[논문]일반교량의 내진성능 확보를 위한 기본설계

국승규

doi:10.7734/coseik.2013.26.1.49

일반교량의 내진성능 확보를 위한 기본설계
Basic Design for Earthquake Resistance of Typical Bridges 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.26 no.1, 2013년, pp.49 - 57

초록
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일반교량은 상부구조, 연결부분, 하부구조 및 기초로 구성되어 있고 내진성능은 하부구조와 연결부분의 파괴메카니즘에 의해 결정된다. 그러므로 내진설계는 구조부재의 설계강도, 즉 설계단면을 결정하는 기본설계단계에서 수행되어야 한다. 도로교설계기준 내진설계편은 두 가지 기본설계 방식을 제시하고 있다. 첫째는 기존 설계방식으로 내진설계편이 제시한 응답수정계수를 적용하는 방식이고 둘째는 새로 도입된 연성도 내진설계 방식으로 설계자가 응답수정계수를 결정하는 방식이다. 이 연구에서는 일반교량을 대상으로 두 설계방식을 같이 적용하는 기본설계를 수행하고 내진성능 확보의 관점에서 요구되는 보완사항을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Structural elements of typical bridges are superstructure, connections, substuctures and foundations and earthquake resistance is decided with the failure mechanism formed by substuctures and connections. Therefore earthquake resistant design should be carried out in the basic design step where design strengths, e.g. design sections for structural elements are determined. The Earthquake Resistant Design Part of Korean Roadway Bridge Design Code provides two basic design procedures. The first conventional procedure applies the Code-provided response modification factors. The second new procedure is the ductility-based earthquake resistant design, where designer can determine the response modification factors. In this study, basic designs including the two design processes are carried out for a typical bridge and supplements are identified in view of providing earthquake resistance.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

∙ 기존 설계방식의 나선철근비는 4개 대상교량에서 거의 일정한 값이다. 나선철근비는 체적비이므로 단면감소에 따라 심부구속철근량은 감소하지만 배근면적이 감소하므로 시공성에 대한 검토가 선행되어야 한다.
∙ 기존 설계방식의 적용 시 타설계에서 요구되는 교각기둥의 최소단면으로 인해 내진설계편의 응답수정계수를 만족할 수 없는 경우, 즉 교각기둥 단면의 설계변경이 제한되는 경우는 실제 응답수정계수에 의한 설계가 불가피하다는 것을 고려하여야 한다. 반면 연성도 내진설계는 하부구조의 과다설계라는 설계관행의 검토를 수행하여 과다한 작용력으로 강재받침을 설계해야 하는 상황을 방지해야 한다.
∙ 대상교량 모두 하중조합 1은 강재받침의 소요용량을 어떠한 방법으로 결정해도 연성파괴메카니즘을 구성하나 하중조합 2는 탄성지진력을 기준으로 소요용량을 결정하면 연성파괴메카니즘이 확보되지 않는다.
∙ 연성파괴메카니즘과 휨초과강도로 결정되는 강재받침의 소요용량은 실제적으로 동일한 값으로 간주할 수 있다. 두 방법에 의한 값과 탄성지진력으로 결정한 소요용량과는 큰 차이가 있다.

제안 방법

4(b)와 같이 구성된다. 강재받침의 수평방향 고정/가동 기능에 의한 탄성지진력은 강재받침 위치에서 연결되는 상/하 연결부재의 절점 간에 구속방향 단면력만을 전달하도록 모델링하여 산정하였다. 교각하부(기초상부)는 고정단, 교대는 강재받침의 지점으로 경계조건을 설정하였다.
두 설계방식의 차이는 교각기둥의 단면변경 및 심부구속철근량의 산정이다. 교각기둥의 단면변경은 4개의 대상교량에서 반영되므로 심부구속철근량을 결정하기 위한 나선철근비 또한 4개 대상교량에 두 설계방식을 모두 적용하여 산정/비교하였다.
또한 연성도 내진설계 방식은 교각기둥의 설계를 변경하지 않기 때문에 하부구조의 과다설계라는 설계관행과 연관되므로 이 부분에 대한 검토가 필요하다. 그러므로 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥을 하부구조로 하는 일반교량을 선정하고, 교각기둥 단면을 순차적으로 감소한 4개의 대상교량에 기존 설계방식과 연성도 내진설계 방식을 모두 적용하였다. 이와 같은 기본설계로 동일한 교량에서로 다른 두 설계방식을 적용한 설계결과가 내진성능 확보의 관점에서 제공하는 차별성을 비교/검토하고, 두 설계방식의 선택에서 설계자가 고려해야 하는 사항을 제시하였다.
도로교설계기준 내진설계편은 최근 개정에서 설계자가 응답수정계수를 결정하여 적용할 수 있는 연성도 내진설계 방식을 부록으로 도입하였으며, 또한 철근콘크리트 교각기둥의 파괴메카니즘 검토에 요구되는 항복범위를 산정할 수 있는 규정 및 연결부분의 설계지진력 결정에 관한 새 규정을 제시하였다. 연성도 내진설계 방식과 기존 설계방식의 차이는 교각기둥 단면의 설계부분이므로 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥을 하부구조로 하는 일반교량을 선정하고, 교각기둥 단면을 순차적으로 감소한 4개의 대상교량을 설정하여 두 설계방식을 모두 적용하는 기본설계를 수행하였다.
연성도 내진설계 방식과 기존 설계방식의 차이는 교각기둥 단면의 설계부분이므로 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥을 하부구조로 하는 일반교량을 선정하고, 교각기둥 단면을 순차적으로 감소한 4개의 대상교량을 설정하여 두 설계방식을 모두 적용하는 기본설계를 수행하였다. 설계결과로 소요 응답수정계수, 강재받침의 소요용량 및 나선철근비를 제시하고 내진성능 확보의 측면에서 비교/검토하였다. 두 설계방식의 선택에서 설계자가 고려해야 하는 사항은 다음과 같다.
설계조건으로는 지진구역Ⅰ, 내진Ⅰ등급교, 지반종류Ⅱ를 설정하였다. 지진구역Ⅰ에 해당하는 지진구역계수 0.
도로교설계기준 내진설계편은 최근 개정에서 설계자가 응답수정계수를 결정하여 적용할 수 있는 연성도 내진설계 방식을 부록으로 도입하였으며, 또한 철근콘크리트 교각기둥의 파괴메카니즘 검토에 요구되는 항복범위를 산정할 수 있는 규정 및 연결부분의 설계지진력 결정에 관한 새 규정을 제시하였다. 연성도 내진설계 방식과 기존 설계방식의 차이는 교각기둥 단면의 설계부분이므로 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥을 하부구조로 하는 일반교량을 선정하고, 교각기둥 단면을 순차적으로 감소한 4개의 대상교량을 설정하여 두 설계방식을 모두 적용하는 기본설계를 수행하였다. 설계결과로 소요 응답수정계수, 강재받침의 소요용량 및 나선철근비를 제시하고 내진성능 확보의 측면에서 비교/검토하였다.
연성도 내진설계는 탄성해석으로 구한 작용력(Table 2)으로부터 소요 응답수정계수 Rreq , 소요 변위연성도 μΔ, 소요 곡률연성도 μΦ를 산정하고 이로부터 연성도에 상응하는 나선 철근비 ρs를 결정하는 과정으로 수행한다.
그러므로 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥을 하부구조로 하는 일반교량을 선정하고, 교각기둥 단면을 순차적으로 감소한 4개의 대상교량에 기존 설계방식과 연성도 내진설계 방식을 모두 적용하였다. 이와 같은 기본설계로 동일한 교량에서로 다른 두 설계방식을 적용한 설계결과가 내진성능 확보의 관점에서 제공하는 차별성을 비교/검토하고, 두 설계방식의 선택에서 설계자가 고려해야 하는 사항을 제시하였다.

