다.
6. 피로하중 모형으로는 지간장이 20 m 이상인 경우는 DB24(AASHTO LRFD) 하중모형과 유사한 형태의 제안피로하중모델 1을 제안하였고, 지간장이 20 m 이하인 경우는 EUROCODE3의 2축 피로트럭과 유사한 형태의 제안피로하중모델 2를 제안하였다.
모형의 개발은 AASHTO LRFD 시방서에서 사용하였으며 Nowak교수에 의해 제안된 방법을 사용하였다. BWIM시스템에 의해 수집된 차량의 총 중량, 축 중량, 축간 거리뿐만 아니라, 단독주행, 직렬주행, 병렬주행 등의 연행정보 등을 이용하여 통행차량에 의한 지간별 교량의 휨모멘트의 효과를 구한 후 이를 이용하여 활하중 모형을 개발한다. 그림 1은 단일차량 및 연행차량 효과를 고려한 하중정형화 순서도이다.
BWIM시스템에서 측정한 변형률 값을 이용하여 충격하중계수를 산정하였다. 그림에서는 총중량이 증가함에 따라 충격하중계수가 감소하고, 속도 100 km/h에서 최고치를 보이고 전후에서 충격하중계수가 감소하는 것을 알 수 있다.
BWIM시스템을 통해 수집된 총 중량 10t이상의 차량에 대한 실제 축간거리를 이용하여 단경간 단순보에 재하 시켜 모멘트의 확률분포를 결정한다. 교량 평균수명 동안 발생하는 최대모멘트는 확률지를 이용하여 구할 수 있다.
개발된 BWIM 시스템의 성능에 대한 검증을 위하여 미리 계량된 3가지 다른 축을 가진 시험재하차량을 이용하여 다양한 경우의 주행시험을 실시한 후 시스템에 대한 보정을 실시하였다(자세한 내용은 참고문헌 박민석 등(2001)을 참조).
교량에 발생하는 휨 모멘트는 축 중량, 축 간격, 지간길이에 크게 좌우되는데 이와 같은 효과를 알아보기 위하여 본 연구에서는 20 m부터 100 m까지 5 m 간격으로 나누어서 하중변환계수를 구하고 모멘트를 산정하였다. 이 경우에도 모멘트의 분포 특성을 쉽게 비교하기 위하여 모멘트비에 대한 역 정규분포함수를 구하였다.
이 형식의 제안모델은 20 m 경간 이하의 교량에서 모멘트 효과가 크기 때문에 20 m 이하의 교량에 적용하는 것이 바람직하다고 판단된다. 그러므로 2축으로 일반화하여 EUROCODE 3에서 제안하고 있는 축 중량과 축 중량 비율을 사용한 트럭을 제안피로하중모델 2로 제안하였으며 위의 분석을 통하여 선정된 5축 카고 트럭을 가장 모멘트 효과가 큰 3축 트럭으로 일반화하여 제안피로하중모델 3으로 선정하였다.
도곡교에 설치된 BWIM 시스템을 통하여 측정된 최대 총중량의 약 25%에 해당하는 10 tonf 보다 작은 총중량을 갖는 트럭은 피로손상에 영향을 미치지 않는다고 가정하고, 본연구에서는 총중량 10 tonf 이상의 통행트럭만을 대상으로 자료를 분석하여 대표트럭별 그리고 전 차량에 대한 등가총중량을 계산하였으며 이 등가총중량을 사용하여 지간별로 발생하는 차종별 최대 휨모멘트를 산정하였다. 표 10은 총중량 10tonf 이상의 차량 통행 자료를 이용하여 식 (2)로 차종별 등가총중량을 계산한 것이고 축 중량 분배는 그림 23~26에 나타난 대표트럭의 축 중량 분포를 이용하여 결정하였다.
이하의 변동 응력 범위 성분은 피로 손상에 기여하지 않는 것으로 가정하고 있다. 따라서 위의 기준에 따른 피로 손상 정도를 비교하여 가장 많은 손상을 일으키는 차종을 선정하였다. 또한 발생한 변동 응력 범위의 최대 응력의 25%는 피로손상에 영향을 미치지 않는다고 수행된 타 연구를 바탕으로 하여 추가적으로 비교하였다.
