구조계산
(1) 계산이론
계산이론은 격자이론을 따르는 것을 원칙으로 한다. 다만 단순한 형태의 교량, 그리고 검토를 위한 경우에는 Guyon-Massonnet이론에 따라도 좋다.
(2) 계산모델
구조계에 적합한 구조모델을 선정하여야 한다. 특히 사교의 경우에는 지점부 수직브레이싱 및 지점 위의 수직브레이싱을 포함한 해석모델로 해석한다.
(3) 하중분배
하중분배를 하면 불리한 경우를 제외하고는 일반적으로 하중분배를 한다.
(4) 가정 강도
계산에 사용하는 주거더 및 분배 수직브레이싱의 가정 강도와 실 부재의 강도차이는 5% 이하로 하는 것이 좋다.
(5) 가정 고정하중
가정 고정하중과 실 고정하중과의 차이는 5%이하로 하는 것이 좋다.
연결
1.2.1 일반
(1) 부재연결 일반
부재의 연결은 작용응력에 대하여 설계하는 것으로 한다. 주요 부재의 연결은 작용응력에 대해 설계하는 외의 경우라도 모재 전강도의 75% 이상의 강도를 갖도록 설계한다. 단, 전단력에 대해서는 작용응력을 사용하여 설계해도 좋다. 부재의 연결부 구조는 다음의 사항을 만족하도
록 설계하여야 한다.
① 연결부 구조가 단순하여 응력전달을 확실히 할 것
② 구성하는 각 재편에 있어서 가능한 한 편심이 일어나지 않게 할 것
③ 유해한 응력집중이 생기지 않게 할 것
④ 유해한 잔류응력이나 2차 응력이 생기지 않도록 할 것
⑤ 연결부에서 단면이 변하는 경우 작은 단면을 기준으로 연결의 제규정을 적용하여야 한다.
(2) 용접, 고장력볼트의 병용
부재의 연결에 용접과 고장력볼트를 병용하는 경우에는 다음의 규정을 따라야 한다.
① 그루브(Groove)용접을 이용한 맞대기이음과 고장력볼트의 마찰이음 병용 및 응력 방향에 평행한 필렛용접과 고장력볼트 마찰이음을 병용하는 경우에는 이들이 각각 응력을 분담하는 것으로 본다. 단, 그 분담의 상태에 대해서는 충분한 검토를 통해 적용한다.
② 응력과 직각방향인 필렛용접과 고장력볼트 마찰이음은 병용하여서는 안된다.
③ 용접과 고장력볼트의 지압이음을 병용해서 는 안된다.
용접이음
(1) 용접의 종류와 적용
용접선에 직각방향으로 인장응력을 받는 이음에는 전단면 용입 그루브용접의 사용을 원칙으로 하며, 부분용입 그루브용접을 하여서는 안된다. 플러그(Plug)용접과 슬롯(Slot)용접을 주요 부재에 사용해서는 안된다. 부득이 사용할 경우에는 응력의 전달을 고려하여야 한다. 여기에 언급되지 않은 용접이음의 분류 및 표시방법은 [강․설 부록 I]을 따른다.
(2) 용접부의 유효 두께
응력을 전달하는 용접부의 유효 두께는 이론상의 목두께로 한다([도․설 3.5.2.2] 참조).
전단면 용입 그루브용접의 목두께는 <그림 506.1.1>에 도시한 것과 같이 취하고 두께가 서로 다를 경우에는 얇은 부재의 두께로 한다.
용접부의 유효길이
용접부의 유효길이는 이론상의 목두께를 갖는 용접부의 길이로 한다. 다만, 전단면 용입그루브 용접에서, 용접선이 응력방향에 직각이 아닌 경우에는, 실제적인 유효길이를 응력에 직각인 방향에 투영시킨 길이로 할 수 있다. 필렛용접에서 끝돌림용접을 실시할 경우에는 끝돌림용접길이는 유효길이에 포함시키지 않는다.
