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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 남북과학 기술교류협력사업 수행당시 확보한 ‘운수건설총서-다리건설(Kim et al., 1999)’의 자료를 바탕으로 군 입장에서 북한지역에 있는 여러 교량들의 능력을 가늠할 수 있도록 하고자 한다. 이를 위해 북한의 표준트럭하중과 군용표준가상차량하중을 비교하여 북한교량의 등급별 수준을 군용하중으로 추정해 보았다.
제안 방법
- 11-User Documentation, 2007)를 이용하여 유한요소 해석을 하였다. 교량의 설계는 설계조건과 세부기준에 따라 다양한 결과가 나타날 수 있으나 본 연구에서는 북한 표준트럭과 군용표준하중의 활하중 차이에 따라 발생하는 영향만을 비교하였다. 그리고 앞서 분석한 교량의 능력에 북한의 교량 관리상태를 고려하여 강도감소계수를 0.
- 교량의 표준도면을 분석한 결과 슬래브 교는 1등교(76 W /50 T), 2등교(57 W / 37 T), 3등교(30 W / 24 T)의 수준을, 조립식 T형 교는 1등교로써 60 W / 52 T의 수준을, PSC T형 교 역시 1등교로써 67 W / 70 T의 수준을 보였다. 그리고 1986년 이전설계기준에 따른 슬래브 교의 휨 강도와 조립식 T형 교의 1, 2, 3등교 표준도면의 능력을 북한 철근량 계산식을 이용해 추정해보았다.
- 이를 위해 북한의 표준트럭하중과 군용표준가상차량하중을 비교하여 북한교량의 등급별 수준을 군용하중으로 추정해 보았다. 그리고 북한 표준트럭과 군용 표준가상차량하중을 북한 표준교량에 재하한 후의 응답을 통해 북한의 표준교량을 군용하중급수로 판단할 수 있도록 하였다. 또한, 상용 구조해석프로그램(ABAQUS)을 이용한 유한요소법 해석을 통해 먼저 계산한 북한교량의 능력을 검증 및 비교하였다.
- 교량의 설계는 설계조건과 세부기준에 따라 다양한 결과가 나타날 수 있으나 본 연구에서는 북한 표준트럭과 군용표준하중의 활하중 차이에 따라 발생하는 영향만을 비교하였다. 그리고 앞서 분석한 교량의 능력에 북한의 교량 관리상태를 고려하여 강도감소계수를 0.9 대신 ‘보통손상 / 평가자료(이론) / 현장조사(개략) / 유지보수(불량)’에 해당하는 AASHTO 기준인 콘크리트 교량 0.75, PSC 교량 0.8을 적용한 활하중 휨강도 값도 함께 비교하였다. 이때, 교량에 최대 휨 모멘트를 부여하기 위해 차량하중은 차선을 준수하지 않았으며 단위하중의 좌우 위치에 따른 교량의 응답 영향선을 이용하여 하중의 최대영향위치를 결정하였다.
- 이 논문에서는 전시 군용차량의 북한교량 이용성을 판단하기 위해 1999년에 발간되어 북한의 교량 설계에 대해 새로운 설계방법(극한상태설계법)을 다루고 일부 교량의 표준설계도면을 담고 있는‘운수건설 총서’를 기본으로 하여 가장 많이 건설되는 교량 3가지(슬래브 교, 조립식 T형교, PSC T형교)와 북한 표준트럭하중을 휨 모멘트 값과 군용하중급수분류법을 이용해서 비교분석 하였다. 먼저 북한 표준트럭하중의 경간별 최대 휨 모멘트와 전단력을 군용표준가상차량과 비교함으로써 북한 1, 2, 3등교의 설계하중은 각각 30~40 W, 20~24 W, 12~16 W의 값을 나타냄을 알 수 있었다.
