[논문]사장교 가이드 파이프 앵커 형식에서의 정착강관 설계절차

홍성남; 박선규; 박병건

doi:10.11112/jksmi.2011.15.4.212

사장교 가이드 파이프 앵커 형식에서의 정착강관 설계절차
Design Process of Fixing Pipe in Guide Pipe-Anchor System for Cable-Stayed Bridge 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.15 no.4 = no.68, 2011년, pp.212 - 220

홍성남 (성균관대학교 과학기술연구소) , 박선규 (성균관대학교 사회환경시스템공학과) , 박병건 (삼성물산)

초록
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최근 들어 인천대교 등 다수의 사장교가 공용 또는 시공 중에 있으며 이러한 시점에서 국내 사장교의 기술력을 살펴본다면 시공기술은 눈에 띄게 발전하였지만 설계기술은 아직 국외 의존도가 매우 높은 실정이다. 사장교 핵심설계요소들 중 케이블 정착구조는 강력한 케이블 장력의 작용으로 국부적인 응력집중현상이 발생하므로 안전성 확보를 위해서는 반드시 국부상세해석에 의한 설계가 요구된다. 하지만 명확한 설계기준이나 이론적 설계 없이 유한요소해석에만 의존하여 설계하는 실정이며 정착구조의 이론적 기본메커니즘을 이해하지 못한 채 유한요소해석 결과에만 의존, 엔지니어의 판단력이 흐려지는 부작용을 가져오고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 케이블 정착구조 가이드 파이프앵커 형식 중 정착강관의 기존 이론적인 설계절차를 나타내고 추가적으로 고려해야 할 사항들을 국내외 설계기준에 따라 정리하고 보완 설계절차를 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

These days, many cable-stayed bridges were constructed in accordance with the trend in Korea. At the moment, construction technology of cable-stayed bridges has been remarkably developed but design technology still relies upon foreign technology very much. The cable anchor system that is one of key technologies of cable-stayed bridge brings powerful cable tension to produce local stress concentration and to disturb stress seriously, so for safety must be designed by a local detailed analysis is required. But without a clear design standard or design theory relying on F.E.M, and engineers don't understand theoretical basic mechanism of cable anchor system. As a result, engineers can be lose their judgement. Accordingly, this study examined theoretical design flow of fixing pipe in guide pipe-anchor system and additional considerations, in accordance with design standards at home and abroad to keep them in order and to suggest supplementary design flow.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 사장교 정착구조 가이드 파이프앵커 형식 중 케이블 장력을 직접적으로 받는 정착강관의 이론적 설계에 대하여 살펴보았다. 정착강관의 두께 결정식을 제안하고 설계과정을 추가보완, 국내의 기존교량 설계와 비교하였다.

가설 설정

여기서 P_p2는 응력집중계수, f_w는 주거더 작용에 의한 응력, θ는 정착강관 각도, t_w는 외측웨브 두께, t_p는 정착강관 두께를 나타낸다. 주거더 작용에 의한 응력을 통해 구한 수직응력도와 외측웨브 두께의 곱은 주거더 작용에 의한 정착강관의 압축응력과 정착강관 두께와 같은 값을 가진다고 가정하고 f_p2로 나타낸다. 응력집중계수는 엔지니어의 판단, 유한요소해석과 비교에 따라 기준 1.
는 강재의 허용응력이다. 초기 정착강관의 두께를 결정하는 단계이기 때문에 응력집중계수들은 모두 1.0으로 가정한다. 정착강관 단면적 A_p를 식 (6)을 통한 외경제한 범위 내에서 케이블 제작회사에서 규정하는 내경을 참고하여 D_i와 두께 t_p의 항목으로 나타내면 식 (8)과 같으며, 정착강관의 외경은 D_o = (D_i + 2t_p)로 본다.