그림 26에서 산정한 5축 대표트럭을 3축 트럭으로 일반화하면 AASHTO LRFD의 피로트럭 형식과 흡사하다. 따라서 제안피로하중모델 1은 10 tonf 이상의 트럭을 대상으로 산정한 등가총중량인 32 tonf 사용하여 AASHTO LRFD 설계기준에서 규정한 축간거리와 축 중량 비율을 이용하여 피로설계트럭을 제안하였다. 또한 대표트럭으로 산정된 5축 카고 트럭은 2축 트럭으로 일반화하면 EUROCODE 3에서 규정하고 있는 피로트럭 형식과 비슷한 형식을 나타낸다.
따라서 위의 기준에 따른 피로 손상 정도를 비교하여 가장 많은 손상을 일으키는 차종을 선정하였다. 또한 발생한 변동 응력 범위의 최대 응력의 25%는 피로손상에 영향을 미치지 않는다고 수행된 타 연구를 바탕으로 하여 추가적으로 비교하였다.
BWIM시스템을 통해 획득한 데이터를 분석하여 대표차종을 결정한다. 본 연구에서 차종구분은 국내에 운행되는 차량의 축수에 따라 크게 6종(2축~7축)으로 분류하였으며 축간거리에 따라 세분화하여 총 20종으로 분류하였다. 서해안선 도곡교에서 측정한 차량 데이터 중에서 통행빈도가 높고 중 차량인 차종 50(3축 대형트럭), 60(4축 대형트럭), 70(5축 대형트럭)을 대표차종으로 선택하였다.
따라서, 위에서 언급한 피로 손상의 대부분을 유발하는 차량을 분류하여 축 중량과 축 간격을 평균하여 차종 40(2축 대형 트럭), 차종 50(3축 대형트럭), 차종 60(4축 대형트럭), 차종 70(5축 대형트럭)을 대표 트럭으로 선정하여 그림 23~26에 나타내었다. 서해안 고속도로의 대표 트럭을 나타내기엔 그 자료의 양이 미흡하지만 피로하중을 제안하는 전체적인 과정을 나타내고자 도곡교에 설치된 BWIM 시스템에서 측정한 차량정보를 이용하여 대표 트럭을 산정하였다. 장기간의 데이터 축적이 이루어진다면 실제 통행하는 차량을 대표할 수 있는 정확한 대표 트럭을 산정할 수 있을 것이다.
차량별 발생하는 피로손상 평가 시 차량 1대 통과 시 응력발생 횟수는 1회로 가정하였다. 손상은 각 차종별로 나누어 통과차량 각각의 도곡교에 대한 누적 손상을 평가하였다. 그림 20은 차종에 따라 서해안 고속도로상의 도곡교에서 발생하는 통행비율과 손상율을 나타내고 있다.
앞에서 결정한 최대모멘트는 단일차량의 통행효과만을 고려한 것이며, 지간이 긴 경우 연행트럭의 효과가 단일 차량의 효과보다 클 수 있으므로 연행효과를 고려하여 차종별 차량하중의 최대효과를 구하였다. 차량하중의 최대효과의 결정은 다음의 두 경우에서 최대값을 사용하였으며, 연행확률은 디지털 비디오 자료 분석을 통해 결정하였다.
교량에 발생하는 휨 모멘트는 축 중량, 축 간격, 지간길이에 크게 좌우되는데 이와 같은 효과를 알아보기 위하여 본 연구에서는 20 m부터 100 m까지 5 m 간격으로 나누어서 하중변환계수를 구하고 모멘트를 산정하였다. 이 경우에도 모멘트의 분포 특성을 쉽게 비교하기 위하여 모멘트비에 대한 역 정규분포함수를 구하였다. 차량에 의해 교량에 발생하는 모멘트의 특성은 차량의 총중량과 축 중량의 비율, 그리고 축간거리에 따라 변화한다.
