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문제 정의
- 경골잔교는 휨과 비틀림이 동시에 발생하는 복잡한 구조이기 때문에 거동분석과 합리적인 설계를 위하여 해석을 통한 거동을 분석하고자 한다. 따라서 beam element를 사용하여 단면력을 도출 후 단면내 응력과 변위를 분석하였다.
제안 방법
- 2.1절에서 언급된 것과 같이 조립식 경골잔교는 비대칭으로 설치 된 구조물로 비틀림이 크게 발생하는 조건을 모사하기 위하여 Spine-girder에 Bone-beam이 한쪽에만 설치되는 형상을 고려하였다. 또한 조립식 경골잔교제작 시 공장 제작된 부재 간의 볼트 연결부에 의한 거동을 살펴보기 위하여 Spine-girder 시편은 볼트 연결부가 있는 시편과 볼트 연결이 없는 일체형 시편 2가지를 제작하였다[Fig.
- Fig. 9, 10을 통하여 볼트연결부가 없는 시험편과 볼트 연결부가 있는 시험편에서 휨에 저항하는 스프링의 강성을 각각 6.0E+7 N/rad, 7.5E+7 N/rad 으로 하였으며 비틀림에 저항하는 스프링의 강성은 각각 0.25E+7 N/rad, 0.83E+7 N/rad으로 하였다.
- Spine girder의 양단은 과도한 비틀림이 발생하므로, 비틀림에 저항하는 완벽한 구속조건을 만들기 위하여 추가적으로 종방향·횡방향의 보강재를 설치하였다.
- Spine-girder는 뒴비틀림 자유도가 고려된 7자유도 Beam을 이용하여 모델링하였다. Spine-girder과 Bone-beam의 중립축의 위치는 Rigid-link element를 이용하여 실제 위치를 모사하였다[Fig. 5].
- 실험 및 해석에서 도출된 Spine-girder의 위치별 응력을 살펴보았다. Spine-girder의 길이방향으로 발생하는 법선응력은 플랜지, 수직방향으로 발생하는 전단응력은 웹에서 결과를 비교하였다.
- Spine-girder의 비틀림 회전각과 Bone-beam 끝단의 수직변위를 비교하였다.
- 8 (d)와 같다. Spine-girder의 중앙부(COS(Center of Spine-girder))와 Bone-beam의 끝단(ELB(End of Long Bone-beam), EMB(End of Middle Bone-beam), ESB(End of Short Bone-beam))에 군중하중을 고려하여 30kN의 하중을 재하하였다.
- 경골잔교의 시험체 제작과 거동특성분석을 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 시험체 형상 제작을 위한 모델링 시 GUI(Graphic User Interface)를 통해 복잡한 형상을 쉽게 모델링할 수 있는 ABAQUS 6.
- 경골잔교는 휨과 비틀림이 동시에 발생하는 복잡한 구조이기 때문에 거동분석과 합리적인 설계를 위하여 해석을 통한 거동을 분석하고자 한다. 따라서 beam element를 사용하여 단면력을 도출 후 단면내 응력과 변위를 분석하였다.
- 본 연구에서는 경골잔교의 비틀림관련 거동분석을 위하여 실대형실험을 수행하였으며, 유한요소해석에 대한 타당성을 검증하였다. 또한 거동분석을 통하여 설계 시 고려되어야 할 사항을 도출하였다.
- 1절에서 언급된 것과 같이 조립식 경골잔교는 비대칭으로 설치 된 구조물로 비틀림이 크게 발생하는 조건을 모사하기 위하여 Spine-girder에 Bone-beam이 한쪽에만 설치되는 형상을 고려하였다. 또한 조립식 경골잔교제작 시 공장 제작된 부재 간의 볼트 연결부에 의한 거동을 살펴보기 위하여 Spine-girder 시편은 볼트 연결부가 있는 시편과 볼트 연결이 없는 일체형 시편 2가지를 제작하였다[Fig. 6, 7].
- 14는 플랜지와 웹에서 비틀림과 휨에 의해 발생하는 응력을 산정하였다. 법선응력과 전단응력은 각각 플랜지 상부 끝단과 플랜지 상부중앙 및 웹의 중앙에서 분석하였다.
- 본 연구에서는 경골잔교의 비틀림관련 거동분석을 위하여 실대형실험을 수행하였으며, 유한요소해석에 대한 타당성을 검증하였다. 또한 거동분석을 통하여 설계 시 고려되어야 할 사항을 도출하였다.
