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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.3 pp.26-34
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.3.026

Structural Performance of the Bridge Inspection Structures Using Aluminum Members Manufactured by Extrusion Process

Jin-Woo Choi1, Su-Hong Seo2, Hyun-Chul Park3, Soon-Jong Yoon4
1Team Manager, Department of R&D, ISIS E&C, Seoul, Korea
2Team Manager, Department of R&D, ISIS E&C, Seoul, Korea
3President, Roadmax Engineering, Gyeonggi-Do, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
Corresponding author: Yoon, Soon-Jong Department of Civil Engineering, Hongik University, 72-1 Sangsu-dong, Mapo-gu, Seoul 172-732, Korea. +82-2-400-2208, +82-2-400-2268, kosacs@hanmail.net
August 12, 2016 September 5, 2016 September 8, 2016

Abstract

Bridge inspection structures are the structure which is installed on the piers, abutments, and copings for the inspection and maintenance of substructure. In this study, the structural performance of the bridge inspection structures using aluminum members manufactured by extrusion process is evaluated. The bridge inspection structures can be installed regardless of the shape of concrete surface through the simple cutting process. The structural performance of bridge inspection structures is evaluated using FE analysis. Moreover, experimental studies are conducted for the estimation of the structural safety of the members for the design load.


압출방식으로 제작한 알루미늄 교량점검로의 구조적 성능

최 진우1, 서 수홍2, 박 현철3, 윤 순종4
1㈜아이시스이엔씨 팀장
2㈜아이시스이엔씨 팀장
3㈜로드맥스엔지니어링 대표이사
4홍익대학교 토목공학과 교수

초록


    1.서 론

    교량점검로는 교량이 가설되어 있는 주변의 지형 또 는 공간적 여건 등으로 인하여 별도의 장비 없이는 접근이 어려운 주요 교량부재에 접근하기 위한 구조 물을 의미하며(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013), 그 설치 예는 Fig. 1에 나타낸 것과 같다.

    교량점검로는 강도, 내식성, 내구성을 고려하여 적 절한 재료로 제작하여야 하며, 일반적으로 강도, 제작 성 및 내식성이 우수한 스테인리스강 또는 알루미늄 으로 제작하는 것이 대부분이다. 일반적으로 스테인리 스강으로 제작한 교량점검로는 현장에서 제작하기 때 문에 품질관리가 어렵고, 중량이 무겁기 때문에 시공 이 어렵고 공기가 증가하는 것으로 알려져 있다. 그에 비해 알루미늄 교량점검로는 공장제작으로 품질관리 와 공사관리가 용이하고, 중량이 비교적 가벼워 시공 이 용이하다.

    일반적인 알루미늄 교량점검로의 생산방법은 주물 주조방식과 압출방식으로 구분한다. 주물주조방식은 제품의 형상을 가지고 있는 주형에 용융금속을 주입 하여 응고시킨 후 요구되는 금속제품을 얻는 방법으 로, 복잡한 형상의 제품을 생산하기에 적절한 방법 중 하나이다. 그러나 일정한 품질의 제품을 생산하기 어 렵고, 1개의 금형에서 1개의 제품을 생산하기 때문에 생산성이 다소 부족하며, 취성파괴되기 때문에 예기치 못한 하중이 발생했을 시에 안전사고 등의 문제가 발 생할 수 있다. 또한 교각 또는 코핑부 등의 형상에 따 라 각각 다른 형상의 주형이 요구되기 때문에, 설치지 역의 접합각도에 대한 적용성이 낮다. 그에 비해 압출 방식으로 제작된 알루미늄은 비교적 일정한 품질의 제품을 생산할 수 있기 때문에 품질관리가 용이하고, 역학적 성질이 우수하며, 생산성이 높다.