또한 현행 DB 설계 활하중의 모형은 지간에 따라 다른 활하중 효과를 주고 있다는 것도 알 수 있다. 이러한 차이를 줄이기 위한 활하중모형을 얻기 위해 AASHTO LRFD의 HL93 하중과 도로교시방서(1996) 부록의 하중저항계수설계 편의 TL240하중을 참고하여 그림 12와 같이 설계활하중 모형을 산정하였다. 하중의 크기는 공칭활하중에 하중계수를 곱한 값인데 하중계수는 신뢰성해석에 의해 결정되어야 하는 것이므로 본 연구에서는 공칭활하중만을 결정하였다.
자체 개발된 BWIM시스템에 의해 수집된 차종별 분류자료와 중 차량의 차량통행 특성자료를 광범위하게 수집하여 분석한 후 설계차량 활하중의 통계확률적인 모형을 결정하게 된다. 모형의 개발은 AASHTO LRFD 시방서에서 사용하였으며 Nowak교수에 의해 제안된 방법을 사용하였다.
두 센서간격은 5m이다. 지간 중앙부외에 지간 중앙부에서 10 m 떨어진 지점의 상부플랜지에도 차선별로 2개씩 총 4개의 변형률 센서를 설치하여 향후 축 감지 센서가 없는 FAD(Free Axle Detector) BWIM 시스템도 고려해 보고자 설치하였다. 이는 인공지능의 패턴인식기법을 이용하여 차량의 속도, 축수, 축간거리, 축 중량, 총중량 등을 구하기 위한 새로운 시스템으로 교량의 변형률이 교량을 통과하는 차량의 축에 대하여 민감하게 변화하는 교량에 대해 적용 가능한데 그 가능성을 확인하기 위하여 설치하였다.
차량의 통행으로 인해 발생하는 변동 응력으로 인해 야기 되는 피로 손상정도를 BWIM 시스템을 통하여 획득한 자료를 통하여 실제 통행차량에 의해 발생한 누적 피로 손상을 산정하고, 차량통행특성 분석결과를 통하여 등가의 피로 손상을 유발하는 피로하중모형을 제안하였다. 차량의 총 중량, 축 중량, 축 간격에 따라 변화하는 통행차량의 하중효과를 교량의 지간별로 발생하는 최대 휨모멘트를 계산하여 가장 큰 영향을 미치는 차량을 선정하였다. 교량의 피로손상을 유발하는 실제 통행트럭의 누적피로손상과 같은 피로손상을 유발하는 등가하중은 Miner가 제안한 식 (2)을 사용하여 구하였다.
차량의 통행으로 인해 발생하는 변동 응력으로 인해 야기 되는 피로 손상정도를 BWIM 시스템을 통하여 획득한 자료를 통하여 실제 통행차량에 의해 발생한 누적 피로 손상을 산정하고, 차량통행특성 분석결과를 통하여 등가의 피로 손상을 유발하는 피로하중모형을 제안하였다. 차량의 총 중량, 축 중량, 축 간격에 따라 변화하는 통행차량의 하중효과를 교량의 지간별로 발생하는 최대 휨모멘트를 계산하여 가장 큰 영향을 미치는 차량을 선정하였다.
앞에서 결정한 최대모멘트는 단일차량의 통행효과만을 고려한 것이며, 지간이 긴 경우 연행트럭의 효과가 단일 차량의 효과보다 클 수 있으므로 연행효과를 고려하여 차종별 차량하중의 최대효과를 구하였다. 차량하중의 최대효과의 결정은 다음의 두 경우에서 최대값을 사용하였으며, 연행확률은 디지털 비디오 자료 분석을 통해 결정하였다.
교량의 사용기간을 AASHTO에서와 같이 75년으로 가정하고 이 기간 동안 발생가능한 차종별 최대중량을 확률지를 이용하여 구하였다. 차종별로 최대중량을 추정하기 위하여 대표차종인 차종 50, 60, 70 자료의 상위 10%만을 정규 확률지에 도시하였다. 그림에서 추세선을 이용하여 75년의 최대 총중량을 추정하였는데 그림 6은 그 중 차종 50의 경우를 나타내고 있다.
