The Static Behavior of Bridge Expansion Joints Due to the Wheel Load

構 造 工 學

第28卷 第3A 號·2008年 5月 pp. 357 ~ 366

윤하중 재하에 의한 교량 신축이음의 정적거동

The Static Behavior of Bridge Expansion Joints Due to the Wheel Load

김영진*·곽임종**·조창백***·윤혜진****

Kim, Youngjin · Kwak, Imjong · Cho, Changbeck · Yoon, Hyejin

···

Abstract

This study addresses the analysis of the behavioral characteristics of bridge expansion joints under wheel loading through wheel load test and the proposal of relevant wheel load specifications for expansion joints. To that goal, specimens of rail and finger expansion joints that are widely used in Korea were fabricated and subjected to static wheel load test using a real tire wheel. The wheel load distribution factor in the rail and finger expansion joints in contact with the wheel load was evaluated.

The evaluation revealed that the portion of load sustained by the central rail of rail expansion joint was decreasing with larger wheel load, and that the portion of load sustained by the finger expansion joint was practically insensitive to the increase of the contact area and remained nearly constant. Since the wheel load characteristics showed large difference compared to former design specifications, it appears necessary to prepare rational specifications relative to the distribution of the wheel load con- tact pressure for the design of expansion joints.

Keywords : highway bridge, rail expansion joint, finger expansion joint, wheel load, distribution factor

···

요 지

본 연구는 교량 신축이음에 대해서 윤하중 재하실험을 통해 윤하중 재하 특성을 분석하고 이를 토대로 신축이음에서의 윤 하중 재하기준을 마련하는 기초데이터를 확보하고자 실시하였다. 이를 위해 국내에서 많이 사용되고 있는 레일신축이음과 핑 거신축이음에 대하여 시험체를 제작하고 실제 타이어 바퀴를 사용한 정적 윤하중 재하실험을 실시하였다. 윤하중에 접촉된 레일과 핑거에서 윤하중 분배율을 파악하였는데, 레일신축이음에서 중앙 레일이 지지하는 분담율은 윤하중 크기가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났고 핑거신축이음에서는 접촉 면적 증가에 따라 거의 증가하지 않고 일정하게 됨을 알 수 있었 다. 윤하중 재하 특성이 기존 설계기준과 많은 차이를 나타내고 있으므로 신축이음 설계를 위한 윤하중 접지압력 분포에 대 한 합리적인 기준 마련이 필요하다고 판단되었다.

핵심용어 : 도로교, 레일신축이음, 핑거신축이음, 윤하중, 분담율

···

1. 서 론

신축이음(Expansion Joints)은 노면과 일체로 차륜을 지지 하여 원활한 차량운행이 가능하게 하고 발생하는 각종 변형 을 흡수하여 상부거더 또는 하부 교각에 유해한 응력이 발 생하지 않도록 한다. 교량 신축이음의 종류별 설치 추세를 보면 신축량이 작은 경우에는 고무계열 신축이음을 많이 사 용하고 있지만 신축량이 큰 경우에는 레일형과 핑거형 등 윤하중을 직접 지지할 수 있는 강재형 신축이음이 많이 사 용되고 있다(고현무 등, 2005; 정찬묵 등, 1993).

레일 신축이음은 다양한 부품들(center beam, support

beam, 탄성 패드 슈, 압축스프링, 간격유지재 등)로 구성된

복잡한 구조물로 용접이나 볼트로 조립된 구조를 갖는다. 그

리고 교폭이 18 m보다 넓은 경우에는 공장에서 세그먼트를 제작하고 현장에서 이들을 용접하여 완성한다. 이와 같은 각 부품들의 용접부나 볼트부, 현장 용접부 등에 차량 하중이 작용하면 피로응력이 발생하여 신축이음의 수명에 막대한 영 향을 미치고 있다. 레일 신축이음에 작용하는 차량 윤하중은

center beam 을 통해 support beam과 교량 상부 거더로 전

달된다. 여기서 다수의 center beam으로 구성된 레일 신축 이음의 설계를 위해서는 center beam 상면에서 차량하중의 접지 분포와 하중분배율, 충격계수 등이 명확히 정의되어야 신뢰성 있는 설계를 수행할 수 있다. 미국에서는 Dexter 등

