[논문]토압분리형 교량과 라멘교의 거동분석

신근식; 한희수

doi:10.5762/kais.2019.20.4.597

토압분리형 교량과 라멘교의 거동분석
Behavior Analysis of IPM Bridge and Rahmen Bridge 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.597 - 605

신근식 (한국도로공사 남북도로협력처) , 한희수 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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IPM Birdge는 경간장 30.0m에서부터 최대 120.0m까지 적용이 가능한 일체식 교량으로, 이러한 교량의 형상 조건은 라멘교에서도 적용가능하다. 교량의 형상조건은 유사하나 거동이 다른 IPM Bridge와 라멘교를 현장에 적용하기 위해, 두 교량의 공학적 우수성을 비교분석하는 과정이 필요하다. 본 연구에서는 라멘교와 IPM Bridge의 구조해석을 수행하여, IPM Bridge와 라멘교의 하중, 모멘트, 및 변위 등의 분포 형태를 비교분석하였다. 입력조건의 차이가 두 교량 형식의 거동에 영향을 미치지 않도록 동일한 조건에서 구조해석을 수행하였다. 구조해석은 경간 30.0m를 기준으로 단경간 교량부터 4경간 120.0m까지로 각 4개의 모델로 구조해석을 수행하였다. 본 연구로부터 도출된 결론은 다음과 같다. 1) 휨모멘트는 라멘교가 크게 산정되었고, 수평변위는 IPM Bridge가 크게 산정되었다. 2) 라멘교는 교량의 연장보다는 경간장에 의해 휨모멘트가 크게 도출되므로, 설계에서 경간장에 대한 허용 휨모멘트가 고려되어야 한다. 3) IPM Bridge의 파일벤트는 120.0m 경간에서도 강관말뚝의 소성모멘트를 초과하지 않았지만, 수축방향의 수평변위가 조인트 교량의 허용기준인 25mm에 근접하므로 설계 시 고려가 필요하다. 4) 실제 설계에서는 부재력에 대한 안정성을 확보하는 것이 중요하므로, 부 모멘트에 대한 검토가 가장 중요한 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

IPM bridge is an integral bridge that can be applied from span 30.0m up to 120.0m, the shape conditions of IPM bridge is also applicable to the rahmen bridge. In this study, to perform the structural analysis of Rahmen bridge and IPM Bridge, the researchers compared the distribution types such as load, moment, and displacement of those bridges. Structural analysis was carried out on four span models ranging from single span bridges to four spans of 120.0 m, based on span length of 30.0 m. Structural analysis was carried out on those bridge with span 30.0m up to 120.0m. The conclusions drawn from this study are as follows. 1) The bending moments were calculated to be large for the Rahmen bridge, and the horizontal displacements were estimated to be large for the IPM bridge. 2) Since the bending moments are derived by the span length rather than the extension of the bridge, the permissible bending moment for the span length should be considered in the design. 3) The pile bent of the IPM bridge did not exceed the plastic moment of the steel pipe pile at 120.0m span, but because the horizontal displacement in the shrinkage direction is close to 25mm, the design considerations are needed. 4) In the actual design, it is important to ensure stability against member forces, so review of the negative moment is most important.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Typical integral abutment bridge with 2-spans [4]
그림 Fig. 2. Schematic of IPM bridge [7]
그림 Fig. 3. Behavior of pile and wall of IAB bridge [11]
그림 Fig. 4. Stress distribution of reinforced soil by load of super-structure [12]; (a) Vertical earth pressure(b) Horizontal earth pressure
그림 Fig. 5. Cross-section view for super-structure
그림 Fig. 6. Time-dependent loads (drying shrinkage and creep)[8]; (a) Creep coefficient (b) Shrinkage strain
표 Table 1. Temperature ranges and thermal-expansion coefficients [13]
그림 Fig. 7. Structural analysis model for IPM bridge(a) Section view; (b) Numerical model, (c) 3D model (60.0m with 2-span bridge)
그림 Fig. 8. Multi-linear spring based on soil conditions
그림 Fig. 9. Structural analysis model for rahmen bridge;(a) Section view, (b) Numerical model, (c) 3D model (120.0m with 4-span bridge)
그림 Fig. 10. Comparison of bending moment of IPM bridge and rahmen bridge
그림 Fig. 11. Comparison of contraction displacement of IPM bridge and rahmen bridge
그림 Fig. 12. Comparison of negative bending moment of IPM bridge and rahmen bridge
그림 Fig. 13. Comparison of expansion displacement of IPM bridge and rahmen bridge