필렛용접의 치수
필렛용접은 등치수로 하는 것을 원칙으로 한다. 주요 부재의 응력을 전달하는 필렛용접의 치수는 다음의 제한 내에 있는 것을 표준으로 한다. 다만, 모재 최소치수가 8 mm 이상인 경우에는 필렛용접 치수를 6 mm 이상으로 한다.
(5) 필렛용접의 최소 유효길이
주요 부재의 필렛용접 유효길이는 필렛용접의 크기 S의 10 배 이상, 80 mm 이상으로 한다.
(6) 맞대기용접 이음
단면이 차이가 나는 주요 부재의 맞대기 이음에 있어서는 두께 및 폭을 서서히 변화시켜 길이방향의 경사가 1/2.5 이하가 되게 한다.또한 용접이음의 집중을 피하기 위하여 플랜지와 복부판의 용접위치는 100 mm 이상 띄우도 록 하며, 플랜지 연단부의 예리한 각부에 대하여
1 mm 정도의 모따기를 원칙으로 한다.
겹침이음
응력을 전달하는 겹침이음에서는 2줄 이상의 필렛용접을 하는 것을 원칙으로 하고, 겹침길이는 얇은 부재 두께의 5배 이상 되게 하여야한다. 축방향력을 받는 부재의 겹침이음에서, 측면 필렛용접만을 사용하는 경우에는 다음의 규정을 만족하여야 한다.
① 용접선의 간격은 얇은 쪽 강판 두께의 16배 이하로 함을 원칙으로 한다. 단, 인장력만을 받는경우 용접선의 간격을 얇은 쪽 두께의 20배 이하로 한다. 부득이 20배를 초과하는 경우에는 판의 솟음을 방지하는 대책을 강구하여야 한다.
② 필렛용접의 길이는 용접선의 간격보다 크게 하여야 한다.
T이음
T이음에 쓰이는 필렛용접 또는 부분용입 그루브용접은 이음의 양쪽에 배치하여야 한다. 다만, 횡방향의 변형에 대해서 저항할 수 있는 구조일때는 한쪽만으로도 좋다. 재편의 교각이 60° 미만이거나, 또는 120° 를 초과하는 T이음에서는 전단면용입 그루브용접을 쓰는 것을 원칙으로 한다. 필렛용접 또는 부분용입 그루브용접을 사용하는 경우에는 응력의 전달을 기대할 수 없다.
(9) 축방향력 또는 전단력을 받는 용접이음의 응력
이음에 축방향력 또는 전단력이 작용하는 경우의 용접부에 생기는 응력은 식(506.1.2)에 의해 계산하며, 다만 필렛용접 및 부분 용입 그루브용접의 경우에 생기는 응력은 작용하는 힘의 종류에 관계없이 항상 전단응력을 받는 것
고장력볼트 이음
(1) 일반
고장력볼트의 이음에는 마찰이음, 지압이음 및 인장이음이 있다. 지압이음은 우리나라의 경우 사용 예가 없으나 마찰이음에 비해 허용응력을 50% 높게 설정하여 어느 정도 유효한 이음이지만 주요부재에는 사용하지 않는 것을 원칙으로 한다.
인장이음은 앵커부재 또는 받침부의 고정, 라멘 모서리 등에 사용한 예가 있으나 볼트에 일어나는 부가응력의 정도, 이음부의 강성, 이음부재
편에 일어나는 응력상태 등의 변동폭이 이음부의 구조세목 여하에 따라 매우 커서 일반적인 기준을 제시할 단계가 아니다. 따라서 고장력볼트의 이음은 마찰이음을 원칙으로 한다.
2) 볼트, 너트 및 와셔
마찰이음에 쓰이는 볼트, 너트 및 와셔는 KS B 1010에 규정된 제1종 및 제2종의 M20, M22,M24, M27 및 M30, 제4종의 M20, M22, M24를 사용하는 것을 표준으로 한다.
