하단힌지 강합성 라멘교의 구조적 거동에 대한 실험적 연구 An Experimental Study on the Structural Behavior of Steel-Concrete Composite Rahmen Bridge with Hinged End Supports원문보기
라멘교는 모든 부재의 접합부가 강절점으로 구성되어 있는 잘 알려진 교량으로, 교량받침이 불필요하고, 유지관리가 용이하며, 상부구조의 단면을 감소시킬 수 있고, 기타 구조형식에 비해 상대적으로 건설비가 적다는 점 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 다양한 현장에서 시공되고 있다. 또한 최근 경간을 증가시키기 위해 강합성 부재를 상부구조로 사용한 강합성 라멘교의 적용 사례가 증가하고 있다. 그러나 강합성 라멘교는 교량의 경간이 증가하여 부재력이 증가하고, 그에 따라 하부구조가 비경제적으로 설계, 시공되고 있다. 이 연구에서는 교대벽체와 기초 사이에 힌지구조를 적용하여 기초의 모멘트를 감소시킨 신형식 강합성 라멘교를 제안하고, 구조적 성능 및 힌지구조의 성능을 검증하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
라멘교는 모든 부재의 접합부가 강절점으로 구성되어 있는 잘 알려진 교량으로, 교량받침이 불필요하고, 유지관리가 용이하며, 상부구조의 단면을 감소시킬 수 있고, 기타 구조형식에 비해 상대적으로 건설비가 적다는 점 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 다양한 현장에서 시공되고 있다. 또한 최근 경간을 증가시키기 위해 강합성 부재를 상부구조로 사용한 강합성 라멘교의 적용 사례가 증가하고 있다. 그러나 강합성 라멘교는 교량의 경간이 증가하여 부재력이 증가하고, 그에 따라 하부구조가 비경제적으로 설계, 시공되고 있다. 이 연구에서는 교대벽체와 기초 사이에 힌지구조를 적용하여 기초의 모멘트를 감소시킨 신형식 강합성 라멘교를 제안하고, 구조적 성능 및 힌지구조의 성능을 검증하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
The rahmen bridge is well known common type of bridge in which all members are connected rigidly. The rahmen bridge is built for several situations because it has many advantages such as no need of bridge bearing system, easy of maintenance, reduction of the cross-sectional area of superstructure, a...
The rahmen bridge is well known common type of bridge in which all members are connected rigidly. The rahmen bridge is built for several situations because it has many advantages such as no need of bridge bearing system, easy of maintenance, reduction of the cross-sectional area of superstructure, and relatively low construction cost compared with other bridge types. Recently, to lengthen the span of rahmen bridge system, steel-concrete composite beam is used for superstructure of rahmen bridge instead of normal concrete girder with slab. However, member forces are increased because of extension of span length of superstructure and substructure is designed and constructed inefficiently when steel-concrete composite rahmen bridge is designed. In this study, new-type steel-concrete composite bridge is suggested. New-type steel-concrete composite rahmen bridge is adopted hinge connection between abutment and foundation for the reduction of the bending momemt at the foundation. In this study, we present the results of experiment conducted to estimate the load carrying capacity of new-type steel-concrete composite rahmen bridge and the structural characteristics of hinge connection.
The rahmen bridge is well known common type of bridge in which all members are connected rigidly. The rahmen bridge is built for several situations because it has many advantages such as no need of bridge bearing system, easy of maintenance, reduction of the cross-sectional area of superstructure, and relatively low construction cost compared with other bridge types. Recently, to lengthen the span of rahmen bridge system, steel-concrete composite beam is used for superstructure of rahmen bridge instead of normal concrete girder with slab. However, member forces are increased because of extension of span length of superstructure and substructure is designed and constructed inefficiently when steel-concrete composite rahmen bridge is designed. In this study, new-type steel-concrete composite bridge is suggested. New-type steel-concrete composite rahmen bridge is adopted hinge connection between abutment and foundation for the reduction of the bending momemt at the foundation. In this study, we present the results of experiment conducted to estimate the load carrying capacity of new-type steel-concrete composite rahmen bridge and the structural characteristics of hinge connection.
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문제 정의
이 연구에서는 과도한 기초의 크기로 인한 기존 강합성 라멘교의 단점을 극복하기 위해 기초에 휨모멘트를 크게 감소 시킬 수 있는 휨모멘트 전달 분리 시스템을 설치한 하단힌지 강합성 라멘교의 구조적 성능 및 특성을 검토하기 위한 휨강도실험을 실시하였다. 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
또한 기초 크기의 감소로 현장 규모가 축소되기 때문에 협소한 공간에서의 시공이 가능하다. 이 절에서는 프리플랙스 부재를 적용한 하단힌지 강합성 라멘교의 시공과정을 정리하였다.
