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가설 설정
- . 기능수행수준은 교각기등에 적용한 실제 응답 수정계수에 의해 결정된다.
- . 응답수정계수를 교각기등과 강재받침에 적용하여 구한 설계 지진력을 일반설계의 관점(설계강도2소요강도)에서 만족하도록 설계강도를 결정 한다고 해도 연성 파괴 메카니즘(붕괴방지수준)은 확보되지 않는다. 보강 2안과 같이 연성 파괴메카니 즘을 만족하는 경우도 있으나 강재 받침의 설계 지진력이 실제 요구되는 설계강도보다 과다하게 제시되고 있다.
- 항복강도분포는 국내의 재료시공환경에 의해 결정되어야 하며, 콘크리트 압축강도 및 철근 항복강도의 측정치를 바탕으로 수행한 철근콘크리트 교각의 초과강도계수에 관한 연구(이재훈 등, 2005)가 있으나 아직 기준으로 제시되지 않은 상황이다. 그러므로 이 연구에서는 다음과 같이 항복강도분포를 가정하여 파괴메카니즘의 검토를 수행하였다:
제안 방법
- 사용철근은 상판 SD 40 및 하부구조 SD 30이다. 강재받침의 기능은 강재받침위치에서 연결된 절점간의 구속 방향으로만 단면력을 전달하도록 하여 모델링하고 교각 기둥의 하부(기초)는 고정단으로 경계조건을 설정하였다.
- 해석대상교량으로는 丁형 교각을 하부구조로 하는 일반 교량을 선정하고 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답 스펙트럼 해석을 수행하였으며 , 이로부터 파괴메카니 즘을 검토하여 붕괴 방지 수준을 만족하기 위한 교각기등과 강재받침의 설계 강도를 결정하는 과정을 제시하였다. 교각기등의 단면 및 강재 받침의 기능을 설계변경한 보강안을 제시하고, 각 보강 안에 대해 붕괴방지수준을 만족하기 위해 요구되는 교각 기둥 및 강재받침의 설계강도 및 설계결과로 보유하게 되는 기능수행 수준을 확인하였다. 이 연구의 결과, 기존교량의 내진 성능을 합리적으로 확보/향상하기 위해서는 다음과 같이 교량 시스템의 재설계를 수행하는 것이 효과적임을 확인하였다.
- 수행하였다. 교량의 연성 파괴메카니즘은 하부구조 및 상/하부구조 연결부의 설계강도에 의해 확보되므로파괴메카니즘의 검토를 수행하였으며, 합리적인 보강 방안을 제시하기 위해 교각기둥 설계단면과 강재받침 설계 강도의 결정 및 강재받침의 기능변경 등 교량시스템의 설계변경을 적용하였다. 이와 같은 설계과정을 바탕으로 붕괴방지 수준을 만족하는 동시에 교량이 보유하게 되는 기능수행 수준을 검토하여, 교량시스템 재설계에 의해 기존 교량의 내진 성능을 확보/향상할 수 있다는 것을 제시하였다.
- 59배인 4998kN로 증가해야 하므로 연성파괴메카니즘이 설계기준이 의도한 바대로 확보되지 않는다는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구에서는 제시된 응답수정계수와 실제 응답수정계수가 동일한 수준이 되도록, 즉 교각기등의 설계강도가 설계지진력에 근접하도록 교각 기둥의 단면을 감소하는 설계변경을 수행하고 파괴메카니즘을 검토하여 강재받침에 요구되는 설계강도를 결정하여 비교하였다. 물론 한반도와 같은 중약진지역 교량의 경우 일반설계에서 교각기등의 설계단면이 결정되는 상황이 발생할 수있으므로, 이러한 경우는 설계단면을 기준으로 실제 응답 수정계수를 구하고 파괴메카니즘 검토과정으로 강재받침의 설계 강도를 결정하게 된다.