- , 1999)’의 자료를 바탕으로 군 입장에서 북한지역에 있는 여러 교량들의 능력을 가늠할 수 있도록 하고자 한다. 이를 위해 북한의 표준트럭하중과 군용표준가상차량하중을 비교하여 북한교량의 등급별 수준을 군용하중으로 추정해 보았다. 그리고 북한 표준트럭과 군용 표준가상차량하중을 북한 표준교량에 재하한 후의 응답을 통해 북한의 표준교량을 군용하중급수로 판단할 수 있도록 하였다.
- 1986년 이후 표준도면에 대한 철근종류가 명시되어 있지 않아 북한에서 주로 사용하는 φ22, 25, 29, 32를 각각 적용하여 활하중 휨 강도를 계산하였고 φ25, 29, 32를 적용하였을 때 각각 3등교, 2등교,1등교의 수준이 나왔다. 이에 이 논문에서는 안전을 고려하여 철근 φ25의 3등교로 보고 교량의 능력을 분석하였다. 그 결과 북한식 해석으로는 23.
- 특히 차이가 많이 나는 슬래브교의 경우 경간의 길이가 8 m정도로 짧기 때문에 전차의 접지길이인 약 5 m를 고려해 봤을 때 휨모멘트보다는 전단력으로 많이 분배된 것으로 판단된다. 하지만 T형교와 PSC교의 경우 1.5~2배 정도 차이가 나는 바 K-2 전차를 궤도 형태에 따라 6개의 축하중으로 바꾸어 모델링 하여 등분포하중을 적용한 값과 비교해 보았다. 그 결과 휨 모멘트 값이 슬래브 교에서는 2.
대상 데이터
- 북한의 ‘운수건설총서 다리건설(Lim et al., 1999)’에 나타난 슬래브 교와 조립식 T형교 도면의 경우는 콘크리트와 철근의 등급을 각각 C15, 강3을 사용하고 있으며, PSC 교량의 경우 콘크리트는C35을, 긴장재는 φ5×9 EA 강선묶음(항복강도 1,700 MPa)을 사용하였다. 해당 재료의 강도는 Table 4와 같다.
- 이때, 교량에 최대 휨 모멘트를 부여하기 위해 차량하중은 차선을 준수하지 않았으며 단위하중의 좌우 위치에 따른 교량의 응답 영향선을 이용하여 하중의 최대영향위치를 결정하였다. 탄성해석으로 유한요소 모델은 ABQUS에서 제공하고 있는 C3D8R (3D 8절점), 솔리드모델을 사용하였으며 요소 크기는 150 mm 이내에서 값이 수렴도가 좋음을 확인한 후 슬래브 교와 T형교는 50 mm, PSC T형교는 100 mm의 길이를 갖는 정육면체로 모델링 하였다. 외부하중 역시 타이어 접지면적을 부여하기 위해 솔리드로 하였으며 모델 제원은 Table 9와 같다.
데이터처리
- 그리고 북한 표준트럭과 군용 표준가상차량하중을 북한 표준교량에 재하한 후의 응답을 통해 북한의 표준교량을 군용하중급수로 판단할 수 있도록 하였다. 또한, 상용 구조해석프로그램(ABAQUS)을 이용한 유한요소법 해석을 통해 먼저 계산한 북한교량의 능력을 검증 및 비교하였다. 해석을 수행함에 있어 표준도면은 있으나 철근량이 없는 교량의 경우에는 북한식 설계방법을 통해 그 능력을 추정하여 교량의 저항력을 산정하였다
- 앞서 계산한 북한의 표준트럭하중과 군용표준가상차량의 결과를 비교, 검증하기 위해 북한 슬래브교와 조립식 T형교를 상용프로그램인 ABAQUS (Abaqus 6.11-User Documentation, 2007)를 이용하여 유한요소 해석을 하였다. 교량의 설계는 설계조건과 세부기준에 따라 다양한 결과가 나타날 수 있으나 본 연구에서는 북한 표준트럭과 군용표준하중의 활하중 차이에 따라 발생하는 영향만을 비교하였다.