(3) 볼트의 허용력
[도․설 3.3.2.3, 표 3.3.8] 마찰이음용 고장력볼트의 허용력을 따른다.
(4) 볼트의 구멍
부재의 순단면적을 산정하는 경우의 볼트구멍의 직경은 접합법에 따라 적절한 형태의 것을 정한다.
(5) 볼트의 중심간격
볼트의 최소중심간격은 <표 506.1.1>에 나타낸 값을 표준으로 한다. 단, 특별한 경우에는 볼트직경의 3 배까지 작게 할 수 있다. 고장력볼트의 최대중심간격은 <표 506.1.2>에 나타낸 값 중에서 작은 것을 택하여야 한다.
(6) 연단거리
볼트구멍의 중심으로부터 판의 연단까지의 최소거리는 <표 506.1.3>에 나타낸 값으로 한다. 모재 두께가 50 mm 이상인 경우, 접합되는 모재가 서로 마주보는 측의 모재 연단거리는 인장의 경우 모재 두께 이상, 압축의 경우 모재 두께의 0.75배 이상 확보하도록 한다. 볼트구멍의 중심으로부터 연단까지의 최대거리는 표면의 판두께의 8배로 한다. 단, 150 mm를 넘어서는 안된다.
(7) 볼트의 최소 개수
이음에는 한 볼트무리에 최소 2개 이상의 고장력볼트를 사용하여야 한다.
(8) 볼트의 설계
① 축방향력 또는 전단력을 받는 판을 연결하는 경우 볼트 1개에 작용하는 힘 (kN)은 다음 식 으로 계산한다.
② 휨모멘트가 작용하는 판을 연결하는 경우 볼트 1개에 작용하는 힘 (kN)은 다음 식으로 계산한다.
③ 축방향력, 휨모멘트 및 전단력이 함께 작용하는 판을 연결하는 경우 축방향력에 의한 볼트 1개의 작용력 (kN)은 다음 식으로 계산한다.
④ 휨에 의한 전단력을 받는 판을 수평방향으로 연결하는 경우 수평방향으로 연결하는 볼트에 작용하는 힘 (kN)은 식(506.1.11)으로 계산한다.
9) 이음판의 설계
① 인장력이 작용하는 판의 이음판은 다음 (10)항에서 규정하는 순단면에 생기는 응력이 허용응력 이하가 되도록 설계하여야 한다.
② 압축력이 작용하는 판의 이음판은 총단면에 생기는 응력이 [도․설 3.3.2.1]에 규정된 허용압축응력의 상한값 이하가 되도록 설계하여야 한다
④ 모재 한쪽의 이음판 소요 두께가 25 mm를 초과하는 경우에는 두께 10 mm 이상, 21 mm 이하의 2개 또는 3개의 판재를 사용하도록 한다.
10) 순단면적의 계산
① 인장재의 순단면적은 재편의 순폭과 판두께의 곱으로 한다. 이 경우 재편의 순폭은 그 총폭으로 부터 볼트구멍에 의해 잃은 폭을 뺀 값으로 한다.
② 부재의 순단면적을 산정할 때의 볼트 구멍의 지름은, M20, M22, M24에 대해서는 볼트의공칭지름에 3 mm를 더한 값으로 하고, M27 및 M30의 경우에는 4 mm를 더한 값으로 한다.
③ 볼트를 엇갈리게 체결한 재편의 순폭은 총폭으로부터 고려하는 단면의 최초의 볼트구멍에 대해 그 볼트구멍의 지름을 공제하고, 이하 순차적으로 각 볼트구멍에 대해 다음 식으로 구한 w를 공제한 값으로 한다.
④ T형, H형 등의 조립단면의 순단면적은 각재편마다 위의 방법으로 구한 순단면적의 총합으로 하고, 압연형강의 경우에도 이것에 준해야 한다. 다만, L형강, ㄷ형강에서는 <그림 506.1.15>와 같이 전개한 모양에 대하여 순단면적을 산출한다.
