2.1. 개요

다연속 ․프레임 일체식 및 반일체식 복합슬래브 교량의 구 조 특성에 미치는 아래 요인들에 대해 이론 정밀해석을 통해 구조 거동의 안전성을 검토하였다

2.2. 머나제장치에 의한 접속슬래브 거동 분석

2.2.1. 머나제장치 특성 및 개요

접속슬래브내에 설치한 머나제장치가 회전을 자유롭게 하 고 전단력만 전달하는 역할을 충실히 하여 접속슬래브 끝단 의 상향 처짐발생이 없도록 게르버힌지 역할로서의 구조 거 동이 하는지를 분석하고, 접지된 지반반력계수 영향에 대해 교량구조에 발생되는 부재력을 파악하였다.1, 1

Table 1

Material properties

Classification	Upper of bridge	Mesnage hinge reinforcement
Section	2.1 m x 2.1 m	D22
Material	fck = 27 MPa	fy = 300 MPa

Fig. 1

Modeling of Inegral and Semi-Integral Hybrid Slab Bridge

2.2.2. 유한요소해석에 의한 구조적 안전성 검토

머나제장치에 직접 차량하중이 재하될 때의 머나제장치의 구조적 안전성을 분석하기 위해 FEM해석과 전단마찰이론으 로 해석을 실시하였다. 국부 상세 해석 범위는 도로교설계기 준의 연속판 윤하중 분포폭 범위를 고려하여 결정하였다. Fig. 2와 같이 상부 본체는 Solid요소로, 머나제장치는 Fig. 3과 같 이 보 요소로 모델링하였으며 그 결과는 Fig. 4와 같으며, 구조 해석의 수행은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS/CIVIL을 사용하였다.

Fig. 2

Solid element

Fig. 3

mesnage hinge-beam element

Fig. 4

Analysis result

머나제장치에 발생하는 최대 응력을 알아보기 위하여 머나 제장치 상단에 DB-24의 후륜하중의 2배에 해당하는 192 kN 을 집중하중으로 직접 재하 하였으며, 하중에 의한 머나제장 치상에 발생하는 최대 발생응력은 3.2 MPa로서 머나제장치 의 다웰철근 허용응력 140 MPa보다 매우 적어 안전성은 충분 이 확보된 것으로 판단되어 진다.

2.3. 일체식․ 반일체식 세미리지드말뚝의 거동분석

2.3.2. 유한요소해석에 의한 구조 안전성 검토

모델링 및 하중 재하

2.3.2.1.

세미리지드말뚝의 거동을 반영하기 위하여 2-D해석에서 구한 말뚝머리 상부 반력을 고려 하였다. 이 하중을 모델링 양 단에 재하 하여 본 연구대상 교량에 작용하는 모든 하중의 영 향을 고려하였다.

해석결과

2.3.2.2.

세미리지드말뚝 상단에서의 최대 발생응력은 Table 3과 같 이 각각의 하중조합의 경우 61.2 MPa, 68.6 MPa이 발생하여 허용응력 대비 안전율이 2.288~2.041으로 상당한 여용력을 가지고 있는 것으로 판단되며, 교대 거더부 콘크리트의 압축 응력은 각각 11.3 MPa, 12.6 MPa이 발생하여 허용응력 대비 안전율이 1.11 ~1.24로 구조물의 안전성을 확보하는데 문제 가 없는 것으로 판단된다.5 2

Table 2

Material properties

Classification	Upper of bridge	Abutment	Filled Concrete	Steel pipe pile
Section	2.1 m x 2.1 m	2.1 m x 1.4 m	φ484	φ508-12t
Material	fck = 35 MPa	fck = 35 MPa	fck = 24 MPa	SM400

Table 3

Results of structural safety of semi-rigid pile joint

Classification	Allowable stress	Applied stress	Safety rate	Note
Upper of pile	140 MPa	61.2 MPa	2.288	Pmax = 1731.9 kN
		68.6 MPa	2.041	Mmax = 354.4 k N.m
Girder concrete	14 MPa	11.3 MPa	1.239	Pmax = 1628.9 kN
		12.6 MPa	1.111	Mmax = 576.7 kN.m

Fig. 5

Modeling for Structural Analysis

3.1. 배면토압의 설계 적용방법

교대 배면에 발생하는 토압은 온도변화에 따른 상부구조의 변위에 의해 교대 배면에 발생하는 토압의 크기가 달라지게 된다. 즉, 온도 감소로 인해 상부구조의 길이가 줄어들 경우 주동토압이 작용하게 되며, 온도증가로 인해 상부구조의 길 이가 늘어날 경우 수동토압이 작용하게 된다. 따라서, 교대 배 면의 토압분포는 온도변화에 의한 교대 변위에 따라 달라지 게 되며, 그 크기도 주동토압과 수동토압 사이에 존재하게 된 다(Fang et al., 1994).

실제 교대 배면에 발생하는 토압은 교대 변위에 따라 달라 지기 때문에, 이와 같은 교대 변위와 토압의 상관관계를 고려 한 배면토압을 일체식 및 반일체식 교대 교량의 설계에 적용 하기 위한 연구가 최근 활발히 수행되고 있으며, 본 절에서는 그 가운데 제일 많이 알려진 식 (1)의 Dicleli(2000a)의 제안식 을 적용하였다.