이론/모형
- 하중의 횡방향 분배를 산정함에 있어 슬래브 교의 경우는 설계식이 제안되어 있으나 T형 교 등 다른 교량구조에 대해서는 지렛대법, 편심누름법, 격자보 이론, 유한요소법 등 이론에 대한 설명만 주어져 있지 실제 이용식에 대한 설명이 없기 때문에 이 논문에서는 Eqs. (6) and (7)의 AASHTO LFD의 기준을 준용하였다.
성능/효과
- 교량 능력을 평가함에 있어서도 슬래브 교와 조립식 T형교에서는 북한식 해석이 NATO식 해석보다 0.7배 정도 작게 판단하여 북한식 해석이 더 보수적임을 알 수 있었는데, 이는 앞서 설명하였던 사용재료값 차이와 휨강도 계산방법의 차이, 그리고 사용하는 하중계수 차이 때문이었다. 특히 NATO에서는 AASHTO LFD에서 지정한 특별한 경우(Overload Criteria)에 사용하는 방법으로 하중계수를 통한 안전율을 그만큼 줄였기 때문에 교량이 더 큰 능력을 가진 것으로 계산된 것이다.
- 교량의 표준도면을 분석한 결과 슬래브 교는 1등교(76 W /50 T), 2등교(57 W / 37 T), 3등교(30 W / 24 T)의 수준을, 조립식 T형 교는 1등교로써 60 W / 52 T의 수준을, PSC T형 교 역시 1등교로써 67 W / 70 T의 수준을 보였다. 그리고 1986년 이전설계기준에 따른 슬래브 교의 휨 강도와 조립식 T형 교의 1, 2, 3등교 표준도면의 능력을 북한 철근량 계산식을 이용해 추정해보았다.
- 이에 이 논문에서는 안전을 고려하여 철근 φ25의 3등교로 보고 교량의 능력을 분석하였다. 그 결과 북한식 해석으로는 23.23 t ․ m, NATO식 해석으로는 36.80 t ․ m의 차로당활하중 휨강도 값이 나왔으며, 교량MLC로는 북한식 해석으로 17 W / 15 T의 급수가, NATO식 해석으로 30 W / 24 T의 급수가 계산되었다. 그리고 표준트럭하중의 차량MLC값과 비교했을 때, 슬래브 교가 북한식 해석으로는 3등교 수준이지만 NATO식으로 해석하였을 때는 2등교 수준을 보였다.
- 5~2배 정도 차이가 나는 바 K-2 전차를 궤도 형태에 따라 6개의 축하중으로 바꾸어 모델링 하여 등분포하중을 적용한 값과 비교해 보았다. 그 결과 휨 모멘트 값이 슬래브 교에서는 2.02배, 조립식 T형교에는 1.40배, PSC T형교에서는 1.15배 증가하여 등분포 하중으로의 가정이 문제가 있음을 확인할 수 있었다.
- 더불어 2차로 이상의 교량에서 교량의 능력이 부족하여 이용이 제한된다면 1차선으로 교량을 이용함으로써 극복이 가능한 것을 확인할 수 있었다.
- 32 t ․ m와 61 W / 52 T의 값을 가졌다. 또한 북한식 해석값은 자동차짐-30의 활하중을 버틸 수 있도록 요구되는 총 모멘트값보다 약 1.2배 정도의 안전율을 갖고 있었다.
- 마지막으로 위 결과를 유한요소법을 사용하여 계산한 결과와 비교해 보았으며 교량능력평가에 있어서 안전율을 고려한 NATO 식 해석이 북한식 해석의 값과 비슷했으며, 궤도차량의 해석에 있어서 등분포하중으로 가정하기 보다는 궤도 안에 있는 바퀴를 이용해 각각의 축하중으로 계산하는 것이 더 현실적임을 알 수 있었다.
