Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 4 pp. 2000-2005, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.4.2000 경골잔교 상부구조의 휨 및 비틀림에 대한 구조 안전성 검토 함규성 1, 임남형 2, 박종섭 3, 윤기용 1* 1 선문대학교 토목공학과, 2 충남대학교 토목공학과, 3 상명대학교 건설시스템공학과 Evaluation of Structural Safety about the Bending and Torsion of Superstructure of the Fish-bone Girder Pier Gyu-Sung Ham 1, Nam-Hyoung Lim 2, Jong-Sup Park 3 and Ki-Yong Yoon 1* 1 Department of Civil Engineering, Sunmoon University 2 Department of Civil Engineering, Chungnam National University 3 Department of Civil Engineering, Sangmyung University 요 약 본 논문에서는 경골잔교의 Main girder에 작용하는 설계하중을 제안하였다. 구조 안전성 검토를 위하여 범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 수치해석을 실시하였다. 경골잔교의 Main girder는 휨뿐 아니라 비틀림 거 동에 영향을 받고 있음을 알 수 있으며 주요 영향 하중은 비틀림이다. 또한 선정된 Main girder 단면에 대한 응력 검 토를 통해 선정된 경골잔교는 구조적으로 안전하다. Abstract In this paper, the design load acting on a main girder(spine girder) of fish-bone girder pier is proposed. In order to check the structural safety, numerical analyses using finite element program ABAQUS are performed. It is found that the main girder is affected by a torsional behavior as well as a bending behavior and the major influence loading is the torsional loading. Also, from the stress evaluation of the chosen cross section of the main girder, chosen fish-bone girder pier is structurally safe. Key Words : Fish-bone girder pier, Superstructure, Bending, Torsion 1. 서론 국민의 소득수준이 높아짐에 따라, 여가생활을 즐기려 서해안을 찾는 국내외 관광객들이 해마다 증가하고 있다. 이에 서해 연안을 관광하기 위한 관광로 형태의 보도 잔 교와 바다낚시 잔교 등이 건설 또는 계획 중에 있다. 현재 국내에서는 보도교 설계기준으로 서울특별시가 제정한 시설물 설계 및 시공편람[1]의 소규모 강교 및 보 도육교에 대한 설계기준이 적용되고 있으나, 관광형 보도 잔교에 대해서는 별도의 설계규정이 없어 항만 및 어항 설계기준[2]을 준용하여 설계가 이루어지고 있다. 그러나 항만 및 어항설계기준[2]의 잔교 설계기준은 중차량하중, 적재하중, 선박의 견인력 및 충격력 등을 고려하도록 하 고 있어 과도한 설계를 유발하게 된다. 따라서 관광형 보 도잔교의 합리적인 설계 및 시공을 위해서는 항만 및 어 항 설계기준의 잔교 설계외력의 적용성 분류 및 하중산 정이 필요하다. 또한 서해안 등 지역적 특성을 고려한 시 공 및 상세설계기준이 마련될 필요가 있다[3]. 이상과 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 말뚝지 지형 조립식 잔교는 하나의 말뚝을 사용하여 단순하고 조립이 간단한 형태로 개발된 조립식 잔교[4]지만 Fig. 1(a), 하나의 말뚝으로 인한 말뚝의 해상 항타 시 수직도 문제 및 파력이 작용하였을 경우 수평문제가 야기되었으 며, 상부구조물의 편측제어에 따른 불안정성이라는 문제 가 노출되었다. 이에 상 하부 구조의 불안정성을 해결하 기 위하여 단일말뚝을 사용하면서 라멘거동을 할 수 있 는 새로운 형식의 경골잔교(Fish-bone Girder Pier)를 개 발하였다[Fig. 1(b)]. 경골잔교는 Fig. 1(b)와 같이 물고기 본 연구는 국토해양부 지역기술혁신사업(09지역기술혁신 B-01)의 연구비지원에 의해 수행되었습니다. * Corresponding Author : Ki-Yong Yoon(Sunmoon Univ.) Tel: +82-41-530-2326 email: kyyoon@sunmoon.ac.kr Received March 14, 2013 Revised March 18, 2013 Accepted April 11, 2013 2000