- 비틀림에 취약할 수 있는 구조인 조립식 경골잔교(Fish-bone girder pier)의 거동을 분석하고자, 잔교의 실제크기의 모형을 제작하여 군중하중재하에 따른 거동 계측 및 구조해석을 수행하였다. 본 연구에서 수행한 실험 및 해석을 통하여 다음의 결론을 얻을 수 있었다.
- 13)[9]을 사용하였으며, 4절점 쉘 요소인 S4R 요소를 이용하였다. 선형탄성 해석을 수행하였으며, 양 끝단은 전 자유도를 구속하였다.
- 스트레인 게이지는 Spine-girder 단면내의 응력 분포를 정확히 파악하기 위하여 상·하부플랜지, 좌·우 웹에 3축 스트레인 게이지를 3개씩 부착하였다.
- 5의 Ry) 2가지를 고려하였다. 스프링의 강성은 시험체 종류에 따라 2가지로 결정하였으며, COS하중(Fig.8 (d))에 의해 Rx산정 후 EMB, ESB하중(Fig.8 (d))에 의해 Ry를 산정하였다.
- 시험체는 비틀림과 휨이 동시에 발생하는 구조물로 3축 스트레인 게이지와 변위계를 이용하여 거동과 응력을 분석하였다.
- 따라서 시험체 제작 시 비틀림이 과다하게 발생하는 경우의 조건을 고려하였다. 시험체의 국부적 최대응력 평가와 응력 분포에 따른 변형률 게이지 부착 위치를 결정하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다.
- 실험 및 해석에서 도출된 Spine-girder의 위치별 응력을 살펴보았다. Spine-girder의 길이방향으로 발생하는 법선응력은 플랜지, 수직방향으로 발생하는 전단응력은 웹에서 결과를 비교하였다.
- 실험결과와 해석결과의 비교를 통하여 해석모델의 타당성을 검증하였으며, 동일한 해석 모델을 이용하여 하중재하 시(EMB) Spine-girder에서 발생하는 응력을 분석하였다.
- 응력 분포를 살펴보기 위한 해석은 Fig. 3과 동일한 형상의 모델과 하중을 이용하였으며, 항복응력(235 MPa)이 초과하는 영역 발생 시 보강재를 설치하여 전 구간 탄성 영역내의 응력이 발생하도록 하였다. Fig.
- 이를 해결하기 위하여 상·하부 구조의 거동이 일체화 된 라멘구조의 역할을 종방향 및 횡방향으로 할 수 있는 지그재그 형태의 경골잔교(Fish-bone Girder Pier)를 개발하였다[6].
- 해석 시 선형 탄성해석을 수행하였으며, Spine-girder의 양단은 7자유도에 대하여 모두 구속하였다.
대상 데이터
- 5는 본 연구에서 사용된 시험체의 유한요소해석 모델을 나타낸다. Spine-girder는 뒴비틀림 자유도가 고려된 7자유도 Beam을 이용하여 모델링하였다. Spine-girder과 Bone-beam의 중립축의 위치는 Rigid-link element를 이용하여 실제 위치를 모사하였다[Fig.
- 재료는 도로교 설계기준[11]에서 규정하고 있는 용접 구조용 압연강재 SM400을 사용하였으며, 탄성계수는 210 GPa, 포아송비 0.3을 사용하였다. 실험에서 고려하는 하중은 항만 및 어항 설계기준[1]에서 제안하는 군중하중 5 kN/m2이 반재하 된 경우를 고려하여 31.
- 하중재하 시 KOCED 첨단건설재료실험센터의 5MN 대형부재구조재료시험기를 이용하였으며, 재하위치는 Fig. 8 (d)와 같다. Spine-girder의 중앙부(COS(Center of Spine-girder))와 Bone-beam의 끝단(ELB(End of Long Bone-beam), EMB(End of Middle Bone-beam), ESB(End of Short Bone-beam))에 군중하중을 고려하여 30kN의 하중을 재하하였다.
이론/모형
- 경골잔교의 시험체 제작과 거동특성분석을 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 시험체 형상 제작을 위한 모델링 시 GUI(Graphic User Interface)를 통해 복잡한 형상을 쉽게 모델링할 수 있는 ABAQUS 6.13[7]을 이용하였으며, 거동 분석을 위한 모델링 시 뒴비틂이 고려되는 자유도를 보요소를 통해 쉽게 고려할 수 있는 ADINA 8.9[8]를 사용하였다.
- 해석을 위하여 범용유한요소 해석 프로그램 ABAQUS(6.13)[9]을 사용하였으며, 4절점 쉘 요소인 S4R 요소를 이용하였다. 선형탄성 해석을 수행하였으며, 양 끝단은 전 자유도를 구속하였다.