차량으로 인해 교량에 발생하는 응력은 변동응력스펙트럼으로 대표된다. 피로손상평가에 고려하는 변동응력성분의 정도는 국가마다 다소 차이를 보이고 있는데 이러한 차이에 따라 발생하는 피로손상정도를 도곡교의 자료를 통해 비교하였다. 미국 도로교 시방서(AASHTO)에서는 일정 진폭 하중하에서의 피로한계인 Δσcaf보다 작은 변동 응력 범위 성분도 피로손상에 기여하는 것으로 보아 이보다 작은 변동 응력 범위 가운데 얼마만큼의 성분이 피로 균열 진전에 기여하는가에 따라 S-N곡선의 기울기도 달라진다고 하였다.
이러한 차이를 줄이기 위한 활하중모형을 얻기 위해 AASHTO LRFD의 HL93 하중과 도로교시방서(1996) 부록의 하중저항계수설계 편의 TL240하중을 참고하여 그림 12와 같이 설계활하중 모형을 산정하였다. 하중의 크기는 공칭활하중에 하중계수를 곱한 값인데 하중계수는 신뢰성해석에 의해 결정되어야 하는 것이므로 본 연구에서는 공칭활하중만을 결정하였다. 이활하중모형에 의한 효과를 도곡교에서 실제 측정한 차량 자료에 의해 계산된 최대모멘트비와 비교한 것이 그림 11이다.
대상 데이터
이는 인공지능의 패턴인식기법을 이용하여 차량의 속도, 축수, 축간거리, 축 중량, 총중량 등을 구하기 위한 새로운 시스템으로 교량의 변형률이 교량을 통과하는 차량의 축에 대하여 민감하게 변화하는 교량에 대해 적용 가능한데 그 가능성을 확인하기 위하여 설치하였다. 다음으로 축 중 센서로는 전기 저항식 변형률게이지를 각 거더 별로 2개씩 총 6개를 설치하였다. BWIM시스템의 특징은 교량을 저울로 삼아 변형률게이지에서 측정한 변형률 신호를 가지고 차량하중을 측정하게 된다.
데이터 측정을 위해 선정한 교량은 중 차량의 통행이 빈번한 서해안선 서평택-당진구간의 도곡교(상행선)이다. 본 교량은 단경간 50 m인 강 박스 거더교로 사각이 15°인 사교이다.
데이터 측정을 위해 선정한 교량은 중 차량의 통행이 빈번한 서해안선 서평택-당진구간의 도곡교(상행선)이다. 본 교량은 단경간 50 m인 강 박스 거더교로 사각이 15°인 사교이다. BWIM 시스템에서 필요한 센서는 축 감지 센서와 축중 센서이다.
이중 축 감지 센서는 포장 층에 매설하여 측정하는 관계로 내구성이 뛰어난 센서가 요구되어 장기적인 사용이 가능한 매립형 피에조 센서를 사용하였는데 2, 3차로에 각각 2개씩 총 4개를 사용하였다. 본 시험교량이 사교임을 고려하여 교량 시점의 차로중앙에서 2 m 지점에 첫 번째 피에조센서를, 7 m 지점에 두 번째 피에조센서를 설치하였다. 두 센서간격은 5m이다.
정확한 통계분석이 이루어져야만 좀 더 정확한 피로 하중 모형을 개발하는데 도움이 된다. 본 연구에서는 BWIM시스템을 이용하여 서해안선 도곡교를 통행하는 차량의 정보를 약 8일간 상행선에서 수집하였다. 표 7에 차종에 따른 통행비율과 일평균통행량에 대하여 기록하였다.
본 연구에서 차종구분은 국내에 운행되는 차량의 축수에 따라 크게 6종(2축~7축)으로 분류하였으며 축간거리에 따라 세분화하여 총 20종으로 분류하였다. 서해안선 도곡교에서 측정한 차량 데이터 중에서 통행빈도가 높고 중 차량인 차종 50(3축 대형트럭), 60(4축 대형트럭), 70(5축 대형트럭)을 대표차종으로 선택하였다. 차종 40(2축 대형트럭)은 통행빈도는 가장 높았으나 상대적으로 중량이 낮은 관계로 제외하였다.