경골잔교 상부구조의 휨 및 비틀림에 대한 구조 안전성 검토 뼈에 해당하는 Main girder(spine girder)와 가시에 해당 하는 Bone-beam 그리고 말뚝 에 직접 연결되는 가로보 (Cross-beam)로 구성되며 단일말뚝을 지그재그 형식으로 시공하여 라멘거동을 유발하게 하는 특징이 있다. 또한 Bone-beam에 군중하중과 풍하중 등이 작용하게 되어 Main girder(spine girder)에는 휨뿐 아니라 상당한 크기 의 비틀림이 발생된다. 본 논문에서는 관광형 보도 잔교의 특성을 고려하여 국내 외 설계기준을 비교 분석하였으며, 서해 연안역의 특성을 고려한 설계하중을 결정하였다. 또한 기존 잔교와 는 차별화 된 조립식 경골잔교의 상부구조에 대한 적절 한 설계 단면 및 주요부재인 Main girder에 작용하는 하 중에 대한 유한요소해석 프로그램을 통한 해석모델의 타 당성을 검증하였으며, Main girder의 비틀림에 대한 안전 성을 검증하였다. 2. 경골잔교의 설계조건 및 제원 2.1 구성 말뚝을 일정한 간격의 지그재그 형태로 설치 후 상부 에 사선 방향으로 Main girder가 설치되며, 횡 방향으로 는 가로보가 설치된다. 사선 방향으로 설치된 Main girder에는 각 1/4지점에 가시가 설치된다. 가로보에 수직 방향으로 각목이 설치되며 그 위에 Wood Deck을 설치하 여 Fish-bone Girder Pier 가 완성된다. 2.2 설계단면 2.2.1 폭 경골잔교는 관광을 목적으로 한 교량으로 서울특별시 에서 발행한 시설물 설계 및 시공편람에서 규정한 보도 교 폭 규정을 사용하여 잔교의 폭을 결정하였다. 본 규정 에서는 1인당 점유폭원 75cm를 기준으로 최소 폭 1.5m 로 규정하고 있다. 본 Fish-bone Girder Pier 에 쓰이는 잔교의 폭은 성인 2명과 유아 1명의 점유폭을 기준으로 하여 2.5m로 결정하였다. (a) 2.2.2 주요제원 Main girder, 가로보, 가시는 SM400 강재를 사용하였 으며, 탄성계수는 도로교 설계기준[5]에서 규정하고 있는 강재의 탄성계수 210GPa을 사용하였다. Main girder는 H-400 400 13 21(Fig. 2, Table 1[6]), 가로보는 H-350 350 12 19, 가시는 H-200 200 8 12의 단면을 사용하였 다. y t 2 x x H t 1 (b) [Fig. 1] Form of the prefabricated pier (a) Existing prefabricated pier (b) Fish-bone girder pier [Table 1] Dimension of the spine girder[6] y B [Fig. 2] Dimension of cross section 상부에 설치되는 각목은 90 90mm의 단면의 각목을 사용하였다. Norminal Size(mm) Standard Sectional Dimension(mm) Sectional Area (cm 2 ) Unit Weight (kg/m) Moment of Inertia (cm 4 ) Radius of Gyration (cm) Modulus of Section (cm 3 ) Warping Constant (cm6) H B t1 t2 r A W Ix Iy ix iy Sx Sy Cw J 400 400 400 400 13 21 22 218.7 172 66,600 22,400 17.5 10.1 3,330 1,120 8,048,000 303 Torsional Constant (cm4) 2001
한국산학기술학회논문지 제14권 제4호, 2013 2.2.3 Wood Deck 상부에 설치되는 Wood Deck의 주재료는 목재로 일반 적으로 널리 사용되는 TimberStrand (LSL) 회사 제품을 사용하였으며, Wood Deck 두께 27mm에 대해 고려하였 다. Fig. 3은 설계된 폭 2.5m, 지간 5m의 경골잔교의 상 부구조 설계도면이다. WOOD DECK(T=27mm) WOOD (90X90) 계기준[2]과 미국의 Design for Piers and Wharves[7]을 검토하였다. 항만 및 어항설계기준[2]에서 군중하중은 5kN/m 2 (0.5 tf/m 2 )를 표준으로 규정하고 있다. 다만 특수 시설에서는 그 시설의 이용 상황을 고려하여 그 값을 감 할 수 있다. 항만 및 어항설계기준[2]에서 제시하는 군중 하중의 근거는 군중 특성 즉 보행, 달리기, 급정지 및 뛰 어내림 등의 각종 동작을 고려하여 저면에 발생되는 최 대하중을 고려하여 제안한 것이다. Unified Facilities Criteria(UFC)의 Design for Piers and Wharves[7]에서는 보도에 대해서 군중하중은 100 lbs/ft 2 (0.488 tf/m 2 )로 규 정하고 있다. 또한, 최소 보도의 폭은 914 mm이상으로 규정하고 있다. 군중하중에 대해서 국내외 기준들은 유사 한 값을 제안하고 있으며, 본 연구에서 군중하중은 5 kn/m 2 를 적용한다. [Fig. 3] Plane figure of the superstructure of Fish-bone girder pier 2.3 설계하중 국내에서 잔교의 설계는 항만 및 어항 설계기준[2]을 참고하며, 잔교 설계외력을 검토 시 고려사항은 Table 2 와 같다. [Table 2] External force for pier design Vertical Force Horizontal force Dead load Wind loads Superimposed Load Tractive force Live Load Berthing Load - Vehicle load (Train) Working load of the traveling material handling equipment - Vehicle load (Car) Seismic load acting on payload - Crowd Load Seismic load acting on live load Tractive force Wave power Uplift pressure 관광형 조립식 보도잔교의 경우 적재하중, 열차하중, 자동차하중, 선박관련 하중, 하역기계관련 하중 및 지진 력을 고려할 필요가 없으며, 본 연구는 상부구조의 검토 만 수행되어 파력 또한 고려하지 않았다. 2.3.1 군중하중 본 연구의 관광형 조립식 보도잔교는 수직 활하중인 열차 하중 및 자동차 하중은 고려되지 않고 군중하중만 고려된다. 