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[국내논문] 토압분리형 교량의 구조해석을 통한 허용 변위량 검토
Examination of Allowable Displacement by Structural Analysis of IPM Bridge 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.534 - 544  

김홍배 (한국도로공사 강원본부 구조물안전팀) ,  한희수 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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IPM Bridge는 파일벤트가 지표면으로부터 돌출되어, 교대의 과도한 변위가 유발될 수 있다. 본 연구에 사용된 교량의 형상은 IPM Bridge의 설계지침에 제시된 최대 적용 조건인 경간 120.0m, 사각 30도, 파일벤트의 돌출높이 최대 10.0m를 적용하였다. 이 교량모델을 이용하여, IPM Bridge의 최대 경간 적용조건에 따른 최대 변위를 산정하였으며, Bozozuk가 제시한 허용 변위에 근거하여 IPM Bridge의 수평변위의 안정성을 검토하였다. IPM Bridge의 최대 수평변위는 여름철의 팽창 조건보다는 겨울철의 수축 조건에서 더 크게 산정되었으며, 수평변위는 사각보다는 교량의 길이에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 그리고 수직 변위는 사각과 연장에 큰 영향을 받지 않는 것으로 나타났다. 경간의 증가에 따라 수평변위가 크게 증가되었으며, 연장 120.0m에서의 수평변위는 Bozozuk가 제시한 허용 변위를 초과하는 것으로 나타났다. 하지만, 파일벤트에 발생되는 모멘트소성모멘트를 초과하지는 않았다. IPM Bridge는 설계지침에 제시된 최대 적용조건인 파일벤트의 돌출높이 10.0m, 연장 120.0m에서는 수평변위가 과도하게 발생될 수 있으므로, 설계단계에서 면밀한 검토가 필요하다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Because the pile-bent of IPM Bridge is projected from the soil surface, excessive displacement of abutment can be induced. According to design guide of IPM Bridge, the shape of the bridges used in this study was applied to the maximum applicable 120.0m span, 30-degree for skew angle, and 10.0m for t...

Keyword

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문제 정의

  • 본 연구에서는 IPM Bridge의 구조해석을 통한 허용 변위량을 검토하였다. 교량의 형상은 IPM Bridge의 설계지침에 제시된 최대 적용 조건인 연장 120.
  • 본 연구에서는 IPM Bridge의 허용 변위량을 검토하기 위해 구조해석을 수행하였다. PSC거더는 강재와 달리 시간 의존적 하중의 영향을 크게 받는다[4-5].

가설 설정

  • 3 a) 및 교대의 회전(Fig. 3 b)에 따라 파일벤트의 두부에 작용되는 휨모멘트가 지배된다. 그러나, IPMBridge 설계지침은 파일벤트의 두부에 발생한 수평변위및 교대회전에 따른 휨모멘트가 소성모멘트를 초과하는지 여부만 고려하고, 허용 변위량의 만족여부는 검토하지 않고 있다.
  • 0m에서는 약간의 손상이 있지만 허용 가능한 범위까지 수평변위가 발생되었다. 하지만, 파일벤트에 발생되는 모멘트가 소성모멘트를 초과하지는 않았다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
IPM Bridge란? IPM Bridge는 Nam et al. (2016)[1]에 의해 IABBridge(Integral Abutment Bridge)와 MSEW Bridge(Mechanically Stabilized Earth Wall Bridge)의 장점을 결합한 Integrated and Pile Bented Abutment with Mechanically Stabilized Earth Wall Bridge (이하 IPMBridge, 국문명은 토압분리형 일체식 교대 교량)이다[1].IPM Bridge는 IAB Bridge와 동일하게, 상부구조와 하부구조가 일체화되어 있지만, 교대 배면의 횡방향 토압을 보강토옹벽으로 분리하여 지지한다.
PSC (Prestressedconcrete) 거더는 어떠한 영향을 미치는가? 상부 구조와 하부 구조가 일체식으로 연결되는 구조 특성 때문에 온도하중, 지반과 구조물의 상호작용에 복합적인 영향을 받는다. 특히, PSC (Prestressedconcrete) 거더를 사용한 IAB Bridge는 시간 의존적 특성(Time-Dependent Effect)이 교대의 거동에 커다란 영향을 미친다[4-5]. 하지만, IAB Bridge의 무다짐 뒤채움층과 성토층간의 다짐 차이로 인해 국부적인 변형이 발생되어 접속슬래브의 침하를 유발시킨다.
IPM Bridge의 특징은? IPM Bridge는 보강토옹벽으로 횡방향 토압을 지지하지만, 전체적인 교량의 거동 특성은 IAB bridge와 동일하다. 상부 구조와 하부 구조가 일체식으로 연결되는 구조 특성 때문에 온도하중, 지반과 구조물의 상호작용에 복합적인 영향을 받는다. 특히, PSC (Prestressedconcrete) 거더를 사용한 IAB Bridge는 시간 의존적 특성(Time-Dependent Effect)이 교대의 거동에 커다란 영향을 미친다[4-5].
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참고문헌 (21)

  1. M. S. Nam, J. N. Do, T. S. Kim, Y. H. Park, H. J. Kim, Development of IPM Bridge, Korea Expressway Corporation Research Institute: Korea, 2016. 

