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구
조
2011 대한 토목학회 정기학술대회
2개의 H형강이 합성된 가설교량 상부구조의 구조거동 평가
Estimation of Structural Behavior of the Temporary Bridge Superstructure
Stiffened by Composite Double H-beam
성기태* · 이승용** · 박영훈*** · 김덕원****
Sung, Ki-Tae · Lee, Seung-Yong · Park, Young-Hoon · Kim, Duck-Won
1. 서론
현재 국내에서 사용되는 가설교량 공법으로는 단순 H형강 또는 외부 긴장된 H형강을 이용한 가설교량
공법, 트러스 거더를 이용한 장지간 조립식 가설교량 공법 등이 주로 사용되고 있다(이종철 등, 2007; 유문
식 등, 2003). 본 연구에서는 가설교량 상부구조 지간 중앙부 주거더 H형강 상부 플랜지 상단에 작은 H형강
을 합성시키고, 상부구조 부모멘트부에는 강판을 보강하는 형태로 최대 정ㆍ부 모멘트 발생 구간의 강성을
증가시킨 새로운 구조형식의 장지간 가설교량(이하 장지간 가설교량이라 함)을 대상으로 연구를 수행하였다.
기존의 가설교량의 복공판은 주거더 H형강에 용접되어 고정되나 지속적인 활하중 작용에 의하여 이탈되는
경우가 발생하여 노면의 불균형, 복공판 간의 충돌, 차량의 안전사고가 빈번하게 발생하게 된다. 반면에 본
연구의 대상 가설교량의 작은 H형강은 처짐의 양이 상대적으로 높은 지간 중앙부의 복공판의 이탈을 방지하
는 역할을 추가적으로 가지게 되어 공용 과정에서 안전성을 더욱 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 본 연구에서는 장지간 가설교량에 대한 구조 안전성 및 사용성을 평가하기 위한 목적으로 현장재
하시험 및 유한요소해석을 실시하였으며, 이를 토대로 가설교량의 구조거동을 분석하고, 전단좌굴에 대한 안
전성 및 구조물의 비선형 거동을 검토하였다.
2. 가설교량의 개요
본 연구의 대상인 장지간 가설교량은 그림 1에서와 같이 작은 H형강을 지간 중앙부 주거더 H형강 상단
에 종방향으로 용접하여 2개의 H형강을 합성시킨 구조적인 특징을 가지고 있으며, 최종 가설시 복공판을 그
림 2와 같이 배치함으로서 작은 H형강 높이만큼 형고를 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 복공판의 이탈을 막
을 수 있다. 또한 수직보강재를 H형강으로 적용하여 거더의 비틀림 강성을 증가시켰으며, 지간 중앙부 부근
의 가로보 상단에도 작은 H형강을 부착하여 횡분배 강성을 증대시켰다. 한편 가설교량의 설계시 고려된 설
계조건은 표 1과 같다.
표 1. 설계조건
*
**
***
****
형식
설계 차선수
지간장
폭원
활하중
적용 강재
라멘형 가설교량
1
26.65 m
4.0 m
DB-24
SS400
정회원 · 충주대학교 토목공학과 교수 · 공학박사 · E-mail : [email protected] – 발표자
정회원 · 충주대학교 토목공학과 부교수 · 공학박사 · E-mail : [email protected]
정회원 · 부천대학 토목공학과 부교수 · 공학박사 · E-mail : [email protected]
학생회원 · 충주대학교 토목공학과 석사과정 · 공학사 · E-mail : [email protected]
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CL of Bridge
그림 1. 2개의 H형강의 합성
그림 2. 교량 횡단면도
3. 전단좌굴거동
장지간 가설교량의 전단좌굴강도 분석을 위한 유한요소해석은 상용프로그램인 LUSAS를 사용하였다. 작
은 H형강과 주거더 H형강에 대한 유한요소해석 모델 및 고려된 하중조건은 각각 그림 3 및 그림 4와 같다.
그림 3. 작은 H형강과 주거더 H형강 합성구조의 유한요소해석 모델
그림 4. 고려된 하중조건
표 2. 전단좌굴강도
일반 가설교량(MPa)
444.1
장지간 가설교량
작은 H형강(MPa)
1,005.1
주거더 H형강(MPa)
518.7
합성(MPa)
621.5
장지간 가설교량의 전단좌굴강도 해석결과를 나타낸 표 2를 살펴보면, 일반 가설교량의 전단좌굴강도는
일반 가설교량에 적용되는 주거더 H형강의 전단좌굴강도로서 합성전의 주거더 H형강과 작은 H형강의 전단
좌굴강도가 일반 가설교량의 H형강 보다 높은 것으로 나타났다. 합성 전 주거더 H형강의 전단좌굴강도가 작
은 H형강 보다 약 48.4 % 낮은 것으로 분석되었으며, 작은 H형강과 주거더 H형강의 합성에 의해서는 전단
좌굴강도가 일반 가설교량의 H형강 보다 약 40 % 정도 높은 것으로 나타났다.
4. 비선형 거동 평가
장지간 가설교량에는 작은 H형강이 합성되어 기존 일반 가설교량과는 상이한 거더 상세를 가지게 되어
하중 증가에 따른 구조물의 비선형거동 예측과 극한하중 작용에 따른 구조물의 연성 및 극한저항력의 정확
한 산정이 필요한 것으로 판단되어 본 연구에서는 그림 5의 유한요소해석 모델에 재료적 비선형 거동을 고
려하여 비선형 해석을 실시하였다.