군중하중 적용을 위하여 국내 항만 및 어항설 2.3.2 풍하중 항만 및 어항설계기준[2]에서는 풍하중 산정시 도로교 설계기준[5]을 준용하도록 제안하고 있다. 국내외 설계기 준의 풍하중 산정식을 살펴보면, 설계기준풍속, 고도 및 환경보정계수, 거스트 계수, 항력계수를 포함하고 있으 며, 일부 설계기준은 대상구조물의 중요도를 산정식에 반 영하고 있다. 다음의 Eq. 1은 도로교 설계기준에 제시된 풍하중 산정식으로 검토된 설계기준들이 유사한 설계식 을 사용하고 있다. (1) 여기서, =공기밀도, =설계풍속, =항력계수, = 거스트 응답계수이다. 국내 서해 연안역의 설계조건을 고 려하여 =0.125 kgf s 2 /m 4, =42.13 m/s, =1.6, =1.9 를 적용한다[8]. Table 3은 산정된 압력이 검토된 압력이 검토된 H형강의 단위길이당 작용하는 설계풍하중을 나 타내고 있다. [Table 3] Design wind load according to cross section of H-Beam Cross section H-shape steel Type(mm) 400 400 13 21 (Main girder) 400 400 13 21 (Floor beam) 400 400 13 21 (Bone) Design wind load of H-Beam 0.155kN/m(axial force) 0.309kN/m(horizontal force) 2.136kN 2.136kN 2002
경골잔교 상부구조의 휨 및 비틀림에 대한 구조 안전성 검토 2.3.3 난간하중 도로교 설계기준[5]에서 규정하고 있는 수평력 2.5kN/m와 수직력 1kN/m을 사용하였으며 수평력은 Main girder 중심으로부터 난간 높이 1.1m 떨어진 위치에 적용하였다. 2.3.4 Main girder에 작용하는 설계하중(수평 및 수직하중) 경골잔교 상부구조에 최적단면을 결정하기 위해 작용 하는 설계하중으로는 군중하중, 풍하중, 난간하중, 자중 을 고려한다. 산정된 Main girder에 작용하는 하중은 단 위길이 당 작용하는 수직하중과 힘의 분력을 이용하여 작용하는 수평하중으로 이루어지며, 재하위치, 경계조건 및 하중의 크기는 Fig. 4와 Table 4와 같다. L/4 L/4 L/4 L/4 L=5.59m (a) 하여 3차원 범용 구조해석 프로그램인 ABAQUS(2010)를 사용하였으며 4절점 쉘 요소인 S4R요소를 이용하여 해 석하였다. 그림 3의 폭 2.5m, 길이 5m의 교량의 Main girder(5.59m)와 동일하게 모델링하였으며, 형상 및 제원 은 2.2.2절을 참고하였다. 3.2 Main girder의 수직하중 및 수평하중에 대한 해석모델의 타당성 2.3절에서 제시된 수직하중과 수평하중을 적용하고 도 로교 설계기준의 허용응력 설계법을 통한 응력검토와 해 석모델을 통한 응력 검토를 비교하여 해석모델의 적절성 을 파악하였다. [Table 5] Comparison of bending stress for vertical load Position Calculation FEM Relative error(%) x=0 11.636 11.66 0.206 x=l/2 6.224 6.498 4.217 x=l 11.636 11.66 0.206 [Table 6] Comparison of bending stress for horizontal load L=5.59m (b) [Fig. 4] Loading position and boundary condition of main girder (a) vertical load (b) horizontal load [Table 4] Design Load Acting on the Main girder Type Norminal size(mm) H-steel 400 400 13 21 Vertical load (kn/m) 15.895(uniform) 0.641kN(concentrated) Horizontal load (kn/m) 1.155(axial) 3.631(Horizontal) 3. Main girder의 구조 안전성 검토 유한요소해석과 설계기준을 적용하여 경골잔교의 Main girder(spine girder)의 구조 안전성을 검토하였다. Position Calculation FEM Relative error(%) x=0 8.442 8.142 3.554 x=l/2 4.221 4.058 3.87 x=l 8.442 8.142 3.554 Table 5, Table 6과 같이 대체적으로 유한요소 해석 결 과와 이론식은 5%내의 오차를 보였으며 서로 잘 일치하 는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 사용된 유한요 소해석 모델은 타당한 것으로 판단된다. 3.3 Main girder의 비틂하중에 대한 정적해석 경골잔교의 Main girder는 비대칭으로 설치 된 구조물 로 비틀림이 과도하게 발생된다. 이에 비틂하중에 대한 안전성을 검토하였다. 검토 된 비틂하중은 상부에 작용하 는 하중 중 크기가 제일 큰 군중하중에 대한 비틂하중을 검토하였다. 비틂 하중의 산출근거는 Table 7과 같으며, Fig. 5는 비틂하중에 대한 하중재하도이다. 3.1 유한요소해석 모델링 Main girder의 각 하중별 구조 안전성을 검토하기 위 2003
