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환 범
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 15, No. 12 pp , ISSN / eissn 이성행 1* 1 부산대학교토목공학과 Study of the Temperature Difference between the Top and Bottom Web of Steel Box Girder without Concrete Slab by using Gauge Measurement Seong- Haeng Lee 1* 1 Department of Civil Engineering, Pusan National University 요약합리적인온도설계기준을검토하기위하여콘크리트슬래브가없는강박스거더모형시험체를제작하고, 박스거더교의웨브와다이아프램에높이별로온도게이지를부착하고일년중최고기온에서온도를측정하였다. 또한실교량에서온도를측정하고모형시험체의온도를비교, 검증하였다. 콘크리트슬래브가없는교량시험체박스거더의웨브와다이아프램의높이에따른온도차를분석하고, 온도경사모델을제시하였다. 제시된모델은 Euro Code 와 95.8% 의상관관계를보였으며, 국내온도설계의기본자료로제공될수있다. Abstract To study the reasonable design thermal loads, a steel box girder bridge specimen, which has no concrete slab, was manufactured with real size dimensions. The temperature data was obtained at the web and diaphragm using thermo gauges that were attached according to height. In the hottest day, the temperature differences between the top and bottom of the bridge model were calculated. The temperatures in the actual bridge were measured and the temperature of the bridge specimen was compared. The temperature gradient models were proposed in both the web and the diaphragm. The proposed models showed a correlation of approximately 95.8% compared to the Euro code. This study can provide basis data for temperature-load design in the nation. Key Words : Euro code, Steel box girder specimen, Temperature difference, Temperature gradient model, Web and Diaphragm. 1. 서론국내토목구조물에대한선진설계기법의개정필요성이대두되면서, 신뢰도에기반을둔하중저항계수설계법 (LRFD) 와한계상태설계법 (LSD) 이도입된다 [1]. 기존도로교설계기준 [2] 에서적용되어온설계법은, 강교의허용응력설계법, 콘크리트교에서는강도설계법이기준이되어왔다. 그러나온도하중과같은환경적영향을받는 설계항목은 AASHTO LRFD[3] 나 EURO Code[4] 의규정을시공환경이전혀다른국내에그대로적용하는것은부적절할것으로예상되므로, 국내실측자료를기반으로한타설계코드의검증이필요한상황이다. 이를위하여실교량에서주형의높이에따른각지점에서온도분포를측정하고, 온도하중을산정하여국내외설계규정을서로비교, 검토하는과정이필요하다. 선진설계기법들에서제시하고있는온도하중은 4계절변화에따른온 본논문은교육과학기술부 2011년도일반연구자지원사업 ( ) 의지원으로수행되었음. * Corresponding Author : Seong-Haeng Lee(Pusan Nat l Univ.) Tel: lsh77@pusan.ac.kr Received July 11, 2014 Revised (1st August 7, 2014, 2nd August 26, 2014) Accepted December 11,

2 도승강과밤낮의일교차또는직사여부에따른상하연의온도차를고려하고있다 [3,4]. 국내의온도하중을반영하는설계기준 [2] 은콘크리트교와강교, 한랭지역과보통지역정도로만나누어져있어도입하고자하는선진설계법과같은체계적이고세분화된온도하중에대한규정마련이시급한상황이다. 박스거더교량의단면내온도분포는계절, 일사조건, 풍향및풍속등에따라서다르게되고, 온도본포는복사열뿐만아니라전도, 대류등에의 해영향을받게됩니다. 본연구에서는온도설계기준의온도차를검토하기위하여콘크리트슬래브가없는강박스거더모형시험체를제작하고박스거더교의양측웨브와다이아프램에높이별로온도게이지를부착하고일년중최고기온에서온도를측정하였다. 또한시공중인실교량의다이아프램부에높이별로온도게이지를설치하여콘크리트타설전에온도를측정하였다. 먼저교량시험체와실교량에서다이아프램부의온도측정결과를비교하여교량시험체측정결과의신뢰성을검증하였다. 교량시험체박스거더의양측웨브와다이아프램의높이에따른온도차를분석하고, Euro Code에서제시하는상하연온도차와비교검토하였다. 이를통하여국내온도설계기준의온도차모형을제시하고, 온도설계의기본자료를제공하고자한다. [Fig. 1] Temperature difference for Group 1, Steel deck on steel box girders with 40mm surfacing (Euro Code)[4] [Table 1] Values of for groups 1[4] Surfacing thickness Positive temperature difference Reverse temperature difference mm Unsurfaced 교량시험체 3. 온도측정 온도측정은온도에의해가장민감하게반응할것으 2. Euro Code 온도차설계기준 AASHTO LRFD[3] 와는달리 Euro code[4] 에서는온도하중을정의하기위하여각그룹별상하온도차는상부구조물의상면을통하여일사와다른여타의효과들로인하여열량증가가발생될때에정 (+) 의온도차가발생된다. 반대로부 (-) 의온도차는복사및여타효과들로인하여교량상판의상면으로부터열량을잃는조건에서발생된다. 온도차는표면처리의두께에민감하게된다. Fig. 1은바닥판의피복두께가 40mm인강박스거더교의강상판에서 Euro code의온도차기울기를보인다. Table 1은피복의두께가 40mm가아닌경우보정기준을나타내며, Euro code의부록에수록되어있다. 로판단되는콘크리트슬래브가없는강상판에대하여측정하여야하나, 이와유사한온도분포가예상되는강박스거더에콘크리트상부슬래브가없는 Fig. 2와같은교량시험체를제작하였다. 교량시험체의크기는폭 2.0m 높이 2.01m의박스형이고길이는 3m로구성되며, 다이아프램은 1.5m 간격으로 3개소, 현장설치는바닥면으로부터 200mm의공간을확보하였다. 측정위치는 Fig. 3 과같이상, 하부플랜지는각각 1개씩, 웨브부분은하부플랜지를기준으로좌, 우측으로 100mm, 300mm, 600mm, 1000mm, 1300mm, 1500mm, 1700mm, 1900mm 의높이에각 1개씩총 16개소에설치하였다. 또한중앙다이아프램부에 200mm간격으로높이에따라 9개소에온도게이지를부착하였다. 측정장비는 Data Logger(TDS-303) 1set, Switching Box (IHW-50H) 1set를사용하였고, 18개소에 Thermo-couple 을부착하여온도를측정하였다. Data 7351

