현행 국내 1등교 활하중 설계기준은 DB-24하중과 DL-24하중을 적용하고 있다. 특히 45m 이상의 장경간 교량에서는 DB-24하중보다 DL-24 하중에 의한 전단력, 모멘트가 지배적인 것으로 나타나 대부분 DL-24하중을 적용하여 설계하고 있다. 그러나 실제 교량에서트럭하중은 한 점에 머무르며 작용하지 않고 교량 위를 종방향으로 이동하며 작용하므로, 이러한 이동 효과를 고려하여 이동트럭하중(ML-24)을 정의하여 DL-24하중과 비교한 결과, DL-24하중은 50m 경간을 기준으로 이동트럭 하중(ML-24)에 의한 전단력을 전 구간에서 만족시키지 못하였고, 모멘트의 경우도 일부구간에서 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 본 논문에서는 경간 50m를 기준으로 현재 DL-24하중을 구성하는 하중 인자를 조정하여 새로운 활하중 모델인 RL-24하중을 제시하였으며, 이를 경간 45~60m 단순교에 적용시켜 검토한 결과, 실제 작용 하중과 유사한 ML-24하중에 의해 교량에 작용하는 모멘트와 전단력을 모두 만족하였으며, 특히 문제점으로 발견되었던 부재 중앙과 부재 단부에서의 전단력 비율이 일정하게 유지되는 결과를 얻었다. 또한 국내의 활하중 모델들과의 비교를 통하여 RL-24하중 조정안의 적절성과 그 적용성을 검토하였다. 본 연구에서는 최근 연구개발과 실용화가 활발한 60m 경간급의 1등급 교량에 대하여 실제 트럭의 이동 효과를 고려하여 모멘트와 전단력에 대하여 합리적인 설계가 이루어질 수 있도록 새로운 설계기준을 제시하였다.
현행 국내 1등교 활하중 설계기준은 DB-24하중과 DL-24하중을 적용하고 있다. 특히 45m 이상의 장경간 교량에서는 DB-24하중보다 DL-24 하중에 의한 전단력, 모멘트가 지배적인 것으로 나타나 대부분 DL-24하중을 적용하여 설계하고 있다. 그러나 실제 교량에서트럭하중은 한 점에 머무르며 작용하지 않고 교량 위를 종방향으로 이동하며 작용하므로, 이러한 이동 효과를 고려하여 이동트럭하중(ML-24)을 정의하여 DL-24하중과 비교한 결과, DL-24하중은 50m 경간을 기준으로 이동트럭 하중(ML-24)에 의한 전단력을 전 구간에서 만족시키지 못하였고, 모멘트의 경우도 일부구간에서 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 본 논문에서는 경간 50m를 기준으로 현재 DL-24하중을 구성하는 하중 인자를 조정하여 새로운 활하중 모델인 RL-24하중을 제시하였으며, 이를 경간 45~60m 단순교에 적용시켜 검토한 결과, 실제 작용 하중과 유사한 ML-24하중에 의해 교량에 작용하는 모멘트와 전단력을 모두 만족하였으며, 특히 문제점으로 발견되었던 부재 중앙과 부재 단부에서의 전단력 비율이 일정하게 유지되는 결과를 얻었다. 또한 국내의 활하중 모델들과의 비교를 통하여 RL-24하중 조정안의 적절성과 그 적용성을 검토하였다. 본 연구에서는 최근 연구개발과 실용화가 활발한 60m 경간급의 1등급 교량에 대하여 실제 트럭의 이동 효과를 고려하여 모멘트와 전단력에 대하여 합리적인 설계가 이루어질 수 있도록 새로운 설계기준을 제시하였다.
The current domestic design criteria of live load employs DL-24 load and DB-24 load. Particularly for long span bridges above 45meters, DL-24 load is forced to apply and design them, since the shearing force and the moment of DL-24 load appears more dominate than those of DB-24. But it appeared that...