BWIM 시스템에서 필요한 센서는 축 감지 센서와 축중 센서이다. 이중 축 감지 센서는 포장 층에 매설하여 측정하는 관계로 내구성이 뛰어난 센서가 요구되어 장기적인 사용이 가능한 매립형 피에조 센서를 사용하였는데 2, 3차로에 각각 2개씩 총 4개를 사용하였다. 본 시험교량이 사교임을 고려하여 교량 시점의 차로중앙에서 2 m 지점에 첫 번째 피에조센서를, 7 m 지점에 두 번째 피에조센서를 설치하였다.
이론/모형
자체 개발된 BWIM시스템에 의해 수집된 차종별 분류자료와 중 차량의 차량통행 특성자료를 광범위하게 수집하여 분석한 후 설계차량 활하중의 통계확률적인 모형을 결정하게 된다. 모형의 개발은 AASHTO LRFD 시방서에서 사용하였으며 Nowak교수에 의해 제안된 방법을 사용하였다. BWIM시스템에 의해 수집된 차량의 총 중량, 축 중량, 축간 거리뿐만 아니라, 단독주행, 직렬주행, 병렬주행 등의 연행정보 등을 이용하여 통행차량에 의한 지간별 교량의 휨모멘트의 효과를 구한 후 이를 이용하여 활하중 모형을 개발한다.
교량의 피로손상을 유발하는 실제 통행트럭의 누적피로손상과 같은 피로손상을 유발하는 등가하중은 Miner가 제안한 식 (2)을 사용하여 구하였다. 이 식은 AASHTO 피로설계지침에서 통행차량의 총중량 분포 특성을 알고 있는 경우 피로설계트럭의 등가총중량을 구하는 식으로 사용되었다.
성능/효과
3. 수집된 차량하중에 의한 활하중 효과가 기존의 설계 활하중인 DB 하중의 활하중 효과보다 크며 또한 현행 DB 설계 활하중의 모형은 지간에 따라 다른 활하중 효과를 주고 있다는 것도 알 수 있었다. 이러한 차이를 줄이기 위하여 활하중모형을 제시한 결과 지간에 따른 활하중 효과의 차이가 많이 줄어들었고 실제 주행중인 차량 하중에 의해 발생하는 최대 모멘트 값과도 비슷하게 되었다.
5. 하중분포가 도곡교에 미치는 영향을 알아보기 위해 교량의 지간에 따른 모멘트를 계산하게 되는데 이를 위해 하중 변환계수를 도입하였으며 이를 통하여 모멘트비에 대한 역 정규분포곡선을 분석할 결과 차량 축 이나 교량의 지간이 증가함에 따라 발생하는 모멘트 비 역시 증가하는 것을 알 수 있었다.
5t 이상의 모든 차량에 대해 축수에 따른 총중량 분포를 히스토그램으로 도시한 결과 전체 차량에서 그 빈도가 가장 높은 총중량은 12.5t 으로 나타났다. 도곡교의 경우 2축 차량의 통행이 지배적이기 때문에 위와 같은 총 중량을 보이고 있다.
BWIM 시스템으로 측정된 결과를 보면 요일별, 시간대별 차량 통행 패턴과 하중 형태 등이 차이가 나는 것을 볼 수 있다. 이러한 하중 분포가 일반적인 교량에 미치는 영향을 알아보기 위하여 교량의 지간에 따른 모멘트를 계산하게 되는데, 이를 위하여 하중 변환계수가 도입된다.
이를 통하여 간접적으로 차종 40은 11 MPa 이하의 응력 대부분을 발생시키고 있으며, 차종 60은 11~14 MPa 사이의 응력, 그리고 차종 70에 의해 14 MPa 이상의 큰 응력의 대부분이 발생되는 것으로 판단된다. 공통적으로 차종 40(2축 대형트럭), 차종 50(3축 대형트럭), 차종 60(4축 대형트럭), 차종 70(5축 대형트럭)이 대부분의 피로손상을 유발하는 것으로 나타났다.
