Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.4 pp.61-66
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.4.061

Buckling Stability of Rahmen Bridge Combined with Girder Lower Flange and Bearing

Yun-Ji Jeong1, Sun-Hee Kim2, Jin-Uk Chun3
1Master Course, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seoul, Korea
2Professor, Department of Architectural Engineering, Gachon University, Seoul, Korea
3CEO, AIO CONSTECH, Seoul, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 09월 30일까지 학회로 보내주시면 2019년 10월호에 토론결과를 게재하겠습니다.



Corresponding author: Kim, Sun-Hee Department of Architectural Engineering, Gachon University, Gyeonggi-do, 13120, Korea. Tel: +82-31-750-4718, Fax: +82-31-757-5837, E-mail: shkim6145@gachon.ac.kr
July 29, 2019 August 7, 2019 August 7, 2019

Abstract


The construction of long span rahmen bridges are frequently plagued by errors in positioning and height of essential girders. In order to prevent structural damage, increased construction costs, and increased construction time necessary to correct such errors, a ‘multi-functional bearing’ capable of changing the height of girders was developed. The multi-functional beam connector consists of multiple steel rods capable of changing their height with a maximum length of 0.3 m above and below the girder’s supporting plates. The multi-functional bearing allows the user to easily change the planned height of the bridge and the vertical error of the wall during construction projects. In order to predict the buckling stability of the multi-functional bearing, the design analysis was carried out by the Design Standards for Highway Bridges and the results were compared with the finite element analysis results. As a result, the stress was found to be 240.6 MPa at the center load and 320.8 MPa at the eccentric load, with the load multiplier at 1.64–2.19 depending on eccentricity. The load multiplier result from the finite element analysis is 3.40–3.45, which, being greater than the design result, is considered to be safe.



거더 하부플랜지와 받침연결장치가 합성된 라멘교의 좌굴안정성

정 윤지1, 김 선희2, 천 진욱3
1가천대학교 건축공학과 석사과정
2가천대학교 건축공학과 조교수
3아이오컨스텍 대표이사

초록


장경간 라멘교의 하부구조의 시공과정에서 발생되는 위치 오차와 높이 오차는 현장에서 빈번히 발생하고 있다. 이러 한 시공 오차를 보정하는 과정에서 초래되는 구조적 손상, 공사비 증대, 공사기간 증가를 방지하기 위해서, 높이 변경이 가능한 ‘다기능 받침연결장치’를 개발하였다. 다기능 받침연결장치에는 거더를 지지하는 받침판을 기준으로 각각 위아래 최대 0.3m 연 장 길이를 가진 강봉을 적용하였다. 다기능 받침연결장치는 교량의 계획 높이 변경 및 선 시공 벽체의 수직오차를 현장에서 간 편하게 변경할 수 있도록 하였다. 다기능 받침연결장치의 좌굴안정성을 예측하기 위하여 도로교설계기준에 의하여 설계 검토를 하였으며 유한요소해석을 통하여 설계검토 결과를 검증하였다. 검토 결과 응력은 중심하중 재하 시 240.6MPa, 편심하중 재하 시 320.8MPa로 나타났으며, 편심 거리에 따라 좌굴 안전율은 1.64∼2.19로 나타났다. 유한요소해석을 통해 도출된 좌굴 안전율 은 3.40∼3.45로 나타났으며 이는 설계기준에 의한 검토 값 이상이므로 안전 측으로 판단된다.



    AIO CONSTECH (All In One CONStruction TECHnology)

    1. 서 론

    교량 받침 장치는 교량 상부 구조를 지지하면서 상 부 구조에 가해지는 하중을 하부 구조로 전달하는 역할과 상부 구조의 이동, 회전 등을 수용하여 교량 의 내구성, 안정성 등에 영향을 주는 중요한 부재이 다(Choi et al., 2013;Kim et al., 2002;Kyun et al., 2014;Seo et al., 2016). 따라서 교량 받침은 수직 하 중에 대해서는 강해야하고 수평 하중에 대해서는 유 연하여야 한다(Yoon et al., 2008). 기존의 교량 받침 은 상부 구조물의 신축 오차를 하부 구조에 전달하 지 않고 상부 구조 내에서 조절 할 수 있도록 기계 적 신축 이음 장치를 설치하거나 교량 받침 설치 후 에 상부 구조물의 설치가 이루어지므로 시공 후에 발생하는 오차를 상부 구조물 자체에서 조절하기 어 려운 문제가 있다(Park et al., 2014;Oh et al, 2015). 또한 기존의 높이 조절 교량 받침(승강식 교량 받침, injectable bearing)은 교량 받침 하부에 설치된 볼트 및 나사를 이용하여 상부 구조의 높이를 조절한다. 그러나 이는 구조상 나사를 회전시키기가 용이하지 않다는 단점이 있다. 다른 방식으로는 유압에 의해 높이를 조절하는 방식이 있지만 이 또한 실린더의 내부 용액이 누출되거나 변질될 우려가 있다(Choi et al., 2013).