한국산학기술학회논문지 제14권 제4호, 2013 4. 결론 [Fig. 5] Loading position and boundary condition of main girder(torsional loading) [Table 7] The calculation of torsional load Load type Torsional load (concentrated load) Position torsional load The calculation of torsional load [Table 8] Comparison of normal stress for torsional, vertical and horizontal loads vertical load Horizontal load x=0 53.68 11.66 8.142 x=l/2 8.946 6.498 4.058 x=l 53.68 11.66 8.142 본 연구는 연안역 신형식 조립식 잔교인 경골잔교 (Fish-bone Girder Pier)의 주요부재인 Main girder(spine girder)의 단면 검토 및 작용하는 하중에 대한 유한요소해 석 프로그램을 통한 해석모델의 타당성을 검증하였으며, 하중조합에 따른 Main girder의 휨 및 비틂거동에 대한 안전성을 검토하였다. 1. Main girder의 수직하중 및 수평하중에 대한 해석모 델의 휨 응력을 허용응력설계법을 통하여 산정된 이론값과 비교하였을 경우 값이 유사하므로 해석모 델은 적절하다. 2. Main girder의 각 하중상태에 대한 해석모델의 법선 응력을 비교하였을 경우 비틂하중에 의한 법선응력 이 수직하중과 수평하중의 법선응력의 합보다 2배 정도 크므로 비틂하중에 대한 영향이 크다는 것을 알 수 있다. 3. Main girder의 모든 하중조합에 대한 유한요소해석 모델을 통하여 산정된 값을 허용응력설계법의 응력 검토 식을 적용하면 선정된 Main girder 단면은 구 조적으로 안전하다. Main girder에 작용하는 각 하중에 대한 정적해석을 통하여 Table 8과 같이 수직하중과 수평하중에 대한 법선 응력의 합과 비틂하중으로 인한 법선응력을 비교하였을 경우에 수직하중과 수평하중에 대한 법선응력의 합이 비 틂하중으로 인한 법선응력과 약 2배 정도의 차이를 보이 므로, Main girder는 비틂하중에 대한 영향이 매우 크다 고 판단된다. [Table 9] The result of safety check for load combinations Bending Stress Shear Stress Stress Note ASD FEM ASD FEM 116.134 71.01 80 13.6 0.403 1.2 O.K Table 9와 같이 Main girder의 하중조합에 대한 응력 검토를 도로교설계기준[5]의 휨과 비틂을 받는 부재에 대 한 응력검토식을 이용하여 검토하면 설계된 Main girder 단면은 적절한 설계단면이며, 비틂이 지배하는 단면임을 알 수 있다. References [1] Seoul, Facility Design and Construction Manual, Small steel Bridge and overpass, 2001. [2] Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Harbor and aquarium design standard, 2005. [3] H.K. Kang, J.S. Park, D.G. Kim and K.Y. Yoon, A Study on Standard Specifications Coastal Safety Facilities, Proceedings of the KAIS Spring Conference, pp. 350-353, 2009. [4] S.R. Yoo, J.S. Park, K.Y. Yoon, A Numerical Study on Performance-Based Design for Pier and Superstructure in Pile Supported Modular Pedestrian Pier, Journal of the Korea Society of Hazard Mitigation, pp. 63-73, 2011. [5] Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Highway bridge design standard, Korea Road&Transportation Association, 2005. [6] Hyundai Steel, Korea Standard Dimensional Tole rances, 2006. [7] Department of Defense, Unified Facilities Criteria, Design for Piers and Wharves, USA, 2005. 2004
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