[논문]파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 좌굴거동

지효선

파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 좌굴거동
Buckling Behaviors of Plate Girder with Corrugated Steel Web 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.23 no.2 = no.111, 2011년, pp.221 - 228

초록
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강 판형교는 높은 세장비 때문에 좌굴이 설계의 주요 변수이다. 본 연구의 목적은 I 형 플레이트 거더와 파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 좌굴거동을 분석하고, 파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 이점을 조사하는 것이다. 파형 복부판 깊이의 변화, 복부판의 두께 변화 그리고 하중조건의 변화에 따라 다양한 파라미터 연구를 수행하였다. 연구의 결과로서 파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 좌굴강도가 I 형 플레이트 거더에 비해서 좌굴강도에 있어서 46%~417% 더 효과적이며, 파형 복부판을 갖는 플레이트 거더의 적절한 파형각도는 ${\theta}=15^{\circ}{\sim}22^{\circ}$로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because steel plate girder bridge has big slenderness ratio, buckling is a major design factor. The objective of this study is to analyze the buckling behaviors of plate girder with I-girder and corrugated steel web and to examine the advantages of plate girder with corrugated steel web. Various parametric study according to the change of web height, web thickness, and load condition are examined. It is shown that plate girder with corrugated steel web is more effective than plate girder with I-girder and proper corrugated angle(${\theta}$) is $15^{\circ}{\sim}22^{\circ}$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 다양한 파라미터 연구를 통해서 파형거더의 이점에 대해서 고찰을 하였다. 파형깊이의 변화, 복부판의 높이 변화, 복부판의 두께 변화, 하중조건의 변화 등 다양한 파라미터 연구를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
또한, 수평패널은 I형거더의 수평보강재 역할을, 경사패널은 I형거더의 수직보강재 역할을 겸해서 하기 때문에 많은 장점이 있다(이종원 등, 2007; Ezzeldin, 2007). 본 연구는 파형강판의 좌굴거동을 분석하고, I형강판과의 비교를 통해 파형강판의 이점을 수치 해석적으로 고찰하고자 한다. 파라미터 연구로 다양한 하중조건, 복부판의 두께 변화, 복부판의 높이 변화 등을 고려하였다.

가설 설정

본 연구는 파형거더의 이점을 알기 위한 것이기 때문에 압축플랜지가 콘크리트바닥판에 직접 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 따라서, 횡좌굴이 발생하지 않도록 그림 4와 같이 횡좌굴 강제 지지점을 L /4, 2L /4, 3L /4로 설정하여 횡방향으로 고정시켰다.

제안 방법

그림 5와 같이 복부판의 국부좌굴 전에 상부플랜지에서 먼저 좌굴이 발생할 경우 파형거더의 정확한 이점을 알기 어렵기 때문에 상부플랜지가 국부좌굴이 발생하지 않는 조건(t_fu = 100 mm)으로 설정하여 해석을 수행하였다. 그 결과를 표 7에 나타내었다.
본 연구는 파형거더의 이점을 알기 위한 것이기 때문에 압축플랜지가 콘크리트바닥판에 직접 고정되어 있는 것으로 가정하였다. 따라서, 횡좌굴이 발생하지 않도록 그림 4와 같이 횡좌굴 강제 지지점을 L /4, 2L /4, 3L /4로 설정하여 횡방향으로 고정시켰다.
또한, 하중조건 변화에 따른 결과도 분석하였다. 하중조건을 3가지, 즉, LcaseA는 중앙에 집중하중이 재하된 경우이며, LcaseB는 그림 3과 같이 부분 등분포하중이 재하된 경우이고, LcaseC는 상부 플랜지 전체에 등분포하중이 재하된 경우로 설정하였다.
본 연구는 파형강판의 좌굴거동을 분석하고, I형강판과의 비교를 통해 파형강판의 이점을 수치 해석적으로 고찰하고자 한다. 파라미터 연구로 다양한 하중조건, 복부판의 두께 변화, 복부판의 높이 변화 등을 고려하였다.
파형거더의 이점을 I형거더와 비교하기 위해서 I형거더의 수직보강재는 형상비가 1.0전후로 표 4와 같이 진하게 표시된 경우로 설정하여 해석을 수행하였으며, 그 결과 표 5, 6과 같다. 표 5, 6은 대표적인 h_w/b_f = 3.
또한, 하중조건 변화에 따른 결과도 분석하였다. 하중조건을 3가지, 즉, LcaseA는 중앙에 집중하중이 재하된 경우이며, LcaseB는 그림 3과 같이 부분 등분포하중이 재하된 경우이고, LcaseC는 상부 플랜지 전체에 등분포하중이 재하된 경우로 설정하였다. Lcase B의 부분 등분포하중은 2L /5 ∼ 3L /5에 재하된 경우로 설정하였다.
해석 파라미터로 복부판의 높이(h_w), 복부판의 두께(t_w), 수직보강재의 개수(n_sv)및 파형깊이(e)로 설정하였으며, I형거더는 도로교설계기준에 제시되어 있는 최적화된 치수를 사용하여 해석을 수행하였다.