연결 위치
연결위치는 기본적으로 <그림 506.1.16>에 도시한 위치가 바람직하며, 천공에 의한 단면보강을 하지 않아도 좋을 위치를 선정하는 것이 좋다. 수직브레이싱의 간격 및 배치, 중간 보강재 배치등과의 중첩을 피하도록 한다.
부재에 관한 일반사항
1.3.1 총칙
(1) 2차 응력
일반적으로 교량구조에 있어서는 2차 응력의 발생이 부득이 하나 응력계산 시에는 이를 무시한다. 따라서 구조의 각 부재는 부재의 편심, 격점의 강성, 단면의 급변, 가로보의 처짐, 부재길이 의 변화에 의한 바닥틀의 변형, 자중에 의한 부재의 처짐 등의 영향에 의해 생기는 2차 응력이 될수 있는 한 작아지도록 설계하여야 한다.
(2) 부재의 세장비
부재의 세장비는 <표 506.1.4>에 나타낸 값으로 한다.
여기서,
l : 인장부재의 경우 골조길이, 압축부재의 경우 유효좌굴길이 (mm)
r : 부재 총단면의 단면회전반경 (mm)
또한, 주요부재란 주구조와 바닥틀을 말하며, 2차부재란 주요부재 외의 2차적인 기능을 가진 부 재를 말한다. 수직브레이싱이나 수평브레이싱은 주요 부재로 서의 기능을 부여하지 않을 때는 2차부재로 보아
설계해도 되지만, 교량을 입체적으로 해석하여 설계하는 경우의 수평브레이싱이나 수직브레이싱은 2차부재로 다루어서는 안된다.
축방향 인장력을 받는 골조 부재
(1) 유효단면적
인장부재의 유효단면적은 순단면적으로 한다(편람506.1.2.3 (4) 및 (10) 참조).
(2) 편심에 의한 유효단면적 감소
L형강 및 ⊏형강을 거세트플레이트의 편측에만 설치하는 경우 편심의 영향을 고려하여 설계한다. 단, 통상의 경우 그 유효단면적으로부터 돌출다리길이의 1/2을 뺀 단면으로 산정한다(<그림 506.1.17>참조).
그러나 트러스의 상부브레이싱 등에서 종종 볼수 있는 거세트 편측에 부착된 2쌍의 L형강이 타이플레이트 등으로 연결되어 있고 편심을 고려할 필요가 없는 경우에는 전순단면적을 유효로 보아도 좋다(<그림 506.1.18> 참조).
2쌍의 L형강이 하나의 거세트플레이트의 양측에 부착된 인장재에서는 전순단면적을 유효로 보아도 좋다(<그림 506.1.19> 참조).
이상의 규정은 세장비의 산정시에는 고려할 필요가 없으며, 단면2차반경은 부재의 총단면적에 대해 산출해도 좋다.
축방향 압축력을 받는 골조 부재
(1) 압축응력을 받는 판 및 보강판
압축응력을 받는 양연지지판의 두께는 <표 506.1.5>,압축응력을 받는 보강된 판에 대해서는 <표 506.1.6>의 값 이상으로 하여야 한다. 다만 가설시에만 일시적으로 압축응력을 받는 경우의 판두께는 식 (506.1.14),그리고 보강된 판의 판두께는 식 (506.1.15)을 만족하여야 한다.
보강재로 보강된 판에 대해서는 다음의 규정을 만족하여야 한다.
1) 종방향 보강재의 강종은 보강되는 판의 강종과 동등 이상의 것이어야 한다.
2) 4)항에 의해 산출된 종방향 보강판 1개의 단면2차모멘트 Il 및 단면적 Al은 각각 식 (506.1.16) 및 식 (506.1.17)을 만족하여야 한다.
3) 종방향 보강재의 소요강비는 다음과 같이 산출한다.
① 항에 의해 산출된 횡방향 보강재 1개의 단면2차모멘트 Il 이 식 (506.1.19) 를 만족하는 경우
4) 보강재의 단면2차모멘트는 다음의 규정에 의해 산출한다.
