[논문]보강토교대로 지지된 슬래브교의 설계 활하중에 대한 반력 및 접지압 검토

김홍배; 한희수

doi:10.5762/kais.2019.20.5.510

보강토교대로 지지된 슬래브교의 설계 활하중에 대한 반력 및 접지압 검토
Comparison of reaction force and contact pressure on design truck load of slab bridge supported by MSEW abutment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.5, 2019년, pp.510 - 519

김홍배 (금오공과대학교 토목공학과) , 한희수 (금오공과대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 보강토교대로 지지된 슬래브교의 설계 활하중을 도로교설계기준(2010)의 DB-24와 도로교설계기준(한계상태설계법)(2015)의 KL-510으로 구조해석을 수행하였다. 구조해석 결과로부터 산정된 슬래브교의 반력과 보강토교대에 작용하는 접지압에 대해 비교검토를 수행하였다. 교대에 작용되는 반력은 교각의 유무와 개수에 따라 다르게 산정되었다. 단경간에 비해 연속교에서 교대에 작용되는 반력이 감소되는 것으로 나타났다. 구조해석 결과, 활하중보다는 고정하중에 의한 반력이 약 2배 이상 크게 산정되었으며, 활하중이 전체 반력에 미치는 영향이 상대적으로 작았다. 보강토교대에 작용하는 접지압은 단경간에서 가장 크게 산정되었다. 이동하중의 종류에 따른 영향은 상대적으로 크지 않았다. 따라서, 연속교에서 교대에 작용되는 반력과 접지압이 작게 산정되기 때문에, 단경간 교량보다는 연속 교량에 보강토교대를 적용하는 것이 유리한 것으로 판단되었다. 보강토교대에 작용되는 반력과 하중 분담률은 다양한 조건에 따라 달라지므로, 다양한 교량 형식과 제원에서의 접지압 검토가 향후 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the structural analysis was conducted to the comparison of reaction force and contact pressure on the design truck load (DB-24 and KL-510) of slab bridge supported by MSEW abutment. As a result of the structural analysis, the reaction force acting on the abutment at the continuous bridge was reduced rather than the simple span bridge. The reaction force due to the dead load was estimated to be about twice as large as that of the live load, and the influence of the live load on the total reaction force was relatively small. The contact pressure of the MSEW abutment was estimated to be the largest in the simple span bridge. The influence of contact pressure on the type of live load was relatively small. Therefore, it is considered to be more advantageous to apply the MSEW abutment to the continuous bridge than to the simple span bridge because the contact pressure acting on the abutment on the continuous bridge is estimated to be small. Since the reaction force and the load sharing ratio acting on the MSEW abutment depending on various conditions, it is necessary to examine the contact pressure in various types of bridges and specifications.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Standard figure of true MSEW abutment [6]; (a) Cross-section view of abutment (b) Arrangement of abutment
그림 Fig. 2. Line location of maximum tension on MSEW abutment depending on seat geometry [9]; (a) Case 1, (b) Case 2, (c) Case 3
그림 Fig. 3. Variation of stress ratio with depth in aMSE wall [6];
그림 Fig. 4. Cross-section view of true MSEW [1];
그림 Fig. 5. Standard cross-section view of highway road in Korea Highway Corporation (four lanes) [1];
그림 Fig. 6. Cross section of slab bridge; (a) Drawing of cross section (b) Drawing of longitudinal section
그림 Fig. 7. Design truck load; (a) Korean Highway Bridge Design Code [8] (b) Korean Highway Bridge Design Code (Limit State Design) [9]
그림 Fig. 8. Structural analysis model; (a) Simple span of length 13.5m (b) Two spans of length 27.0m (c) Three spans of length 40.5m
표 Table 1. Reaction force of bridge bearing with simple span by structural analysis
표 Table 2. Reaction force of bridge bearing with 2nd span by structural analysis
표 Table 3. Reaction force of bridge bearing with 3rd span by structural analysis
표 Table 4. Reaction force of the live load according tothe length of the bridge
그림 Fig. 9. Comparison of reaction force on the bridge according to bridge length; (a) Dead load, (b) Live load
그림 Fig. 10. Load bearing ratio of abutment according to bridge length; (a) Korean Highway Bridge Design Code [8], (b) Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design)[9]
그림 Fig. 11. Reaction force of live load and dead load onthe abutment according to bridge length
그림 Fig. 12. Contact pressure of abutment according tobridge length

