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[국내논문] 초간편 H형강 강합성 교량의 성능평가를 위한 수치해석 및 실험 연구
A Numerical and Experimental Study on Structural Performance of Simplified Composite Steel I-Beam Bridge 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.32 no.3A, 2012년, pp.161 - 169  

박종섭 (상명대학교 건설시스템공학과) ,  김재흥 ((주)도담이앤씨) ,  이선호 ((주)도담이앤씨)

초록
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본 연구에서는 중 소규모 교량에 적용이 가능한 초간편 H형강 강합성 교량의 안전성 및 성능평가를 위하여 유한요소해석 및 종국강도실험을 수행하였다. 범용유한요소해석 프로그램 ABAQUS(2007)를 사용하여 강합성 단위주형 모델과 4주형 모델이 검토되었으며, 해석결과를 토대로 모델별 거동특성을 분석하고, 실험체에 설치될 변위계(LVDT)와 변형률 게이지 위치를 결정하였다. 두 개의 실험체 정적하중실험을 통하여 신형식 초간편 H형강 강합성 교량의 하중 횡분배율을 분석 및 제안하였다. 강합성 단위주형 실험체의 H형강 하부플랜지가 항복응력에 도달하는 시기의 재하하중은 500 kN으로 나타났으며, 실험체 종국하중은 840 kN이다. 강합성 4주형 실험체 재하하중에 의한 항복모멘트와 소성모멘트는 도로교설계기준(2005)을 토대로 산정된 활하중 설계모멘트에 각각 2.4배, 4.1배의 강도를 나타내었다. 초간편 H형강 강합성 교량 실험을 통하여 본 신형식 교량은 시공 중 및 시공 후 안전성과 강도가 충분히 발휘됨을 확인할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents the safety and strength of simplified composite H-beam panel bridges (SCHPBs) using 3-dimentional finite-element program, ABAQUS (2007) and experimental tests. Two finite-element models (one-steel-girder-and-composite-deck model and four-steel-girder-and-wide-composite-deck model...