충분히 긴 기간 동안 축적된 자료는 아니지만 표에서와 같이 도곡교를 통과하는 차량 중 2축 차량(40)의 통행비율이 가장 높았고 3축(50)과 4축 차량(60)의 통행비율도 다른 차량에 비하여 높게 나타났다. 도곡교에서 차량 통행량의 대부분을 차지하고 있는 2축 차량은 2차선 이용률이 높아, 궁극적으로 피로에 영향을 미치는 중차량은 최 외측 차선인 3차선으로 통행한다는 것을 2축 차량을 제외한 차선 이용비율을 통해 알 수 있었다. 따라서 피로파괴에 영향을 미치는 중 차량은 도로의 외곽 차선으로 통행하는 경향을 보이고 있는 것을 확인하였다.
도곡교에서 차량 통행량의 대부분을 차지하고 있는 2축 차량은 2차선 이용률이 높아, 궁극적으로 피로에 영향을 미치는 중차량은 최 외측 차선인 3차선으로 통행한다는 것을 2축 차량을 제외한 차선 이용비율을 통해 알 수 있었다. 따라서 피로파괴에 영향을 미치는 중 차량은 도로의 외곽 차선으로 통행하는 경향을 보이고 있는 것을 확인하였다.
이것은 차량의 축이 증가함에 따라 발생하는 모멘트의 크기가 커지므로 당연한 결과라 할 수 있다. 또한 2, 3, 4, 5축 차량에서는 교량의 지간이 증가함에 따라 모멘트비 또한 증가하는 경향을 보였다.
실제 주행 중인 차량 하중에 의해 발생하는 최대모멘트를 DB하중에 의해 발생하는 모멘트로 나눈 값을 지간에 따라 표시한 것으로 수집된 차량하중에 의한 활하중 효과가 기존의 설계 활하중인 DB 하중의 활하중 효과보다 크다는 것을 보여주고 있다. 또한 현행 DB 설계 활하중의 모형은 지간에 따라 다른 활하중 효과를 주고 있다는 것도 알 수 있다. 이러한 차이를 줄이기 위한 활하중모형을 얻기 위해 AASHTO LRFD의 HL93 하중과 도로교시방서(1996) 부록의 하중저항계수설계 편의 TL240하중을 참고하여 그림 12와 같이 설계활하중 모형을 산정하였다.
서해안선 도곡교에서 수집된 차량 자료에 의해 계산된 활하중효과는 그림 11에서 확인할 수 있다. 실제 주행 중인 차량 하중에 의해 발생하는 최대모멘트를 DB하중에 의해 발생하는 모멘트로 나눈 값을 지간에 따라 표시한 것으로 수집된 차량하중에 의한 활하중 효과가 기존의 설계 활하중인 DB 하중의 활하중 효과보다 크다는 것을 보여주고 있다. 또한 현행 DB 설계 활하중의 모형은 지간에 따라 다른 활하중 효과를 주고 있다는 것도 알 수 있다.
또한 대표트럭으로 산정된 5축 카고 트럭은 2축 트럭으로 일반화하면 EUROCODE 3에서 규정하고 있는 피로트럭 형식과 비슷한 형식을 나타낸다. 이 형식의 제안모델은 20 m 경간 이하의 교량에서 모멘트 효과가 크기 때문에 20 m 이하의 교량에 적용하는 것이 바람직하다고 판단된다. 그러므로 2축으로 일반화하여 EUROCODE 3에서 제안하고 있는 축 중량과 축 중량 비율을 사용한 트럭을 제안피로하중모델 2로 제안하였으며 위의 분석을 통하여 선정된 5축 카고 트럭을 가장 모멘트 효과가 큰 3축 트럭으로 일반화하여 제안피로하중모델 3으로 선정하였다.