- 상판은 플레이트 요소를 사용하고 강상자형 , 크로스빔 , 캡빔 및 교각 기등은 보 요소를 사용하였다. 상부구조의 중심위치에 상판 플레이트 요소와 강상자형 보요소를 배치하였으므로, 이들 요소의 절점과 강재받침위치 절점의 연결요소 및 강재받침위치 절점과 캡빔 보요소의 해당 절점과의 연결요소는 무한강성요소를 사용하였다. 강상자형의 경우는 2400x2800mm(bxh) 일정 단면으로 구성되어 있고 하부구조의 경우 교각기등은 页3.
- 스펙트럼해석으로 구한 교축방향과 교축직각방향에 의 한직 교지 진력은 하중 경우 1(교축방향 10。%+교축직각방향 30%)과 하중 경우 2(교축방향 30% +교축직각방향 100%) 를 구성하고 고정하중을 고려하여 하중 조합 1과 2(LC1 & LC2)를 제시하였다. 강재받침과 교각기등에서 직교방향으로산정한 단면력은 두 부재 모두 원형단면이므로 표 1에 제시한 바와 같이 제곱합평방근법 (SRSS)으로 합력을 구하였다.
- 이 연구에서는 내진설계가 수행되지 않은 기존 교량의 내진 성능을 확보/향상하기 위한 방안으로 중규모의 보수/ 보강 방안이라 할 수 있는 교량시스템의 재설계, 즉 교각 기둥 단면 및 강재받침 기능 등의 설계변경을 적용하였다. 해석대상교량으로는 丁형 교각을 하부구조로 하는 일반 교량을 선정하고 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답 스펙트럼 해석을 수행하였으며 , 이로부터 파괴메카니 즘을 검토하여 붕괴 방지 수준을 만족하기 위한 교각기등과 강재받침의 설계 강도를 결정하는 과정을 제시하였다.
- 이 연구에서는 내진설계가 수행되지 않은 일반적인 기존 교량을 해석대상교량으로 선정하고, 붕괴방지수준을 만족하기 위해 연성파괴메카니즘을 확보하도록 기존교량의 설계변경을 수행하였다. 교량의 연성 파괴메카니즘은 하부구조 및 상/하부구조 연결부의 설계강도에 의해 확보되므로파괴메카니즘의 검토를 수행하였으며, 합리적인 보강 방안을 제시하기 위해 교각기둥 설계단면과 강재받침 설계 강도의 결정 및 강재받침의 기능변경 등 교량시스템의 설계변경을 적용하였다.
- 결정되는 상황을 초래한다. 이를 개선하기 위한 방안으로 그림 5와 같이 강재받침의 기능을 변경하는 방안에 대한 검토를 수행하였다. 해석대상교량 및 각 보강안에 대한 모델은 다음과 같다:
- 지진 발생시 교량의 파괴메카니즘은 상/하부구조의 연결부 (일반교량의 경우 받침장치)와 하부구조의 교각기둥 두 구조부재 중 어느 부재의 항복이 우선하는가를 검토하여 결정한다. 그러므로 파괴메카니즘의 규명은 각 구조부재의 항복강도분포를 고려하여야 한다.
- 해석대상교량(교각기둥 03.0m) 및 교각기등을 02.5m로 설계 변경한 보강 1안 그리고 강재받침의 기능변경을 추가한 보강 2안 및 보강 3안 등 4개 교량에 대한 내진성능을 표 11 에 비교하였으며 이로부터 다음과 같은 사항을 확인하였다.
- 적용하였다. 해석대상교량으로는 丁형 교각을 하부구조로 하는 일반 교량을 선정하고 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답 스펙트럼 해석을 수행하였으며 , 이로부터 파괴메카니 즘을 검토하여 붕괴 방지 수준을 만족하기 위한 교각기등과 강재받침의 설계 강도를 결정하는 과정을 제시하였다. 교각기등의 단면 및 강재 받침의 기능을 설계변경한 보강안을 제시하고, 각 보강 안에 대해 붕괴방지수준을 만족하기 위해 요구되는 교각 기둥 및 강재받침의 설계강도 및 설계결과로 보유하게 되는 기능수행 수준을 확인하였다.