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문제 정의

  • Kim과 Jung(2005)은 파형강판에 전단연결재를 부착한 강-콘크리트 합성상판을 적용한 강박스 거더교량의 Push-out 실험을 통해 상판과 거더의 연결성능을 평가하였다. 이 실험을 통해 전단연결재가 부착된 파형강판의 활용성 및 새로운 연결형식의 거동특성 평가기법을 제안하였다. 심창수 등(2006)은 2거더 연속강합성 교량의 프리캐스트 바닥판의 연결부 형태의 선정, 채움재료의 특성평가, 횡방향 이음부 성능평가를 통해 프리스트레스 크기 산정과 단순화를 위한 채움재료의 기준을 제시하였고, 연속강합성 교량의 부모멘트 연결부 상세설계에 대한 연구결과를 발표하였다.
  • 본 연구에서는 초간편 강합성 H형강 교량에 대한 기존연구결과를 토대로 그림 1과 같이 H형강, 강판, ㄷ형강, 콘크리트 바닥판으로 구성된 단위패널을 현장에서 조립, 시공하는 초간편 H형강 교량의 제작성 및 시공성, 완성구조계의 거더별 하중분배효과 및 종국강도를 구조실험체를 이용하여 평가하고자 한다. 또한 본 논문에서는 범용구조해석 프로그램을 이용하여 하중재하에 따른 실험체의 거동특성을 추정하고, 종국강도평가 실험을 분석하여 초간편 H형강 강합성 교량의 시스템 안전성을 검토하였다.
  • 본 연구에서는 초간편 강합성 H형강 교량에 대한 기존연구결과를 토대로 그림 1과 같이 H형강, 강판, ㄷ형강, 콘크리트 바닥판으로 구성된 단위패널을 현장에서 조립, 시공하는 초간편 H형강 교량의 제작성 및 시공성, 완성구조계의 거더별 하중분배효과 및 종국강도를 구조실험체를 이용하여 평가하고자 한다. 또한 본 논문에서는 범용구조해석 프로그램을 이용하여 하중재하에 따른 실험체의 거동특성을 추정하고, 종국강도평가 실험을 분석하여 초간편 H형강 강합성 교량의 시스템 안전성을 검토하였다.
  • 그림 9(a)는 단위패널 제작에 앞서서 4개의 H형강 주형과 2개의 가로거더의 예비볼트체결을 통한 사전조립 테스트 모습을 보여주고 있다. 사전조립 테스트는 2개의 단위패널와 1개의 횡방향 연결 패널의 현장조립 정밀도를 높이기 위해 실시되었다. 그림 9(b)는 단위패널의 강판에 설치되는 유공 형강의 용접상태를 점검하는 모습이다.
  • 본 연구는 초간편 강합성 H형강 교량의 구조적 안전성과 성능을 평가하기 위하여 유한요소해석을 실시하고, 10 m 경간을 가지는 실교량 실험체 제작 및 정적파괴실험을 실시하였다. 유한요소해석과 정적파괴실험결과를 토대로 다음과 같은 결론을 도출하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
단위패널은 무엇으로 구성되어 있는가? 본 연구에서는 초간편 강합성 H형강 교량에 대한 기존연구결과를 토대로 그림 1과 같이 H형강, 강판, ㄷ형강, 콘크리트 바닥판으로 구성된 단위패널을 현장에서 조립, 시공하는 초간편 H형강 교량의 제작성 및 시공성, 완성구조계의 거더별 하중분배효과 및 종국강도를 구조실험체를 이용하여 평가하고자 한다. 또한 본 논문에서는 범용구조해석 프로그램을 이용하여 하중재하에 따른 실험체의 거동특성을 추정하고, 종국강도평가 실험을 분석하여 초간편 H형강 강합성 교량의 시스템 안전성을 검토하였다.
본 연구에서 초간편 강합성 H형강 교량에 대해 유한요소해석을 실시하고 실교량 실험체 제작 및 정적파괴실험을 실시한 결과는 어떠한가? 1. 재하하중에 의한 항복모멘트는 1,875 kN-m, 소성모멘트는 3,250 kN-m으로 도로교설계기준(2005)을 토대로 산정된 활하중 설계모멘트 795.8 kN-m에 각각 2.4배, 4.1배의 강도를 나타내었다. 본 신형식 강합성 교량실험체는 충분한 안전성을 보임을 확인 할 수 있었다. 2. SM실험체와 4GM실험체 실험결과와 유한요소해석결과를 토대로 하중횡분배값을 비교해보면, 중앙재하 및 편측재하 모두 해석결과가 실험결과보다 큰 분배계수를 나타내고 있다. 중앙재하시 내측주형(G1과G2)에서는 15%내외, 외측주형(G1과 G4)에서는 9%와 3%의 차이를 나타내었고 편측하중 재하시 내·외측주형 모두 10%내외의 차이를 보였다. 3. P&K(2009) 간편 횡분배계수 설계제안값과 실험결과를 비교해 보면, 실교량 차량하중과 유사한 중앙재하의 경우 P&K(2009)의 제안값이 20%의 큰 값을 보여, P&K(2009)의 제안값은 안전측 설계개념으로 적용가능하다. 4. SM실험체는 600 kN에서 H형강 하부플랜지가 항복을 시작하고 800 kN에서 H형강 복부가 항복하였다. SM실험체의 최종가력하중은 840 kN이며, 바닥판 강재와 콘크리트의 분리현상과 과도한 수직처짐이 발생하였다. 5. 4GM실험체의 경우 1500 kN 재하시 내측주형 하부플랜지가 항복하였고, 내측주형 복부는 2600 kN 하중이후 소성변형을 보이기 시작하였다. 4GM실험체의 최종가력하중은 하중가력기의 최대용량인 3000 kN이다. 3000 kN에서도 4GM실험체는 큰 폭의 균열이 콘크리트 상면에 일부 발생했을 뿐 교량 파괴는 이루어지지 않았다.
초간편 H형강 강합성 교량은 어떤 교량형식인가? 초간편 H형강 강합성 교량은 공장제작된 단위패널과 연결패널을 현장에서 신속하게 조립·시공하여 시공성과 경제성을 극대화한 교량형식이다. 본 실험연구를 통하여 초간편 H형강 교량의 장점인 단위모듈 공장제작 및 초간편시공을 구현하기 위해서는 모듈화된 공장제작장과 시공단계별 조립 및 타설공정의 매뉴얼화가 필요함을 알 수 있었다.
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참고문헌 (15)