(2002) 의 현장 계측 및 실내 윤하중 실험에 근거하여

50~80% 로 center beam의 상부플랜지 폭에 따라 나누어 규

정하고 있다(AASHRO LRFD, 2004). 그렇지만 국내에서는

*정회원·교신저자·한국건설기술연구원 구조시스템연구실 책임연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])

**정회원·한국건설기술연구원구조시스템연구실선임연구원·공학박사 (E-mail : [email protected])

***정회원·한국건설기술연구원 구조시스템연구실 연구원·공학석사 (E-mail : [email protected])

****정회원·한국건설기술연구원구조시스템연구실연구원·공학석사 (E-mail : [email protected])

관련 연구를 구체적으로 수행하지 않고 모든 레일신축이음 에서 center beam의 분배율을 관행적으로 60%를 적용하고 있어(교량설계핵심기술연구단, 2006) 검토가 필요하다고 판 단된다.

핑거형 신축이음은 주요 구성 요소로는 방수를 위한 고무

trough 와 강재 핑거로 구성되어 있다. 그 구조가 간단하고

설치 및 교체가 용이하여 현재 많은 각광을 받고 있지만, 방수 고무 trough에서의 이물질 퇴적 또는 핑거의 손상이 큰 단점으로 지적되고 있다(박흥석 등, 1997; 곽석환 등,

2004). 핑거의 손상을 방지하기 위해서는 신축이음 설계 시

접촉되는 윤하중 크기를 합리적으로 산정하여 엄밀한 구조 계산이 필요하다. 도로공사 핑거신축이음 설계지침에 따르면 접촉하는 핑거들이 윤하중을 고르게 지지하는 것으로 가정 하고 핑거의 설계모멘트를 산정하도록 규정하고 있다(정찬묵 등, 2004). 그러나 실제로는 핑거에 접촉하는 중차량 바퀴의 특성에 따라 특정 핑거에 하중이 집중될 수 있는 가능성이 있어 핑거가 부담하는 윤하중 크기를 과소평가할 수 있으며, 일부 핑거에서는 과대평가할 수 있다.

본 논문에서는 레일신축이음과 핑거신축이음 각각에 대하 여 시험체를 실제 크기로 제작하고 중차량 트럭의 후륜으로 윤하중 재하실험을 실시하였다. 그리고 각 하중 단계별로 레 일신축이음에서의 center beam들과 핑거신축이음에서의 핑거 들에서 변형률을 측정하여 각 부재에 분배되는 윤하중 분담 율을 산정하여 국내외 신축이음의 윤하중 재하 기준과 비교 하였다.

2. 신축이음에서의 윤하중 재하 특성

중차량 트럭의 탄뎀 바퀴는 2개의 타이어가 그림 1과 같 이 약간 떨어져 1조로 이루어져 있다. 2개의 바퀴가 1조로 된 중차량 트럭 윤하중은 도로교설계기준(2005)에서는 직사 각형 분포로 규정하고 있다. 즉, DB-24의 윤하중은 그림 1 과 같이 231×577 mm의 직사각형 면적에 등분포 압력(7.2 MPa) 으로 작용하는 것으로 규정하고 있다. 레일신축이음은 이 윤하중을 center beam을 통해 support beam과 상부 거 더로 전달하는 구조를 가지고 있다(그림 2). 도로교설계기준 에 따라 직사각형 형태의 윤하중 등분포 압력을 레일신축이

음에 재하하면(그림 3) center beam 2에 가장 큰 하중이 작용하게 된다. 양측 center beam에 재하되는 폭 e는

center beam 상부플랜지 폭(W

) 에 따라 다음과 같이 계산

할 수 있다.

(1)

Center beam 사이의 틈새 최대 간격(W

) 은 신축 정도

에 따라 달라지는데, 최대 허용폭은 국내는 80 mm이고

AASHTO LRFD(2004) 에서는 틈새가 하나인 경우(for

single gap) 는 102 mm, 틈새가 여러 개인 모듈 형식(for

multiple modular gaps) 은 76 mm까지 제한하고 있다. 최대

틈새 간격(W

) 을 80 mm라 하고, center beam의 상부플 랜지 폭(W

) 을 63.5 mm라고 하면 e=3.75 mm가 된다. 이는 양쪽 center beam에는 접지가 매우 작음을 의미한다. 따라 서 하중분담율도 매우 작을 것이고 중앙의 center beam이 거의 대부분의 윤하중을 받을 것으로 판단된다. 만약 상부플 랜지 폭(W