대상 데이터
- 구조해석프로그램 Midas/Civil(Midas IT, 2001)을 사용하여 내진해석모델로는 상세모델이라고 할 수 있는 3차원 모델 (국승규 등, 2002)을 다음과 같이 구성하였다. 상판은 플레이트 요소를 사용하고 강상자형 , 크로스빔 , 캡빔 및 교각 기등은 보 요소를 사용하였다.
- 해석대상교량의 재료특성은 강재의 경우 SWS 490, 콘크리트의 경우 상판 27MPa 및 하부구조 24MPa이며. 사용철근은 상판 SD 40 및 하부구조 SD 30이다. 강재받침의 기능은 강재받침위치에서 연결된 절점간의 구속 방향으로만 단면력을 전달하도록 하여 모델링하고 교각 기둥의 하부(기초)는 고정단으로 경계조건을 설정하였다.
- 등, 2002)을 다음과 같이 구성하였다. 상판은 플레이트 요소를 사용하고 강상자형 , 크로스빔 , 캡빔 및 교각 기등은 보 요소를 사용하였다. 상부구조의 중심위치에 상판 플레이트 요소와 강상자형 보요소를 배치하였으므로, 이들 요소의 절점과 강재받침위치 절점의 연결요소 및 강재받침위치 절점과 캡빔 보요소의 해당 절점과의 연결요소는 무한강성요소를 사용하였다.
- 이 연구에서 선정한 해석대상교량은 상부구조는 강상 자형이고, 하부구조는 T형 콘크리트 교각으로 구성되어 있다. 그림 1에 교량의 종단면도, 교각위치에서의 횡단면도 및 강재 받침 배치의 모델링을 제시하였으며 내진설계조건은 지진구역 I, 내진I등급교, 지반종류II로 설정하여 가속도계수 (A) 는 0.
- 0m의 원형 단면으로 구성되어 있다. 해석대상교량의 재료특성은 강재의 경우 SWS 490, 콘크리트의 경우 상판 27MPa 및 하부구조 24MPa이며. 사용철근은 상판 SD 40 및 하부구조 SD 30이다.
이론/모형
- 제시하였다. 강재받침과 교각기등에서 직교방향으로산정한 단면력은 두 부재 모두 원형단면이므로 표 1에 제시한 바와 같이 제곱합평방근법 (SRSS)으로 합력을 구하였다.
- 도로교설계기준에 제시되어 있는 다중모드 스펙트럼 해석법을 적용하였으며 50개의 모드를 고려하였다. 그림 2는 모드해석 결과로 교축방향 및 교축직각방향 최저차모드의 형상이다.
성능/효과
- . 강재받침의 경우 일반설계에 적용되는 받침의 기능을 변경하면 요구되는 설계강도의 조정이 가능하다. 교축 및교축직각 양방향 연성 파괴메카니 즘을 확보하기 위해서는 강재 받침의 설계강도가 결정되는 방향의 지지받침 개수를 증가하여 지진력을 분담하도록 하면 적절한 설계 강도를 결정, 내진성능을 향상할 수 있다.
- 5m로 결정하였다. 교각기등을 02.5m로 설계변경한 교량(이하 보강 1안)의 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의 주기는 0.79초, 탄성지진응답계수는 0.26, 질량기여도는 45.7%이고, 교축직각방향 최저차모드의 주기는 0.51 초, 질량기여도는 60.7%로 산정되었다. 이는 해석 대상 교량에 비해 최저차 모드의 주기가 길어진 응답계수가 0.
- 39로 산정되고, 그림 4의 강재받침(설계변경)으로 표시한 결과와 같이 모든 하중조합에서 연성파괴메카니즘을 확보할 수 있다. 그러므로 해석대상교량의 경우 교각기등과 강재 받침의 설계지진력을 일반설계의 관점(설계강도2소요강도)에서 만족한다고 해도 내진설계에서 요구되는 연성 파괴메카니 즘은 확보되지 않는다는 것을 확인할 수 있다. 이 경우 실제 응답수 정계수는 1.