    이 연구에서는 압출방식으로 제작한 각 부재 및 보 강재를 절단하여 구조물을 구성하기 때문에 강도가 우수하고 품질관리가 용이하며, 콘크리트 벽체의 형 태에 관계없이 시공이 가능한 압출 제작 교량점검로 를 제안하고, 그에 대한 구조 안전성을 평가하기 위한 해석적, 실험적 연구를 수행하였다.

    2.압출 제작 알루미늄 교량점검로의 특징

    압출 제작 알루미늄 교량점검로는 콘크리트 면에 고 정하기 위한 고정재(fixed member), 이동로가 설치되 는 지지재(support member), 핸드레일을 설치하기 위 한 핸드레일포스트(handrail post)로 구성된 이동로 설 치 프레임에 핸드레일과 이동로를 설치하여 구성한다. 이동로 설치 프레임의 형태는 Fig. 2에 나타내었다.

    압출 제작 교량점검로는 이동로 설치 프레임, 핸드 레일, 이동로 등의 각 구조재 뿐만 아니라 연결재, 보 강재가 모두 압출방식으로 생산되기 때문에, 주물주조 방식으로 제작된 교량점검로에 비해 품질관리가 용이 하고, 강도가 우수하며, 생산성이 뛰어나다. 또한 생산 된 각 구조재 및 기타 부재는 절단 각도에 따라 다양 한 형태로 제작할 수 있기 때문에, 경사진 콘크리트 면에 대한 적용성이 우수하다. 즉, 압출방식으로 생산 된 알루미늄 부재는 시공 현장의 조건에 따라 생산공 정에서 다른 각도로 절단하여 제작하기 때문에, 동일 한 압출 금형에서 다양한 현장조건을 수용할 수 있는 구조재를 생산할 수 있다. 이동로 설치 프레임의 절단 방법의 예는 지지대의 이동로 설치면과 고정재 사이 의 각도를 기준으로 90°, 105°인 경우에 대하여 Fig. 3에 나타내었으며, 105° 배치 이동로 설치 프레임은 Fig. 4에 나타내었다.

    이동로 설치 프레임은 생산한 각 구성요소를 볼트 연결방식을 통해 제작하며, 각 연결부는 별도의 연결 재를 도입하여 기계적으로 부착하기 때문에, 하중재하 방향에 따라 볼트연결부의 강도 이상의 하중저항성능 을 확보할 수 있다. 또한 이동로 하중에 대하여 큰 휨 모멘트가 발생할 것으로 예상되는 지점부에 보강판을 설치하여 구조적 성능을 향상시킬 수 있도록 구성되 어 있다. 이동로 설치 프레임에 적용하는 연결재와 보 강판의 형태는 Fig. 5, 6에 각각 나타내었다.

    이동로 설치 프레임은 일정한 간격으로 시공되며 (표준간격 1.5m), 설치되는 이동로 또한 압출방식으 로 생산한 알루미늄으로 제작한다. 이동로는 중앙부와 측면부로 구분하여 3개의 세그먼트로 구분되며, 좌우 측은 대칭 단면으로 제작한다. 또한 각 세그먼트는 현 장 제작이 가능하기 때문에 시공성 및 제작성이 우수 하다. 이동로의 형태와 시공완료된 압출 제작 교량점 검로의 개념도는 Fig. 7, 8에 각각 나타내었다.

    3.유한요소해석

    3.1.정적해석

    이동로 설치 프레임은 설치 각도에 따라 각 부재에 발생하는 부재력이 변화한다. 특히 지지대의 이동로 설치면과 고정재 사이의 각도가 예각일 경우, 보행자 의 이동거리 확보를 위해 지지재의 길이가 증가하기 때문에 지점부의 휨모멘트는 증가한다. 이 연구에서 는 정적해석을 통해 고정재의 설치 각도에 따른 이동 로 설치 프레임의 구조적 성능을 검토하고, 최대 설치 각도를 검토하였다.