) 이 75 mm이면 e=0이 되어 전체 윤하중을 center

beam 2 가 100% 부담하게 된다. 이와 같이 윤하중 분포에

영향을 미치는 주요 변수로는 center beam의 상부플랜지 폭 W

이다. AASHRO LRFD(2004)에서는 Dexter 등(2002)의

e 231 2W –

– W

--- 2

=

그림 3. 윤하중 재하 개념도 ( 단위 : mm)

그림 1. 트럭 (DB-24) 윤하중 분포 ( 단위 : mm)

그림 2. 레일신축이음 구조

현장 계측 및 실내 윤하중 실험에 근거하여 center beam의 상부플랜지 폭에 따라 center beam 2에 작용하는 P

를 전 체 윤하중 P의 50~80%로 규정하고 있다(표 1). center

beam 상부플랜지 폭이 65 mm이하인 경우 50%를, 75 mm

까지 60%, 100 mm까지 70%, 120 mm까지 80%를 분담한 다고 한다. 여기서 보면 center beam 상부플랜지 폭이 75 mm 인 경우 중앙 center beam이 60%를 분담하고 양쪽 보 가 20%씩 각각 분담함을 알 수 있다. 이것은 국내 윤하중 의 등분포 접지압력 직사각형 분포를 적용하여 center beam 2 가 100% 부담한다는 결과와 상이함을 알 수 있다. 이는 실제로 바퀴가 center beam에 재하되면, 찌그러지면서 이상 적인 직사각형 분포에서 벗어나 양쪽 보에 더 많은 영향을 주는 접지 상태가 됨을 추정할 수 있다. 이를 감안하여 국 내에서는 아직까지 상세한 윤하중 분배 규정이 마련되지 못 한 실정이라 center beam 사이 최대 간격과 상부플랜지 폭 에 상관없이 일률적으로 60%를 가정하여 관행적으로 설계 하고 있다(고현무 등, 2006). 이는 국내 중차량 트럭의 실제 윤하중 재하 분포 특성을 반영하지 못할 가능성도 있을 뿐 만 아니라, 상부플랜지 폭에 따라서는 과대해지거나 너무 작 아질 수 있음을 의미한다. 따라서 국내 중차량 트럭의 실제 윤하중 분포 특성을 파악하고 윤하중 분배율을 설정하기 위 해 실제로 국내에 적용되고 있는 레일 신축이음의 시험체를 제작하고 윤하중 재하 실험을 수행할 필요가 있다.

핑거 신축이음에서는 그림 4와 같이 윤하중이 캔틸레버 선 단에 재하되었을 때 핑거 설계 단면인 시점부에 최대 모멘 트가 발생한다. 핑거 신축이음 특성상 도로교설계기준의 윤 하중 분배 면적 안에서 접촉이 되지 않는 부분이 발생하므 로 이를 제외하면 윤하중 분포 면적은 작아진다(그림 5).

(2)

여기서, A

는 그림 1에서 구한 윤하중 분포 면적(mm

) 이 고, A

는 윤하중 분포 면적안에서 접촉되지 않는 부분의 면 적(mm

), A

는 핑거신축이음에서 윤하중 접촉 면적(mm

) 이다.

결국 표준 트럭의 후륜하중 P

에 대해서 윤하중 등분포 하중 w

를 다음과 같이 구할 수 있다.

(3) 이 윤하중 등분포 하중은 그림 4에서의 캔틸레버 길이(L)와 핑거 폭(b

), 인접 핑거 간격(w

) 등의 신축이음 형상에 따라 달라지고 핑거의 최소 겹침길이(c

) 의 영향을 받는다. 최소 겹 침길이(c

) 는 핑거가 빠져서 이탈되는 것을 방지하기 위해

AASHTO LRFD 에서는 38 mm이상으로 제한하고 있으며 한

국도로공사에서는 거더 신축길이에 따라 25~40 mm이상으로 규정하고 있다(정찬묵 등, 2004). 가장 불리한 상황이 최대로 벌어진 상태, 즉 최소 겹침길이 상태이기 때문에 이 때 설계윤 하중을 재하해야 하므로 핑거신축이음의 윤하중 분포 특성은 핑거 형상에 좌우된다고 할 수 있다. 한편 한국도로공사의 설 계지침에서는 윤하중 분포 특성을 간단하게 모사하여 그림 6 과 같이 최대로 벌린 간격(w

) 의 중앙에 집중하중을 재하하고 설계 휨모멘트를 구하도록 하고 있다.