AI 본문요약
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문제 정의

교량 설계 시 설계기준에 제시된 다양한 하중과 하중 조합을 고려하지만, 본 연구에서는 설계 차량활하중에 의한 하중영향과 보강토교대에 작용되는 접지압을 검토하는 것이 목적이다. 보강토교대의 설계에서 별도로 하중계 수와 재료의 저감계수를 허용응력설계법에 따라 적용하기 때문에, FHWA(2001)[6]와 보강토교대 설계지침 (2018)[7]에서는 사용하중인 고정하중과 활하중에 의한 반력으로 접지압을 검토하도록 하였다.
본 연구에서는 보강토교대로 지지된 슬래브교의 DB-24와 KL-510의 이동하중에 대한 구조해석을 수행 하였다. 교량은 단경간부터 3경간까지 검토하였으며, 각슬래브교 및 차량 이동하중에 의한 보강토교대의 반력을 비교검토하고, 보강토교대의 허용 접지압인 200kPa의 만족여부를 검토하였다.

가설 설정

비신장성 보강재에 대한 내적 안정성 검토는 복합중력식 설계법[10]을 적용한다. 복합중력식 설계법은 보강재의 강성에 따라 벽체 배면의 주동토압 분포 및 파괴면이 달라지며, 신장성 보강재는 Coulomb 파괴면, 비신장성 보강재는 Bilinear 파괴면을 가진다고 가정한다. 그리고 교대기초의 형상과 배치에 따라 파괴면의 위치가 결정된다.

