한국구조물진단학회 제10권 제6호(2006.11)
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Abstract
The paper proposes rating equations for main components such as girders, towers and cables in cable-stayed bridges. Load rating equations for girders and towers are proposed using stress and stability equations and load rating equation for cables is presented. A moving load analysis is performed and distribution types of live loads are determined for the cases of a maximum axial tensile force, a maximum axial compressive force, a maximum positive and a negative moment for each component. The Dolsan Grand bridge is used to verify a validity of proposed equations, The conventional rating equation overestimates rating factors of girders and towers in the Dolsan Grand bridge, whereas proposed rating equations properly reflect the axial-flexural interaction behavior of girders and towers in cable-stayed bridges.
요 지
본 논문에서는 사장교 주요부재인 거더와 주탑 및 케이블의 내하율을 평가하기 위한 식을 제안하였다. 응 력 및 안정성 검토식을 이용하여 강사장교 거더와 주탑에 적용 가능한 내하율 산정식을 제안하였고 케이블의 내하율 산정식을 제안하였다. 영향선해석을 수행하여 사장교 각 부재에 인장력 최대, 압축력 최대 및 정/부 모멘트 최대의 경우에 활하중 재하 형태를 결정하였고 각 부재의 내하율 산정절차를 정리하였다. 제안된 내 하율 산정방법의 타당성을 검증하기 위하여 실교량 모델인 돌산대교에 대한 적용예를 제시하였다. 일반교량 의 내하율 산정방법은 돌산대교 거더와 주탑의 내하율을 과대 평가 하였으며, 제안된 내하율 산정방법은 축 력과 모멘트를 동시에 지지하는 사장교 거더와 주탑의 거동을 적절히 반영하였다.
Keywords : Cable-stayed bridge, Stress and stability equations, Rating factor 핵심 용어 : 사장교, 응력 및 안정검토식, 내하율
강사장교 주요부재의 내하율 산정
Evaluation of Rating Factor for Main Components in Steel Cable-Stayed Bridges
최 동 호* 유 훈** 신 재 인*** 송 원 근****
Choi, Dong-Ho Yoo, Hoon Shin, Jay-In Song, Won-Keun
1)
* 정회원, 한양대학교 토목공학과 부교수 ** 학생회원, 한양대학교 토목공학과 박사과정 *** 학생회원, 한양대학교 토목공학과 석사과정
**** 정회원, 한국시설안전기술공단 과장
2)
E-mail : [email protected], 02-2220-0328
•본 논문에 대한 토의를 2006년 12월 31일까지 학회로 보내 주시면 2007년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
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한국구조물진단학회 제10권 제6호(2006.11)1. 서 론
기설된 교량은 공용 연한이 증가함에 따라 환경적 인 변화, 재료의 노후화 및 중과적 차량의 통과로 인한 충격 등의 요인으로 교량의 내하력(Load Capacity) 에 변화를 초래하는 구조적인 결함이 발생하게 된다 (Cai, 2003). 따라서 공용중인 교량을 보다 안전하고 효율적으로 운영하기 위해서는 주기적인 공용내하력 (Load Rating) 평가와 더불어 교량의 주요부재에 대 한 적절한 유지관리 절차가 필요하다.
일반적인 교량의 공용내하력은 교량 유지관리 지침 에 규정화 된 이론적인 내하력 산정방법에 의거하여 결정된다(건설교통부, 2003; AASHTO, 1994;
AASHTO, 2003). 이러한 이론적인 내하력 평가방법 은 실제 교량을 수치모델로 작성하기 위한 적절한 가 정사항(지점조건, 연결부조건 등)과 교량의 도면과 같 은 문서화 된 정보를 필요로 한다(Fu, 1997). 그러 나, 관리지침에 규정화 된 이론적인 내하력 평가방법 은 교량의 내하력을 과소평가 하기 때문에(Chajes, 1999; Barker, 1999) 교량의 실제적인 공용내하력 을 추정하기 위해서는 정적 혹은 동적인 재하시험에 의하여 이론적인 내하력을 보정하여야 한다.