① 보강재가 한쪽 면에만 보강되는 경우에는 보강되는 판의 보강재 쪽 표면에 관한 단면2차모멘트로 한다.
② 보강재가 양쪽 면에 보강되는 경우에는 보강되는 판의 중립면에 관한 단면2차모멘트로 한다.
(2) 구멍 뚫린 판
구멍 뚫린 판의 최소 판두께 및 안쪽 용접선으로부터 구멍까지의 최대 폭은 <표 506.1.8>에 표시된 값으로 한다.
응력방향으로 잰 구멍의 길이는 구멍 폭의 2배 이하로 한다.
응력방향으로 잰 구멍과 구멍간의 판의 길이는 d보다 커야 한다. 다만 단부 구멍의 연단에서 구멍 뚫린 판의 단부까지의 거리는 1.25d보다 커야한다.
구멍 연단의 곡률반경은 40 mm 이상이어야 한다.
(3) 유효단면적
압축부재의 유효단면적은 총단면적으로 한다.
(4) L형 및 T형 압축부재(편심에 의한 휨모멘트
의 영향)
① <그림 506.1.26>과 같이 플랜지가 거세트플레이트에 연결된 L형 및 T형 압축부재는 다음의 식을 사용해도 좋다.
② ①항에 따르지 않는 경우에는 그 부재단면의 중심을 지나 거세트플레이트 면에 평행한 축에 대한 편심으로 생기는 휨모멘트 및 축방향압축력을 받는 부재로서 [도․설 3.4.3]의 규정에 따라 부재를 설계한다. 다만, fca는 허용압축응력의 상한치를 사용한다. 이때 편심압축력은 거세트플레이트 면내에 작용하는 것으로 하고, 단면회전 반경은 휨변형이 생기는 축에 관한 것을 사용한다.
휨모멘트를 받는 골조 부재
(1) 압축응력을 받는 판 및 보강판
편람 506.1.3.3 (1) ‘압축응력을 받는 판 및 보강판’의 규정에 따른다.
(2) 유효단면적
인장측 플랜지에 볼트 등의 구멍이 있는 경우에는 구멍에 의한 단면적의 손실을 고려한다.
(3) 처짐, 부정정력 등을 계산하는 경우의 유효단면적처짐, 부정정력 등을 계산하는 경우의 유효단면적은 총단면적으로 한다.
(4) 외측플랜지판
외측플랜지는 1장의 판으로 함을 원칙으로 하며, 다음의 규정을 따른다.
① 외측플랜지판의 두께는 내측플랜지판 두께의 1.5배 이하로 한다.
② 압축플랜지에 사용하는 외측플랜지판의 두께는 외측플랜지 폭의 1/24 이상으로 한다.
③ 인장플랜지에 사용하는 외측플랜지의 판두께는 외측플랜지 폭의 1/32 이상으로 한다.
④ 외측플랜지판의 길이는 거더 높이의 2배에1,000 mm를 더한 값 이상으로 하여야 한다.
⑤ 외측플랜지판의 양단에는 이론값 보다 각각300 mm 이상, 또 외측플랜지판 폭의 1.5 배 이상의 여유 길이를 두어야 한다.
⑥ 인장측에 사용되는 외측플랜지판의 양단은 외측플랜지를 제외하고 계산한 플랜지의 연응력이 90% 되는 곳까지 연장하여야 한다.
⑦ 외측플랜지판의 단부에 사용하는 필렛용접은 부등치수의 연속필렛용접으로 하고 응력이 매끄럽게 전달되도록 배려하여야한다(<그림 506.1.28>참조).
전단력 혹은 전단력과 비틀림모멘트를
받는 골조 부재
(1) 전단력을 받는 경우의 유효단면적 전단력을 받는 경우의 유효단면적은 부재의 단면형상에 따라 적절하게 정하는 것으로 한다
([도․설 3.8.2.2 및 3.8.2.3] 참조).