- 이러한 차이는 일반설계의 경우 안전여유(safety margin)로 간주되지만 내진설계의 경우 응답 수정이 의도한 바대로 이루어지지 않았다는 것을 의미한다. 또한 해석대상교량의 파괴메카니즘 검토에서 제시한 바와 같이 연성 파괴 메카니 즘을 확보하기 위해서는 강재받침의 설계 강도를 설계지진력 3136kN의 1.59배인 4998kN로 증가해야 하므로 연성파괴메카니즘이 설계기준이 의도한 바대로 확보되지 않는다는 것을 확인하였다. 따라서 이 연구에서는 제시된 응답수정계수와 실제 응답수정계수가 동일한 수준이 되도록, 즉 교각기등의 설계강도가 설계지진력에 근접하도록 교각 기둥의 단면을 감소하는 설계변경을 수행하고 파괴메카니즘을 검토하여 강재받침에 요구되는 설계강도를 결정하여 비교하였다.
- 그림 2는 모드해석 결과로 교축방향 및 교축직각방향 최저차모드의 형상이다. 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의 주기는 0.54초, 탄성지진응답계수 q는 0.33, 질량기여도는 42.6%이고, 교축직각방향 최저차모드의 주기는 0.39초、 질량기여도는 53.6%로 산정되었다.
- 보강 3안의 경우 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의주기는 0.51 초, 탄성지진응답계수는 0.35, 질량기여도는 80.1%이고, 교축직각방향 최저차모드의 주기는 0.51 초, 질량기여도는 60.6%로 산정되었고, 교축방향 진동 특성 변화는 고정단 개수의 증가에 기인한 것임을 확인할 수 있다. 표 9와 표 10에서 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 강재받침의 설계강도는 LC2에서 1764kN(1568xl, 12.
- 60)가 되므로 예상대로 보강 1안의 강재 받침 설계강도 3273kN(3028xl, 08) 보다 현저하게 감소한' 다. 이 결과는 설계기준에 의한 설계지진력 2215kN 보다 낮은 설계 강도 1774kN를 보유한 강재받침으로도 연성파괴메카니즘을 만족할 수 있다는 것을 제시하고 있다.
- 표 4와 5를 사용하여 강재받침과 교각기등의 강도/작용력비를 산정한 결과는 표 6과 같고, LC1 과 LC2 모두 연성파괴메카니즘을 만족하기 위해서는 강재받침의 설계강도를 설계 지진력 3028kN의 L08배인 3273kN로 변경하여야 한다. 이러한 결과로부터 제시된 응답수정계수와 실제 응답수정계수가 동일한 수준이 되도록 교각기등의 단면을 결정하면 강재 받침에 요구되는 설계강도가 감소한다는 것(4998kN에서 3273kN 로 감소)을 알 수 있다. 보강 1안의 경우 응답수정계수는 2.
- 교량의 연성 파괴메카니즘은 하부구조 및 상/하부구조 연결부의 설계강도에 의해 확보되므로파괴메카니즘의 검토를 수행하였으며, 합리적인 보강 방안을 제시하기 위해 교각기둥 설계단면과 강재받침 설계 강도의 결정 및 강재받침의 기능변경 등 교량시스템의 설계변경을 적용하였다. 이와 같은 설계과정을 바탕으로 붕괴방지 수준을 만족하는 동시에 교량이 보유하게 되는 기능수행 수준을 검토하여, 교량시스템 재설계에 의해 기존 교량의 내진 성능을 확보/향상할 수 있다는 것을 제시하였다.
후속연구
- 교축방향 진동 특성 변화에 의한 탄성지진력의 증가로 인해 내진 성능향상 효과가 없다. 다만 이 결과는 해석대상교량의 경우에 국한된 것이므로 교축방향 고정단 개수 증가방안에 대해서는 보완연구가 요구된다.
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