3 한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 Logger의 Time interval 기능을사용하여 30분단위로온도를측정하였다. (a) [Fig. 2] Side photo of steel box girder model (b) [Fig. 4] Section plan and thermo-gauge locating in the diaphragm of target bridge (a) Section Plan of the diaphragm (b) Plan of thermo-gauge locating [Fig. 3] Plan of thermo-gauge locating 3.2 측정교량측정교량은 4경간연속교로서, 상부구조는강상자형식이며총연장 190m(45 + 2@ ) 의교량이다. 교폭은 22.5m, 종단구배 5.75% 이며교량의다이아프램의구조상세는 Fig. 4(a) 와같다. 현장측정의여건상측정가능한두번째경간중앙부를대상으로하였다. 온도게이지는 Fig. 4 (b) 와같이다이아프램의높이별로온도게이지 7개 (T2 T8) 를부착하였고, T1은상부플랜지에부착하였다. T2 T8의위치는다이아프램하단으로부터높이가 2050mm, 1800mm, 1550mm, 1300mm, 1050mm, 800mm, 400mm에각각위치한다. 4. 측정결과및분석 4.1 교량시험체온도측정측정기간중높은온도를기록한 8월 15일부터 8월 20일까지일별온도분포를시간에따라 Fig. 5에도표화하였다. 기온의일변화에따라서각부재의온도가측정되었으며, 8월 18일에상판에서 62.3도의최고온도가측정되었다. [Fig. 5] Temperature variation at the girder model 7352

4 다. Dia.(model-B) 에서는거의비례적으로 Dia.(model-A) 보다온도가하락하며, 특히상판을포함하는최상부에서온도경사가작아짐을볼수있다. 게이지부착위치가다르기때문에하단에서측정구간이다르다. [Fig. 6] Temperature variation at measured points [Fig. 7] Temperature according to the height at the web and diaphragm of girder model Fig. 6은기온에따른상판, 상판에서 100mm 떨어져있는좌, 우측복부판 ( 하부플랜지로부터 1900mm 높이 ) 그리고다이아프램부에서온도를동시에보인다. 시험체모형은오전에우측부, 오후에는좌측에각각직사를받게설치되어있으며, 이러한이유로오전에는햇볕을받는우측부가먼저온도가높아지고, 오후 1시이후에는햇볕을받게되는좌측부가높게온도가올라감이확인었다. 또한좌측최고온도는대기온도가최고에도달한일정한시간후에측정됨을알수있었다. 다아이프램부온도는오전에는우측부와거의같거나약간작게측정되나좌측부가태양을받게되면온도가증가하여좌우측복부판온도의중간정도가되나비교적우측온도에가깝다. Fig. 7은 8월 18일에상판에서 62.3도의최고온도가측정될때, 측정된우측웨브 (Web(model)) 와다이아프램 (Dia.(model-A)) 에서의높이별온도를보인다. 이때의대기기온은 35.4도이다. Dia.(model-B) 는대기기온이 32도일때측정된높이별다이아프램부의온도를나타내며, 4.2절의측정교량에서의값과비교하기위하여같이도시하였다. Fig. 7을살펴보면 Web(model) 에서온도가더높게측정되며높이가낮아짐에따라서 Dia. (model-a) 보다온도차가커진 4.2 실교량의온도측정 Fig. 4와같은단면을갖는실교량에서강재거치후콘크리트타설전다이아프램부위에서높이별온도분포를 Fig. 8에나타내었다. 교량의온도분포는대기온도변화에따라 24시간을주기로뚜렷하게반복되는형상으로나타났다. 측정결과에따르면, 대기온도의변화범위가 12.7 (32 ~19.3 ) 이며, 같은기간에서부재내온도변화는상부플랜지 (T1) 에서 38.5 (57.2 ~18.7 ) 로서, 부재내의온도가 3배정도더민감하게반응하게된다. Fig. 9는상부플랜지의온도가최고로측정되었을때측정된다이아프램부의높이별온도를보인다. 오후 1시부터온도가증가되어오후 3시에최고온도가되었으며다이아프램부의높이에따라온도가내려감을볼수있었다. 오후 3시의대기기온은 32 이었다. [Fig. 8] Temperature variation at the target bridge [Fig. 9] Temperature according to the height at the diaphragm of target bridge 7353