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단부가 강결된 라멘교와 IPM Bridge의 거동을 분석하기 위해, 두 교량 모델의 구조해석을 수행한 후 비교·검토하였다.

가설 설정

0× 10^-5(1/℃)를적용하였다. 가설온도는 10℃를 기준으로 온도해석을 수행하였다.
(1974)[18]공식으로 p-y곡선을 적용하였다. 표준관입시험의 N값이 20일 때로 지반을 가정하였으며, 이 경우의 p-y곡선은 Fig. 8에 보인 다선형 스프링으로 모델링하였다.

제안 방법

시간의존적 거동을 나타내는 건조수축과 크리프는 CEB-FIP(1990)[14]의 제안식을 적용하였다. 28일 압축 강도는 40MPa을 적용하였으며, 외기온도는 70%, 시멘트의 종류는 보통시멘트, 타설 후 건조수축 시작 시간은 3일로 설정하였다.
입력조건의 차이가 두 교량 형식의 거동에 영향을 미치지 않도록 동일한 조건에서 구조해석을 수행하였다. IPM Bridge와 라멘교의 구조해석을 위해, 교량의 기하 형상, 재료의 특성과 하중조건을 동일하게 적용하였다. 구조해석은 경간 30.
단부가 강결된 IPM Bridge와 라멘교의 구조해석 결과를 분석하여, 두 교량의 단부 모멘트와 변위를 비교검토하였다. IPM Bridge의 경우 가장 큰 모멘트가 발생되는 파일벤트의 두부(head)에서 산정된 모멘트와 변위를 분석하였다.
7 (b)는 IPM Bridge의 구조해석 모델을 나타낸 것이다. 거더, 말뚝, 교대 벽체는 휨을 받는 부재이므로 모두 보요소로 모델링하였다. 바닥판과 접속슬래브는 모두 판요소로 모델링하였다.
0m이다. 경간장 30.0m마다 두께 1.0m의 벽체를 추가로 모델링하였다. 따라서, 교량의 경간장과 총 연장은 IPM Bridge와 라멘교가 동일하다.
7m이고 방호벽과 중앙분리대가 존재한다. 구조해석 모델에서는 방호벽과 중앙분리대는 사하중으로 재하 하였다. IPM Bridge의 거더는 한국도로공사의 연장 30.
IPM Bridge와 라멘교의 구조해석을 위해, 교량의 기하 형상, 재료의 특성과 하중조건을 동일하게 적용하였다. 구조해석은 경간 30.0m를 기준으로 단경간 교량부터 4경간 120.0m까지로 각 4개의 모델로 구조해석을 수행하였다.
그리고 교량의 연장은 단경간 30.0m에서 4경간 120.0m까지 모델링에 적용하고, 구조해석을 수행하여, 단부에 작용되는 모멘트와 교대 벽체의 변위를 비교·검토하였다.
단부가 강결된 IPM Bridge와 라멘교의 구조해석 결과를 분석하여, 두 교량의 단부 모멘트와 변위를 비교검토하였다. IPM Bridge의 경우 가장 큰 모멘트가 발생되는 파일벤트의 두부(head)에서 산정된 모멘트와 변위를 분석하였다.
9 (b)는 라멘교의 구조해석 모델이다. 라멘교의 슬래브와 벽체 그리고 날개벽까지 모두 판 요소로 모델링하였으며, 라멘교의 벽체 하부는 고정점으로 설정하였다. Fig.
본 논문에서는 시공단계해석을 통해 시간의존적 거동을 해석하였으며, 고속도로의 공용연한인 100년에서 20년을 추가하여 120년으로 해석하였다. Fig.
본 연구에서는 라멘교와 IPM Bridge의 구조해석을 수행하여, IPM Bridge와 라멘교의 하중, 모멘트, 및 변위 등의 분포 형태를 비교분석하였다.
입력조건의 차이가 두 교량 형식의 거동에 영향을 미치지 않도록 동일한 조건에서 구조해석을 수행하였다. IPM Bridge와 라멘교의 구조해석을 위해, 교량의 기하 형상, 재료의 특성과 하중조건을 동일하게 적용하였다.
IPM Bridge의 파일벤트와 접속슬래브에서는 지반과 구조 부재의 상호작용이 발생된다. 접속슬래브와 지반의 상호작용은 수직 지반 스프링으로 모델링하였다. 스프링 강성은 고속도로공사 전문시방서(2012)[16]에 제시된 노상 지지력계수인 200 MN/㎥을 적용하였다.
탄성받침은 경간장 30.0m에 가장 많이 적용되는 규격으로 1,350 kN, 형상 300(B) ×400(L) × 89(H) mm를 적용하였다.