하단힌지 강합성 라멘교의 휨강도실험은 작용하중에 의한 구조적 거동을 통해 휨모멘트 전달 분리 시스템과 각 구조 요소의 연결부재 및 연결부의 구조적 성능을 평가하기 위해 수행하였다. 또한 실험 중에 거더 중앙부 및 1/4 지점의 처짐과 교대벽체의 휨모멘트 분포를 검토하였다.
이 연구에서는 강합성 부재를 적용한 상부구조와 휨모멘트 감소효과를 기대할 수 있는 힌지 시스템을 도입한 하부구조를 적용한 하단힌지 강합성 라멘교에 대한 휨강도실험을 수행하였다. 휨강도실험은 하단힌지 강합성 라멘교의 하중저항성능과 기초의 휨모멘트 감소효과를 검증하기 위해 수행하였다.
제안 방법
교대벽체(L-1~L-4)와 기초(L-5~L-8)의 회전변위는 각각 2개의 LVDT로 구한 수직변위차를 ㄱ형강의 길이로 나누어 구하였으며, 부재의 횡단면상 중앙단면을 기준으로 평균값을 이용하여 산출하였다.
실험체를 구성하는 강재는 SM490을 사용하였으며, 콘크리트는 분리시공하는 하단힌지 강합성 라멘교의 특성에 따라 기초, 교대벽체, 슬래브를 각각 타설하였다. 또한 각 타설된 콘크리트는 실험 당일에 별도의 압축강도시험을 실시하여 강도를 평가하였다. 압축강도시험은 KS F 2405[6]를 참고로 하여 수행하였으며, 7일, 14일 및 실험당일에 각 5회씩실시하였다.
하단힌지 강합성 라멘교는 가설단계에서 상부구조와 교대벽체를 ㄴ, ㄱ 형태로 가공하고 전단볼트를 삽입하는 방식을 적용하여 별도의 가설구조물 없이 상부거더를 단순거치시키는 신속시공법을 적용하였다. 또한 교대벽체는 1차 교대벽체와 2차 교대벽체를 분리시공하여 일체화하는 방식을 채택하였다. 즉, 1차 교대벽체 타설 전 앵커볼트를 삽입하고, 교대벽체 양생 후 이 앵커볼트에 공장제작된 연결강형을 마감판(end plate) 방식으로 단순거치시키도록 구성하였다.
하단힌지 강합성 라멘교의 휨강도실험은 작용하중에 의한 구조적 거동을 통해 휨모멘트 전달 분리 시스템과 각 구조 요소의 연결부재 및 연결부의 구조적 성능을 평가하기 위해 수행하였다. 또한 실험 중에 거더 중앙부 및 1/4 지점의 처짐과 교대벽체의 휨모멘트 분포를 검토하였다.
휨강도실험 결과, 하단힌지 강합성 라멘교의 외관상 최초균열은 420kN 재하시 교대벽체의 시공이음부에서 발생하였고, 2번째 균열은 650kN 재하시 상부헌치와 우각부 사이의 접합부에서 발생하였으며, 3번째 균열은 930kN 재하시 교대벽체와 우각부 사이의 접합부인 벽체 배면부에서 발생하였다. 또한 휨강도실험은 균열하중에 대한 구조적 안전성 및 휨모멘트 전달 분리 시스템의 거동 특성을 판단하기 위한 것이기 때문에 실험 중 안전을 위해 1,200kN까지 재하하였다. 실험체에 발생한 균열 양상 및 균열 발생 위치는 Fig.
실험은 기초의 휨모멘트전달 분리 시스템의 회전변위가 상대적으로 크게 발생하여 데이터 확보가 용이하도록 3점재하방식(3-point bending test)로 실시하였으며, 거더 중앙부와 1/4 지점에 와이어게 이지를 설치하여 수직방향 변위를 측정하고(W1, W2), 우각부에 LVDT를 설치하여 횡방향 변위를 측정하였으며(L9, L10), 한 개의 기초와 교대벽체 좌우에 ㄱ형강을 각각 2개씩 설치하여 8개의 LVDT(L1~L8)로 회전변위를 측정하였다.
압축강도시험은 KS F 2405[6]를 참고로 하여 수행하였으며, 7일, 14일 및 실험당일에 각 5회씩실시하였다.