The current domestic design criteria of live load employs DL-24 load and DB-24 load. Particularly for long span bridges above 45meters, DL-24 load is forced to apply and design them, since the shearing force and the moment of DL-24 load appears more dominate than those of DB-24. But it appeared that this DL-24 load didn't meet the vehicles traveling load, which affected bridges in real use. Hence this paper defined ML-24 load similar to the load applied to real bridges and also defined a new live load model, RL-24 load, after adjusting the existing DL-24 load, which doesn't meet the moment and the shearing force of ML-24. As the result of applying and reviewing RL-24 load to simple bridges of span of 45~60m, the results satisfying both the moment and the shearing force applied to bridges in real use by traveling load were attained. Besides, the applicability of it was examined in comparison with live load models of home and abroad.
The current domestic design criteria of live load employs DL-24 load and DB-24 load. Particularly for long span bridges above 45meters, DL-24 load is forced to apply and design them, since the shearing force and the moment of DL-24 load appears more dominate than those of DB-24. But it appeared that this DL-24 load didn't meet the vehicles traveling load, which affected bridges in real use. Hence this paper defined ML-24 load similar to the load applied to real bridges and also defined a new live load model, RL-24 load, after adjusting the existing DL-24 load, which doesn't meet the moment and the shearing force of ML-24. As the result of applying and reviewing RL-24 load to simple bridges of span of 45~60m, the results satisfying both the moment and the shearing force applied to bridges in real use by traveling load were attained. Besides, the applicability of it was examined in comparison with live load models of home and abroad.
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문제 정의
활하중 설계기준은 발생하는 모멘트와 전단력을 만족하도록 설계하고 있다. 따라서 본 연구에서는 Table 1과 같은 국내 설계기준의 활하중과 기타 국내의 연구를 통하여 제시된 설계 하중들에 의하여 발생하는 모멘트와 전단력을 분석하여 이와의 비교를 통해 설계 하중을 제시하고, 제시한 설계하중의 적합성 여부를 판단하였다.
본 연구에서는 실제 사용 상태에서 교량에 작용하는 활하중과 유사한 형태인 이동하중을 정의하기 위하여 다음과 같은 트럭하중을 설정하였다.
앞서 DL-24, DB-24, ML-24 하중에 의한 모멘트 및 전단력 비교를 통하여 도출된 문제점을 보완하기 위해서는 설계기준에 명시되어있는 하중을 현 실정에 맞도록 다소 조정할 필요가 있다. 본 연구에서는 점차 45m이상의 장경간 교량이 증가하는 추세와 이러한 장경간 교량에서는 DL-24가 우세하게 작용한다는 점을 고려하여 DL-24의 하중 구성을 조정하여 문제점을 해결하도록 한다.
앞에서 제시한 RL-24를 국내외 활하중 설계기준과 비교하여 그 적용성을 검토해 보았다.
이에 본 연구는 실제 사용 상태에서 교량에 작용하는 활하중과 유사한 형태인 이동트럭하중(ML, moving load)에 의한 ML-24하중을 정의하고, 이것을 경간 45~60m인 교량에 적용하여 현행 활하중 설계기준인 DL-24, DB-24하중과 비교함으로써 실제트럭의 이동에 따른 모멘트, 전단력을 만족하도록 DL-24하중을 조정한 활하중 설계기준을 제시하고 그 적용성을 검토하고자 한다.
제안 방법
(1) 실제 트럭과 유사한 형태의 ML-24하중을 정의하고, ML-24하중을 이동 재하하여 트럭의 이동효과에 의해 실제 교량에 발생하는 모멘트와 전단력을 분석하였다. 이를 바탕으로 DL-24를 조정하여 새로운 활하중 설계기준인 RL-24를 제시하였다.
위와 같이 활하중 설계기준은 1등급, 2등급, 3등급 교량에 따라 달리 적용되고 있으나, 본 연구에서는 1등급 교량만을 분석하였다. 2, 3등급 교량의 경우 최근 중차량의 증가에 따라 교량의 수가 점차 줄어드는 추세이고, 지간 길이가 짧은 소형 교량의 경우 이동 트럭하중에 의한 모멘트와 전단력의 효과가 미미하다고 판단되어 1등급 교량 적용을 기준으로 본 연구를 진행하였다.
Figure 2(b)와 Figure 2(c)는 각각 DB-24하중에 의한 모멘트도와 전단력도를 도시한 것이다. DL-24하중과 같이 하중계수를 적용하지 않은 경우와 적용한 경우, 두 가지로 나누어 도시하였다.