수집된 차량하중에 의한 활하중 효과가 기존의 설계 활하중인 DB 하중의 활하중 효과보다 크며 또한 현행 DB 설계 활하중의 모형은 지간에 따라 다른 활하중 효과를 주고 있다는 것도 알 수 있었다. 이러한 차이를 줄이기 위하여 활하중모형을 제시한 결과 지간에 따른 활하중 효과의 차이가 많이 줄어들었고 실제 주행중인 차량 하중에 의해 발생하는 최대 모멘트 값과도 비슷하게 되었다.
이활하중모형에 의한 효과를 도곡교에서 실제 측정한 차량 자료에 의해 계산된 최대모멘트비와 비교한 것이 그림 11이다. 지간에 따른 활하중 효과의 차이가 많이 줄어들었고 실제 주행 중인 차량 하중에 의해 발생하는 최대 모멘트 값과도 비슷하게 되었다.
표 7에 차종에 따른 통행비율과 일평균통행량에 대하여 기록하였다. 충분히 긴 기간 동안 축적된 자료는 아니지만 표에서와 같이 도곡교를 통과하는 차량 중 2축 차량(40)의 통행비율이 가장 높았고 3축(50)과 4축 차량(60)의 통행비율도 다른 차량에 비하여 높게 나타났다. 도곡교에서 차량 통행량의 대부분을 차지하고 있는 2축 차량은 2차선 이용률이 높아, 궁극적으로 피로에 영향을 미치는 중차량은 최 외측 차선인 3차선으로 통행한다는 것을 2축 차량을 제외한 차선 이용비율을 통해 알 수 있었다.
후속연구
영상차량검지시스템(Vehicle Detector System : VDS)을 통한 차량 통행특성 분석이 가장 바람직하나 당시 사정상 이용하지 못했다. 그러나 장기적인 차량 통행특성 데이터 수집을 위해서는 꼭 필요한 시스템으로 추후 적용하고자 한다.
일단 차종에 따른 통행비율과 하중, 그리고 그로 인해 발생하는 응력의 분포에 대한 정확한 통계가 내려져야 한다. 다음으로 차종에 따른 특성 값들도 분석되어야 할 것이다. 정확한 통계분석이 이루어져야만 좀 더 정확한 피로 하중 모형을 개발하는데 도움이 된다.
지역과 시간에 따라 차량 통행량과 차종에 따른 비율이 변화하므로 공용중인 교량과 신설되는 교량에 피로 손상을 일으키는 주된 차량과 그에 따른 차량의 특성은 달리할 수 있다. 따라서 피로 검토의 대상 교량에서 발생하는 차량 정보에 대한 정확한 분석이 이루어져야 할 것이다. 일단 차종에 따른 통행비율과 하중, 그리고 그로 인해 발생하는 응력의 분포에 대한 정확한 통계가 내려져야 한다.
이와 같이 실제 교량에 주행하는 차량하중에 대한 특성(총 중량 및 축 중량의 크기, 축간 거리 분포율, 연행여부 등)정보를 수집한 후 통계적인 분석을 통해 확률이론에 근거한 새로운 차량하중모형의 개발이 추진되었다. 이러한 통계확률적인 차량하중모형을 통해 기존교량에 대한 유지관리 대책 수립 시 보다 합리적인 내구성 평가를 할 수 있게 되어 큰 도움이 될 것으로 예상되며 또한 신규 교량건설 시에도 신뢰할 수 있는 설계하중도입으로 인해 더욱 건전하고 내구성이 있는 건설이 될 것으로 기대된다. 이러한 중요성 때문에 도로교 차량하중 및 통행특성 등에 관한 연구가 여러 곳에서 진행되었다(김상효 등, 1992; 정철헌, 1995; 심재수 등, 1996; 황의승 등, 1999; 박영석 등, 2000).
서해안 고속도로의 대표 트럭을 나타내기엔 그 자료의 양이 미흡하지만 피로하중을 제안하는 전체적인 과정을 나타내고자 도곡교에 설치된 BWIM 시스템에서 측정한 차량정보를 이용하여 대표 트럭을 산정하였다. 장기간의 데이터 축적이 이루어진다면 실제 통행하는 차량을 대표할 수 있는 정확한 대표 트럭을 산정할 수 있을 것이다.
