1. 검토개요
∙ 현수교 및 사장교 형식의 장경간 케이블교량은 보강거더의 처짐이 상대적으로 크게 발생하는데, 이와 관련하여 국내외 설계기준의 접근방법 및 설계사례를 조사하고자 함.
2. 설계기준 검토
2.1 연직변위 규정
∙ 국내외 설계기준 조사결과, 200m 이상 케이블 교량의 경우 구체적인 허용처짐 규정 없음.
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구 분 |
관 련 내 용 |
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국내 |
도로교설계기준 (2005) 3.2.3 |
200m 이하의 교량의 활하중 처짐의 허용값 : 현수교 L/350, 사장교 L/400 (L : 경간장) |
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케이블강교량설계지침 (2006) 5.3 |
지간 200m를 초과하는 교량의 허용처짐은 교량의 거동특성을 충분히 고려하여 검토한다. (배수에 대한 역구배, 시거의 장애, 국부적으로는 포장체의 파손 등) |
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도로교설계기준(한계상태설계법) - 케이블교량편 |
케이블교량에 대해서는 지간길이와 구조형식에 따라 거동의 차이가 커서 허용처짐을 일률적으로 정의하기 어렵다. 배수에 대한 역구배, 시거의 장애 또는 국부적으로 포장체의 파손 등을 포함한 교량의 특성을 충분히 검토하도록 한다. |
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일본 |
본주사국설계기준 |
지간 200m를 넘는 교량의 처짐은 교량의 형상을 고려하여 검토하도록 한다. |
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미국 |
AASHTO LRFD |
케이블교량에 대한 구체적인 허용처짐 기준 없음 |
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유럽 |
Eurocode |
교량의 허용처짐은 시설한계, 포장체 파손, 배수의 역구배 등을 충분히 고려하여 검토 |
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2.2 수평변위 규정
∙ 케이블교량의 수평변위에 대한 특별한 규정 없음. 사용성 규정으로 풍하중시의 보강거더 진폭을 결정하는 것은 가능함.
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구 분 |
관 련 내 용 |
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도로교설계기준(한계상태설계법) - 케이블교량편 |
교량보강거더에서 풍하중에 의한 차로의 수평 및 수직 최대 가속도는 차량통행제한풍속이하에서 편진폭에 대하여 0.5m/s2을 넘지 않아야 한다. |
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3. 사례조사
3.1 연직변위 (연직처짐)
∙ 현수교의 경우 1/200~1/400 범위이고, 사장교의 경우 1/450~1/1,150 범위임.
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구 분 |
중앙경간장(m) |
연직처짐량(m) |
비율 |
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현 수 교 |
이순신대교 |
1,545 |
3.88 |
1/399 |
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Golden Gate |
1,280 |
3.29 |
1/389 |
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울산대교 |
1,150 |
3.40 |
1/338 |
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Minami Bisan Seto (南備讚瀨戶大橋) |
1,100 |
3.02 |
1/364 |
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Forth Road |
1,005 |
4.11 |
1/245 |
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Kita Bisan-Seto (北備讚瀨戶大橋) |
990 |
2.60 |
1/381 |
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Shimotsui-Seto (下津井瀨戶大橋) |
940 |
2.43 |
1/387 |
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Ohnaruto(大鳴門橋) |
876 |
2.90 |
1/302 |
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팔영대교 |
850 |
2.53 |
1/336 |
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Innoshima(因島大橋) |
770 |
2.33 |
1/330 |
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Kanmon Straight(關門橋) |
712 |
2.44 |
1/292 |
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|
Ohshima(大島大橋) |
560 |
1.81 |
1/309 |
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광안대교 |
500 |
2.25 |
1/222 |
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사 장 교 |
메이코우니시(名港西大橋) |
405 |
0.75 |
1/540 |
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이와구로지마(岩黑島橋) |
420 |
0.93 |
1/452 |
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동이1교(적성-전곡) |
400 |
0.48 |
1/838 |
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묘도대교(여수산단1공구) |
430 |
0.38 |
1/1131 |
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∙ 현수교의 연직처짐 기준 : L/350 의 허용범위를 넘어서는 설계가 실제 이루어지고 있음. 위의 사례조사에서 나타난, 도로교설계기준을 만족시키는 교량 중 Minami, Kita Bisan Seto교, Shimotsui Seto교의 경우 도로철도 병용교로 보강거더 높이가 13m에 이르고, Golden Gate교 역시 트러스 형식의 보강거더의 높이를 7.6m로 설계하여 보강거더의 휨강성에 의하여 연직 처짐이 크게 나타나지 않은 것으로 판단됨. 따라서 장대 현수교를 설계할 경우, 도로교 설계기준에 있는 연직처짐 규정보다는 설계 부재가 허용응력과 사용성 기준을 만족시키는 한도 내에서 처짐을 허용하는 것이 타당하다고 판단됨.
∙ 사장교 연직처짐 기준 : 도로교설계기준의 허용처짐 L/400을 만족시키고 있음. 교량형식이 현수교에 비하여 유연하지 않아 연직처짐이 크게 일어나지 않는 것으로 판단됨.
3.2 수평변위 (횡변위)
∙ 케이블 강교량 설계지침의 사용성 기준에 따라 설계하려면, 수평 최대가속도가 0.5m/s2를 넘지 않아야 하므로 역산하여 보강거더의 수평변위를 구해볼 수 있음.
여기서 d : 최대 진폭, ω : 고유진동수
∙ 울산대교의 설계 결과는 다음과 같음.
구조해석 모델링
Mode Shape (1차모드, 주기 : 18.18sec 진동수 : 0.55Hz)
.png?width=622&height=255&name=%EC%88%98%ED%8F%89%EB%B3%80%EC%9C%84(%ED%92%8D%EC%86%8D%2025ms).png)
수평변위 (풍속 25m/s)
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주기 (sec) |
진동수(Hz) |
ω(rad/sec) |
허용진폭 (m) |
설계진폭(m) |
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18.18 |
0.055 |
0.346 |
4.19 |
2.12 |
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∙ 허용 인장응력 내에서 발생하는 수평 변위 및 사용성기준에 의한 허용진폭 내의 교량진동은 괜찮은 것으로 판단함.
4. 검토결론
∙ 도로교설계기준에는 경간 200m이하 케이블 교량에 대하여 허용처짐 규정이 존재하나, 장경간 케이블교량은 경간장 및 구조형식에 따라 거동의 차이가 커서 허용처짐을 일률적으로 정의하기가 어려움.
∙ 사장교의 경우 보강거더의 강성이 커서 일반적으로 도로교설계기준인 L/400의 허용처짐 기준을 만족하나, 현수교의 경우 유연한 특성 때문에 도로교설계기준 L/350을 만족하지 않는 경우가 있음.
∙ 따라서, 장경간의 케이블교량 설계시 부재의 허용응력 기준과 사용성(균열포함)기준을 만족시키고, 배수시설, 시거, 처짐에 의한 시설한계 등을 종합적으로 고려하여 변위 검토를 수행하는 것이 필요함.
국내 설계사에서 교량 설계 업무만 20년 했습니다.
사장교와 현수교등 주로 케이블 교량설계를 담당하였으며,
해석프로그램은 MIDAS Civil 과 RM Bridge를 주로 사용했습니다.
저의 컨텐츠가 토목분야 선, 후배님들에게 작은 도움이라도
되었으면 합니다.
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