교량의 신축이동량 산정

1. 신축이음이란

구조물의 온도변화 및 신간 의존적 원인 (콘크리트 크리프 및 건조수축 등) 에 의해 발생하는 교량 상,하부 구조의 변위를 수용하여 차량 및 자전거 등의 통행에 지장이 없도록 설치되는 교량부재이다.

신축이음 종류

2. 신축이음의 요구조건

신축이음은 사용한계상태 및 극한한계상태의 하중에 의해 발생되는 변위 및 상 하부 구조의 회전 이동에 의해 발생되는 변위를 수용할 수 있어야 한다. 따라서, 사용 및 극한한계상태에서의 계수하중을 고려한 최대값에 대해 안전하도록 설계해야 한다.

3. 신축이음 선정 및 설치 위치

교량에서 신축이음 수는 유지관리 및 경제성을 고려하여 최소한으로 하는 것을 지향하고 종구배를 고려하여 최고점에 설치하는 것이 좋다.

4. 신축이동량 산정

1) 총 신축이동량

신축이음의 총 이동량은 온도에 대한 영향, 콘크리트 건조수축, 크리프에 의한 영향, 거더처짐에 따른 각변위의 영향, 기타 영향을 대비하는 여유량을 고려하여 산정한다.

교량의 신축이동량은 모델링 상 조건을 적용하여 산정하거나 또는 간략식을 통하여 산정할 수 있다.

ㅿL = ㅿL(+t) + ㅿL(-t) + ㅿL(s) + ㅿL(c) + ㅿL(r) + 여유량

2) 신축이동량 산정식

ㅿL = ㅿL(t) + ㅿL(s) + ㅿL(c) + ㅿL(r) + 여유량

• ㅿL(t) : 온도에 의한 신장량 = αㆍㅿTㆍL

• ㅿL(s) : 건조수축에 의한 신장량 = αㆍㅿTㆍLㆍβ  

• ㅿL(c) : 크리프에 의한 신장량 = (Pi / (EcㆍAc))ㆍΦㆍLㆍβ  

• ㅿL(r) : 활하중으로 발생한 거더처짐에 의한 이동량 = (hiΣ ㆍθi)  

• 여유량

  • 모듈러형 : = 25mm

  • 핑거형 (극한 이동상태 시) = 38mm

  • 핑거형 (하절기 틈새 축소시) = 20mm

여기서, 

α : 열팽창계수

β : 건조수축 및 크리프 저감계수

Φ : 콘크리트 크리프계수

hi : 거더의 중립축으로부터 받침의 회전중심까지의 거리

θi : 받침상부의 거더 회전각(rad)

Pi : 프리스트레싱 직후의 PS강재에 작용하는 인장력

3) 교량의 온도 범위

표준온도는 신축장치 설치시의 연간 평균기온을 의미하며 15℃를 표준온도로 한다.

5. 신축이동량 산정 예

1) 하중계수

 *세그멘탈콘크리트로 가정

2) 온도변화에 의한 이동량

ㅿL(t) = αㆍㅿTㆍL = 30.0mmv

여기서,

α   = 1.0 X 10^-5 : 열팽창계수

ㅿT = 50℃           : 온도변화 (콘크리트 기준)

*온도변화폭은 최저기온에서 최대기온까지의 변동폭을 적용한 것으로 이는 수축과 팽창을 모두 수용할수 있는 신축이동량을 산정하기 위함이다.

L  = 60000mm    : 거더길이

3) 건조수축에 의한 이동량

ㅿL(s)  = αㆍㅿ ㆍ ㆍT L β = 15.0mm

여기서,

β  = 0.5 : 건조수축 크리프에 대한 저감계수 개월 고려, (2 )

*콘크리트 타설 후 신축장치 설치까지의 재령을 적용하며 일반적으로 이 기간은 2∼ 3개월로 생각하여 저감계수는 β= 0.5로 한다.

4) 크리프에 의한 이동량

ㅿL(c)  = (Pi / (Ec Ac))ㆍΦㆍLㆍβ = fi / EcㆍΦㆍLㆍβ = 12.0mm

여기서,

fi =    6.0MPa : 프리스트레싱 직후의 축응력

Ec = 29984MPa : 콘크리트 탄성계수

Φ = 2.0 : 콘크리트 크리프 계수

5) 거더의 처짐에 의한 이동량

ㅿL(r) = (hiΣ  ㆍθi) = 6.7mm

여기서,

hi = 2000mm : 받침의 회전중심에서 거더 중립축까지 높이 (일반적으로 거더높이 2/3적용)

θi = 1/300 : 받침 위 거더의 회전각 (콘크리트교의 경우 1/300 적용)

6) 여유량

여유량 = 25mm (모듈러형 적용)

7) 총 이동량 산정

ㅿL = ㅿL(t) + ㅿL(s) + ㅿL(c) + ㅿL(r) + 여유량

     = 1.2 X 30.0 + 1.25 X 15.0 + 1.25 X 12.0 + 1.80 X 6.7 + 25 = 106.8mm

6. 모델링을 이용한 신축이음량 산정

1) 모델링

2) 해석상 이동량

*원활한 비교를 위해 거더처짐과 여유량은 산정식의 값과 동일한 값 적용

3) 총 이동량 산정

ㅿL = 1.2 X 29.5 + 1.25 X 15.9 + 1.25 X 19.9 + 1.8 X 6.7 + 25 = 117.2mm

7. 결론

도로교 설계기준 및 도로교 설계요령을 참고하여 간략식으로 산정한 신축량은 106.8mm는 실제 모델링을 통한 산정한 신축량 117.2mm에 비해 다소 작게 산정 되었다.

그러나 이는 약 8.87%오차로 충분히 근접한 결과 값을 산정하였다고 판단되어 진다.

참고로, 유간은 신축이음 장치를 설치하기 위해 필요로 하는 설치 공간으로 이는 신축이음량을 직접적으로 의미하는 것은 아니다.

신축이음 제품 별 필요 유간이 다를 수 있음으로 신축이음량 산정 후 적절한 신축이음 제품을 선정한 후 이 제품을 설치하기 위한 유간을 별도로 확인해야 할 것 이다.

참고

• 도로교 설계기준 (일반교량)

• 도로교 설계요령 8-5편 교량 부대시설물

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About the Editor

Y.S.LEE

구조 엔지니어 경력 10년 이상

10년이 넘는 기간 동안 교량, 지하차도, 방음벽 등 다양한 형태의 구조설계관련 업무를 수행하였으며,

주로 Midas Civil을 활용한 구조해석 뿐만 아니라 Midas FEA, Midas CIM등 다양한 마이다스사의 프로그램을 사용하고 있는 유저입니다.

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