5 한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 상하온도차산정온도경사모델은상부플랜지와하부플랜지의온도차를기준으로산정된다. 본교량시험체의하부플랜지측정값이 100mm 위쪽에있는웨브지점의온도보다더낮게측정되었다. 이는온도측정을위해제작한모형실험체의설치조건이지면에서상부로약 200mm 밖에이격시키지못하여모형실험체가지면으로부터영향, 복사열등으로측정값에영향을미친것으로평가된다 [5]. 따라서부재의온도차기준점을하단으로부터첫번째측점인높이 100mm 웨브지점으로선정하여온도차를계산하였으며, 다이아프램부는첫번째측점인높이 200mm 높이를기준으로온도차를산정하였다. 또한측정된실교량에서는첫번째측점이높이 400mm의다이아프램부이므로첫번째측점을기준으로상판까지 2000mm 높이에서온도차를계산하였다. Euro Code[4] 에서는상하연온도차에대하여강상판위의피복 40mm를기준으로 Fig. 1과같이규정하고있다. 그러나본연구실험체는상판부피복을적용하지않았으므로 Table 1의규정값을적용하여보정하였다. 위와같은조건에서교량시험체의웨브와다이아프램부, 측정교량의다이아프램부, Euro Code 에서높이별온도차를산정하여 Table 2 에함께정리하였다. 여기서 Web(model), Dia.(model)-A 는대기온도가 35.4 도, 상판온도가최고인 62.3도일때교량시험체의웨브와다이아프램에서측정된값이며, Dia.(model)-B 는같은시험체에서대기기온이 32도일때측정된값이다. Dia.(Measured br.) 는실교량의다이아프램부에서측정값을각각나타냈다. 4.4 상하온도차분석 다이아프램부의온도차비교대기온도 32도의같은조건에서교량시험체와실교량에서다이아프램의온도차를비교하여 Fig. 10에보였다. 온도구배는 1700mm이상최상단부에서실측교량의경사가약간크게분석되나거의유사하였다. 또한교량시험체의측정온도와실측교량의측정값을선형회귀분석한결과상관계수가 0.99로, 측정모형은신뢰성이있는것으로평가된다. [Table 2] Temperature difference at the each point Temperature difference Height Web Dia. Dia. Dia. Euro (model) (model)-a (model)-b (Measured br.) Code [Fig. 10] Temperature difference according to the height at the diaphragm [Fig. 11] Temperature difference according to the height at the testing bridge model 교량시험체온도차비교시험체교량의웨브와다이아프램부의온도차를비교한다. Fig. 7과같이웨브에서의온도가다이아프램부보 7354