제안 방법

본 절에서는 설계 차량활하중에 따라 구조해석을 수행 하고, 교량받침의 반력을 검토하였다. 교량받침과 교대기 초는 보강토교대 설계지침(2018)[7]에 제시된 설계제한 사항을 만족하도록 설계 및 배치하였다. 구조해석에서 산정된 교량받침의 반력은 교대기초의 면적과 나누어, 접지 압을 검토하였다.
본 연구에서는 보강토교대로 지지된 슬래브교의 DB-24와 KL-510의 이동하중에 대한 구조해석을 수행 하였다. 교량은 단경간부터 3경간까지 검토하였으며, 각슬래브교 및 차량 이동하중에 의한 보강토교대의 반력을 비교검토하고, 보강토교대의 허용 접지압인 200kPa의 만족여부를 검토하였다. 이때 보강토교대 설계지침[7]에 제시된 설계제한사항을 고려하여, 교대기초를 배치하였다.
교량받침과 교대기 초는 보강토교대 설계지침(2018)[7]에 제시된 설계제한 사항을 만족하도록 설계 및 배치하였다. 구조해석에서 산정된 교량받침의 반력은 교대기초의 면적과 나누어, 접지 압을 검토하였다.
FHWA (2001)[6]과 보강토교대 설계지침(2018)[7]에 따르면, 고정하중과 활하중의 사용하중에 의한 반력으로 접지압을 검토해야 한다. 그러므로, 사하중과 활하중의 반력을 합한 반력과 Fig, 4에 제시된 보강토교대의 교대 기초 폭 2.0m과 교폭 12.45m의 접지면적으로 접지압을 검토하였다.
상부구조의 구조해석으로 교량받침에 작용되는 반력을 산정하고 기초 교대의 면적과 나누어 접지압을 산정한다. 그리고 FHWA(2001)[6]에서 제시한 허용 접지압(200 kPa)의 만족여부를 검토한다. 이때 교량 받침의 중심이 보강토교 대의 전면판과 최소 1000mm 이상 이격되어야 하고, 교대기초와 전면판이 최소 150mm이상 이격되어야 한다.
0m이다. 그리고, 보강토교대의 설계지침(2018)[7]을 준수하여 교량받침은 전면판 배면으로부터 1.6m, 교대기초는 0.6m 이격되도록 설계하였다.
(2018)[5]은 국내의 고속도로 조건에 적합한 보강토교대에 대한 실용성을 검증하였다. 또한, 보강토체와 이를 지지하는 기초지반의 침하 및 변형을 억제하기 위한 설계제한사항 등을 검토하였다.
본 연구에서는 강도설계법의 DB-24와 한계상태설계 법의 KL-510을 이용한, 보강토교대로 지지된 슬래브교의 이동하중에 대한 구조해석을 수행하고, 구조해석 결과 로부터 슬래브교의 반력과 보강토교대의 접지압을 비교 검토하였다.
본 절에서는 설계 차량활하중에 따라 구조해석을 수행 하고, 교량받침의 반력을 검토하였다. 교량받침과 교대기 초는 보강토교대 설계지침(2018)[7]에 제시된 설계제한 사항을 만족하도록 설계 및 배치하였다.
세부적으로 교량 상부구조의 하중으로 인해, 보강토체에 과도한 응력 집중과 접지압이 발생되지 않도록, 상부 구조의 구조해석을 통해 이를 검토하였다. 상부구조의 구조해석으로 교량받침에 작용되는 반력을 산정하고 기초 교대의 면적과 나누어 접지압을 산정한다. 그리고 FHWA(2001)[6]에서 제시한 허용 접지압(200 kPa)의 만족여부를 검토한다.
세부적으로 교량 상부구조의 하중으로 인해, 보강토체에 과도한 응력 집중과 접지압이 발생되지 않도록, 상부 구조의 구조해석을 통해 이를 검토하였다. 상부구조의 구조해석으로 교량받침에 작용되는 반력을 산정하고 기초 교대의 면적과 나누어 접지압을 산정한다.
교량은 단경간부터 3경간까지 검토하였으며, 각슬래브교 및 차량 이동하중에 의한 보강토교대의 반력을 비교검토하고, 보강토교대의 허용 접지압인 200kPa의 만족여부를 검토하였다. 이때 보강토교대 설계지침[7]에 제시된 설계제한사항을 고려하여, 교대기초를 배치하였다.

대상 데이터

6 (a) 의 종단면도의 제원은 다음과 같다. 중심선에서 첫 번째 교량받침까지의 거리(b1)은 1.13m, 교량받침간의 거리 (b2)은 2.4m, 교량받침은 총 5개 적용하였다. 난간방호 벽의 폭(b3)은 0.

이론/모형

보강토교대 외에 상부구조의 설계는 현재 강도설계법 에서 한계상태설계법으로 변경되었다. 또한, 도로교설계 기준(2010)[8]에 제시된 활하중(DB-24)과 도로교설계기 준(한계상태설계법)(2015)[9]에 제시된 활하중(KL-510) 은 각각 다른 차량 모델을 이용하였다. 그러므로, 보강토 교대의 상부구조의 설계 시 설계활하중의 변경에 따른 보강토 교대의 반력과 접지압에 대한 검토가 필요하다.
본 연구에서 수행된 구조해석은 토목분야 범용 구조해석 및 최적설계 소프트웨어인 MIDAS Civil 2016 ver.1.2을 이용하였다.
순수형 보강토교대는 토체의 변형을 억제하기 위해, 보강재는 상대적으로 변형에 발생되지 않는 강재의 비신 장성 보강재만을 적용하고, 채움재로는 골재만을 적용하 도록 한다[6-7]. 비신장성 보강재에 대한 내적 안정성 검토는 복합중력식 설계법[10]을 적용한다. 복합중력식 설계법은 보강재의 강성에 따라 벽체 배면의 주동토압 분포 및 파괴면이 달라지며, 신장성 보강재는 Coulomb 파괴면, 비신장성 보강재는 Bilinear 파괴면을 가진다고 가정한다.
이러한 연구결과들을 종합하여, 한국도로공사 도로교통연구원(2018)[7]에서는 보강토교대 설계지침을 발간하였으며, 상부구조는 도로교설계기준(2010)[8]에 제시된 강도설계법과 도로교설계기준(한계상태설계법) (2015) [9]에 제시된 한계상태설계법을 준용하도록 하였다. 하부 구조인 보강토교대는 구조물기초설계기준(2008)[10]에 제시된 허용응력설계법을 적용하도록 하였다. 보강토교 대의 하중저항계수 설계법은 이미 FHWA(2009)[11]와 구조물기초설계기준(2015)[12]에 제시되었다.