제안 방법

(1) 정착강관의 설계에서 추가적으로 고려해야 할 사항들이라고 판단되는 내용들을 국내외 설계기준에 따라 정리, 보완 설계흐름을 제시하였다.
(3) 가이드 파이프앵커 형식 정착강관의 두께 제안식 및 보완 설계를 통하여 과거 설계 사례나 유한요소해석에 의존하지 않고 엔지니어가 간편하고 합리적으로 안전성을 판단하여 초기 설계가 가능하도록 하였다.
또한, 최근 케이블 정착구조에 많이 제작되는 SM520의 허용응력을 기준으로 하였으며, 같은 항목들을 치환(A = fw ∙ cos2θ∙tw )하여 tp에 대한 이차부등식으로 간략화 하였다.
보완 설계과정을 토대로 적용하였으며 주요제원들은 기존 값과 동일하게 하였다. 식 (6)을 통한 외경제한과 최소내경, 제안식에 들어갈 항목들을 Table 5에 나타내었다.
본 연구에서는 케이블 정착구 중 가이드 파이프앵커 형식을 선정, 기존 이론적 설계흐름을 나타내고 정착강관의 초기 두께를 결정하는 식을 제안하며 국내외 설계기준을 통해 기존의 과정을 보완하였다. 또한, 주경간 240m, 유선형 강상판인 3경간 연속 강사장교를 대상교량으로 제안식을 통해 결정된 정착강관 초기 두께를 토대로 보완된 흐름을 따라 설계를 실시, 보완 설계의 간편성과 타당성을 입증하였다.
앞에서 언급한 기존 설계과정만으로는 정착강관의 안전성을 확보하기에는 미흡하므로, 추가적으로 보완해야 할 사항들이라고 판단되는 항목들에 대하여 국내외 설계 기준의 규정을 참조하여 제시하였다.
또한, 최근 케이블 정착구조에 많이 제작되는 SM520의 허용응력을 기준으로 하였으며, 같은 항목들을 치환(A = f_w ∙ cos²θ∙t_w )하여 t_p에 대한 이차부등식으로 간략화 하였다. 양수 해 값을 가이드 파이프앵커 정착강관의 초기 두께 t_p로 제안한다.
본 연구에서는 사장교 정착구조 가이드 파이프앵커 형식 중 케이블 장력을 직접적으로 받는 정착강관의 이론적 설계에 대하여 살펴보았다. 정착강관의 두께 결정식을 제안하고 설계과정을 추가보완, 국내의 기존교량 설계와 비교하였다. 이러한 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
지금까지의 설계과정을 통해 정착강관의 초기 두께를 결정할 수 있는 식을 제안하였다. 우선 정착강관 압축응력의 겹쳐짐 검토 식 (3)에 포함되는 항목들을 정리하여 나열하면 식 (7)과 같이 나타낼 수 있다.

대상 데이터

대상교량은 2개의 다이아몬드형 강재 주탑을 갖는 3경 간 연속 강사장교로 구성되어 있으며 순수국내기술로 설계된 최초의 강사장교이다. 대상교량의 주요제원은 Table 3과 같으며 종단면도는 Fig.
정착강관의 두께를 합리적으로 결정하는 것이 초기 설계에서 가장 중요한 요소이며 이후의 설계과정에서도 지속적으로 영향을 미치게 된다. 대상교량의 기존 정착강관 두께는 32mm, 30mm로 제작되었다. 제안식을 통하여 16mm부터 27mm까지 두께를 결정하였으며 기존설계보다 최대 47%까지 두께를 감소시킬 수 있었다.
배치간격은 경관성을 고려하고 102ton으로 강거더 세그먼트 중량을 유지하기 위해 12m간격으로 일정하게 하였다. 정착구조는 C1~C16를 기준으로 대칭이며 정착구조의 위치, 케이블 장력의 크기, 사용 강선 수에 따라 총 5개를 적용대상으로 선정하였다. 정착강관의 주요제원은 Table 4와 같다.

성능/효과

(2) 제안식에 의해 결정된 초기 두께를 토대로 보완 설계흐름에 적용, 검토결과 모두 허용치 이내의 값을 만족하였다. 기존 설계와 비교결과 정착강관의 두께는 최대 47% 감소하였으며 합성응력계수는 최대 92% 증가하였다.
(2) 제안식에 의해 결정된 초기 두께를 토대로 보완 설계흐름에 적용, 검토결과 모두 허용치 이내의 값을 만족하였다. 기존 설계와 비교결과 정착강관의 두께는 최대 47% 감소하였으며 합성응력계수는 최대 92% 증가하였다.
본 연구에서는 케이블 정착구 중 가이드 파이프앵커 형식을 선정, 기존 이론적 설계흐름을 나타내고 정착강관의 초기 두께를 결정하는 식을 제안하며 국내외 설계기준을 통해 기존의 과정을 보완하였다. 또한, 주경간 240m, 유선형 강상판인 3경간 연속 강사장교를 대상교량으로 제안식을 통해 결정된 정착강관 초기 두께를 토대로 보완된 흐름을 따라 설계를 실시, 보완 설계의 간편성과 타당성을 입증하였다.
제안식을 통해 결정된 설계요소들을 토대로 이후의 정착강관 보완설계에 적용하여 정착강관의 압축응력, 전단 응력, 합성응력 및 축의 직각방향하중, 냉간굽힘허용치의 결과 값을 Table 7과 같이 산출하였다. 설계결과 각 항목에서 제시하고 있는 기준치를 모두 만족하였다.
7267의 값이 산출되었다. 제안 두께를 통한 검토에서는 C1에서 최소 0.6893, C10에서 최대 0.7273의 값이 나옴으로써 기존보다 최대 92%까지 합성응력계수가 증가하였다.
이는 설계에 대한 신뢰성이 부족하여 강재의 성능을 충분히 활용하지 못하고 과다설계를 하였다고 볼 수 있다. 제안설계의 합성응력계수는 평균 0.7067의 값으로 허용치인 1.2의 59%에 달하는 수치를 나타내어 기존보다 강재 성능을 충분히 활용, 합리적인 설계를 하였다. Fig.
대상교량의 기존 정착강관 두께는 32mm, 30mm로 제작되었다. 제안식을 통하여 16mm부터 27mm까지 두께를 결정하였으며 기존설계보다 최대 47%까지 두께를 감소시킬 수 있었다. 이를 통해 제작 난이도 및 강재량, 나아가서는 공사비를 절감할 수 있는 요인이 된다.