    교량의 계획 높이는 설계단계에서 관련 시방규정 및 현지 여건을 감안하여 결정되지만 현장 여건 등 으로 인하여 교량의 계획 높이가 변경되는 경우가 발생한다. 장경간 라멘교는 정밀한 시공이 이루어진 다는 가정 하에 부재가 제작되므로 계획 높이를 변 경하기 위해서는 선 시공 벽체를 절단하거나 우각부 연결강형을 재제작하거나, 공장 운송 후 절단하는 공 정 등을 거쳐야 한다. 교량 받침의 경우에는 교체 시, 잭을 이용하여 상부 구조를 상승시킨 후 판을 대어 받침 높이를 조절하는 등의 작업이 필요하며 이는 시 공 시 충분한 공간의 확보를 필요로 한다(Choi et al., 2013). 이러한 공정은 공사 기간 및 공사비의 증대를 초래하고 경우에 따라 벽체의 구조적 손상이 발생한다.

    이 연구에서 사용된 받침연결장치는 ‘다기능 받 침연결장치’로 명명하였고, 이 받침연결장치는 높이 변경이 가능한 연장길이를 가진 강봉을 적용함으로 써 교량의 계획 높이 변경 및 선 시공 벽체의 수직 오차를 현장에서 간편하게 수용할 수 있도록 하였 다. 이 장치는 시공단계에서 발생하는 시공 오차로 인해 계획 높이의 변경에 유연하게 대처할 수 있는 받침연결장치로써 거더의 설치 이후 우각부 콘크리 트에 의해 매입되는 장치이다. 받침연결장치는 가설 단계 이후 노출되어 상부하중을 하부로 전달하는 거 더교의 교좌장치와 달리 가설단계에서 거더의 거치 를 수월하게 한다. 또한, 상부 콘크리트 타설 이후 콘크리트에 매입되어 하중 전달의 기능을 하지 않으 므로 우각부에 콘크리트가 타설되는 라멘교에 적합 한 기술이다.

    국내 도로교설계기준에서는 구조물의 종류와 구 조 상세에 따른 피로 검토를 수행하도록 규정하고 있으며 받침연결장치를 구조물에 적용하기 위해서는 좌굴에 대한 안정성이 보장되어야 한다(Yi, 2017). 따 라서 이 연구에서는 다기능 받침연결장치를 개발하 고 받침연결장치의 좌굴안정성을 검토하였다. 또한, 다기능 받침연결장치를 사용한 교량을 대상으로 도 로교설계기준에 의한 설계검토 및 3차원 유한요소해 석을 수행하였으며 시공 단계에서 발생할 수 있는 편심과 좌굴에 대한 안정성을 검토하였다.

    2. 다기능 받침연결장치

    다기능 받침연결장치는 Fig. 1과 같이 거더가 설치되 는 계획높이를 기준으로 위아래로 각각 최대 0.3m씩 연장되는 길이를 가진 4개의 강봉을 가지고 있으며, 거더의 설치높이를 강봉 내에서 임의로 변경할 수 있는 받침판과 받침너트로 구성되어 있다. 다기능 받 침연결장치를 선시공 벽체 위에 설치함으로써 현장 에서 간단하게 계획 높이를 변경할 수 있도록 한다.

    다기능 받침연결장치는 거더와의 결합을 위하여 강봉이 거더의 하부플랜지를 관통하도록 홀을 설치 하고, 강봉과 홀 사이의 유격이 있도록 트랙형 홀을 적용함으로써 온도변화에 의한 거더의 수평변위와 시공오류로 인한 수평오차를 현장에서 간편하게 수 용할 수 있도록 설계하였다. 트랙형 홀의 길이는 일 체식교대 교량에서 강교량의 최대 경간장에 해당하 는 90m를 기준으로 온도변화에 의한 신축 및 기하 학적 특성을 반영하여 시공의 편의를 위해 표준화 되어 있다. 하부플랜지 천공의 위치는 교량의 단부 로서 교량의 합성 전에는 모멘트를 받지 않는 구간 이므로 천공으로 인한 영향은 없다.