강재의 최소두께
(1) 최소 판두께와 최대 판두께
최소 판두께는 8 mm 이상으로 하고, I형강, ㄷ형강의 복부에서는 7.5 mm 이상으로 할 수 있다. 난간용 재료, 채움재, 보도용 바닥판 등은 이 규정에 따르지 않아도 좋다.
(2) 보강재, 폭두께비
편람 506.1.3.3 (1) ‘압축응력을 받는 판 및 보강판’의 <표 506.1.7> 및 <표 506.1.8>에 따른다.
사교
(1) 일반
교량에서 사각이란 <그림 506.1.29>에 도시한바와 같이 받침선에 수직한 선과 교축 사이의 각도(90° 이하의 예각)이다.
일반적으로 사교에서는 편심재하의 경우뿐만 아니라 교축 중심에 실린 하중에 의해서도 주거더에 비틀림이 발생한다. 또 직교의 경우와는 달리 사각이 커지는 만큼 주거더의 휨모멘트가 작아지고 가로보의 휨모멘트가 증가한다. 이 경향은 주거더의 비틀림강성이 큰 경우에 뚜렷이 나타난다. 또한 사교의 휨모멘트 최대는 외측 주거더 지간 중앙보다 둔각부에 옮겨지는 결과를 초래하여 최대휨모멘트의 분포가 대칭성을 갖지 않는다. 더욱이 사각이 커지면 주거더 단부 부근의 바닥판의 응력분포가 복잡하기 때문에 손상이 발생하기 쉽거나 받침 반력에 큰 영향을 주는 수가있으므로 주의를 요한다. 이와 같은 이유로 거더단부의 바닥판이 중요한 역할을 하는 합성거더의 사각은 30° 이하로 하는 것이 바람직하다. 강교의 주거더와 하중분배가로보 또는 수직브레이싱의 구성방식은 <그림 506.1.30>과 같은 2가지 방법이 있다. <그림 506.1.30(a)>는 사방향으로 교차시키는격자형식이며, 일반적으로 20°보다 작은 경우에이용된다. <그림 506.1.30(b)>는 직각방향 교차의 격자형식으로서 사각이 20°를 초과하는 경우에 이용된다. 특히 교폭에 비해 경간이 긴 교량에는 (b)를 적용하는 것이 바람직하다. 그 장단점을 비교하면 다음과 같다.
① (b)는 주거더 상호간의 캠버(솟음)차이가 생기기 때문에 가조립, 가설시의 위치를 고려할 필요가 있다.
② (b)는 주거더와 가로보, 수직브레이싱의 연결을 제외하고 제작이 용이하다.
③ (b)는 (a)에 비해 하중분배효과가 크다.
(2) 설계법
사교의 계산법은 종래에는 다음과 같은 방법등이 이용되어 왔다.
① 사방향 교차 이방성판으로 치환하고 그 기초방정식을 추차법에 의해 계산하는 방법(Guyon-Massonnet 방법의 응용)
② 격자이론의 적용 (F. Leonhardt, H. Homberg의 방법을 확장하여 응용)
③ 변형법을 이용한 격자구조계산
그러나 ①, ②에 의한 방법은 범용성을 상실하여 실제의 계산에 적용하는 데는 약간 곤란한 점이있어서 현재는 컴퓨터의 발달로 ③을 이용하여 계산하는 경우가 많다. 이 경우 교량의 단부 부근의 가로보에 분배기능을 갖게 하면 구조를 어렵게 하기 때문에 피하는 것이 좋다.
(3) 가조립, 가설공법
I단면의 직교격자형식에서 사각이 큰 경우에는 주거더 상호의 캠버차이(<그림 506.1.31>)가 커지므로 주거더와 가로보의 연결이 매우 어렵다. 따라서 제작, 가설방법으로는 크게 나누어 다음과 같은 방법을 따른다.