    이동로 설치 프레임의 유한요소해석은 범용유한요 소해석 프로그램인 ANSYS Workbench 11 (ANSYS, Inc., 2009)을 사용하여 수행하였다. 유한요소해석모델 은 고정재의 설치 각도가 75°, 90°, 105° 일 경우에 대하여 수행하였으며, 유한요소해석모델은 Fig. 9에 나타내었다.

    유한요소해석에 적용한 재료의 역학적 성질은 이동 로 설치 프레임을 제작하는데 사용하는 강종 (AL6063-T5)에 대하여 시험(KS B 0802, 2003)을 통 해 구하였으며, 시험 결과는 알루미늄의 설계 매뉴얼 (The Aluminum Association, 2010)에서 제시하고 있 는 최소요구강도를 초과하고 있다. 또한 작용하중은 관련 지침(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)에서 제시하고 있는 이동로에 재하하 는 설계하중(3.5kN/m2)을 1.5m의 지간거리에 대하 여 좌우 이동로 절반씩의(총 1.5m) 작용하중이 이동 로 설치 프레임에 모두 재하된다고 가정하였으며, 경 계조건은 고정재의 콘크리트면 부착 위치를 고정단으 로 가정하였다. 유한요소해석에 적용한 재료의 역학적 성질(시험 결과) 및 최소 기준은 Table 1에 나타내었 으며, 관련 지침에서 제시하고 있는 설계하중은 Table 2에 정리하였다. 또한 하중재하 위치 및 경계조건 위 치는 Fig. 10에 나타내었다.

    정적해석 결과, 모든 해석모델에서 발생한 최대주응 력은 지지재의 보강판 설치 위치에서 발생하였으며, 항복강도보다 작게 발생하였다. 이와 같은 현상은 지 점부에 발생하는 휨모멘트에 대한 보강판의 보강효과 로 인해 지지재의 변형이 보강판 이후부터 크게 발생 하기 때문인 것으로 판단된다.

    또한 최대주응력은 90° 배치시에 가장 작게 발생하 고, 105° 배치시에는 약 2.4% 증가하며, 75° 배치시에 는 약 108.7% 증가하는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 예각 배치시에 증가하는 지지대의 길이(90°: 790mm, 75°: 1,090mm) 때문인 것으로 판단된다.

    유한요소해석결과는 Table 3에 나타내었으며, 최대 주응력 발생위치는 Fig. 11에 나타내었다.

    3.2.좌굴해석

    이동로 설치 프레임을 구성하는 부재들의 단면은 폭 에 비해 비교적 얇은 판으로 구성되어 있으며, 보강재 또한 폭-두께비(width-thickness ratio)가 크기 때문에 좌굴로 인한 파괴가 발생할 수 있다. 따라서 이 연구 에서는 이동로 설치 프레임의 구조재 및 보강재에 대 한 안정성을 평가하기 위한 해석을 수행하였다. 좌굴 해석수행 모델은 Fig. 9와 동일하며, 재료의 역학적 성질, 하중재하, 경계조건은 Table 1, Fig. 10과 동일 하다.

    해석 결과, 이동로 설치 프레임의 좌굴은 보강판에 서 발생하였다. 또한 보강판은 볼트 접합부의 강도를 향상시키기 위해 변단면으로 구성되어 있기 때문에, 상대적으로 판두께가 얇은 부분에서 좌굴이 발생하였 다. 이와 같은 현상은 보강판의 보강효과로 인해 면내 압축력이 작용하기 때문인 것으로 판단된다.

    또한 고정재의 설치각도가 작을수록 보강판의 크기 는 증가하기 때문에, 좌굴강도는 고정재의 설치각도가 증가할수록 폭-두께비가 감소하며, 좌굴강도가 증가하 는 경향을 나타내었다. 이동로 설치 프레임의 좌굴해 석 결과는 Table 4, 좌굴형상은 Fig. 12에 각각 나타 내었다.

    Table 4에서, 각 해석모델의 좌굴하중은 정적하중의 예상 파괴하중에 비해 작게 나타났다. 따라서 이동로 설치 프레임의 파괴형상은 보강판의 좌굴로 나타날 것으로 판단된다.

