[논문]일체식 및 반일체식 복합슬래브 교량의 구조거동 분석에 관한 연구

최영국; 장일영

doi:10.11112/jksmi.2018.22.1.123

일체식 및 반일체식 복합슬래브 교량의 구조거동 분석에 관한 연구
A Study of Structural Behavior Analysis of Inegral and Semi-Integral Hybrid Slab Bridge 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.1, 2018년, pp.123 - 128

최영국 (금오공과대학교 토목공학과) , 장일영 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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기존 거더 형식의 교량이나 슬래브 교량에서는 신축이음장치, 받침, 역T형 교대 및 별도의 접속슬래브 구조를 이루는 시스템으로 이루어져 있다. 이러한 시스템은 신축이음부의 빈번한 파손으로 인한 비용증가, 모멘트 재분배가 낮은 구조로 인한 내구성 감소 등의 문제가 있다. 상기의 문제를 개선하기 위해 일체식 및 반일체식 복합 교량을 제안하고 구조해석을 통해 안전성을 검토하였다. 검토결과 단면강성은 작지만 접속슬래브와 본체 구조가 연속 강결된 다연속 프레임 구조계 형성과 상부구조의 경간과 단면강성의 균형으로 인하여 모멘트재분배와 힘전달이 확실하게 이루어져 기존교량에 비해 구조안전성 높은 구조임을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Girder bridges and slab bridges are equipped with a system consisting of a flexible joint unit, support, inverted T shaped abutment, and a separate connecting slab structure. These systems have problems such as an increase in cost due to frequent breakage of the expansion joints and a decrease in durability due to a structure with low moment redistribution. To improve these problems, propose Inegral and Semi-Integral Hybrid Slab Bridge and examine the safety through structural analysis. As a result of the review, Inegral and Semi-Integral Hybrid Slab Bridge was the section stiffness is small. but it is confirmed that the structural safety, ductility and flexibility are higher than existing bridges because the moment redistribution and the force transmission are surely performed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구 교량의 복합슬래브와 다연속·프레임 구조 시스템의 합리성을 입증하기 위하여, 본 연구 교량과 대체 가능한 기존의 대표적 교량 형식인 죠인트 합성거더교와 합성라멘교에 대한 구조 해석 결과를 상호 비교 분석하였다.
본 연구에서는 다연속․프레임 일체식 및 반일체식 복합슬래브 교량을 제안하고 정밀해석을 통해 구조 거동의 합리성과 안전성을 검토하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.