    또한, 강봉이 거더 하부플랜지를 관통하여 너트 로 고정됨으로써 거더의 전도가 방지되고, 거더의 하부플랜지 하면에 용접되는 3개의 반달 형태의 판 이 받침판에 선접촉하도록 하여 거더의 수평변위에 대해 마찰력을 감소시키고 단부 회전변위에 대해 강 봉에 작용하는 편심하중을 방지한다. 더불어 4개로 구성된 강봉에 받침판을 너트로 고정함으로써 강봉 상단 전체가 일체화됨에 따라 유효길이계수가 감소 되고, 이로 인해 좌굴 성능이 향상된다. 다기능 받침 연결장치의 변위 수용력을 Fig. 2에 나타내었다.

    3. 다기능 받침연결장치의 구조적 안전성 검토

    다기능 받침연결장치는 완공 이후 하중 전달의 기능 을 수행하지 않는 시공 단계에서만 기능을 발휘하는 가설용 신설부재이며, 상부 거더의 자중으로 인한 축방향 압축력이 가장 크게 작용하는 부재이므로 압축 력에 의한 좌굴 검토를 수행하였다. 가설단계에서 작 용하는 수평력은 시공 시 발생하는 하중으로 압축력에 비하여 크기가 매우 작고 거더 하부 플랜지에 용접된 반달판의 회전에 의하여 수평력을 수용할 수 있기 때 문에 전단에 대한 추가적인 검토는 생략하였다.

    3.1 도로교설계기준에 의한 설계 검토

    다기능 받침연결장치를 사용한 교량을 대상으로 도 로교설계기준(2016)에 의한 강형 받침부 설계 검토를 진행하였다. 해석에 사용한 교량은 2018년에 시공된 남양주시의 ○○ 보도교이다. ○○ 보도교는 상부구 조에 강판형 거더를 사용하여 거더의 설치 시 다기 능 받침연결장치를 사용한 일체식 교량이다. ○○ 보 도교는 경간 38m, 벽체높이 5m의 단경간 보도교이 며 ○○ 보도교의 제원을 Table 1에 나타내었다.

    받침부에 사용된 다기능 받침연결장치에는 직경 26.5mm의 PC 강봉이 사용되었으며 강봉의 최대 비 지지 길이는 300mm이다. PC 강봉의 좌굴 안정성 검 토는 상부 거더로부터 받침판으로 전달되는 하중이 받침판의 중심부에 작용하는 경우(eh = 0)와 편심하중 (eh = 30mm)이 작용하는 경우에 대하여 수행하였으 며 PC 강봉의 제원을 Table 2에 나타내었다.

    유효길이계수 K는 비지지 구간 상단부의 수평변 위를 허용한다고 가정하여 이론값(K=1.0)이 아닌 보 수적 개념의 설계값(K=1.2)을 적용하였다.

    3.1.1 하중이 중심부에 작용하는 경우(eh = 0)

    하중이 받침판의 중심부에 작용하는 경우에 대한 설 계 검토는 다음과 같다.

    Eq. (1)의 받침부에 작용하는 비계수 하중(Vdc)은 시공단계에서 거더 및 가로보의 자중 등으로 인한 단부의 전단력을 사용하였다.

    V d c = 425.0 k N
    (1)

    P s t r = 1.25 × V d c
    (2)

    여기서, Vdc는 받침부에 작용하는 비계수 하중이 고 Pstr는 받침부에 작용하는 계수 하중 (극한한계Ⅰ) 이다. 각 강봉당 작용하는 계수 하중은 Pstrn과 같다.

    P s t r n = P s t r / 4
    (3)

    λ = ( K l r s π ) 2 F p y E
    (4)

    λ는 폭-두께비로 1.42로 나타났으며 이에 따라 강봉의 공칭하중(Pn)은 도로교설계기준(2016)에서 제 시한 폭-두께비(λ) 2.25 이하인 경우에서의 공칭압축 강도를 구하였다.

    P n = 0.66 λ · F p y · A p
    (5)

    P r = ϕ c · P n
    (6)

    P r > P s t r n
    (7)

    여기서, Pr은 강봉의 설계하중으로 압축에 대한 저항계수(ϕc)로 0.9를 취하였고 검토 결과, 설계 하중 이 계수 하중 이상으로 나타났으므로 안전 측이며 상부 거더에서 받침판 중심부로 전달되는 압축하중 에 대하여 약 2.2배의 안전율을 확보하고 있는 것으 로 나타났다.

