2개의 H형강이 합성된 가설교량 상부구조의 구조거동 평가 Estimation of Structural Behavior of the Long Span Temporary Bridge Superstructure Stiffened by Composite Double H-beam원문보기
본 논문에서는 가설교량의 지간장 증대를 위하여 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하고, 지점부 주거더 H형강 하단에 강판을 합성시킨 가설교량을 설계 및 시공하여 현장재하시험으로 실 거동을 분석하고, 해석적 전단좌굴강도와 비선형 거동을 일반 가설교량과 비교 평가하였다. 그 결과, 현장재하시험에 의하여 제안된 가설교량의 실제 거동이 설계 과정에서 고려된 거동과 일치하는 것으로 나타났으며, 본 연구의 설계조건에 있어서 제안한 가설교량의 해석적 전단좌굴강도가 일반 가설교량의 전단좌굴강도보다 약 40% 정도 높은 것으로 분석되었다. 또한 제안된 가설교량의 해석적 극한강도는 일반 가설교량 보다 높은 것으로 평가되어 현장여건의 필요에 의해 제안한 가설교량을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 가설교량의 지간장 증대를 위하여 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하고, 지점부 주거더 H형강 하단에 강판을 합성시킨 가설교량을 설계 및 시공하여 현장재하시험으로 실 거동을 분석하고, 해석적 전단좌굴강도와 비선형 거동을 일반 가설교량과 비교 평가하였다. 그 결과, 현장재하시험에 의하여 제안된 가설교량의 실제 거동이 설계 과정에서 고려된 거동과 일치하는 것으로 나타났으며, 본 연구의 설계조건에 있어서 제안한 가설교량의 해석적 전단좌굴강도가 일반 가설교량의 전단좌굴강도보다 약 40% 정도 높은 것으로 분석되었다. 또한 제안된 가설교량의 해석적 극한강도는 일반 가설교량 보다 높은 것으로 평가되어 현장여건의 필요에 의해 제안한 가설교량을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
In this study, in order to increase the span length, the temporary bridge which the center part of span is strengthened by small H-beam and the end part of span is strengthened by steel plate is designed and constructed. Real behavior of proposed temporary bridge is analyzed by field loading test. A...
In this study, in order to increase the span length, the temporary bridge which the center part of span is strengthened by small H-beam and the end part of span is strengthened by steel plate is designed and constructed. Real behavior of proposed temporary bridge is analyzed by field loading test. Analyzed shear buckling strengths and nonlinear behavior of suggested temporary bridge are compared with the those of general temporary bridge. From the field loading test results, it is analyzed that real static behavior of suggested temporary bridge is agree with the analyzed behavior which is considered in design process. Under the proposed design condition, it is investigated that the shear buckling strength of suggested temporary bridge is about 40% higher than that of general temporary bridge, and the ultimate strength of suggested temporary bridge is about higher than that of general temporary bridge. From the study results, it is concluded that the proposed temporary bridge can be applied by the needs of field condition.
In this study, in order to increase the span length, the temporary bridge which the center part of span is strengthened by small H-beam and the end part of span is strengthened by steel plate is designed and constructed. Real behavior of proposed temporary bridge is analyzed by field loading test. Analyzed shear buckling strengths and nonlinear behavior of suggested temporary bridge are compared with the those of general temporary bridge. From the field loading test results, it is analyzed that real static behavior of suggested temporary bridge is agree with the analyzed behavior which is considered in design process. Under the proposed design condition, it is investigated that the shear buckling strength of suggested temporary bridge is about 40% higher than that of general temporary bridge, and the ultimate strength of suggested temporary bridge is about higher than that of general temporary bridge. From the study results, it is concluded that the proposed temporary bridge can be applied by the needs of field condition.
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문제 정의
본 연구에서는 가설교량 상부구조 지간 중앙부 주거더 H형강 상부 플랜지 상단에 작은 H형강을 합성시키고, 상부구조 부모멘트부에는 강판을 보강하는 형태로 최대 정 ․ 부 모멘트 발생 구간의 강성을 증가시킨 장지간 가설교량(이하 장지간 가설교량이라 함)을 대상으로 연구를 수행하였다. 일반 가설교량의 복공판은 주거더 H형강에 용접되어 고정되나 지속적인 활하중 작용에 의하여 이탈되는 경우가 발생하여 노면의 불균형, 복공판 간의 충돌, 차량의 안전사고가 빈번하게 발생하게 된다.