이 연구에서는 강합성 부재를 적용한 상부구조와 휨모멘트 감소효과를 기대할 수 있는 힌지 시스템을 도입한 하부구조를 적용한 하단힌지 강합성 라멘교에 대한 휨강도실험을 수행하였다. 휨강도실험은 하단힌지 강합성 라멘교의 하중저항성능과 기초의 휨모멘트 감소효과를 검증하기 위해 수행하였다.
즉, 1차 교대벽체 타설 전 앵커볼트를 삽입하고, 교대벽체 양생 후 이 앵커볼트에 공장제작된 연결강형을 마감판(end plate) 방식으로 단순거치시키도록 구성하였다.
하단힌지 강합성 라멘교는 가설단계에서 상부구조와 교대벽체를 ㄴ, ㄱ 형태로 가공하고 전단볼트를 삽입하는 방식을 적용하여 별도의 가설구조물 없이 상부거더를 단순거치시키는 신속시공법을 적용하였다. 또한 교대벽체는 1차 교대벽체와 2차 교대벽체를 분리시공하여 일체화하는 방식을 채택하였다.
하단힌지 강합성 라멘교는 상부구조 연결시 단순가설이 가능한 연결강형을 도입하여 가설의 편의성과 구조적 안전성을 동시에 구현하였다. 또한 기초의 하단힌지는 휨모멘트 감소효과로 인해 기초 콘크리트의 물량이 감소하고, 그로 인한 터파기량 및 공사현장의 규모, 기초 내 보강철근량이 감소하고, 말뚝기초를 적용할 경우 파일 개수 또한 감소하기 때문에 경제성, 시공성, 구조 안전성 확보 측면의 장점을 가지고 있다.
실험체는 2개의 주형(I-390×300×10×16)으로 구성되어 있으며, 중앙에 가로보(I-250×250×9×14) 1개를 설치하였다.
실험체를 구성하는 강재는 SM490을 사용하였으며, 콘크리트는 분리시공하는 하단힌지 강합성 라멘교의 특성에 따라 기초, 교대벽체, 슬래브를 각각 타설하였다. 또한 각 타설된 콘크리트는 실험 당일에 별도의 압축강도시험을 실시하여 강도를 평가하였다.
하단힌지 강합성 라멘교의 휨강도실험은 Fig. 11에 나타낸 것과 같이 플레이트 거더(plate girder)를 이용한 길이 17.1m, 폭 3.0m, 높이 3.2m의 단경간교를 제작하여 수행하였다. 실험체는 2개의 주형(I-390×300×10×16)으로 구성되어 있으며, 중앙에 가로보(I-250×250×9×14) 1개를 설치하였다.
하단힌지 강합성 라멘교의 휨강도실험은 한국건설기술연구원 구조실험동에서 수행하였다. 실험은 기초의 휨모멘트전달 분리 시스템의 회전변위가 상대적으로 크게 발생하여 데이터 확보가 용이하도록 3점재하방식(3-point bending test)로 실시하였으며, 거더 중앙부와 1/4 지점에 와이어게 이지를 설치하여 수직방향 변위를 측정하고(W1, W2), 우각부에 LVDT를 설치하여 횡방향 변위를 측정하였으며(L9, L10), 한 개의 기초와 교대벽체 좌우에 ㄱ형강을 각각 2개씩 설치하여 8개의 LVDT(L1~L8)로 회전변위를 측정하였다.
(3) 기초의 변형률은 설계하중에서 부착 위치와 관계없이 거의 유사하게 나타났다. 따라서 기초에 발생하는 응력은 휨응력보다는 압축응력이 지배적이고, 휨응력은 상부구조로부터 전달되는 휨모멘트가 아닌 기초에 발생한 횡변위에 의한 편심모멘트에 의한 것으로 생각된다.
(4) 기초의 단면 내에 발생하는 응력은 전단면에서 유사하게 나타났으며, 기초에 발생하는 휨모멘트는 강재의 변형률에서 추정한 결과 2.380kN･m, 콘크리트의 변형률에서 추정한 결과 2.995kN･m로 매우 작은 값을 나타내었다. 이와 같은 휨모멘트는 상부구조로부터 전달되는 휨모멘트가 아닌 기초에 발생한 전단력에 의한 편심모멘트에 의한 것으로 추측되며, 전통적인 기초의 설계법으로 산정되는 전단력에 의한 설계모멘트(90.
3배 작게 발생하였다. 따라서 하단힌지 강합성 라멘교는 보수적인 기초 설계를 통해 안전성을 확보하고 있는 것을 확인하였다.