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그림 5. 유한요소해석 모델
그림 6. 강재의 응력-변형률 관계
그림 5의 유한요소해석 모델에서 거더, 가로보 및 교각은 쉘(shell) 요소를 사용하였으며, 주거더 H형강
과 작은 H형강이 만나는 부분인 주거더 H형강 상부 플랜지와 작은 H형강 하부 플랜지에는 솔리드(solid) 요
소를 적용하였다. 또한 작은 단면의 가로보 및 사재는 빔(beam) 요소를 사용하였으며, 하부구조와 상부구조
를 강결시켰다. 한편 대상교량의 현장여건상 콘크리트 블록으로 구성되는 다른 한쪽 지점의 교각은 모델링하
지 않고, 해당 거더 하단의 지점조건을 고정단으로 모델링하였다.
강재는 균질한 재료로서 압축과 인장에 대한 응력-변형률 관계가 거의 유사하게 나타난다. 따라서 비선형
해석에서 인장 및 압축에 대한 재료의 비선형 거동에 동일한 응력-변형률 관계를 적용하였다. 강재의 응력변형률 관계는 그림 6과 같이 강재 항복 이후 기울기가 선형으로 변화하는 변형률 경화 특성을 고려한 모델
을 사용하였다(박종열 등, 2004).
장지간 가설교량과 일반 가설교량의 하부구조의 구성은 동일하므로 비선형 해석에서는 상부구조의 거동
분석에 중점을 두었다. 외측거더 상단에 집중하중이 작용할 경우의 지간 중앙부와 지점부의 발생 변형 및 처
짐은 그림 7과 같다.
(a) 지간 중앙부 변형
(b) 지점부 변형
(c) 지간 중앙부 처짐
그림 7. 외측거더 하중 작용
그림 7(a)와 (b)에서 ‘Targeted'는 장지간 가설교량에 대한 해석 결과이고, ’General'은 일반 가설교량에
대한 해석결과이다. 그림 7(b)의 지점부 상단 인장변형을 제외하고는 비선형 구간에서의 장지간 가설교량 변
형이 일반 가설교량 보다 다소 적은 것으로 나타났으며, 장지간 가설교량 상부구조의 항복하중이 일반 가설
교량 보다 약 30.28 % 정도 높은 것으로 분석되었다.
한편 장지간 가설교량의 지간 중앙부 수직처짐이 일반 가설교량 보다 최대 8.87 % 정도 높은 것으로 나
타났다. 그림 5의 유한요소해석 모델에 있어서 모든 거더에 집중하중이 작용할 경우의 거동을 그림 8에 나
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타내었다.
(a) 지간 중앙부 변형
(b) 지점부 변형
(c) 지간 중앙부 처짐
그림 8. 전 거더 하중 재하
그림 5의 유한요소해석 모델에 있어서 전 거더에 집중하중이 작용할 경우 장지간 가설교량의 변형이 일
반 가설교량의 발생 변형과 동일하거나 다소 높은 것으로 분석되었으나, 그림 8(a)와 (b)에서 장지간 가설교
량의 항복하중이 일반 가설교량 보다 높은 것으로 나타났다. 한편 그림 7(c)와 동일하게 장지간 가설교량의
지간 중앙부 수직처짐이 일반 가설교량 보다 높은 것을 알 수 있다.
5. 결 론
본 연구에서는 지간 중앙부 주거더 H형강 상단에 작은 H형강을 보강하여 필요 강성을 확보하는 장지간
가설교량을 대상으로 현장재하실험을 실시하여 실거동을 파악하고, 2개의 H형강의 합성에 따른 좌굴강도의
변화와 비선형거동을 해석적으로 평가하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
(1) 좌굴강도 평가를 위하여 주거더 H형강과 작은 H형강 각각의 좌굴강도를 분석하고 주거더 H형강과 작은
H형강의 합성 좌굴강도를 평가한 결과, 본 연구에서 고려된 경계조건과 하중조건에 대해서 장지간 가설
교량의 상부구조 좌굴강도는 일반 가설교량 보다 약 40 % 정도 높은 것으로 평가되었다.
(2) 비선형해석 결과 장지간 가설교량의 발생 변형이 일반 가설교량 보다 낮은 것으로 분석되었으며, 장지간
가설교량의 수직처짐은 일반 가설교량 보다 최대 8.87 % 정도 높은 것으로 나타났으나 허용처짐 이내로
수직처짐에 대한 사용성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다. 한편 장지간 가설교량의 항복하중이 일반
가설교량 보다 약 30.28 % 정도 높은 것으로 분석되었다.
감사의 글
이 연구는 2011년도 충주대학교 교내학술연구비의 지원을 받아 수행한 연구이며, 이에 감사드립니다.
참 고 문 헌
1. 박종열, 조홍동, 한상훈(2004) 탄소섬유판으로 휨보강된 철근콘크리트 보의 비선형거동 예측. 대한토목학
회논문집, 제24권, 제1-A호, pp. 9-16.
2. 유문식, 최석정, 김현호(2003) 조립식 트러스 가교(TRIAS)를 이용한 88고속도로 횡단 장지간 가교 시공
사례 발표. 대한토목학회 학술발표대회 논문집, pp. 3110-3114.
3. 이종철, 심동일 (2007) S-KO Prestress 장지간 가설교량 공법. 한국건설관리학회지, 제8권, 제6호, pp.
74-76.
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