5×8)이 합성되어 구성됨으로 전단좌굴강도가 증가 하게 된다. 본 절에서는 이러한 전단좌굴강도 증가 정도를 이론적으로 분석하였다. H형강에 있어서 복부판의 탄성 전단좌굴강도(τcr)는 다음과 같이 주어진다(Timoshenko 등, 1961).
제안 방법
장지간 가설교량 상부구조 중앙부의 주거더 H형강과 작은 H형강의 합성과 상부구조 지점부 강판 보강에 있어, 작은 H형강의 필요 합성길이와 강판의 필요 보강길이를 분석하기 위하여 Fig. 5와 같이 쉘(shell), 솔리드(solid), 빔(beam)요소를 사용한 유한요소해석을 실시하였다.
Table 1의 설계 조건에 의한 장지간 가설교량 상부구조 주거더 H형강 단면을 검토하기 위하여 Fig. 4와 같이 빔(beam) 요소만을 적용한 3차원 유한요소 해석을 실시하였으며, 유한요소해석에서 고려된 주거더 H형강과 그에 따른 결과를 Table 2에 정리하였다.
따라서 본 절에서는 Table 5∼7에서 탄성 영역의 실 거동을 합리적으로 반영하는 것으로 분석된 Fig. 5의 유한요소해석 모델에 구조해석 프로그램 LUSAS가 지원하는 재료적 비선형 모델을 동일하게 적용하여 장지간 가설교량과 일반 가설교량의 비선형 거동을 해석적으로 분석하여 비교 평가하였다.
강재는 균질한 재료로서 압축과 인장에 대한 응력-변형률 관계가 거의 유사하게 나타난다. 따라서 비선형 해석에서 인장 및 압축에 대한 재료의 비선형 거동에 동일한 응력-변형률 관계를 적용하였다. 강재의 응력-변형률 관계는 Fig.
또한 Fig. 2에서와 같이 수직보강재를 H형강으로 적용하여 거더의 비틀림 강성을 증가시켰으며, 지간 중앙부 부근의 가로보 상단에도 작은 H형강을 부착하여 횡분배 강성을 증대시켰다.
본 연구에서 제안하는 장지간 가설교량의 실제 거동과 설계 과정의 해석적 거동의 일치 정도를 분석하기 위하여 현장재하시험 실시 결과와 해석적 거동을 비교 분석하였으며, 제안하는 장지간 가설교량의 구조적 안전성을 평가하기 위하여 오랜 사용기간에 의해 공용 안전성이 검증된 일반 가설교량과 장지간 가설교량의 전단좌굴강도와 비선형 거동을 동일 해석조건으로 각각 분석하여 비교 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 지간 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하여 필요 강성을 확보하는 장지간 가설교량을 대상으로 현장재하실험을 실시하여 실거동을 파악하고, 2개의 H형강의 합성에 따른 좌굴강도의 변화와 비선형거동을 해석적으로 평가하여 일반 가설교량의 해석 결과와 비교 평가를 실시하였다.
이에, 장지간 가설교량 상부구조 지점부에는 폭 350 mm, 두께 16 mm 강판을 길이 535 mm로 보강하고, 중앙부에는 작은 H형강(H200×100×5.5×8)을 중앙부의 가로보 사이 간격인 3,300 mm에 보강하여 작은 H형강의 추가적인 기능인 복공판 이탈 방지 기능을 최대한 확보하도록 하였다.
는 복부판 두께, α는 복부판의 형상비이다. 장지간 가설교량은 지간 중앙부에 2개의 H형강이 일체화되어 있는 형태로서 전단좌굴강도 산정을 위하여 상 ․ 하단의 H형강을 각각 분리하여 전단좌굴강도를 분석하여 최적의 유한요소해석 모델을 분석하고 최종적으로 합성된 구조의 전단좌굴강도를 평가하였다. Eq.
장지간 가설교량의 상부구조는 주거더 H형강과 작은 H형강이 합성되는 점을 고려하여 Table 2에서 발생 최대응력이 허용응력 보다 다소 높은 H692×300×13×20를 주거더 H형강으로 결정하였으며, 복공판의 높이와 폭을 고려하여 Fig. 3과 같이 작은 H형강은 H200×100×5.5×8를 사용하였다.