제안 방법

교대배면 토압의 변화는 내부 마찰각 30°에 대해서 정지토압계수(1-sinΦ = 0.5)에서부터 수동토압계수까지 0.5씩 증가시켜구조물에 미치는 영향을 분석하였다.
머나제장치에 직접 차량하중이 재하될 때의 머나제장치의 구조적 안전성을 분석하기 위해 FEM해석과 전단마찰이론으로 해석을 실시하였다. 국부 상세 해석 범위는 도로교설계기준의 연속판 윤하중 분포폭 범위를 고려하여 결정하였다. Fig.
기존의 무조인트 교량의 문제점인 교대 휨 강성 및 축방향 강성에 따라 크게 발생하는 정모멘트와 중앙부 처짐을 줄이기 위해서 축방향 강성이 높은 세미리지드말뚝으로 지지케함에 따라, 그 구조특성과 상기 말뚝과 상부구조와의 연결을 강결시키는 일체식(Integral)구조로 하는 시스템과 힌지로 결합시키는 반일체식(Semi-Integral)시스템에 의한 구조거동과 영향을 분석하여 구조 거동 적정성을 검토하였다.
다연속·프레임 일체식 및 반일체식 복합슬래브 교량의 구조 특성에 미치는 아래 요인들에 대해 이론 정밀해석을 통해 구조 거동의 안전성을 검토하였다
머나제장치에 직접 차량하중이 재하될 때의 머나제장치의 구조적 안전성을 분석하기 위해 FEM해석과 전단마찰이론으로 해석을 실시하였다. 국부 상세 해석 범위는 도로교설계기준의 연속판 윤하중 분포폭 범위를 고려하여 결정하였다.
상기와 같은 문제점을 개선하기 위해서 상부구조와 하부구조 및 접속슬래브를 하나의 다연속 다프레임 구조 시스템으로 일체시키고, 교량 시종점부에는 상부구조의 거더에 횡방향 변위에 유연하고 축방향 강성이 큰 단주의 세미리지드말뚝으로 지지하여 무교대화 하고, 그 연결을 강결하거나 힌지로 연결하여 일체식 및 반일체식 구조를 이루도록하며, 접속 슬래브 내에 게르버힌지인 머나제 장치를 설치하여 경간장 제한을 없애며, 상기 상부 구조의 단면을 압연강재와 PSC 및 RC가 혼합된 복합 단면으로 하여 적용 경간장을 40.0 m 이상 적용과 슬래브거더 높이를 줄이는 것을 목표로 하여 다연속․프레임 일체식 및 반일체식 복합 교량을 제안하고 구조해석에 의한 거동을 분석하여 안전성을 검토를 수행하였다.
세미리지드말뚝의 거동을 반영하기 위하여 2-D해석에서 구한 말뚝머리 상부 반력을 고려 하였다. 이 하중을 모델링 양단에 재하 하여 본 연구대상 교량에 작용하는 모든 하중의 영향을 고려하였다.
접속슬래브내에 설치한 머나제장치가 회전을 자유롭게 하고 전단력만 전달하는 역할을 충실히 하여 접속슬래브 끝단의 상향 처짐발생이 없도록 게르버힌지 역할로서의 구조 거동이 하는지를 분석하고, 접지된 지반반력계수 영향에 대해 교량구조에 발생되는 부재력을 파악하였다.
하중조합은 도로교 설계기준에 의거 적용하였으며, 작용하중은 고정하중과 활하중과 토압등의 상시하중(LC1) 중심으로, 고정하중이 작용하는 경우(LC2), 활하중만 작용하는 경우(LC3), 온도변화만 작용하는 경우(LC4) 조건별로 해석하고 비교 하였다. 기존 PSC합성 거더교은 그 특성상 경간의 중앙부와 교각의 지점부에 발생되는 휨모멘트에 대하여 비교 분석을 주로 하였다.

이론/모형

국부 상세 해석 범위는 도로교설계기준의 연속판 윤하중 분포폭 범위를 고려하여 결정하였다. Fig.2와 같이 상부 본체는 Solid요소로, 머나제장치는 Fig. 3과 같이 보 요소로 모델링하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같으며, 구조해석의 수행은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS/CIVIL을 사용하였다.
실제 교대 배면에 발생하는 토압은 교대 변위에 따라 달라지기 때문에, 이와 같은 교대 변위와 토압의 상관관계를 고려한 배면토압을 일체식 및 반일체식 교대 교량의 설계에 적용하기 위한 연구가 최근 활발히 수행되고 있으며, 본 절에서는 그 가운데 제일 많이 알려진 식 (1)의 Dicleli(2000a)의 제안식을 적용하였다.