6 다는약간높으나, 다이아프램부최하단부의온도가웨브의같은위치보다더낮기때문에, Fig. 11에서온도차는상대적으로웨브에서더작게나타나고다이아프램부보다더아래쪽에놓이게된다. 상판을포함하는최상부에서웨브와다이아프램부의온도구배는거의유사하게평가되었다. 4.5 상하온도차모형 시험체교량의온도차모형웨브에서구한시험체교량의온도차모형을 Euro Code 와같이 Fig. 12에도시하여, Euro Code[4] 에서제시하고있는온도구배와직접비교하였다. 1700mm 이상상판을포함하는최상부에서웨브의온도구배는 Euro code에비하여완만한경사를가지며그이후에는시험체교량의온도경사가약간더큰값을나타낸다. 일년중최고기온에서의자료만사용하였고, 확률적분석이도입되지않아최상부에서 Euro code와온도경사차이가있는것으로판단된다. Euro code와의상관관계를선형최소제곱회귀분석을수행하여분석하면 Fig. 13과같이상관계수 R이 (R 2 =0.9182) 로계산되어, 신뢰성이있는것으로판단된다. 이를바탕으로강상판교의온도하중모형을 Fig. 14와같이제시되었다 실측교량의온도차모형 Fig. 15에서실측교량의온도차를 Euro Code와비교하였다. 비록다이아프램부에서측정되었지만상판부는웨브와같기때문에어느정도비교는가능할것으로판단된다. 1700mm이상상판과연결된부분에서 Euro Code의온도경사는다이아프램부의온도경사에비하여훨씬크며, 이후완만한경사를보임을확인할수있었다. Euro code와의상관관계를선형최소제곱회귀분석을수행하여분석하면 Fig. 16과같이상관계수 R이 (R 2 =0.7877) 로계산되어, 약간의편차는있으나근접한온도차경사를보이는것으로판단되었다. [Fig. 14] The models of temperature difference [Fig. 12] Temperature difference of the testing bridge model and the Euro code [Fig. 15] Temperature difference of the measured bridge and the Euro code [Fig. 13] Correlation graph of the testing bridge model and the Euro code 7355

한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 하여, 확률통계를이용한온도경사모델을수립하는것이필요할것으로판단된다. References [Fig. 16] Correlation graph of the measured bridge and the Euro code 5.

7 한국산학기술학회논문지제 15 권제 12 호, 2014 하여, 확률통계를이용한온도경사모델을수립하는것이필요할것으로판단된다. References [Fig. 16] Correlation graph of the measured bridge and the Euro code 5. 결론 본연구에서는온도설계기준의온도차를검토하기위하여콘크리트슬래브가없는강박스거더모형시험체와실교량에서주형높이별로최고기온에서온도를측정하였다. 이를통하여박스거더교의웨브와다이아프램의높이에따른온도차를분석하여 Euro Code의온도차와비교분석하고다음과같은결론을얻었다. 1. 모형제작한교량을실측한온도데이터를분석하여콘크리트슬래브가없는강박스거더의상 하연온도차의온도경사모델을제시하였다. 1700mm 이상상판을포함하는최상부에서웨브의온도구배는 Euro code에비하여훨씬완만한경사를가지며그이후에는웨브의온도경사가약간더큰값을나타냈다. 2. 상하연온도구배에대하여강상판교와같은 Euro Code의 Group 1에대한 (+) 온도구배를비교검토한바, 시험체모형최고온도차에서상관계수 R이 0.958의유사함을보였다. 실측교량의온도차모형에서는상관계수 R이 0.888로계산되어, 약간의편차는있으나비교적근접한온도경사를보였다. 3. 교량시험체와실교량에서다이아프램부의온도차를비교한결과상관관계 0.99의유사한온도경사를보여교량시험체모형은신뢰성이있는것으로평가되었다. [1] Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Highway Bridge Design Criteria(in Korea), [2] Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Highway Bridge Design Criteria(in Korea)(Limit state design method), [3] AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (SI Units, 4th Edition), pp.3-99 ~ 3-104, [4] British Standards Institution, Steel, Concrete and Composite Bridges, Part 2. Specification for loads, appendix E. BS5400: Part2:1978, pp.20-23, [5] S. H. Lee, J. W. Cheung, K. N. Kim, H. G.Hahm, K. S. Jung, Characteristics on the Temperature Distribution in Steel Girder Bridge by using Gauge Measurement, Journal of e korean Society of steel Construction, Vol, 23, No. 3, pp , [6] D. W. Shin, K. N. Kim, S. H. Lee, Evaluation of Effective Temperature for Estimate Design Thermal Loads in Steel Deck of Steel Box Girder Bridges, Journal of the korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, Vol, 17, No. 6, pp DOI: 이성행 (Seong-Haeng Lee) [ 정회원 ] < 관심분야 > 강구조, 강교량온도연구, 수문진동 1983 년 2 월 : 충북대학교토목공학과 ( 공학사 ) 1985 년 2 월 : 서울대학교토목공학과 ( 공학석사 ) 1997 년 2 월 : 충북대학교토목공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 9 월 ~ 현재 : 부산대학교토목공학과교수 본연구의강상자형거더실험체모형에서제안한온도경사가국내교량설계시기본자료로활용가능할것으로판단된다. 또한신뢰성있는교량의온도경사를산정하기위해서는좀더긴기간의온도측정데이터획득 7356

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