A

= A

– A

w

P

A

---

= 표 1. center beam 의 윤하중 분배율 (AASHTO LRFD, 2004)

Width of Center Beam Top Flange (mm)

Distribution factor (%)

65(or less) 50

75 60

100 70

120 80

그림 4. 최대모멘트 윤하중 재하상태

그림 5. 윤하중 핑거 접촉 면적

그림 6. 윤하중 재하 위치 ( 한국도로공사 , 2004)

(4)

3. 시험체 제작

3.1 레일신축이음 시험체

시험체는 윤하중 분담율(Distribution Factor)을 알아보는데 초점을 맞추어 그림 7과 같이 3개의 center beam을 가지고 있으며, 지지보(support beam)가 양쪽에서 단순 지지하는 실 물 크기의 부분모델을 제작하였다.

Center Beam 및 Support Beam의 단면제원은 그림 8과

같고 Center Beam의 면적 A

는 6,563 mm

이고 중립축 위치(y

) 는 57.65 mm이며 단면2차모멘트(Moment of Inertia) I

는 9,128,101 mm

이다. Support Beam의 면적 A

는 5,400 mm

이고 단면 2차모멘트 I

는 6,480,000 mm

이다.

Support Beam 과 Center Beam 사이의 용접부는 그림 9에

나타냈는데 용접두께 h

는 19.0 mm이고, 용접 폭은 위쪽 b

=64.0 mm, 아래쪽 b

=89.4 mm 이고 b

=55.0 mm 이다.

시험체에는 각 center beam의 중앙 하면에 그림 7(b)와 같이 변형률 게이지와 변위계를 부착하였고, 중앙 support

beam 하면에도 변형률 게이지와 변위계를 설치하였다. 윤하

중 재하는 가능한 중앙에 재하하려 하였지만, 실험 여건상 그림 10과 같이 정중앙이 아닌 약간 좌측으로 편측 재하되 었다. 윤하중에 의하여 실험체의 center beam 1, 2, 3 각각 에 전달되는 하중 비율을 P

, P

, P

라고 하면 center

beam 2 에서 휨모멘트는 그림 10과 같이 작용한다. 여기서

중앙에서 최대 휨모멘트 M

=349P

kN·mm 가 되며 응력 f 는 다음과 같이 구할 수 있다.

(5) 한편 실험에 의해 center beam 2의 중앙에서 변형률 ε

를 계측하면, 응력-변형률 관계 로부터 center beam 2 에 분배되는 윤하중 P

를 다음과 같이 구할 수 있다.

(6)

Center beam 1 과 3에 분배되는 윤하중도 동일하게 다음

과 같다.

(7) M

P

--- 2 W

--- 2

⋅

=

f M

y

I

--- 349P

y

I

---

= =

f ⁼ E ε

P

EI

ε

349y

---

=

P EI

ε

345.5y

---

=

그림 7. 레일신축이음 시험체 도면 ( 단위 : mm)

(8) 그러므로 시험체에서 변형률 ε

, ε

, ε

을 측정하면 윤하중 분담비율 P

:P

:P

은 다음과 같이 구할 수 있다.

(9)

3.2 핑거신축이음 시험체

핑거에 접촉하는 타이어의 접지 상태를 파악하기 위해 실 제 교량의 핑거 신축이음 시험체를 제작하고 윤하중 재하실 험을 수행하였다. 실제 핑거신축이음과 동일하게 시험체를 그림 11과 12와 같이 제작하였다. 시험체는 윤하중 접촉 특 성을 알아보는데 초점을 맞추어 횡방향으로 1 m 크기로 제 작하였으며 겹침길이가 40 mm가 되도록 하였다. 핑거 캔틸 레버 길이는 150 mm이며 두께는 45~48 mm이다. 핑거 폭 은 캔틸레버 선단에서 50 mm이고 콘크리트 블록 연단에서

60 mm 까지 변화한다. 핑거 간격은 선단에서 75 mm이고

블록 연단에서 65 mm이다.