실제로는 국내 지역별 노선별로 차량하중에 대한 차이가 존재하므로 보다 신뢰성 있는 모형개발을 위해서는 일부노선이 아닌 국도를 포함한 전체 주요노선에 대한 장기적인 차량하중정보에 관한 수집이 요구된다. 추후 본 연구의 성과를 토대로 지속적인 자료수집이 진행된다면 현재 추진하고 있는 도로교 설계기준의 개정 시 보다 신뢰성 있는 활하중 및 피로하중 모형을 제공할 수 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
서해안선 서평택-당진구간의 도곡교란 어떤 교량인가?
데이터 측정을 위해 선정한 교량은 중 차량의 통행이 빈번한 서해안선 서평택-당진구간의 도곡교(상행선)이다. 본 교량은 단경간 50 m인 강 박스 거더교로 사각이 15°인 사교이다. BWIM 시스템에서 필요한 센서는 축 감지 센서와 축중 센서이다.
교통량 통계자료는 어떤 측면에서 통계자료로 의미가 있는가?
이들 연구는 주로 교통량 통계자료 및 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료에 근거하고 있으며 일부는 외국에서 도입한 BWIM시스템을 적용하여 측정한 자료를 이용하였다. 교통량 통계자료는 차종별 통행횟수 측정에 있어서는 통계자료로서 의미가 있으나 실제 교량 위를 주행중인 차량에 대한 통행특성이 나타나 있지 않는 단점이 있고, 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료 또한 톨게이트나 검문소에서 수행하므로 정적인 하중측정으로 인해 정확한 하중 값을 구할 수는 있으나 위치적 한계로 인해 이 역시 실제 교량 위를 주행하는 차량 통행특성은 구할 수 없는 단점이 있다. 이에 주행 중인 차량의 중량을 계측할 수 있는 고속 WIM(Weigh-In-Motion)시스템에 대한 연구가 1990년대에 유럽을 중심으로 이루어졌었다(COST 323 Project, 1993~1996; WAVE Project, 1996~1999 등).
교통량 통계자료의 단점은?
이들 연구는 주로 교통량 통계자료 및 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료에 근거하고 있으며 일부는 외국에서 도입한 BWIM시스템을 적용하여 측정한 자료를 이용하였다. 교통량 통계자료는 차종별 통행횟수 측정에 있어서는 통계자료로서 의미가 있으나 실제 교량 위를 주행중인 차량에 대한 통행특성이 나타나 있지 않는 단점이 있고, 고정식(또는 이동식) 과적단속 자료 또한 톨게이트나 검문소에서 수행하므로 정적인 하중측정으로 인해 정확한 하중 값을 구할 수는 있으나 위치적 한계로 인해 이 역시 실제 교량 위를 주행하는 차량 통행특성은 구할 수 없는 단점이 있다. 이에 주행 중인 차량의 중량을 계측할 수 있는 고속 WIM(Weigh-In-Motion)시스템에 대한 연구가 1990년대에 유럽을 중심으로 이루어졌었다(COST 323 Project, 1993~1996; WAVE Project, 1996~1999 등).
참고문헌 (12)
김상진, 박문호(1996) 트럭하중 측정을 위한 교량실험, 대한토목 학회 논문집, 대한토목학회, 제 16권 제5호, pp.621-631
박민석 등(2001) 고속도로 교량 활하중 정형화에 관한 연구. 연구보고서, 도로연 01-26, 한국도로공사 도로연구소
배두병, 황의승(2004) 강교량 설계를 위한 피로하중 모형, 대한토목 학회 논문집, 대한토목학회, 제 24권 제 lA호, pp.225-232
배두병, 황의승, 정경섭, 조재병(1999) BWIM 시스템을 이용한 중차량의 통행특성분석, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, pp.223-232
정철헌(1995) 도로상을 통행하는 트럭의 형상 및 중량특성, 대한 토목학회 논문집, 대한토목학회, 제 15권 제 5호, pp.1159-1168
AASHTO (1989) Guide Specification For Fatigue Design of Steel Bridge, Washington D.C
AASHTO (1994) AASHTO LRFD Bridge Design Specification, Washington D.C
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