대상 데이터

구조해석 모델에서는 방호벽과 중앙분리대는 사하중으로 재하 하였다. IPM Bridge의 거더는 한국도로공사의 연장 30.0m PSC 표준도를 적용하였다. Fig.
구조해석에 적용된 하중은 사하중, 활하중, 온도하중과 시간의존적 하중인 건조수축과 크리프이다. 사하중은 MIDAS Civil의 프로그램 자체에서 중력방향의 가속도를 적용하여 계산된다.
연구에 사용된 교량의 횡단면도는 왕복 2차로의 한국도로공사 표준횡단면도를 적용하였다. 이 단면은 고속도로의 본선 또는 진입도로와 육교에 가장 많이 적용되는 단면이기 때문이다.
0m에 가장 많이 적용되는 규격으로 1,350 kN, 형상 300(B) ×400(L) × 89(H) mm를 적용하였다. 탄성받침은 Elastic link로 모델링하였으며, 이때의 압축 스프링 계수는 333.42kN/m, 전단 스프링 계수는 1840.0kN/m이다.
0m이다. 파일벤트는 강관말뚝으로 직경 508.0mm, 두께 12.0mm이다.

이론/모형

IPM Bridge의 교각은 일반적인 역T형 교각을 적용하였다. Park and Nam (2018)[8-9]의 논문에서도 동일한 교각으로 모델링하였다.
기존 연구에서와 제시된 바와 같이, IPM Bridge의 거동에 가장 큰 영향을 미치는 요소 중 하나인 말뚝과 지반의 상호작용을 해석하기 위해, 구조물기초설계기준 해설(2009)[17]에 제시된 Reese et al. (1974)[18]공식으로 p-y곡선을 적용하였다. 표준관입시험의 N값이 20일 때로 지반을 가정하였으며, 이 경우의 p-y곡선은 Fig.
상부구조와 하부구조가 일체화된 IAB Bridge와 라멘교에 가장 중요 영향인자로 적용되는 온도하중은 도로교 설계기준(2008)[13]에 제시된 가동받침의 이동량 산정시의 온도변화 및 선팽창계수를 적용하였다(Table 1). PSC 거더교는 표 4.
접속슬래브와 지반의 상호작용은 수직 지반 스프링으로 모델링하였다. 스프링 강성은 고속도로공사 전문시방서(2012)[16]에 제시된 노상 지지력계수인 200 MN/㎥을 적용하였다.
시간의존적 거동을 나타내는 건조수축과 크리프는 CEB-FIP(1990)[14]의 제안식을 적용하였다. 28일 압축 강도는 40MPa을 적용하였으며, 외기온도는 70%, 시멘트의 종류는 보통시멘트, 타설 후 건조수축 시작 시간은 3일로 설정하였다.
사하중은 MIDAS Civil의 프로그램 자체에서 중력방향의 가속도를 적용하여 계산된다. 활하중은 도로교설계기준(2008)[13]에서 제시된 표준트럭의 이동하중(DB-24, DL-24)을 재하하였다. 차로폭은 3.