    3.1.2 하중이 편심으로 작용하는 경우(eh = 30mm)

    시공 중 시공오차 및 온도변화 등으로 인해 발생하 는 편심하중에 대한 검토는 다음과 같다. 편심은 받 침판의 중심으로부터 30mm 떨어진 위치에 하중이 작용하는 경우로 가정하였다. 하나의 강봉에 작용하 는 편심에 대한 계수 하중 (극한한계Ⅰ) (Pstrne)은 다 음과 같으며 eh는 편심거리를 나타낸다.

    P s t r n e = P s t r 2 · ( D / 2 + e h ) D
    (8)

    P r = ϕ c · P
    (9)

    P r > P s t r n e
    (10)

    설계기준에 의한 다기능 받침연결장치의 PC 강 봉 검토 결과, 설계 하중이 계수 하중 이상으로 나 타났으므로 안전 측이며 상부 거더에서 받침판 중심 부로 전달되는 편심하중에 대하여 약 1.6배의 안전 율을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 각 하중의 편 심 거리별 설계검토 결과는 Table 3과 같다.

    3.2 유한요소해석

    다기능 받침연결장치의 설계검토 결과를 검증하기 위하여 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 해석은 범 용유한요소해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver. 19.2를 사용하였고 해석의 모델링에는 Solid 요소가 사용되었다. 다기능 받침연결장치는 실제와 유사한 거동을 유도하기 위하여 벽체 콘크리트를 생성하고 다기능 받침 연결 장치의 하부가 매입되도록 하였 다. 또한 재료특성은 설계기준에 의한 설계검토 시 의 조건과 동일하도록 Table 2를 적용하였고 하중 경계 조건은 벽체 콘크리트 하부를 Fixed support로 지정하였으며 콘크리트에 매입된 강봉의 접촉 조건 은 bonded로 지정하였다.

    받침판의 중심에 하중이 작용하는 경우(Case Ⅰ) 와 편심으로 하중이 작용하는 경우(Case Ⅱ)에 해당 하는 유한요소해석 모델 및 하중재하 조건을 Fig. 3 과 Fig. 4에 나타내었다.

    유한요소해석에 의한 다기능 받침연결장치의 PC 강봉 검토 결과, 받침부의 중심부에 작용하는 하중 에 대한 강봉의 응력은 320.9MPa로 나타났으며, 좌 굴에 대한 안전율(Load Multiplier)은 3.45인 것으로 나타났다. 또한 편심하중에 대한 검토결과 강봉의 응력은 452.0MPa로 나타났으며, 좌굴에 대한 안전율 은 3.40인 것으로 나타났다. 응력집중 구간을 제외하고 강봉에 발생하는 응력은 CaseⅠ의 경우 약 244.1MPa, CaseⅡ의 경우 약 321.0MPa로 나타났다. 각각의 경우 에 대한 유한요소해석 결과를 Fig. 5에 나타냈으며 Table 4에 정리하였다.

    3.3 결과 비교

    PC 강봉의 좌굴 안정성에 대한 도로교설계기준에 의한 설계 검토 결과와 유한요소해석 결과를 비교하 여 Table 5에 나타내었다.

    비교 결과 강봉에 작용하는 응력은 Case Ⅰ의 경 우, 유한요소해석에 의한 값이 설계기준에 의한 검 토 값 보다 약 1.4배 크게 나타났지만 이는 모델링 상의 받침판과 PC 강봉 간의 접촉조건으로 인한 국 부적인 응력집중 현상으로 실제로는 강봉이 통과하 는 구멍이 강봉의 직경보다 크게 천공되므로 발생하 지 않는 현상이다. Case Ⅱ의 경우, 설계기준에 의한 검토 값과 비슷한 수준으로 나타났다. PC 강봉의 좌 굴 안정성은 Case Ⅰ의 경우, 설계기준에 의한 검토 값과 48%의 차이를 보였으며, Case Ⅱ의 경우 64% 의 차이를 보였다.

    4. 결 론

    이 연구에서는 시공 중 거더의 설치 높이를 자유롭 게 조절 가능하고, 갑작스러운 하중에 대한 수평 및 회전변위를 수용할 수 있으며, 거더의 전도를 방지 하여 시공의 안전성을 향상시킬 수 있는 새로운 형 식의 받침장치인 ‘다기능 받침연결장치’의 좌굴 안정 성을 확인하기 위하여 도로교설계기준에 의한 설계 검토와 더불어 이를 유한요소해석을 통해 검증하였 다. 이 연구를 통해 얻은 결과는 다음과 같다.