성능/효과

1) 단경간 슬래브교(연장 13.5m)의 구조해석 결과, 고정하중(DL)에 의한 반력은 각 교대에서 2078.3 kN으로 동일한 값을 보였다. 교량 전체의 활하중 반력은 DB-24는 2150.
2) 2경간 슬래브교(연장 27.0m)의 구조해석의 경우, 고정하중(DL)에 의한 반력은 각 교대에서 1493.9kN으로 동일한 값이 나왔다. 교량 전체의 활하중 반력은 DB-24는 3432.
3) 3경간 슬래브교(연장 40.5m)의 경우, 고정하중 (DL)에 의한 반력은 각 교대에서 1,628.9kN으로 역시 동일한 값을 보였다. 교량 전체의 활하중 반력으로 DB-24는 4786.
4) 연장에 따른 교량의 전체 반력을 비교한 결과, 교대에 작용되는 반력은 교각의 유무와 개수에 따라 달라졌다. 단경간보다는 연속교에서 교대에 작용되는 반력이 감소되었다.
5) 보강토교대로 지지된 슬래브 교량이 단경간일때 작용하중(고정하중+활하중) 및 접지압이 가장 큰 값을 보였지만, 허용 접지압인 200kPa보 다는 약 70kPa의 여유가 있었다. 연장의 증가에 따라서 오히려 접지압은 감소되었다.
6) 보강토교대의 접지압은 고정하중과 활하중에 의한 전체 반력으로 검토하기 때문에, 단경간에서 가장 크게 산정되었으며, 이동하중의 종류에 따른 영향은 상대적으로 크지 않았다.
7) 연속교에서 교대에 작용되는 반력과 접지압이 작게 산정되기 때문에, 단경간 교량보다는 연속 교량에 보강토교대를 적용하는 것이 유리한 것으로 판단되었다.
연장의 증가에 따라서, 작용되는 총 반력이 감소되므로 오히려 접지 압은 감소되었다. 따라서, 연속교에서 교대에 작용되는 반력과 접지압이 작게 산정되기 때문에, 단경간 교량보다는 연속 교량에 보강토교대를 적용하는 것이 유리한 것으로 판단되었다.
또한 두 해석결과 모두, 교대에 작용되는 고정하중과 활하중에 의한 반력은 교각의 개수에 따라 감소되는 것으로 나타났다. 뿐만 아니라, 교량에서 교축방향으로 중앙부에 위치하는 교각에서 더 큰 하중을 지지하기 때문에 단경간 보다 연속교에서 교대에 작용되는 하중이 상대적으로 작은 것으로 나타났다.
단경간보다는 연속교에서 교대에 작용되는 반력이 감소되었다. 또한, 활하중보 다는 고정하중에 의한 반력이 약 2배 이상 크게 산정되어, 활하중이 전체 반력에 미치는 영향이 상대적으로 작았다.
Park(2018)[1]은 상부구조의 접지압에 따른 보강토교 대의 외적/내적 안전율에 대해 검토하였으며, 상부구조의 접지압에 따라 보강토교대의 인발 안전율이 크게 변화된다고 하였다. 이 연구결과에서는 교대 상부 접지압 200kPa을 만족하면, 보강토교대의 외적 및 내적 안전율을 만족하는 것으로 나타났다.