후속연구

(4) 추후 유한요소해석과의 비교검토를 통하여 이론적 설계와 유한요소해석의 상호보완을 통한 정착구조 설계의 타당성을 확인하는 절차가 이루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	정착강관은 어떠한 압축력을 받나?	정착강관은 케이블 장력에 의한 축방향의 압축력을 받는다. 따라서 정착강관 방향의 압축응력과 전단응력을 고려하여 설계하며 마지막에는 압축응력과 전단응력의 합성응력도 검토한다(한국전력공사 제1건설처, 1995).
	가이드 파이프앵커 정착구조는 무엇이며 어떤 거동을 일체화 시키는가?	가이드 파이프앵커 정착구조는 최근 주로 사용되는 형식으로서 정착강관을 외측웨브에 완전 용접하여 구조적 거동을 일체화시킨다. 그러므로 케이블 장력에 의해 발생하는 국부응력집중을 초기에 강거더의 구조부재로 원활하게 분산, 전달시킬 수 있으며 피로에 대한 저항성이 우수하다.
	가이드 파이프앵커 정착구조의 장점은?	가이드 파이프앵커 정착구조는 최근 주로 사용되는 형식으로서 정착강관을 외측웨브에 완전 용접하여 구조적 거동을 일체화시킨다. 그러므로 케이블 장력에 의해 발생하는 국부응력집중을 초기에 강거더의 구조부재로 원활하게 분산, 전달시킬 수 있으며 피로에 대한 저항성이 우수하다. 일체화로 인해 보강구조가 간단하고 경제적이며 노출부위의 최소화로 미관이 양호하다. 또한 댐퍼와 케이블 정착위치가 멀기 때문에 케이블 진동을 제어하는데 유리하다(공병승 등, 2006). 이러한 이유로 주경간 500m 이상의 장경간 사장교에도 적용할 수 있는 이점이 있으며 국내에서는 영흥대교, 신완도대교, 인천대교에 적용된 사례가 있다. 강거더 가이드 파이프앵커 정착구조의 개요도는 Fig.

참고문헌 (14)

교량설계핵심기술연구단, 도로교설계기준해설, 2008.
공병승, 박지호, 한정진, "사장교의 케이블 정착구에 관한 구조해석 연구", 한국강구조학회 학술발표논문집, 2006, pp.638-642.
공병승, 홍남식, "해상 사장교의 Pipe형 케이블 정착구에 관한 구조해석", 한국해양공학회지, 19권, 5호, 2005, pp.34-42.

원문보기 상세보기
박지호, 사장교의 보강형 케이블 정착구 형식별 응력해석 연구, 동서대학교 대학원 석사학위논문, 2007.
방명석, 박영환, 김영진. 안일상, 박종섭, 장대교량의 설계 및 시공에 관한 연구, 한국건설기술연구원, 1995.
윤성우, Pipe Anchor 형식의 사장교 보강형 케이블 정착구의 피로강도 수치해석 연구, 동서대학교 대학원 석사학위논문, 2005.
일본도로협회, 도로교시방서.동해설(II.강교편), 2002.
한국건설기술연구원, 사장교의 파이프 앵커형식 설계기준 지침, 1997.
한국전력공사 제1건설처, 영흥도 화력발전소 진입도로 및 교량(2개소) 설계기술 용역 구조 및 수리계산서(I), 1995.
한진중공업, 유신코퍼레이션, 한국종합기술개발공사, 강사장교-기술과 변천, 도서출판과학기술, 2003.
한진중공업, 유신코퍼레이션, 한국종합기술개발공사, 사장교의 기본계획 설계법, 도서출판과학기술, 2003.
Incheon Bridge Project, Design Package No. 16 Cable-Stayed Bridge , 2006.
PTI, Recommendations for stay cable design, testing and installation, 5th Edition, 2007.
CEB-FIP, Acceptance of stay cable systems using prestressing steels, 2005.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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