① 각 주거더 사이의 캠버 차이에 맞춘 평행사변형의 수직브레이싱을 제작한다.
② 교량 완성시의 주거더에 맞춘 장방형 거푸집의 수직브레이싱을 제작한다.
①의 방법의 경우 가설시에 특별한 조치를 강구하지 않아도 수직브레이싱은 용이하게 설치할수 있지만 교량 완성시에 주거더가 비틀리게 된다.
②의 방법의 경우에는 교량 완성시에 주거더를 연직으로 하는 것이 가능하지만 가설시에 수직브레이싱을 설치하는 것은 곤란하며, 아래와 같은 특별한 조치를 강구하여야 한다. 가설시 주거더를 소정의 위치까지 비틀어수직브레이싱, 수평브레이싱을 조립하고 주거더의 비틀림을 확인한 후 수직브레이싱 설치부의 확공을 한다.
ⅱ) 잭업-잭다운공법
거더를 캠버차의 양만큼 미리 상승시켜 놓고 바닥판 타설 후 하강한다.
ⅲ) 물(모래)하중공법
바닥판의 중량 정도의 물 또는 모래를 재하시켜 놓고 수직브레이싱을 조립한다.
ⅳ) 핀구조공법
수직브레이싱의 사재의 한쪽 볼트를 조이지 않고 처짐이 구속되지 않는 상태로 놓은 다음 바닥판 타설 후 체결한다.
ⅴ) 구멍확장공법
주거더와 수직브레이싱의 조임볼트를 길게 확공하여 놓고 바닥판 타설 후 고장력볼트를 체결한다.
구조세목
(가) 교량 단부의 구조
교량 단부의 수직브레이싱의 연결방법은 <그림 506.1.32>에 나타낸 2가지의 방법이 있다. 그림 (a)는 d거더의 지점부에 3개의 부재를 연결하기 때문에 세부구조가 복잡해진다. 또 단부수직브레이싱에 도 힘이 전달되므로 실제로 각 거더에 발생하는 응력도 복잡한 상태가 된다. 즉, 단부의 중간수직브레이싱은 d거더의 지점부에서 단부수직브레이싱에 의해 횡방향 변위가 구속되며, 또한 받침부분이 움직일 수 있어서 통상의 계산가정과 일치하지 않는다. (b)는 세부구조가 (a)에 비해 간편하며, 받침의 반력분포 영향도 그다지 없지만 단부 부근의 주거더에 비틀림이 발생하기 때문에 주의하여야 한다.
(나) 수직보강재의 설치방법
수직브레이싱 등을 설치하기 위해서는 수직보강재를 <그림 506.1.33>과 같이 한다. 그림에서 교각θ는 용접 및 고장력볼트 체결을 고려하여 60° 이상으로 하고, 부착재의 거세트 플레이트를 휘게 한다.
다) 수평보강재와 수직보강재의 접합
수평보강재와 돌림용접을 하고 <그림 506.1.34> 와 같이 한다.
(라) I거더의 거더단부 형상
상부플랜지는 신축이음의 설치나 바닥판 타설상태에서 플랜지의 전폭을 경사지게 자르지만, 하부플랜지는 플랜지의 폭의 1/2을 경사지게 자르는 것만으로 충분하다(<그림 506.1.35>).
(마) 박스거더의 다이아프램 방향
다이아프램은 지점을 제외하고 박스거더 직각으로 설치하는 것이 다이아프램의 강성을 높이고제작도 용이하다(<그림 506.1.36> 참조).
바) 수평브레이싱의 조립방법
수평브레이싱 단면구성의 상태에서 <그림 506.1.37>의 (a), (b)를 각각 적절히 이용한다. (b)의 경우는 수직브레이싱이 수평브레이싱의 역할을 겸하고 있음을 고려하여야 한다.