은 DB-24하중에 의하여 발생하는 최대 모멘트 값을 이용하여 이를 단일 집중하중으로 변환한 것이다. 단일 집중하중으로 변환하여 재하한 결과와 3점 하중으로 변환하여 재하한 결과와의 비교 시 최대 모멘트의 차이가 크지 않으므로 편의상 단일 집중하중으로 변환하여 계산하였다.
본 연구는 실제 트럭 통행 상태에서의 교량에 작용하는 활하중과 유사한 형태의 ML-24를 정의하고, 이를 장경간 교량이 증가하는 최근의 추세에 따라 지간길이 50m의 단경간 교량에 적용하여 국내의 활하중 설계기준과 비교, 분석함으로써 다음과 같은 결론을 얻었다.
위와 같이 활하중 설계기준은 1등급, 2등급, 3등급 교량에 따라 달리 적용되고 있으나, 본 연구에서는 1등급 교량만을 분석하였다.
(1) 실제 트럭과 유사한 형태의 ML-24하중을 정의하고, ML-24하중을 이동 재하하여 트럭의 이동효과에 의해 실제 교량에 발생하는 모멘트와 전단력을 분석하였다. 이를 바탕으로 DL-24를 조정하여 새로운 활하중 설계기준인 RL-24를 제시하였다.
새로운 국내 활하중 설계기준안을 제안하고 있는 제안하중조합 1, 2(황의승, 2009)는 Figure 5(a)와 같다. 제안 하중조합은 차량하중과 차로하중의 조합을 이용하여 교량에 가장 불리한 하중을 가하는 AASHTO LRFD(2004)의 활하중 규정과 유사한 형태의 활하중 모델로써 Figure에 제시된 두 가지 하중 조합 중 더 큰 값을 설계 시 적용하도록 제안하고 있다. 이러한 제안하중조합의 하중재하개념도와 모멘트도, 전단력도는 Figure 5(b)와 Figure 5(c)에 도시되어있다.
성능/효과
(2) 현행 활하중 설계기준을 이용하여 경간 50m 교량에 적용한 결과 중앙부 최대 모멘트는 DL-24에 의한 값이 ML-24에 의한 값을 만족하였으나, 양 단부 15m 구간의 모멘트는 ML-24에 의한 값보다 다소 부족한 것으로 나타났다.
(3) 단부 및 중앙부의 전단력의 경우는 모두 DL-24에 의한 값이 ML-24에 의한 값보다 작게 산정되었다. 특히 중앙부의 경우에는 DL-24에 의한 값은 ML-24에 의한 값의 40% 수준으로, 교량 중앙부에서 전단에 대한 안전성이 다소 부족한 것으로 판단된다.
(4) DL-24를 조정한 RL-24를 적용한 결과 조정 전 최대 모멘트 비율은 1.07에서 조정 후 1.15로, 부재 단부에서의 최대 전단력, 부재 중앙부에서의 전단력 비율은 조정 전 각각 0.99, 0.40에서 조정 후 1.49, 1.28로 평균 1.39의 비슷한 비율을 나타냈다.
(5) 본 연구에서 제시한 RL-24를 기존에 제시된 차량하중모델 Code70 및 Code91과 비교한 결과 전단력과 모멘트를 모두 만족하는 결과가 나타났다. 이는 국내 실제 통행차량의 빈도와 중량을 토대로 설정된 차량하중 모델을 만족한 것으로, RL-24는 최근 국내 차량 통행이 고려된 경우에도 충분히 적용성이 있다고 판단된다.
(6) 본 연구에서 제안된 RL-24하중은 45∼60m 단경간 교량에 적용 시 ML-24를 만족하며 DL-24하중에 의한 문제점을 개선하는 결과를 나타냈다.
Table 4에 따르면 앞서 살펴본 순 지간 49m보다 더 긴 교량에서도 RL-24는 기존 DL-24에 의하여 작은 값으로 산정되고 있는 중앙부의 전단력을 보강하여 단부와 중앙부 전단력의 비율을 54m의 경우 기존 1.08, 0.39, 평균 0.74에서 1.57, 1.26, 평균 1.42로, 59m의 경우 1.15, 0.39, 평균 0.77에서 1.64, 1.26, 평균 1.45로 경간 길이의 증가에도 전단력의 비율이 ML-24를 만족하며 비교적 일정하게 유지하는 것을 알 수 있다. 또한 기준으로 정한 순 지간 49m보다 짧은 순 지간 44m 교량에 적용 시에도 단부의 전단력을 기존 0.