시험체에는 캔틸레버 선단에 변위계를, 콘크리트 블록 연 단쪽 핑거 하면에 변형률 게이지를 부착하고 하중 재하단계 별로 계측하였다.

4. 결과 분석 및 고찰

4.1 레일신축이음

윤하중 실험은 한국건설기술연구원의 윤하중피로실험동에 서 수행되었다. Actuator는 주행 시에는 500 kN을, 정지 시에는 1,000 kN을 재하할 수 있다(김영진, 2002). 실제 덤

프트럭에 사용되고 있는 2개의 타이어 바퀴(금호타이어

KRA01, 120 psi) 를 사용하여 하중을 정적으로 재하하였다

( 그림 13). 도로교설계기준(2005)에서는 DB-24 트럭의 후륜 P

EI

ε

319.8y

---

=

P

:P

:P

EI

ε

345.5y

---: EI

ε

349y

---: EI

ε

319.8y

--- 1.01 ε

: ε

:1.09 ε

= =

그림 8. 단면 제원 ( 단위 : mm)

그림 9. 용접 단면 상세

그림 10. 윤하중 재하시 휨모멘트도

그림 11. 핑거 신축이음 시험체 도면

하중이 96 kN이다. 그렇지만 바퀴에 재하할 수 있는 허용 하중은 타이어 제작회사가 제시한 규격에 의하면 60 kN정 도에 불과하다. 본 연구에서는 가능한 큰 하중에서 center

beam 위에서의 분포를 알기 위해 70 kN까지 하중을 재하

하였다.

그림 14는 하중이 재하되지 않았을 때 모습이고 그림 15 는 50 kN, 그림 16은 최대하중인 70 kN을 작용시켰을 때 이다. 하중이 커짐에 따라 중앙 center beam 위에서 바퀴가

변형되어 양쪽 center beam에 접촉한 모습을 보여주고 있다.

이는 양쪽 center beam에도 하중이 분배되고 있음을 알 수 있다. 중심 추의 위치를 보면 하중이 커짐에 따라 바퀴축의 중심위치가 약간 변동이 된 것을 알 수 있다. 윤하중 재하 장비를 완전 고정한 채 실험을 수행하였으나 원형 바퀴가 요철면을 가진 신축이음 시험체 위에 놓이다 보니 큰 하중 에서는 찌그러지면서 약간 위치 이동이 생기게 된 것이다.

본 연구의 목적이 center beam 2에 분배되는 하중 크기를 파악하는데 있기 때문에 3개의 center beam에만 하중이 재 하되면 하중 재하시 바퀴축의 중심위치가 약간 이동하더라 도 center beam 2의 분배율을 파악하는 데에는 무리가 없 을 것으로 판단된다.

그림 17은 center beam과 support beam 중앙에서 측정 한 변위를 나타낸 것이다. 여기서 center beam의 변위는 후 타 콘크리트 블록에서 측정한 상대변위이다. support beam 의 처짐을 보면 하중이 커짐에 따라 좌측 D

가 우측 D

에 비하여 크게 발생하고 있는데 이는 윤하중 재하위치가 그림 10 에서와 같이 좌측으로 약간 편측 재하되었기 때문이라고 판단된다. 그림 18은 윤하중에 따른 center beam의 변형률 을 측정한 것이다. 30 kN까지는 center beam 1, 3에서는 변형률이 거의 발생하지 않다가 이후 단위 하중당 증가율이 커지고 있음을 알 수 있다. center beam 2에서는 반대로 단위 하중당 변형률 증가율이 감소하고 있다.

그림 12. 핑거 신축이음 시험체 모습

그림 13. 윤하중 재하 전경

그림 14. 윤하중 재하 (0 kN)

그림 15. 윤하중 재하 (50 kN)

그림 16. 윤하중 재하 (70 kN)

표 2는 center beam 각각의 중앙 하부에 부착된 변형률 게이지로부터 윤하중 단계별로 측정된 변형률을 이용하여 식 (9) 에 의해 구한 윤하중 분담율을 나타낸 것이다. 그림 19는 이를 그래프로 나타낸 것이다. 작용하는 윤하중 크기에 따라 하중 분담율이 달라지고 있음을 알 수 있다. 하중 재하초기 인 40 kN까지는 중간 center beam 2가 거의 하중을 분담 하다가 하중이 커짐에 따라 인접 center beam으로 점차 더 많이 분배되고 있음을 알 수 있다. 20~30 kN 사이에서는 윤하중 분담율이 90%를 초과하고 있다. 70 kN에서는 center

beam 1, 2, 3 에서 하중 분담율은 22.1%, 56.4%, 21.4%로

나타나고 있다. 이와 같이 40 kN이후 하중 분담율은 거의 선형 반비례하여 감소하고 있음을 알 수 있다.