시공이음부에서 발생한 최초 균열은 시공이음부의 불연속적 특성에 의한 것으로 판단되며, 하단힌지 강합성 라멘교의 하중저항성능 저하에 의한 균열은 라멘교의 구조적 특성상 가장 큰 휨모멘트가 발생하는 상부헌치와 우각부 사이의 접합부에서 발생한 균열이라고 생각된다. 또한 외관상 균열하중(420kN)은 설계하중(360kN)보다 약 1.17배 크게 나타났기 때문에 하단힌지 강합성 라멘교는 충분한 구조적 안전성을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 또한 실험시 재하한 최대하중(1,200kN)에서 발생한 처짐은 중앙부 57.
이러한 영향은 800kN 이후 좌측 기초에 수평력에 의한 변위가 발생하고, 발생한 변위에 의한 편심(eccentric)으로 인해 추가 휨모멘트가 발생했기 때문으로 생각된다. 또한 우측 기초의 응력분포는 게이지 위치에 따라 약간의 차이를 나타내어 휨압축거동의 특성을 나타내었으나 거의 유사하게 나타났다. 따라서 기초에 발생하는 응력은 휨응력보다는 압축응력이 지배적이고, 휨응력은 상부구조로부터 전달되는 휨모멘트가 아닌 기초에 발생한 횡변위에 의한 편심모멘트에 의한 것으로 생각된다.
좌측 기초에 부착한 게이지는 설계하중 이후 약 800kN까지 선형과 유사한 거동을 나타내었으며, 우측 기초에 부착한 게이지는 800kN 이후에도 선형과 유사한 거동을 나타내었다. 이러한 영향은 800kN 이후 좌측 기초에 수평력에 의한 변위가 발생하고, 발생한 변위에 의한 편심(eccentric)으로 인해 추가 휨모멘트가 발생했기 때문으로 생각된다.
휨강도실험 결과, 하단힌지 강합성 라멘교의 외관상 최초균열은 420kN 재하시 교대벽체의 시공이음부에서 발생하였고, 2번째 균열은 650kN 재하시 상부헌치와 우각부 사이의 접합부에서 발생하였으며, 3번째 균열은 930kN 재하시 교대벽체와 우각부 사이의 접합부인 벽체 배면부에서 발생하였다. 또한 휨강도실험은 균열하중에 대한 구조적 안전성 및 휨모멘트 전달 분리 시스템의 거동 특성을 판단하기 위한 것이기 때문에 실험 중 안전을 위해 1,200kN까지 재하하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강합성 라멘교 시공의 문제점은?
또한 최근 경간을 증가시키기 위해 강합성 부재를 상부구조로 사용한 강합성 라멘교의 적용 사례가 증가하고 있다. 그러나 강합성 라멘교는 교량의 경간이 증가하여 부재력이 증가하고, 그에 따라 하부구조가 비경제적으로 설계, 시공되고 있다. 이 연구에서는 교대벽체와 기초 사이에 힌지구조를 적용하여 기초의 모멘트를 감소시킨 신형식 강합성 라멘교를 제안하고, 구조적 성능 및 힌지구조의 성능을 검증하기 위한 실험적 연구를 수행하였다.
하단힌지 강합성 라멘교에서, 휨모멘트 감소효과로 얻는 장점은?
하단힌지 강합성 라멘교는 상부구조 연결시 단순가설이 가능한 연결강형을 도입하여 가설의 편의성과 구조적 안전성을 동시에 구현하였다. 또한 기초의 하단힌지는 휨모멘트 감소효과로 인해 기초 콘크리트의 물량이 감소하고, 그로 인한 터파기량 및 공사현장의 규모, 기초 내 보강철근량이 감소하고, 말뚝기초를 적용할 경우 파일 개수 또한 감소하기 때문에 경제성, 시공성, 구조 안전성 확보 측면의 장점을 가지고 있다.
라멘교의 장점은?
라멘교는 모든 부재의 접합부가 강절점으로 구성되어 있는 잘 알려진 교량으로, 교량받침이 불필요하고, 유지관리가 용이하며, 상부구조의 단면을 감소시킬 수 있고, 기타 구조형식에 비해 상대적으로 건설비가 적다는 점 등 많은 장점을 가지고 있기 때문에 다양한 현장에서 시공되고 있다. 또한 최근 경간을 증가시키기 위해 강합성 부재를 상부구조로 사용한 강합성 라멘교의 적용 사례가 증가하고 있다.
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