성능/효과
- (3) 경골잔교는 비틀림에 취약한 구조로써 플랜지의 법선응력은 뒴비틂, 플랜지와 웹의 전단응력은 순수비틂에 의한 영향이 지배적으로 작용하며, 볼트 연결부 설계 및 교각과의 접합부 설계 시 이를 고려해야 한다.
- (b)) 볼트연결부가 있는 시험체의 경우 휨에 저항하는 회전강성은 7E+7 N/rad ∼ 11.5E+7 N/rad, 비틀림에 저항하는 회전강성은 0.8E+7 N/rad ∼ 0.9E+7 N/rad 까지 변화시켜가며, 강성을 도출하였다.
- (Fig. 10 (a), (b)) 스프링의 강성은 설계 시안전측 설계를 위하여 해석에 의해 Bone-beam 끝단에서 발생한 변위값이 실험값보다 큰 경우에 대한 강성을 택하였다.
- Spine-girder의 플랜지에서 발생한 최대 응력은 지간의 중앙에서 발생하였으며, 뒴비틂에 의한 응력이 전체 응력의 88.6%, 수직 휨에 의한 응력이 11.4%를 나타내 법선응력은 뒴비틂에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단된다(a). 플랜지의 전단응력은 지간의 1/4지점 최대 전단응력이 발생하였으며, 전체 전단응력 중 순수비틂에 의해 74.
- 일부 웹에서의 계측결과와 해석결과가 차이가 발생하였으나, 이는 볼트 및 Bone-beam 연결부와 근접한 위치로써 국부적인 영향에 따른 영향으로 판단된다. 따라서 주변 영향이 최소로 고려되는 P2지점에서 실험결과와 응력을 비교하였으며(Table 1) 매우 유사함을 알 수 있다.
- 경골잔교는 종・횡방향에 대하여 라멘구조의 거동을 하며, 하중의 편측재하를 저감시켜 안정성 확보를 하였다. 또한 지점마다 2개의 말뚝을 사용하여 시공되는 문형라멘 형식보다 경제성이 우수하며, 거더의 공장제작을 통한 품질 확보 및 시공성이 보장된다. Fig.
- 보강재가 없을 경우(a) 최대응력은 Bone-beam과 Spine-girder 접합부에서 약 912 MPa가 발생하였으며, 국부적인 응력 집중 현상을 막기 위하여 보강재를 설치 시 (b) 보강재와 Bone-beam 사이에서 약 289 MPa의 응력이 발생하였다. 보강재를 반대편에 추가 설치 시 최대응력이약 215 MPa이 발생하였으며, 전 영역에서 항복응력보다 작은 응력이 발생함을 확인하였다. 따라서 최종 시험체는 Fig.
- 3kN의 하중이 필요하다. 본 실험에서는 1mm 처짐 발생 시 53.7kN의 하중이 재하되어 시험체의 끝단은 단순지지조건과 양단구속조건의 사이의 강성을 갖는 것으로 판단할 수 있다. 이를 고려하기 위하여 해석 모델의 양끝단에 스프링을 모델링하였다.
- 13는 하중에 따른 플랜지 상면의 응력 변화를 나타낸다. 실험 결과는 구조해석 결과와 매우 유사하게 나타났으며, 실험하중 내에서 탄성거동을 하는 것을 확인하였다. 일부 웹에서의 계측결과와 해석결과가 차이가 발생하였으나, 이는 볼트 및 Bone-beam 연결부와 근접한 위치로써 국부적인 영향에 따른 영향으로 판단된다.
- 4%를 나타내 법선응력은 뒴비틂에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단된다(a). 플랜지의 전단응력은 지간의 1/4지점 최대 전단응력이 발생하였으며, 전체 전단응력 중 순수비틂에 의해 74.2%, 수직휨에 의해 3.9%, 뒴비틂에 의해 29.6%로 나타나 순수비틂, 뒴비틂에 의한 영향이 지배적인 것으로 판단된다(b). 웹에서 발생하는 전단응력은 지간의 3/4지점에서 최대응력이 발생하였으며, 전체 전단응력 중 순수비틂에 의해 69.
후속연구
- (2) 실험과 유한요소해석에서 도출된 응력 및 변위 비교를 통하여 해석모델의 타당성을 검증하였으며, 해석을 통하여 경골 잔교의 거동을 정확하게 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 그러나 연결부의 국부적인 응력 집중을 분석하기 위해서는 상세 해석이 필요하다.
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