    해석 결과에 대한 수치해석을 통해 안전성을 확보 한 고정재의 설치 가능 각도를 예측한 결과, 이동로 설치 프레임은 예각으로 설치할 경우 약 72° (90° 기 준시 18° 예각, 지지재 길이 약 1,150mm)까지 설치 가능할 것으로 판단된다. 고정재의 설치각도에 따른 이동로 설치 프레임의 좌굴강도는 Fig. 13에 나타내 었다.

    4.강도평가실험

    이 연구에서는 실제 이동로 설치 프레임의 설계하중 에 대한 안전성과 강도를 평가하기 위한 실험을 실시 하였다. 강도 평가 실험은 한양대학교 안산캠퍼스 구 조실험동에서 실시하였으며, 실험변수 및 실험체 수는 Table 5에 나타내었다.

    4.1.실험과정

    강도 평가 실험은 고정재의 설치각도에 따른 구조적 거동 특성을 파악하기 위해 수행하였다. 즉 강도평가 실험은 Table 4에 나타낸 것과 같이 고정재를 90°(Case 1), 75°(Case 2), 105°(Case 3)로 설치한 경 우에 대하여 각각 3개의 실험체에 대하여 수행하였다. 또한 해석 결과에 대한 수치해석 결과, 안전성을 확보 하고 있는 고정재의 최소 설치 각도로 예측되었던 72°로 설치된 이동로 설치 프레임에 대하여 1개의 실 험체를 대상으로 실험을 수행하였다.

    하중은 설계기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)에서 제시하고 있는 점검통로하 중의 재하위치의 중앙에 100kN 용량의 Actuator를 이용하여 변위제어방식으로 3mm/min의 속도로 재 하하였으며, 유한요소해석 결과 가장 큰 인장응력과 압축응력이 발생한 위치 및 고정재의 볼트 연결 위치 에 스트레인게이지를 부착하였다. 또한 켄틸레버부와 지지재 중앙에 변위계(LVDT)를 부착하였으며, 고정재 와 베이스를 연결하는 볼트의 유격으로 인한 실험체 의 강체변위(rigid body displacement)를 측정하기 위 한 변위계룰 추가로 설치하였다. 실험체의 스트레인게 이지와 변위계 설치 위치 및 가력 위치는 Case 1을 예로 Fig. 14에 나타내었으며, 각 실험체의 실험과정 은 Fig. 15에 나타내었다.

    4.2.실험 결과 및 분석

    실험 결과, 실험체는 하중 증가에 따라 켄틸레버부의 처짐이 발생하였으며, 하중증가폭이 점차 감소한 후 보강판이 좌굴하며 파괴되는 것으로 나타났다. 또한 실험과정에서 최대응력은 지지재의 하부(보강판 전면, B-2,3)에서 발생하였다. 따라서 이동로 설치 프레임은 정적해석 및 좌굴해석의 결과와 유사한 구조적 거동 을 나타내는 것으로 판단된다.

    실험체의 최대하중은 설계하중에 대하여 Case 1은 3.74배, Case 2는 1.93배, Case 3는 4.24배, Case 4는 1.56배 크게 나타났다. 또한 이동로 설치 프레임은 고 정대의 설치각도가 클수록 하중저항성능이 증가하는 경향을 나타내었다. 따라서 이동로 설치 프레임은 구 조적으로 충분한 안전성을 확보하고 있으며, 보강재의 폭-두께비가 좌굴강도에 큰 영향을 미치는 것으로 판 단된다. 실험체의 파괴형상은 Fig. 16에 나타내었으며, 실험결과는 Table 6에 나타내었다.

    또한 하중-변위 관계는 Fig. 17, 하중-변형률 관계 중 대표적인 결과를 Fig. 18에 각각 나타내었다. Fig. 18에서 A는 고정재, B는 지지재에 부착한 스트레인게 이지로부터 구한 변형률을 나타낸다.