- 이 논문에서는 전시 군용차량의 북한교량 이용성을 판단하기 위해 1999년에 발간되어 북한의 교량 설계에 대해 새로운 설계방법(극한상태설계법)을 다루고 일부 교량의 표준설계도면을 담고 있는‘운수건설 총서’를 기본으로 하여 가장 많이 건설되는 교량 3가지(슬래브 교, 조립식 T형교, PSC T형교)와 북한 표준트럭하중을 휨 모멘트 값과 군용하중급수분류법을 이용해서 비교분석 하였다. 먼저 북한 표준트럭하중의 경간별 최대 휨 모멘트와 전단력을 군용표준가상차량과 비교함으로써 북한 1, 2, 3등교의 설계하중은 각각 30~40 W, 20~24 W, 12~16 W의 값을 나타냄을 알 수 있었다. 즉 북한 1등교라 할지라도 40 W 이상의 군용차량은 이용이 불가능해 보였다.
- 9 m인 표준도면을 분석하였다. 북한식으로 긴장재의 손실을 계산하고 콘크리트 균열을 고려한 허용 활하중 휨강도는 488.6 t ․ m로써 55 W / 58 T의 교량 MLC값을 나타냈으며, AASHTO LFD 기준을 따르는 NATO 방식으로 검토한 결과 588.53 t ․ m로 67 W / 70 T의 교량MLC값을 나타내어 1등교의 수준임을 알 수 있었다.
- 0, 12 m이고 각각 경간 8, 10, 11, 12, 14, 16, 20 m인 표준도면을 사용하고 있다. 이 중 너비 7.5 m, 경간 16 m인 1등교의 상세도면을 분석한 결과 차로당 활하중 휨강도와 교량MLC가 북한식 해석으로 119.89 t ․ m와 41 W / 37 T를, NATO식 해석으로 167.32 t ․ m와 61 W / 52 T의 값을 가졌다. 또한 북한식 해석값은 자동차짐-30의 활하중을 버틸 수 있도록 요구되는 총 모멘트값보다 약 1.
- 슬래브 교에서 활하중에 의한 최대 휨 모멘트 값이 북한식과 NATO식에 따라 다른 이유는 Table 1에 나타난 바와 같이 하중분배계수 값의 차이로 인한 것으로 볼 수 있다. 전반적으로 북한식 하중분배계수가 NATO식의 그것보다 하중이 교량에 더 큰 영향을 주는 것으로 판단했지만, 유한요소 해석결과와 비교했을 때 NATO 식 해석이 충분히 더 잘 묘사함을 알 수 있었다.
- 그리고 표준트럭하중의 차량MLC값과 비교했을 때, 슬래브 교가 북한식 해석으로는 3등교 수준이지만 NATO식으로 해석하였을 때는 2등교 수준을 보였다. 즉 NATO식 해석이 북한식 해석보다 안전율을 작게 보고 있음을 알 수 있었다.
후속연구
- 한국에 있는 교량이라면 각 교량에 대한 설계 제원도 알고 강도를 직접 측정할 수 있지만, 만약 전쟁중에 아무런 기초정보가 없는 북한의 교량을 건너야 하는 상황에서는 심각한 문제가 될 수밖에 없다. 따라서 전시에 많은 수의 무거운 군용차량이 이용할 수 있는 북한의 교량은 무엇인지 판단할 수 있는 자료가 필요하다. 북한 교량에 대한 연구는 Han, et al.
- 현재 군에는 북한 교량의 여러 사진들이 비밀문서로 보관 및 관리되고 있는데, 이러한 사진들을 바탕으로 노후정도를 판단하는 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 또한 비파괴 시험과 같은 현장에서 어느정도 교량의 노후정도를 판단할 수 있는 방법에 대한 연구도 함께 된다면 전시 북한교량 능력판단에 보다 정확성을 가질 수 있을 것이다.
- 때문에 예상되는 강도감소계수를 적용시킬 수밖에 없었다. 현재 군에는 북한 교량의 여러 사진들이 비밀문서로 보관 및 관리되고 있는데, 이러한 사진들을 바탕으로 노후정도를 판단하는 방법에 대한 추가 연구가 필요할 것이다. 또한 비파괴 시험과 같은 현장에서 어느정도 교량의 노후정도를 판단할 수 있는 방법에 대한 연구도 함께 된다면 전시 북한교량 능력판단에 보다 정확성을 가질 수 있을 것이다.
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