도로교설계기준(2005)에서 대표트럭(DB)의 후륜하중은 54

kN(DB 13.5), 72 kN(DB 18), 96 kN(DB 24) 으로 규정되

고 있다. 윤하중 실험에서는 후륜 바퀴의 최대 허용하중이

70 kN 정도에 불과하기 때문에 72 kN이나 96 kN에서 분담

율을 파악할 수 없었다. 그래서 각 후륜하중에서 center

beam 2 의 분담율을 산정하기 위해 회귀분석을 통한 외삽법

(extrapolation) 을 사용하여 추정하였다(그림 20). 회귀분석에

의한 추세선은 다음 식과 같고 회귀도는 거의 1이다.

(9) 여기서, Y는 center beam 2의 분담율(%)이고 X는 윤하중 크 기(kN)이다. AASHTO LRFD(2004) 기준에서는 상부플랜지 폭 63.5 mm인 본 연구의 center beam 2에서의 분담 비율이 50% 라고 규정하고 있으며 국내(KHBD)에서는 관행적으로 윤하 중 크기에 상관없이 60%를 사용하고 있다. 따라서 국내 설계 관행과 비교하면 윤하중 54 kN에서 7.3%정도 과소평가하고 있고 96 kN에서 22.6%를 과대평가하고 있다(표 3).

4.2 핑거신축이음

핑거신축이음에 하중을 그림 21과 같이 재하하기전에 우 Y = – 0.71X + 105.7

그림 17. 윤하중 - 처짐 관계

그림 18. 윤하중 - 변형률 관계 그림 19. 윤하중 분담비율

표 2. Center Beam 의 변형률 및 윤하중 분담율

kN Strain (×10

) Distribution Factor (%)

Center Beam 1 Center Beam 2 Center Beam 3 Center Beam 1 Center Beam 2 Center Beam 3

0 0 0 0 0.0 0.0 0.0

10 5 20 0 20.2 79.8 0.0

20 5 58 0 8.0 92.0 0.0

30 9 97 0 8.6 91.4 0.0

40 39 166 9 18.3 77.1 4.6

50 48 195 29 17.6 70.9 11.5

60 68 214 58 19.9 61.9 18.3

70 87 224 78 22.1 56.4 21.4

선 평평하고 딱딱한 강판에 윤하중을 재하하고 그 분포특성 을 파악하였다(그림 22). 후지필름의 프리스케일 압력필름으 로 70 kN의 하중을 재하하고 면적을 측정하였는데 그림 23

과 같이 나타났다. 윤하중 접지 면적은 도로교설계기준에 따 르면 윤하중 70 kN인 경우 0.72 MPa의 등분포 압력으로

197×493 mm 의 직사각형에 분포한다고 규정하고 있다. 이

접지면적은 실제 계측한 것보다 69.7%정도 수준이므로 도로 교설계기준 압력 분포는 보수적으로 작게 규정하고 있음을 알 수 있다.

그림 24는 핑거 신축이음에서 중앙에서 하중을 재하하고 압력필름으로 측정한 것이다. 차량 진행방향으로 350 mm로 강판에서의 320 mm보다 하중분배 길이가 더 증가하고 있 음을 알 수 있다. 이것은 바퀴가 찌그러지면서 핑거쪽으로 조금 더 접촉하여 나타난 결과라고 판단된다. 여기서 좌측 핑거판은 5개가 접촉하고 우측 핑거판은 4개가 접촉하고 있 다. 접촉하는 전체 면적은 좌측 핑거판이 작음을 알 수 있 고 좌측 핑거판중에서도 위에서 4번째(핑거 4번)가 가장 큰

그림 20. 도로교설계하중에 따른 분담율

표 3. 도로교설계하중에서의 윤하중 분담율 비교 kN Experiment

(%, A)