그 결과를 살펴보면 조정 전 최대 모멘트의 경우 비율이 1.07에서 조정 이후 1.15로 상향되었으며, 부재 단부에서의 최대 전단력, 부재 중앙부에서의 전단력 비율은 각각 0.99, 0.40이었으나, 조정 이후 1.49, 1.28로 평균 1.39 정도의 비슷한 비율을 보이며 ML-24를 만족하고 있다.
그래프에서 알 수 있듯이 본 연구에서 제시한 RL-24의 중앙부 최대 모멘트 5,718kN-m는 Code70 및 Code91의 최대값 4,598kN-m, 4084kN-m를 모두 만족하고 있다. 전단력의 경우도 단부와 중앙부 모두 587kN, 250kN으로 Code70 및 Code91의 값 205kN, 83kN과 176kN, 42kN보다 크게 나타나 모멘트와 전단력 모두 안전측에 속한다.
그러나 전단력의 경우 DB-24에 의한 전단력은 ML-24에 의한 전단력보다 전체 지간에서 작은 값을 나타내고 있는데, 이는 실제 트럭의 이동에 의해 발생하는 ML-24 전단력보다 경간 중앙부에 재하된 DB-24에 의한 전단력이 작게 산정된 것이다. 따라서 DB-24에 의한 전단력 검토가 필요한 경우에도 이동 트럭하중에 의한 ML-24로 전단력을 검토하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
45로 경간 길이의 증가에도 전단력의 비율이 ML-24를 만족하며 비교적 일정하게 유지하는 것을 알 수 있다. 또한 기준으로 정한 순 지간 49m보다 짧은 순 지간 44m 교량에 적용 시에도 단부의 전단력을 기존 0.94, 0.40, 평균 0.67에서 1.43, 1.29, 평균 1.36으로 ML-24를 만족 함을 알 수 있다.
이는 RL-24하중에 의한 값에 비하여 각각 143%, 118%에 해당하는 값이다. 본 연구에서 제안한 RL-24하중의 모멘트는 DL-24하중의 107%에 해당하므로, 제안하중조합의 모멘트는 현행 DL-24하중에 비하여 각각 154%, 127%로 큰 값을 나타내는 것이다.
Figure 6(b)에서 전단 위험단면이 위치한 단부 측에서 발생하는 각 하중조건별 최대 전단력은 DL-24 조건하에서 389kN, ML-24 조건 하에서 391kN, DB-24 조건하에서 228kN 순으로 발생한다. 실제 교량의 사용하중 상태와 유사한 ML-24에 비하여 DL-24와 DB-24에 의한 전단력은 각각 99%, 58% 수준으로 발생하는 것을 알 수 있다.
실제 트럭의 이동과 유사한 ML-24하중과 비교하면, RL-24하중이 ML-24하중의 모멘트와 전단력을 모두 만족하는 것으로 나타난 반면, 제안하중조합은 모멘트와 전단력이 RL-24하중과 각각 다른 양상을 나타내는 것으로 나타났다.
이는 본 연구에서 제시한 RL-24하중에 의한 모멘트와 전단력 값이 Code70 및 Code91에 의한 모멘트와 전단력 값을 모두 만족하는 결과로, 실제 국내 통행차량을 조사하여 그 중 가장 빈도가 높고 무거운 차량의 하중모델을 만족하는 값으로 국내 실제 실정에 상당히 적합한 것으로 판단된다.
39 정도의 비슷한 비율을 보이며 ML-24를 만족하고 있다. 이는 실제 사용 상태에서보다 과소 설계가 이루어지던 부재 단부와 중앙부의 최대 전단력을 높이는 효과를 나타낸 것으로써, 특히 최대 전단력의 40% 수준에 머무르던 중앙부의 전단력을 128%수준으로 조정하는 효과를 보였다.