    • 1) 설계기준에 의한 검토 결과, 받침부 PC 강봉 은 편심 거리에 따라 약 1.64~2.19의 좌굴에 대한 안전율을 확보하고 있는 것으로 나타났 으며, 유한요소해석에 의한 검토 결과, 받침부 PC 강봉은 편심에 따라 약 3.40~3.45배의 좌굴 에 대한 안전율을 확보하고 있는 것으로 나타 났다.

    • 2) 설계기준에 의한 좌굴 검토는 압축하중에 대 한 공칭강도를 산정함에 있어 보수적인 관점 의 설계가 이루어질 수 있도록 유효좌굴계수 (K=1.2)를 적용하였다. 그러나 실제 거동의 경 우, 가정한 바와 같이 PC 강봉의 상단부가 자 유롭게 횡방향 변위를 발생시키지 않고 너트 에 의해 구속되어 있으므로 좌굴에 대한 안전 율은 증가할 것이다. 이로 인해 실제 거동을 모사한 유한요소해석의 좌굴 안전율이 설계기 준에 의한 검토 값 이상이므로 안전 측으로 판단된다.

    감사의 글

    이 논문은 ㈜아이오컨스텍의 지원을 받아 수행된 연구 입니다. 이에 감사드립니다.

    Figure

    KOSACS-10-4-61_F1.gif
    Multi-functional Bearing
    KOSACS-10-4-61_F2.gif
    Capacity of Displacement
    KOSACS-10-4-61_F3.gif
    ANSYS Modeling
    KOSACS-10-4-61_F4.gif
    Loading Point
    KOSACS-10-4-61_F5.gif
    Stress

    Table

    Properties of ○○ Pedestrian Bridge
    Properties of PC Steel Rod
    Result of Design Stress
    Result of Finite Element Analysis
    Comparison of Design Analysis and Finite Element Analysis

    Reference

    1. ANSYS® Workbench™ Release 19.2.
    2. Choi, E. S. , Tae, G. H. , Baek, J. H. , and Eo, Y. , (2013), “Development and Tests for Adjustable Bearing Using Wedges to Adjust Elevation”, Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 13, No. 5, pp. 017-024 (in Korean).
    3. Choi, J. W. , Jang, M. J. , Cheon, J. U. , and Yoon, S. J. (2015), “An Experimental Study on the Structural Behavior of Steel-Concrete Composite Rahmen Bridge with Hinged End Supports”, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 27, No. 2, pp. 195-205 (in Korean).
    4. Kim, Y. J. , Cho, J. R. , Park, S. Y. , Kim, B. S. , and Yoo, M. S. (2002), “Development of High Performance Bearings for Bridge Ⅱ: Injectionable Bearing”, KSCE Journal of Civil Engineering, (3-6), pp. 384-387 (in Korean).
    5. Kyung, K. S. , Jeon, J. C. , Cha, C. J. , Bae, J. , and Kwon, S. C. (2014), “Design Concepts and Maintenance of Bridge Bearing”, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 26, No. 4, pp 15-25 (in Korean).
    6. Minister of Land, Infrastructure and Transport (2016), Korean Highway Bridge Design Specification.
    7. Oh, J. H. and Son, M. G. (2015), “Adjustable Bearing in Vertical Direction Using Oil Pressure System”, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 27, No. 1, pp. 68-73 (in Korean).
    8. Seo, I. W. , Cho, Y. S. , Choi, D. C. , Won, Y. D. , and Yim, B. R. (2016), “A Study on Influence to Bridge Bearing by Void in Concrete under Bridge Bearing”, Journal of the Korean Society for Railway, pp 183-188 (in Korean).
    9. Park, J. M. , Kim, J. B. , Jun, S. Y. , Kim, C. S. , You, S. K. , Park, J , B. , Lim, J. H., (2014), “Study on the Field Construction of Semi-Integral Bridge with PSC Girder Integrating End-Diaphragm”, Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, Vol. 5, No. 2, pp. 21-26. (in Korean).
    10. Yi, G. S. (2017), “A Fatigue Stability Study of the Connected Part of Existing Bridge”, Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, pp. 30-33 (in Korean).
    11. Yoon, H. J. , Cho, C. B. , Kim, Y. J. , and Kwak, I. J. (2008), “A experimental study on the stiffness characteristics of elastomeric bearings”, KSCE Journal of Civil Engineering A, Vol. 28, No. 4A, pp. 475-485 (in Korean).