    실험 결과에서, 이동로 설치 프레임의 파괴하중(좌 굴강도)는 유한요소해석 결과에 비해 최소 1.16배 크 게 나타났다. 실험과정에서 구한 최대하중은 좌굴이 발생한 후의 강도를 포함하고 있기 때문에 좌굴강도 와의 직접비교는 불가능하다. 그러나 실험 결과와 유 한요소해석 결과가 거의 유사한 비율을 나타내고 있 기 때문에 유한요소해석 결과는 충분한 신뢰성을 확 보하고 있으며, 이동로 설치 프레임은 충분한 안전성 을 확보하고 있는 것으로 판단된다. 유한요소해석 결 과와 실험 결과의 비교는 Table 7에 나타내었다. Table 7에서 Case 4에 대한 해석 결과는 Fig. 13의 설치각도와 좌굴강도의 관계로부터 유추한 결과이다.

    5.결 론

    이 연구에서는 압출방식으로 제작한 알루미늄 부재를 사용하여 내구성, 생산성 및 시공성이 우수하며, 현장 조건에 대한 적용성이 우수한 압출 제작 교량점검로 의 제작을 위한 이동로 설치 프레임의 구조적 성능을 평가하기 위한 이론적, 실험적 연구를 수행하였다. 연 구 결과, 이동로 설치 프레임은 우수한 하중저항성능 을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 이 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

    1. 고정재 설치 각도에 따른 유한요소해석 결과, 설계하중에 대하여 모두 안전한 것으로 나타났으며, 최대주응력은 90°로 설치할 때 가장 작게 발생하고, 75° 설치시 가장 크게 발생하며, 105° 설치시 90° 설 치시와 유사한 결과를 나타내었다.

    2. 좌굴 안정성 평가결과, 이동로 설치 프레임은 보강판에서 좌굴이 발생하였다. 또한 고정재의 설치 각도가 증가할수록 보강판의 크기가 감소하기 때문에 판의 폭-두께비가 감소하여 좌굴강도가 증가하였다. 또한 좌굴강도는 정적하중에 의한 예상파괴강도보다 작기 때문에 이동로 설치 프레임은 좌굴로 인해 파괴 될 것으로 예측되었다.

    3. 실험결과, 이동로 설치 프레임은 해석결과와 유 사한 구조적 거동을 나타내었으며, 고정재 설치 각도 가 클수록 하중저항성능이 증가하는 경향을 나타내었 다. 또한 실험결과는 유한요소해석결과보다 최소 1.16 배 크게 나타나 파괴강도 예측에 대하여 충분한 안전 성을 확보하고 있음을 확인하였다.

    Figure

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    Bridge Inspection Structures

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    Scaffolding Frames

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    Cutting with Different

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    Scaffolding Frames Installed at 105°

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    Connections

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    Reinforcement Plates

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    Footholds

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    Conceptual View of Bridge Inspection Structures.

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    FEM Models

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    Analysis Condition

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    Maximum Principal Stress

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    Buckled Mode Shape

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    The Placement Angle of Fixed Member and Buckling Load Relationship

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    Schematic View of Strength Estimation Test (Placement Angle: 90°)

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    Testing Set-up

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    Failure Mode

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    Load-Displacement Relationship

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    Load-Strain Relationship

    Table

    Mechanical Properties of AL6063-T5 (The Aluminum Association, 2010)

    Design Load (Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2013)

    Static Analysis Results

    Buckling Analysis Results

    Number of Specimens

    Test Results

    Comparison between FEM and Test Results

    Reference

    1. ANSYS, Inc (2009) ANSYS Workbench 14 Users Guide.,
    2. Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2013) Bridge Inspection Facility Installation Instructions,
    3. (2003) KS B 0802 “Method of Tensile Test for Metallic Materials” , Korean Agency for Technology and Standards (KS): Seoul Korea,
    4. The Aluminum Association (2010) Aluminum Design Manual Arlington VA22209 USA,