성능/효과

1) IPM Bridge는 상부구조의 수평변위를 강관말뚝의 파일벤트가 지지하고, 라멘교의 경우 강결조건이므로, 단부의 휨모멘트는 라멘교가 크게 산정되었고, 수평변위는 IPM Bridge가 크게 산정되었다.
2) 라멘교는 슬래브와 벽체가 강결되므로, 교량의 연장보다는 경간장에 의해 휨모멘트가 크게 도출되었다. 따라서, 설계에서 경간장에 대한 허용 휨모멘트를 고려하는 것이 필요하다.
3) IPM Bridge의 파일벤트는 설계지침에 제시된 최대 연장 120.0m에서도 강관말뚝의 소성모멘트를 초과하지 않았다. 하지만, 수축방향의 수평변위가 조인트 교량의 허용기준인 25mm에 근접하므로 설계단계에서 이에 대한 검토가 필요하다.
4) 두 교량 형식에서 휨모멘트는 수축방향의 부 휨모멘트가 크게 산정되었고, 수평변위는 수축방향이 크게 산정되었다. 실제 설계에서는 부재력에 대한 안정성을 확보하는 것이 중요하므로, 부 모멘트에 대한 검토가 가장 중요한 것으로 나타났다.
두 교량 형식에서 휨모멘트는 수축방향의 부 휨모멘트가 크게 산정되었고, 수평변위는 수축방향이 크게 산정되었다. 실제 설계에서는 부재력에 대한 안정성을 확보하는 것이 중요하므로, 팽창방향의 부 모멘트에 대한 검토가 가장 중요한 것으로 나타났다.
두 교량 형식에서 휨모멘트는 수축방향의 부 휨모멘트가 크게 산정되었고, 수평변위는 수축방향이 크게 산정되었다. 실제 설계에서는 부재력에 대한 안정성을 확보하는 것이 중요하므로, 팽창방향의 부 모멘트에 대한 검토가 가장 중요한 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Integral Abutment Bridge이란?	Integral Abutment Bridge (이하 IAB Bridge)는 기존 조인트 교량이 가지는 문제점들을 개선한 교량 형식이 다. IAB Bridge는 상부구조와 하부구조가 일체화되어, 하부구조가 상부구조의 수직하중과 수평변위를 지지하게 된다.
	상부구조에 영향을 주는 요소는?	IAB Bridge는 상부구조와 하부구조가 일체화되어, 하부구조가 상부구조의 수직하중과 수평변위를 지지하게 된다. 따라서, 상부구조의 수평변위를 유발하는 온도하중과 시간의존적 하중에 큰 영향을 받는다[1]. 뿐만 아니라, 하부구조는 벽체교대와 기초교대 그리고 이를 지지하는 말뚝기초로 구성되므로, 지반과 구조물의 상호작용에도 큰 영향을 받는다[2-3].
	IPM Bridge와 IAB Bridge의 차이점은?	IPM Bridge는IAB Bridge와 동일하게, 상부구조와 하부구조가 일체화된 일체식 교대 교량이다. 하지만, 교대가 지지하는 횡방향 토압을 보강토옹벽이 지지하기 때문에, 말뚝기초는지표면으로부터 돌출된 파일벤트 형식이다. IAB Bridge에서 필요하였던 앞성토와 날개벽은, 보강토옹벽으로 인해 제거되기 때문에 다리밑공간은 늘어나게 된다[8-9].

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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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