여기서, d 는 온도변화에 의해 상부구조와 교대 접합부에 발생하는 수평변위(지반- 구조물 상호 작용 의존함수), K_a는 주동토압계수, K_o는 정지토압계수, K_p는 수동토압계수, ϕ는 교대변위와 토압계수 사이의 1차 관계의 기울기이다. Figs 6, 7

Fig. 6

Steel pipe pile stress

Fig. 7

Girder concrete stress

3.2. 유한요소해석에 의한 구조 안전성 검토

교대배면 토압의 변화는 내부 마찰각 30°에 대해서 정지토 압계수(1-sinΦ = 0.5)에서부터 수동토압계수까지 0.5씩 증가 시켜 구조물에 미치는 영향을 분석하였다.89

Fig. 8

Modeling of earth pressure load

Fig. 9

Result to earth pressure coefficient change

Table 4와 같이 배면 토압계수의 변화에 따른 구조물의 거 동 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 이과 같은 결과는 교대 부 형식이 일반 벽식 강성 교대가 아니고 낮은 거더와 세미리 지드말뚝 형식으로 이루어져 토압 크기와 적용범위가 적기 때문인 것으로 판단된다.

4.1. 기존교량 구조해석 결과와 비교 분석

본 연구 교량의 복합슬래브와 다연속․프레임 구조 시스템 의 합리성을 입증하기 위하여, 본 연구 교량과 대체 가능한 기 존의 대표적 교량 형식인 죠인트 합성거더교와 합성라멘교에 대한 구조 해석 결과를 상호 비교 분석하였다.

해석 모델링상에 큰 특징은, 본 연구 교량은 Fig. 10과 같이 접속슬래브와 상부구조와 하부구조가 강결 일체 구조와 측경 간이 지반에 직접 지지되는 시스템을 갖는 다연속 구조계이 면서, 교량 시종점부의 말뚝이 지반과 직접 지지되는 구조시 스템과 교각은 강결로 이루어져 다프레임 구조시스템을 구성 하는 특징을 갖는다.

Fig. 10

Frame composite slab bridge modeling

반면, 기존 교량 PSC합성 거더교는 Fig. 11과 같이 구조 완 성전 까지는 단순지지하다가, 완공후는 바닥판이 연속화되면 서 교각에 2개의 받침으로 지지하는 부분연속 구조시스템으 로 구성됨을 특징으로 하고 있고, 기존의 합성라멘교는 Fig. 12와 같이 교량 시종점부거 매시브한 교대가 강결된 라아멘 구조 시스템을 특징으로 하고 있다.

Fig. 11

PSC composite girder bridge modeling

Fig. 12

Synthetic ramen bridge modeling

4.2. 거동 특성 분석 결과

하중조합은 도로교 설계기준에 의거 적용하였으며, 작용하 중은 고정하중과 활하중과 토압등의 상시하중(LC1) 중심으 로, 고정하중이 작용하는 경우(LC2), 활하중만 작용하는 경우 (LC3), 온도변화만 작용하는 경우(LC4) 조건별로 해석하고 비교 하였다. 기존 PSC합성 거더교은 그 특성상 경간의 중앙 부와 교각의 지점부에 발생되는 휨모멘트에 대하여 비교 분 석을 주로 하였다. 해석결과는 Tables 5~ 7에 나타내었다.6

본 연구 대상 교량의 발생 휨모멘트는 기존 라멘교의 휨모 멘트에 비하여 약 95% 수준으로 낮게 나타났으며, 기존 PSC 합성형 거더교에 비해서는 상당히 낮게 나타났다. 이는 PSC 합성형 거더교의 구조 모델링이 단순보 System이고 바닥판만 연속화에 따른 결과로 판단되며, 중앙부의 처짐도 기존 교량 에 비하여 86% 및 80% 낮게 나타내는 것은 기존교량에 비해 단면 강성이 적지만 접속슬래브와 본체구조가 연속 강결에 따라 모멘트 재분배와 힘전달이 확실하게 이루어진다는 결과 로 판단됨에 따라 타 교량 형식에 비해 구조안정성 및 연성이 높은 구조로 사료된다.

그리고 기존 합성라멘교 교대 벽체 강성이 본 연구 교량의 강성보다 수십배 큰데 비해 중앙부 모멘트와 처짐이 본 연구 교량에 비해 크게 나오는 것은 길이와 높이의 비 차이와 비연 속에 따른 결과로 판단된다.

지점부와 교각 지점부의 휨모멘트는 본 연구 대상 교량이 기 존 합성라멘교에 비하여 약95%와 90% 수준으로 적게 나타났다. 이는 다연속 다프레임 일체식 교량의 교대 형식이 단주형 강관 세미리지드 말뚝 형식으로 그 축방향 강성이 일반 라멘교 교대 의 강성보다 상대적으로 작아 회전각이 축소되고 다연속에 의해 모멘트 재분배와 온도변화 영향이 작기 때문인 것으로 판단된 다. Case별 해석 결과의 경향성은 Figs. 13, 14에 나타내었다.

Fig. 13

Moment of Span center

Fig. 14

Deflection of Span center