KHBD (%, B)

AASHTO LRFD (%, C)

A-B

(%) A-C(%)

54 67.3 60 50 7.3 17.3

72 54.5 60 50 -5.5 4.5

96 37.4 60 50 -22.6 -12.6

그림 21. 윤하중 재하 모습 ( 핑거신축이음 )

그림 22. 윤하중 재하 모습 ( 강판 )

그림 23. 윤하중 강판 접지 분포 (70 kN)

그림 24. 핑거신축이음 윤하중 접지 분포 (70 kN)

압력분포(평균 0.82 MPa)를 나타내고 있었다. 이는 도로교 설계기준의 윤하중 평균압력보다 약 14%정도 큰 값이다.

그림 25는 60 kN까지 윤하중을 재하하고 좌측 핑거 하면 에서 측정한 변형률을 나타낸 것인데, 압력분포에서 나타난 것과 동일하게 핑거 4번이 가장 큰 변형률을 나타내고 있다.

핑거 3번은 가장 작은 변형률을 보이고 있는데, 이는 그림 24 에서 핑거 3번이 거의 접촉하지 않은 것과 일치하는 결과 이다. 변형률은 하중이 증가함에 따라 Finger 1, 4는 미미한 변화를 보이는 반면에 Finger 2, 5는 지속적으로 커지고 있 다. 도로공사설계지침(2004)에서 규정한 설계모멘트 식 (4)를 사용하여 구한 변형률은 하중에 따라 변형률이 지속적으로 커지고 있어 실험결과와 많은 차이를 보이고 있다. 이는 설 계모멘트 개념에 포함되어 있는 안전율에 의한 원인이외에 도 하중이 커짐에 따라 그림 24와 같이 바퀴가 찌그러지면 서 종방향 분포길이가 늘어나 후타설 콘크리트부에 직접 접 촉하게 된 것에 기인한다고 판단된다. 그림 11에서 보면 신

축이음 유간은 260 mm이므로 바퀴 접촉길이가 이를 초과 하면 후타설 콘크리트가 직접하중을 지지하게 되어 핑거 변 형률이 더 이상 증가하지 않고 거의 일정하게 되었다고 판 단된다. 이상과 같이 핑거 신축이음의 윤하중 재하 특성은 도로교설계기준의 윤하중 접지압력보다 크게 작용하고 있으 며, 접지면적도 증가하고 있다. 핑거 신축이음에서 최대모멘 트를 발생시키기 위해서는 윤하중을 그림 4와 같이 핑거 캔 틸레버 선단에 작용시켜야 한다. 그러나 실험 여건상 윤하중 바퀴를 핑거 선단에 정확히 위치시킬 수 없어서 여기서는 그림 6의 도로공사설계지침과 동일하게 핑거신축이음 중앙 에 재하하고 얻은 결과이다. 재하위치별 영향을 파악하기 위 해 신축이음 시험체 중앙으로부터 50 kN의 윤하중을 왕복 으로 ±1.0 m(총 이동거리 2 m)를 2.48 km/hr의 속도(0.345 Hz) 로 매우 천천히 이동시키면서 변형률을 초당 50번 측정하 여 그림 26에 나타냈다. 반복적인 변형률 Peak가 발생하고 있음을 알 수 있다. 1회 cycle의 윤하중 왕복 재하에 의해 2 개의 Peak가 발생하고 있다. 그런데 윤하중 피로실험장치는 원반의 회전운동을 크랭크 로드로 변환하여 왕복 이동하중 을 재하하는 개념을 가지고 있다. 실험데이터의 시간이력을 보면 크랭크 로드가 윤하중 재하장치를 당길 때와 밀 때 약 간 차이가 있는 것이 관찰되고 있다. 즉, 핑거에 하중이 재 하되는 방향에 따라 최대 변형률이 차이가 발생하고 있음을 알 수 있다. 첫 번째 Peak와 2번째 Peak를 좀 더 상세하 게 나타내면 그림 27과 같다. 일반 교량에서 핑거신축이음에 는 차량하중이 한쪽 방향으로만 접근하게 되지만, 좌측과 우 측이 동일하게 대칭으로 이루어져 있으므로 이동 윤하중 재 하에서 나온 결과중에서 크게 측정된 것을 사용하여 최대 변형률로 간주하여도 무리가 없을 것으로 판단된다. 표 4는 앞서 정적재하 후 50 kN에서 측정한 변형률과 50 kN을 저속 이동시키고 측정한 변형률의 Peak 값을 비교한 것이다.