장지간 가설교량의 실제거동을 분석하기 위하여 현장재하시험을 실시하였다. 현장재하시험은 교량의 주요 부재에 변위변환기 및 변형률게이지 설치한 후, 총중량 290 kN의 덤프트럭을 사용하여 Fig.
현장재하시험은 교량의 주요 부재에 변위변환기 및 변형률게이지 설치한 후, 총중량 290 kN의 덤프트럭을 사용하여 Fig. 6(a)에 나타낸 재하경우에 대해 시험을 실시하였다.
이론/모형
따라서 비선형 해석에서 인장 및 압축에 대한 재료의 비선형 거동에 동일한 응력-변형률 관계를 적용하였다. 강재의 응력-변형률 관계는 Fig. 13과 같이 강재 항복 이후 기울기가 선형으로 변화하는 변형률 경화 특성을 고려한 모델을 사용하였다(박종열 등, 2004).
전단좌굴강도 평가를 위한 유한요소해석에는 상용 프로그램인 LUSAS를 사용하였으며, 작은 H형강과 주거더 H형강에 대한 유한요소해석 모델은 Fig. 8과 같다.
성능/효과
(1) 현장재하시험 결과 본 연구에서 제안된 장지간 가설교량의 발생 처짐 및 변형 등이 교량 설계시에 고려된 유한요소해석 모델을 이용한 해석 결과와 거의 동일한 것으로 분석되어, 설계 과정에서 예측된 거동과 실제 거동이 일치하는 것을 확인하였다.
(2) 좌굴강도 평가를 위하여 주거더 H형강과 작은 H형강 각각의 좌굴강도를 분석하고 주거더 H형강과 작은 H형강의 합성 좌굴강도를 평가한 결과, 본 연구에서 고려된 설계조건, 경계조건과 하중조건에 대해서 장지간 가설교량의 상부구조 좌굴강도는 일반 가설교량 보다 약 40 % 정도 높은 것으로 평가되었다.
(3) 비선형해석 결과 장지간 가설교량의 발생 변형이 일반 가설교량 보다 낮은 것으로 분석되었으며, 장지간 가설교량의 수직처짐은 일반 가설교량 보다 최대 8.87 % 정도 높은 것으로 나타났으나 허용처짐 이내로 수직처짐에 대한 사용성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다. 한편 장지간 가설교량의 극한강도가 일반 가설교량 보다 약 30.
Fig. 14(b)의 지점부 상단 인장변형을 제외하고는 비선형 구간에서의 장지간 가설교량 변형이 일반 가설교량 보다 다소 적은 것으로 나타났으며, 장지간 가설교량 상부구조의 극한강도가 일반 가설교량 보다 약 30.28 % 정도 높은 것으로 분석되었다.
Table 2에서 장지간 가설교량 상부구조의 주거더 H형강으로 H692×300×13×20를 적용할 경우 발생 최대 응력이 허용 휨 압축응력 보다 22.2 % 정도 높은 것으로 나타났으며, H700 ×300×13×24를 적용할 경우에는 발생 최대응력이 허용 휨 압축응력 보다 약 5.3 % 높은 것으로 평가되었다.
본 연구의 제안 장지간 가설교량은 Fig. 1에서와 같이 작은 H형강을 지간 중앙부 주거더 H형강 상단에 종방향으로 용접하여 최종 가설시 복공판을 Fig. 3과 같이 배치함으로서 작은 H형강 높이 만큼의 형고를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 복공판의 이탈을 막을 수 있다. 또한 Fig.
6 % 정도 낮은 것으로 실제 시공에 있어 형하공간의 확보에 유리할 수 있을 것으로 판단된다. 한편 상부구조의 사하중은 장지간 가설교량이 일반 가설교량보다 약 15 % 낮은 것으로 나타났다.
87 % 정도 높은 것으로 나타났으나 허용처짐 이내로 수직처짐에 대한 사용성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다. 한편 장지간 가설교량의 극한강도가 일반 가설교량 보다 약 30.28 % 정도 높은 것으로 분석되었다.
한편 장지간 가설교량의 지간 중앙부 수직처짐이 일반 가설교량 보다 최대 8.87 % 정도 높은 것으로 나타났다. Fig.