  2. M. C. Park, M. S. Nam, "Behavior of integral abutment bridge with partially protruded piles", Geomechanics and Engineering, Vol.14, No.6, pp.601-614, 2018. DOI: http://dx.doi.org/10.12989/gae.2018.14.6.601 

  3. M. C. Park, M. S. Nam, "Numerical Analysis of the Behavior of an IPM Bridge According to Super-Structure and Sub-Structure Properties", Sustainability, Vol.10, No.3, pp.833, 2018. DOI: https://doi.org/10.3390/su10030833 

  4. W. S. Kim, J. A. Laman, "Integral abutment bridge behavior under uncertain thermal and time-dependent load", Structural Engineering and Mechanics, Vol.46, No.1, pp.53-73, 2013. DOI: https://doi.org/10.12989/sem.2013.46.1.053 

  5. S. M. Olson, K. P. Holloway, J. M. Buenker, J. H. Long, J. M. LaFave, "Thermal behavior of IDOT integral abutment bridges and proposed design modifications", FHWA-ICT-12-022, Illinois Center for Transportation, Illinois, pp.1-63, 2013. 

  6. KECRI, "Integral Bridge design Guidelines", Korea Expressway Corperation Research Institute, pp.1-59, 2009. 

  7. A. Lemnitzer, E. R. Ahlberg, R. L. Nigbor, A. Shamsabadi, J. W. Wallace, J. P. Stewart, "Lateral performance of full-scale bridge abutment wall with granular backfill", Journal of Geo-environmental Engineering, Vol.134, No.4, pp.506-514, 2009. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)1090-0241(2009)135:4(506) 

  8. Y. H, Park, M. S. Nam, "Behavior of earth pressure and movements on integral abutments." Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol.27, No.3C, pp.163-173, 2007. 

  9. S. Arsoy, J. M. Duncan, R. M. Barker, "Behavior of a Semiintegral Bridge Abutment under Static and Temperature-Induced Cyclic Loading", Journal of Bridge Engineering, Vol.9, No.2, pp.193-199, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0702(2004)9:2(193) 

  10. Korean Geotechnical Society, Structure foundation design standards specification, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2015. 

  11. KEC, "IPM Bridge design Guidelines", Korea Expressway Corperation, 2016. 

  12. M. Bozozuk, Bridge Foundation Move, Transportation Research Record 678: Tolerable Movements of Bridge Foundation, Sand Drains, K-Test, Slopes, and Culverts, Transportation Research Borad, National Research Council, Washinton, D.C., pp.17-21, 1978. 

  13. AASHTO, Standard Specifications for Highway Bridges, 17th edition. Published by the American Association of State Highway and Transportation Officials, USA, 2002. 

  14. VTrans IAC. "Integral Abutment Bridge Design Guidelines, 2ed. VTrans Structures Section", Montpelier, Vermont: the State of Vermont, Agency of Transportation, 2008. 

  15. T. S. Kim, "Performance Verification and Behavior Analysis of Integrated and Pile Bented Abutment with Mechanically Stabilized Earth Wall Bridge(IPM Bridge)", Thesis paper, Kumoh National Institute of Technology. 2017. 

  16. P. D. Egan, Design and performance of reinforced earth bridge abutments. In: Proceedings of the 1st International Bridge Conference, Pittsburgh, PA, pp.92-98, 1984. 

  17. L. K. Moulton, J. R. Kula, "Bridge movements and their effects", Public Roads, Vol.44, No.2, pp.62-75, 1980. 

  18. L. K. Moulton, H. V. S. GangaRao, G. T. Halvorsen, "Tolerable movement criteria for highway bridges", Report No. FHWA/RD-85/107. U.S. Department of Transportation, Federal Highway Administration, Washington D.C., October 1985. 

  19. KEC (2012). "Expressway Construction Guide Specification." Korea Expressway Corperation. 

  20. L. C. Reese, W. R. Cox, F. D. Koop, "Analysis of laterally loaded piles in sand", Offshore Technology in Civil Engineering Hall of Fame Papers from the Early Years, OTC 2080, pp.95-105, 1974. DOI: https://doi.org/10.4043/2080-MS 

  21. MLTMA, "Road design manual", Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008. 

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