후속연구

보강토교대에 작용되는 반력과 하중 분담률은 다양한 조건에 따라 달라지므로, 다양한 교량 형식과 제원에서의 접지압 검토가 향후 필요하다. 본 연구에서 도출된 결론은 다음과 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	교량은 무엇인가?	교량은 차량이 주행하는 도로에서 하부의 하천이나 도로 등을 횡단하기 위해 만들어진 구조물로, 횡단하는 도로나 하천 등의 형상에 따라 교량의 형상이 좌우된다. 우리나라 고속도로에는 다양한 교량 형식이 적용 중이지만, 램프교는 경간장이 10 ∼ 20.
	상부구조의 구조해석을 위한 방법은?	세부적으로 교량 상부구조의 하중으로 인해, 보강토체에 과도한 응력 집중과 접지압이 발생되지 않도록, 상부 구조의 구조해석을 통해 이를 검토하였다. 상부구조의 구조해석으로 교량받침에 작용되는 반력을 산정하고 기초 교대의 면적과 나누어 접지압을 산정한다. 그리고 FHWA(2001)[6]에서 제시한 허용 접지압(200 kPa)의 만족여부를 검토한다.
	접속부의 단차로 인한 주행성 문제를 개선하기 위하여 국외에서 사용하는 방법과 장점은?	이러한 접속부의 단차로 인한 주행성 문제를 개선하기 위해, 국외에서는 연성구조물인 보강토옹벽을 교대로 이용하고 있다[3]. 보강토교대(Mechanically Stabilized Earth Wall Abutment, MSEW Abutment)는 흙과 보강재간의 마찰로 횡방향 토압을 지지하는 보강토옹벽에 상부구조의 하중을 추가적으로 지지시키는 것이다. 연성체인 흙과 보강재로 교대를 구성하기 때문에 도로 성토부와의 강성 차이가 최소화된다. 따라서, 단차가 발생되지 않고 주행성이 개선된다. 여기에 말뚝과 철근콘크리트 구체, 날개벽 등이 제거되므로 시공성과 경제성이 우수하다[4].

참고문헌 (15)

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KECRI, "Evaluation and Improvement of Ride Discomfort at Bridge Approaches in Service". Korea Expressway Corporation Research Institute, 2012.
KECRI, "Developement of A New Concept Abutment", EXTRI-2016-47-534.9607, Korea Expressway Corporation Research Institute, 2016.
K. Brabant, "Mechanically Stabilized Earth walls for support of highway bridges." Advanced Foundation Engineering UMASS Lowell-Course(14.533), 2001.
M. S. Nam, S. K. Kang, K. J. Jung, "Development of MSEW Abutment Bridge, Korea Expressway Corperation Research Institute: Korea, 2018.
FHWA, "Mechanically Stabilized Earth Walls and Reinforced Soil Slopes, Design and Construction Guidelines", FHWA-NHI-00-043, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transfortation, Washington, DC, 2001.
KEC (2018). "Integral MSEW Abutment Bridge design Guidelines", Korea Expressway Corperation.
MLTMA, "Korean Highway Bridge Design Code", Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2010.
MLTMA, "Korean Highway Bridge Design Code(Limit State Design)", Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2015.
Korean Geotechnical Society, "Structure foundation design standards specification", Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2008.
FHWA, "Design of mechanically stabilized earth walls and reinforced soil slopes", FHWA-NHI-10-024, Federal Highway Administration, U.S. Department of Transfortation, Washington, DC, 2009.
Korean Geotechnical Society, "Structure foundation design standards specification", Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, 2015.
E. S. Hwang, "Introduction to Loads in the Limit-State based Bridge Design Specification", Magazine of the Korean Society of Steel Construction, Vol.25, No.1, 2013.
C. S. Yoo, H. Y. Jeon, "Long-Term Behavior of Geogrid Reinforced Soil Abutment - A Numerical Investigation", Journal of the Korean geotechnical society, Vol.27, No.1, pp.65-76, 2011. DOI: https://doi.org/10.7843/kgs.2011.27.1.065

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A. Abdelouhab, D. Dias, N. Freitag, "Numerical analysis of the behaviour of mechanically stabilized earth walls reinforced with different types of strips." Geotextiles and Geomembranes, Vol. 29, No. 2, pp.116-129, 2011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2010.10.011

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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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