이동 윤하중인 경우 Finger 5가 34% 더 크게 측정되었지만 최대 변형률을 나타낸 Finger 4의 최대 Peak값은 거의 변 화가 없었다.

그림 25. 윤하중 - 변형률 관계

그림 26. 윤하중 이동에 따른 변형률 시간 이력

그림 27. 윤하중 이동에 따른 변형률 Peak

표 4. 정적 및 이동 윤하중 재하 시 최대 변형률 Finger 1 Finger 2 Finger 3 Finger 4 Finger 5

Static Load(A) 58 48 0 97 29

Moving Load(B) 69 59 0 98 39

Ratio(B/A) 1.19 1.23 0 1.01 1.34

5. 결 론

본 연구는 레일신축이음과 핑거신축이음의 구조거동을 분 석하기 위해 윤하중 재하실험을 수행하였으며, 이로부터 얻 어진 결과를 요약하면 다음과 같다.

1. 레일 신축이음에 대한 윤하중 재하실험을 통해 레일의 윤 하중 분담율을 파악하였다. 실제 덤프트럭에 사용되고 있 는 2개의 타이어 바퀴를 사용하여 70 kN을 정적으로 재 하하였는데, 중앙 center beam 위에서 바퀴가 찌그러져 하중이 분배되는 모습을 볼 수 있었다. 각 center beam 의 중앙 하부에 부착된 변형률 게이지로부터 측정된 변형 률과 윤하중의 관계를 분석한 결과, 40 kN까지의 하중 재 하 초기에는 중간 center beam 2가 하중을 거의 분담하 다가 하중이 커짐에 따라 인접 center beam으로 점차 더 많이 분배되고 있음을 알 수 있었다. 70 kN에서 center

beam 1, 2, 3 에서 하중 분담율은 22.3%, 57.6%, 20.1%

로 나타났다.

2. 국내에서는 관행적으로 윤하중 크기에 상관없이 분담 비 율을 60%를 사용하고 있는데, DB13.5의 윤하중 54 kN 에서 7.3%정도 과소평가하고 있고 DB24의 96 kN에서

22.6% 를 과대평가하고 있다. 그러므로 레일신축이음 분담

율에 대한 설계관행을 개선할 필요가 있다고 판단된다.

3. 핑거신축이음에서는 하중에 따라 최대 변형률이 도로공사 설계지침(2004)과 많은 차이를 보이고 있다. 이는 설계모 멘트 개념에 포함되어 있는 안전율에 의한 원인이외에도 하중이 커짐에 따라 바퀴가 찌그러지면서 접촉면적이 증 가하여 후타설 콘크리트부에 직접 접촉하게 된 것에 기인 한다고 판단되었다. 그러므로 신축량이 작아 캔틸레버 길 이가 작은 핑거신축이음에서는 도로공사설계지침에 따르 면 과다 설계가 될 수 있다고 판단되었다.

4. 핑거신축이음에서 윤하중 재하위치에 따른 거동을 파악하 기 위해 저속 이동 실험을 실시하였는데 최대 변형률은 변화가 거의 없었다.

5. 본 연구는 특정한 제원을 갖는 레일신축이음과 핑거신축 이음에 대한 연구결과이므로 일반화하는데 무리가 있다.

그러므로 향후 다양한 제원을 갖는 신축이음에 대한 추가

실험이 필요가 있다고 판단된다. 또한 윤하중 재하 특성이 기존 설계기준과 많은 차이를 나타내고 있으므로 신축이 음 설계를 위한 윤하중 접지압력 분포에 대한 합리적인 기준 마련이 필요하다고 판단된다.

감사의 글

본 연구는 건설교통부가 출연하고 한국건설교통기술평가원 에서 위탁 시행한 2003년도 건설핵심기술연구개발사업(과제 번호 : 03산C02-01, 과제명 : 교량부속시설의 성능 및 신뢰성 향상 기술 개발)에 의하여 연구비가 지원되었습니다.

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( 접수일: 2007.11.30/심사일: 2008.1.7/심사완료일: 2008.3.9)