후속연구
현재 국내 도로상에서는 도로법에 의거하여 차량의 총중량 400kN, 축하중 100kN을 넘는 차량을 과적차량으로 제한하여 교량에 가해지는 하중을 통제하고 있다. 그러나 실제 통행하는 차량은 이러한 규정보다 무거운 중량의 차량이 통행되고 있으며, 때문에 과거에 제정된 설계 활하중이 현재 실제 통행하는 트럭에 의한 하중 효과를 제대로 반영하고 있는지 검토할 필요가 있었다. 또한 이러한 활하중 설계기준이 최근 장경간 교량으로 건설하고 있는 신설 교량에 적합한 지에 관한 검토는 미비한 실정이다.
(6) 본 연구에서 제안된 RL-24하중은 45∼60m 단경간 교량에 적용 시 ML-24를 만족하며 DL-24하중에 의한 문제점을 개선하는 결과를 나타냈다. 그러나 이는 DL-24의 하중 구성을 조정한 하나의 제시안으로써, 60m 이상의 장대교량 또는 연속교 등의 해석에도 동일한 분석을 통하여 해당 조건에 부합하는 RL-24 하중을 제안할 수 있을 것으로 사료된다.
앞서 DL-24, DB-24, ML-24 하중에 의한 모멘트 및 전단력 비교를 통하여 도출된 문제점을 보완하기 위해서는 설계기준에 명시되어있는 하중을 현 실정에 맞도록 다소 조정할 필요가 있다. 본 연구에서는 점차 45m이상의 장경간 교량이 증가하는 추세와 이러한 장경간 교량에서는 DL-24가 우세하게 작용한다는 점을 고려하여 DL-24의 하중 구성을 조정하여 문제점을 해결하도록 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
현행 국내 1등교 활하중 설계기준은 무엇을 적용하고 있는가?
현행 국내 1등교 활하중 설계기준은 DB-24하중과 DL-24하중을 적용하고 있다. 특히 45m 이상의 장경간 교량에서는 DB-24하중보다 DL-24 하중에 의한 전단력, 모멘트가 지배적인 것으로 나타나 대부분 DL-24하중을 적용하여 설계하고 있다.
45m 이상의 장경간 교량에서는 왜 DL-24하중을 대부분 적용하는가?
현행 국내 1등교 활하중 설계기준은 DB-24하중과 DL-24하중을 적용하고 있다. 특히 45m 이상의 장경간 교량에서는 DB-24하중보다 DL-24 하중에 의한 전단력, 모멘트가 지배적인 것으로 나타나 대부분 DL-24하중을 적용하여 설계하고 있다. 그러나 실제 교량에서트럭하중은 한 점에 머무르며 작용하지 않고 교량 위를 종방향으로 이동하며 작용하므로, 이러한 이동 효과를 고려하여 이동트럭하중(ML-24)을 정의하여 DL-24하중과 비교한 결과, DL-24하중은 50m 경간을 기준으로 이동트럭 하중(ML-24)에 의한 전단력을 전 구간에서 만족시키지 못하였고, 모멘트의 경우도 일부구간에서 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
현행 국내 1등교 활하중 설계기준 중, DL-24의 한계는 무엇인가?
특히 45m 이상의 장경간 교량에서는 DB-24하중보다 DL-24 하중에 의한 전단력, 모멘트가 지배적인 것으로 나타나 대부분 DL-24하중을 적용하여 설계하고 있다. 그러나 실제 교량에서트럭하중은 한 점에 머무르며 작용하지 않고 교량 위를 종방향으로 이동하며 작용하므로, 이러한 이동 효과를 고려하여 이동트럭하중(ML-24)을 정의하여 DL-24하중과 비교한 결과, DL-24하중은 50m 경간을 기준으로 이동트럭 하중(ML-24)에 의한 전단력을 전 구간에서 만족시키지 못하였고, 모멘트의 경우도 일부구간에서 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 본 논문에서는 경간 50m를 기준으로 현재 DL-24하중을 구성하는 하중 인자를 조정하여 새로운 활하중 모델인 RL-24하중을 제시하였으며, 이를 경간 45~60m 단순교에 적용시켜 검토한 결과, 실제 작용 하중과 유사한 ML-24하중에 의해 교량에 작용하는 모멘트와 전단력을 모두 만족하였으며, 특히 문제점으로 발견되었던 부재 중앙과 부재 단부에서의 전단력 비율이 일정하게 유지되는 결과를 얻었다.
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American Association of State Highway and Transportation Officials (2004). AASHTO LRFD bridge design specifications.
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