이러한 이유 때문에 현재 교량의 내하력 평가와 관 련한 연구는 주로 현장재하시험 방법과 적용에 대한 분야에 집중되어 있다. Shultz 등(1995)은 단경간 및 중경간 교량에 대한 통합화 된 현장재하시험 방법 을 제안하였으며 현장재하시험 결과로부터 산출된 부 재의 변형율 이력을 이용하여 이론적인 해석 모델을 보정하였다. 또한 보정된 해석 모델은 교량의 실제 내 하력을 보다 정확하게 추정할 수 있음을 보였다.
Barker (1999)는 강도로교의 공용내하력에 영향을 미치는 인자를 자중, 충격계수, 횡방향 분배, 종방향 분배, 부가 강성 및 합성 효과 등으로 세분화하였으며 현장재하시험을 통하여 공용내하력 산정시에 세분화 된 인자를 고려할 수 있는 절차적인 방법을 제시하였 다. 또한, Schenck 등(1999)은 트러스 교량에 대하 여 이론적인 내하력 평가와 재하시험에 근거한 내하력 평가결과의 차이를 분석하였다.
한편, 이와 같은 일반 강도로교의 이론적인 공용내
하력은 선형적으로 거동하는 교량을 가정하고 있으며 교량이 비선형 거동을 보이게 되는 극한거동시의 내하 력 산정에는 적용될 수 없음이 지적된 바 있다(Cai 등, 2003).
그러나 사장교는 극한거동이 아닌 공용 하중하에서 도 케이블 새그, 축력과 모멘트의 조합 작용 및 대변 위 거동와 같은 비선형성을 보이는 매우 유연한 구조 물로 알려져 있다(Wang 등, 2002; Shu와 Wang, 2001). 따라서 선형적인 거동 및 단일한 힘과 응력계 를 가정하는 규정화 된 일반 교량의 이론적인 내하력 평가방법은 사장교의 공용내하력 산정에 바로 적용될 수 없다. 또한 규정화 된 교량의 유지관리 지침에서도 사장교나 현수교 및 아치교와 같이 복잡한 거동을 보 이는 구조물의 공용내하력 평가시에는 특수한 해석 방 법과 절차가 필요하다고 지적하고 있다(건설교통부, 2003; AASHTO, 1994; AASHTO, 2003).
이와 같은 연구 필요성에도 불구하고 사장교의 공 용내하력 산정 방법에 대한 연구는 현재까지 거의 진 행된 바 없다. 현재, 사장교에 대해서 일반 교량과 같 이 정량적인 내하력을 산정할 수 있는 방법은 아직 규 정화 되지 못한 실정에 있으며, 국내에서는 도로교설 계기준의 압축력과 휨을 동시에 지지하는 부재에 대한 응력 및 안정검토식을 적용하여 사장교 거더와 주탑의 안정성만을 정성적으로 평가하고 있다. 이와 같은 정 성적인 안정성 평가 과정만으로는 교량의 유지관리 절 차를 효율적으로 수행할 수 없을 뿐만 아니라, 교량의 보수 및 보강에도 문제를 일으킬 소지가 있다.
따라서, 현재 건설되어 공용중이며 또한 향후 국내 및 국외에 다수 건설될 것으로 예상되는 장경간 사장 교의 효율적인 유지관리를 위해서는 사장교에 적용될 수 있는 정량적인 공용내하력 산정방법의 정립이 시급 하다고 할 수 있다.
본 연구의 목적은 강사장교의 주요부재에 합리적으 로 적용 가능한 이론적인 내하율 산정방법을 제안하는 것이다. 이를 위하여 일반 교량에 적용되는 이론적인 내하율 산정방법이 강사장교 주요부재의 내하율 산정 시에 적용될 경우, 발생되는 문제점을 분석하였다. 또 한 일반 교량에 적용되는 내하율 산정식과 도로교설계 기준에 규정된 축력과 모멘트를 동시에 지지하는 부재