대상 데이터

0을 사용하였다. ANSYS를 사용한 유한요소 모델은 그림 3과 같으며, 사용재료는 구조용 강재 SM490을 사용하였다(ANSYS, 2008).

데이터처리

표 8, 9는 파형거더와 I형거더의 최대 좌굴강도를 비교한 것이다. 집중하중이 재하된 경우(Lcase A), 수직보강재의 위치점에 하중재하가 되기는 현실적 및 안전적인 측면에서 가능성이 떨어지기 때문에 I형거더의 결과는 3개를 평균으로 취하여 결과를 분석하였다. 파형거더를 사용할 경우, 확실한 좌굴효과를 볼 수 있으며, 제시된 거더의 크기를 고려할 때, 적절한 복부판의 두께는 h_w = 12 ∼ 14로 판단되어 이 경우만 제시하였다.
파형거더의 좌굴 거동 및 이점을 알아보기 위해 유한요소해석을 수행하였으며, 프로그램은 ANSYS11.0을 사용하였다. ANSYS를 사용한 유한요소 모델은 그림 3과 같으며, 사용재료는 구조용 강재 SM490을 사용하였다(ANSYS, 2008).

성능/효과

(1) I형거더의 보강재 설치시의 문제점, 즉 용접에 의한 응력집중 및 이로 인한 피로파괴의 가능성을 줄이고, 시공시 장점을 갖는 파형거더의 이점 외에 좌굴강도에서도 탁월한 효과가 있는 것으로 판단되었다.
(2) 같은 양의 재료 당 좌굴강도는 파형거더일 때, 그 효과가 더더욱 커짐을 알 수 있었으며, 상부플랜지의 국부좌굴이 배제된 경우, 파형거더의 이점을 더욱 크게 확인할 수 있었다.
(3) 해석 결과 파형거더의 적절한 파형 깊이는 e = (0.1 ∼ 0.15 )bf, 파형각도는 θ = 15° ∼ 22° 로 분석되었다.
(4) 파형거더를 사용할 경우 I형 거더에 비해서 46%∼417%의 효과를 볼 수 있었으며, 세장할수록(즉, 복부판의 높이가 클수록, 복부판의 두께가 얇을수록) 파형거더의 이점이 더더욱 커짐을 알 수 있었다.
파형거더의 이점은 30%(1.3)∼354%(4.54)의 효과, 같은 양의 재료당 46%(1.46)∼417%(5.17)의 효과를 볼 수 있는데, 복부판의 높이(hw)가 클수록, 복부판의 두께(tw)가 얇을수록, 즉, 세장할수록 파형거더의 이점이 커짐을 알 수 있다.
해석 결과 파형거더의 적절한 파형깊이는 e = (0.1 ∼ 0.15 )bf, 즉 파형각도는 θ = 15° ∼ 22° 로 분석되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플레이트 거더란?	플레이트 거더는 휨에 저항하는 플랜지와 전단에 저항하는 복부판으로 구성되어 있는 강교량의 형태이다. 전단에 저항하는 복부판은 경제적인 측면뿐만 아니라 전단이 휨에 비해 작기 때문에 얇게 제작한다.
	얇은 복부판이 항복하기 전에 국부좌굴이 먼저 발생하는 것을 방지하기 위한 방법은?	복부판이 얇기 때문에 항복하기 전에 국부좌굴이 먼저 발생할 수 있다. 이에 좌굴강도를 증가시키기 위해서 수직 및 수평보강재를 설치한다(Charles등, 1996; Narendra 등, 1997; 윤동용 등, 2007). 이러한 보강재의 설치는 용접으로 접합되기 때문에, 용접에 의한 응력집중 및 피로파괴의 가능성을 크게 할 뿐만 아니라 시공적인 측면에서도 불리하다.
	전단에 저항하는 복부판을 얇게 제작하는 이유는?	플레이트 거더는 휨에 저항하는 플랜지와 전단에 저항하는 복부판으로 구성되어 있는 강교량의 형태이다. 전단에 저항하는 복부판은 경제적인 측면뿐만 아니라 전단이 휨에 비해 작기 때문에 얇게 제작한다. 따라서, 복부판은 좌굴 위험성이 더욱 커지게 되어 좌굴에 대해 보강하지 않으면 안된다.

참고문헌 (12)

대한토목학회(2008) 도로교설계기준.해설
윤동용, 김경식 (2007) 수평보강재가 설치된 플레이트 거더의 휨 연성에 관한 연구, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제19권, 제6호, pp.643-653.

원문보기 상세보기
이종원, 염광수, 문지호, 이학은 (2007) 제형파형강판 복부판의 전단 좌굴 강도,대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제27권, 제2A호, pp.181-186.
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상세보기
Salmon,C. and Johnson, J.E.(1996) Steel Structures Design and Behavior, Harper Collins College Publishers, 4th ed.
Taly,N. (1997) Design of Modern Highway Bridges.

저자의 다른 논문 :

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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