한편, 유한요소해석 모델을 이용하여 장지간 가설교량의 수직 처짐에 대한 사용성 평가 결과를 나타낸 Table 8로부터 DB-24 하중 작용시의 발생 처짐이 활하중에 대한 허용 처짐의 43% 수준인 것으로 분석되었다.
Table 13에서 일반 가설교량의 전단좌굴강도는 일반 가설교량에 적용되는 H형강(H792×300×14×220)의 전단좌굴강도로서 합성전의 주거더 H형강과 작은 H형강의 전단좌굴강도가 일반 가설교량의 H형강 보다 높은 것으로 나타났다. 합성 전 주거더 H형강의 전단좌굴강도가 작은 H형강 보다 낮은 것으로 분석되었으며, 본 연구에서 고려된 작은 H형강 보강길이 3,300mm의 경우에 있어서는 합성된 거더의 전단좌굴강도가 일반 가설교량의 H형강 보다 약 40 % 정도 높은 것으로 나타났다.
후속연구
(4) 본 연구 결과로부터 2개의 H형강을 합성하여 장지간 가설교량의 강성을 확보하는 방안이 현장의 필요에 의하여 적용 가능할 수 있을 것으로 판단되며, 이에 따라 추가적으로 형하 공간의 증대와 복공판 이탈을 최소화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
일반 가설교량의 복공판은 주거더 H형강에 용접되어 고정되나 지속적인 활하중 작용에 의하여 이탈되는 경우가 발생하여 노면의 불균형, 복공판 간의 충돌, 차량의 안전사고가 빈번하게 발생하게 된다. 반면에 본 연구의 장지간 가설교량의 작은 H형강은 처짐의 양이 상대적으로 높은 지간 중앙부의 복공판의 이탈을 방지하는 역할을 추가적으로 가지게 되어 공용 과정에서 안전성을 더욱 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
H형강을 이용한 가설교량 공법은 어떠한 제약이 따르는가?
단순 H형강을 이용한 가설교량 공법은 유효지간 거리가 짧기 때문에 단경간의 교각 개수가 많아 시공성이 떨어지고, 교량 하부의 차량통행 공간이 부족하여 도로 및 철도의 횡단에 제약이 따른다. 한편 외부 긴장된 H형강을 이용한 가설교량 공법은 PS강봉으로 프리스트레싱을 주어 장지간 거더를 생산하는 공법으로 정착구의 설치 및 긴장작업 등으로 시공성이 다소 복잡하고, 온도변화에 따른 강봉의 이완으로 도입된 프리스트레스력이 감소하는 문제점이 나타난다.
가설교량의 지간장 증대를 위해 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하고, 지점부 주거더 H형강 하단에 강판을 합성시킨 가설교량을 설계 및 시공하여 현장재하시험으로 실 거동을 분석하고, 해석적 전단좌굴강도와 비선형 거동을 일반 가설교량과 비교 평가한 결과는?
본 논문에서는 가설교량의 지간장 증대를 위하여 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하고, 지점부 주거더 H형강 하단에 강판을 합성시킨 가설교량을 설계 및 시공하여 현장재하시험으로 실 거동을 분석하고, 해석적 전단좌굴강도와 비선형 거동을 일반 가설교량과 비교 평가하였다. 그 결과, 현장재하시험에 의하여 제안된 가설교량의 실제 거동이 설계 과정에서 고려된 거동과 일치하는 것으로 나타났으며, 본 연구의 설계조건에 있어서 제안한 가설교량의 해석적 전단좌굴강도가 일반 가설교량의 전단좌굴강도보다 약 40% 정도 높은 것으로 분석되었다. 또한 제안된 가설교량의 해석적 극한강도는 일반 가설교량 보다 높은 것으로 평가되어 현장여건의 필요에 의해 제안한 가설교량을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
가설교량은 어떻게 활용되고 있었는가?
일반적으로 가설교량은 교량의 신설을 위한 한시적인 우회도로로 활용되거나, 장비의 이동통로, 시공시의 임시동바리로 활용되는 등 여러 용도로 활용되고 있다. 최근 교통량 및 물동량의 증가로 새로운 도로의 개설 및 기존 도로의 확장공사가 실시됨에 따라 가설교량의 수요도 크게 증가하고 있는 추세이다.
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