성능/효과

1) 하중에 의한 머나제장치상에 발생하는 최대 발생응력은 3.2 MPa로서 머나제장치의 다웰철근 허용응력 140 MPa보다 매우 적어 안전성은 충분이 확보된 것으로 판단되어진다.
2) 세미리지드말뚝 연결부는 반일체식경우는 일체식경우보다는 다소 증가하나, 구조적 안전성이나 사용성에 문제가 없는 것으로 분석되며, 현장 여건에 따라 본체 경간장이 크고 접속 슬래브 경간장이 큰 경우는 반일체식 구조로 적용하여도 타당함을 확인할 수 있었다.
3) 세미리지드말뚝 상단과 교대 거더부 콘크리트의 압축응력은 허용응력 대비 안전율이 1.11~1.24로 구조물의 안전성을 확보하는데 문제가 없는 것으로 판단된다.
4) 배면 토압계수의 변화에 따른 구조물의 거동 변화는 거의 없는 것으로 나타으며, 이와 같은 결과는 교대부 형식이 일반 벽식 강성 교대가 아니고 낮은 거더와 세미리지드말뚝 형식으로 이루어져 토압 크기와 적용범위가 적기 때문인것으로 판단된다.
5) 기존교량에 비해 단면 강성이 적지만 접속슬래브와 본체구조가 연속 강결에 따라 모멘트 재분배와 힘전달이 확실하게 이루어진다는 결과로 판단됨에 따라 타 교량 형식에 비해 구조안정성 및 연성이 높은 구조임을 확인하였다.
머나제장치에 발생하는 최대 응력을 알아보기 위하여 머나 제장치 상단에 DB-24의 후륜하중의 2배에 해당하는 192 kN을 집중하중으로 직접 재하 하였으며, 하중에 의한 머나제장치상에 발생하는 최대 발생응력은 3.2 MPa로서 머나제장치의 다웰철근 허용응력 140 MPa보다 매우 적어 안전성은 충분이 확보된 것으로 판단되어 진다.
본 연구 대상 교량의 발생 휨모멘트는 기존 라멘교의 휨모멘트에 비하여 약 95% 수준으로 낮게 나타났으며, 기존 PSC합성형 거더교에 비해서는 상당히 낮게 나타났다. 이는 PSC합성형 거더교의 구조 모델링이 단순보 System이고 바닥판만 연속화에 따른 결과로 판단되며, 중앙부의 처짐도 기존 교량에 비하여 86% 및 80% 낮게 나타내는 것은 기존교량에 비해 단면 강성이 적지만 접속슬래브와 본체구조가 연속 강결에따라 모멘트 재분배와 힘전달이 확실하게 이루어진다는 결과로 판단됨에 따라 타교량 형식에 비해 구조안정성 및 연성이 높은 구조로 사료된다.
지점부와 교각 지점부의 휨모멘트는 본 연구 대상 교량이 기존 합성라멘교에 비하여 약95%와 90% 수준으로 적게 나타났다. 이는 다연속 다프레임 일체식 교량의 교대 형식이 단주형 강관세미리지드 말뚝 형식으로 그 축방향 강성이 일반 라멘교 교대의 강성보다 상대적으로 작아 회전각이 축소되고 다연속에 의해 모멘트 재분배와 온도변화 영향이 작기 때문인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교량 건설의 최종 목적은 무엇인가?	교량 건설의 최종 목적은 안전하고, 경제적이며, 기능성이 뛰어나고, 보기에 좋고 수명이 긴 구조물을 건설하는데 있다. 공용수명동안 여러 가지 환경적인 요인에 의한 구조물의 피해를 최소화하여 건전한 교량수명을 확보하고, 유지관리비를 최소화하여 소중한 국가재원의 낭비를 억제할 필요가 있다.
	교량의 신축이음장치가 교량의 유지관리 비용 증가의 주원인이 되는 이유는 무엇인가?	기존 거더 형식의 교량이나 슬래브 교량에서는 신축이음장치, 받침, 역T형 교대 및 별도의 접속슬래브 구조를 이루는 시스템으로서 교량의 신축이음장치는 온도, 크리프 및 건조수축 등에 의한 교축방향 변형을 수용하기 위한 장치로서 교량구성요소 중에 파손이 빈번하고 주기적인 교체로 인한 유지관리 비용 증가의 주원인이 되고 있다. 이러한 중․대규모 교량의 기술적인 측면에서의 문제점은 다음과 같이 정리할 수 있다.

참고문헌 (6)

AASHTO (2010), LRFD Bridge Specifications.
AISI, Highway Structures Design Handbook: Integral Abutments for Steel Bridges, American Iron and Steel Institute, Tennessee, Vol. II Chap.5.
Jang, C.-W. (2003), Analytical Study on the Behavior of Preflex Beam-Abutment Integral Bridges.
Martin P. BurkeJr. (2009), Integraland Semi-Integral Bridges.
Oguejiofor, E. C., and Hosain, M. U. (1994), A Paramatic study of Perfobond rib Shear Connectors, Canadian Journal of Civil Engineering, 21, 614-625.

상세보기
PCI (2011), Bridge Design Manual.

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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