대상 데이터

2m)으로 구성되어 있다. 강상자형에 사용한 강재는 SM490이고, 콘크리트는 상판 27MPa, 하부구조 24MPa이며, 사용철근은 상판 SD400, 하부구조 SD300이다. 연결부분은 각 강상자형에 2개를 배치한 강재받침으로 구성되어 있다.

성능/효과

1) 교각기둥의 단면감소에 의한 지진력의 감소는 강재받침의 소요용량 결정 및 연성파괴메카니즘 구성 측면에서 내진성능 확보를 용이하게 한다. 그러므로 두 설계 방식 모두 타설계에서 요구되는 최소단면의 선택을 우선적으로 고려해야 한다.
3) 두 설계방식에서 산정되는 나선철근비의 차이는 하중 조합 1, 2의 파괴메카니즘과 연관하여 타당성이 검토되어야 하고, 설계자는 설계결과로 확보되는 파괴메카니즘 및 대책을 제시하여야 한다.

후속연구

2) 내진설계편에 새로 규정된 초과강도의 결정식으로 철근콘크리트 교각기둥의 항복범위를 산정할 수 있으므로 강재받침의 용량결정에 의해 연결부분과 하부구조의 항복순서를 파악할 수 있는 파괴메카니즘 검토를 수행하여야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교량 내진설계의 목적은 무엇인가?	교량 내진설계의 목적은 지진시 붕괴방지수준, 즉 낙교를 방지하는 것이며, 이러한 내진성능은 교량구조의 파괴메카니즘 검토에 의해 확보되어야 한다. 일반교량은 상부구조, 연결 부분, 하부구조 및 기초로 구성되어 있고, 상부구조와 기초의 항복은 낙교를 유발하여 허락되지 않으므로 파괴메카니즘은 하부구조와 연결부분의 항복순서에 의해 결정된다.
	일반교량은 어떻게 구성되어 있는가?	교량 내진설계의 목적은 지진시 붕괴방지수준, 즉 낙교를 방지하는 것이며, 이러한 내진성능은 교량구조의 파괴메카니즘 검토에 의해 확보되어야 한다. 일반교량은 상부구조, 연결 부분, 하부구조 및 기초로 구성되어 있고, 상부구조와 기초의 항복은 낙교를 유발하여 허락되지 않으므로 파괴메카니즘은 하부구조와 연결부분의 항복순서에 의해 결정된다. 하부구조(교각기둥)의 항복이 우선하는 경우는 기둥 단부구역이 소성힌지 역할을 하도록 설계, 연성파괴메카니즘(Ductile Failure Mechanism: DFM)을 구성하여 낙교를 방지할 수 있다.
	내진설계편이 기본적으로 연성파괴메카니즘의 구성을 요구하는 이유는 무엇인가?	하부구조(교각기둥)의 항복이 우선하는 경우는 기둥 단부구역이 소성힌지 역할을 하도록 설계, 연성파괴메카니즘(Ductile Failure Mechanism: DFM)을 구성하여 낙교를 방지할 수 있다. 그러나 연결부분의 항복이 우선하는 경우는 상부구조의 이탈을 유발하는 취성파괴메카니즘(Brittle Failure Mechanism; BFM)이 되므로 전단키와 같은 장치로 낙교는 방지할 수 있으나 상부구조의 파손이 예상되어 경제성 측면에서 불리하다. 이러한 이유로 내진설계편은 기본적으로 연성파괴메카니즘의 구성을 요구하고 있다.

참고문헌 (12)

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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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