  1. 국토해양부(2010) 2010 교량현황조서. 

  2. 국토해양부(2005) 도로교 설계기준, 한국도로교통협회. 

  3. 박정웅, 양승현, 장석인(2009) 단면결손에 따른 고장력볼트 체결부의 내하력 변화에 관한 연구 한국산학기술학회논문집, 한국산학기술학회, 제10권 제9호, pp. 2402-2408. 

  4. 박정웅, 이선호, 윤기용, 박종섭, 김상섭(2007) H형강을 이용한 초간편 장지간 강합성 교량 개발에 관한 기초연구 한국강구조학회 2007년도 학술발표논문집, 한국강구조학회, pp. 758- 763. 

  5. 박종섭, 김재흥(2008) 도로교 설계기준을 적용한 초간편 H-형강강합성 교량 설계단면 연구 한국산학기술학회논문집, 한국산학기술학회, 제9권 제6호, pp. 1711-1717. 

  6. 박종섭, 김재흥(2009) 강합성 초간편 H형강 교량의 하중분배계수에 관한 해석적 연구. 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제21권 제3호, pp. 221-232. 

  7. 심창수, 김현호, 하태열, 전승민(2006) 2거더 연속강합성 교량의 프리캐스트 바닥판 종방향 프리스트레스 설계. 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제18권 제5호, pp. 633-642. 

  8. 윤기용, 김상섭, 한득천(2008) 초간편 강합성 바닥판 신형식 전단연결재의 전단내력 평가. 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제20권 제4호, pp. 519-528. 

  9. 윤기용, 이승열, 이규세, 김상섬(2009) 초간편 강합성 바닥판의 펀칭 전단에 관한 실험적 연구. 한국방재학회논문집, 한국방재학회, 제9권 제5호, pp. 23-30. 

  10. 정승인, 류형근, 장승필(2003) 외부 프리스트레스트 강합성 교량의 탄소성 휨 거동해석. 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제15권 제1호, pp. 59-68. 

  11. 한득천, 윤기용, 김상섭(2007) 가설하중 하에서 초간편 강합성 바닥판 거더패널의 거동에 관한 해석적 연구. 한국산학기술학회논문집, 한국산학기술학회, 제8권 제6호, pp. 1537-1542. 

  12. Brozzeti, Jacques (2000) Design development of steel-concrete composite bridges in france, Journal of Constructional Steel Research, 55, pp. 229-243. 

  13. Hayes, M.D., Lesko, J.J., Haramis, J., Cousins, T.E., Gomez, J., and Masarelli, P. (2000) Laboratory and field testing of composite bridge superstructure, Journal of Composites for Construction, Vol. 4, No. 3, pp. 120-128. 

  14. Kim, H.-Y. and Jeong, Y.-J. (2006) Experimental investigation on behavior of steel-concrete composite bridge decks with perfobond ribs, Journal of Constructional Steel Research, 62, pp. 463-471. 

  15. Nie, Jianguo and Cai, C.S. (2003) Steel-concrete composite beams considering shear slip effects, Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 129, No. 4, pp. 495-506. 

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