곡선교
(1) 일반
[도․설 3.8.2.3 비틀림모멘트를 고려하는 범위]에 의하면 구조물의 성질 상 비틀림에 의한 영향을 무시할 수 없는 경우에는 순수비틀림에 의한 전단응력과 뒴비틀림에 의한 전단응력의 합계 및 뒴비틀림에 의한 수직응력을 계산하기 위해 규정하고 있다. 거의 모든 곡선교는 구조물의 성질 상 비틀림의 영향을 무시할 수 없으며, 사각이 큰 사교 혹은 직선교라고 하더라도 큰 편심하중이 재하되면 비틀림의 영향을 고려하여야 한다. 곡선교에서는 주거더의 곡률이 특별히 작은 경우를 제외하고 대부분의 경우 비틀림에 의한 응력이 커지기 때문에 비틀림에 의한 영향을 고려하여야 한다. 다시 말해 곡선교에서는 비틀림에 대한 조치가 가장 큰 문제이다. 아래에 곡선교에 비틀림이 가해진 경우의 취급방법에 대한 개요를 기술한다.
(가) 비틀림을 받는 경우의 교량구조
교량구조는 단일 부재를 복잡하게 조립하여 구성하기 때문에 비틀림이 가해지면 거동 역시 복잡해진다. 비틀림의 문제는 크게 나누어 개별 단일 부재의 비틀림에 대한 저항거동과 주거더, 수직브레이싱, 가로보 등으로 구성된 복합구조 전체의 저항거동으로 나누어 생각한다. 전자는 참고자료가 많고 일반적으로 잘 알려진 역학적인 거동이므로 여기서는 생략한다. 박스형 단면 부재는 비틀림에 대해 큰 저항성을 갖지만, I형 단면 부재는 이른바 개단면 부재로서 비틀림 저항이 적어 비틀림에 의해 큰 변형을 받는 동시 에 뒴을 일으킨다(<그림 506.1.38>). 뒴이 구속되거나 비틀림에 의한 회전각의 변화율(<그림 506.1.38>
의 dφ/dx)가 일정하지 않은 경우에는 단면의 길이방향( x축 방향)의 응력이 발생한다. 이것이 뒴비틀림응력 fw이다
구조전체가 비틀림에 저항하는 경우 역시 본질적으로는 단일부재와 동일하지만 단일부재의 뒴에 상당하는 것은 이와 같은 구조계 내의 주거더의 휨변형으로 변환되어 나타난다고 생각할 수 있다. <그림 506.1.39>에 나타낸 2개의 I형단면의 주거더로 구성된 교량의 중앙에 비틀림모멘트 T가 작용하는 경우를 예로 들어 보자. 각각의 주거더
에 비틀림강성이 거의 없으므로 단일부재로는 큰비틀림변형을 일으키지만 2개의 주거더가 충분한 전단강성을 갖는 가로보로 연결되어있다면 2개의 주거더는 일체를 이루는 단면으로 비틀림에 저항하게 된다. 즉, 가해진 비틀림모멘트는 연직력으로 이루어진 1쌍의 우력으로 변환되어 주거더의 휨강성에 의한 저항을 받는다. <그림 506.1.39>에
나타낸 것처럼 이며, 에 의해 주거더 에 생기는 휨응력이 교량 전체의 구조계를 1개의 부재로 간주하는 경우의 뒴비틀림응력에 상당하는 것이다.
이상과 같이 교량의 전체적인 구조계로 비틀림에 저항할 때 비틀림의 대부분은 휨응력으로 변환된 형태를 갖지만 각각의 주거더도 단면성상에 부응한 비틀림 저항을 한다. 주거더가 박스거더인 경우에는 비틀림저항이 커서 그 관계는 <그림 506.1.40>에 나타낸 것과 같지만 I형단면의 주거더인 경우에는 각 주거더에서 저항하는 비틀림모멘트의 크기가 대단히 작고, 또 발생하는 뒴비틀림응력도 작기 때문에 일반적으로 설계에서 이를 무시하고 있다. 그러나 플랜지의 폭이 넓은 경우
에는 무시할 수 없는 량이 발생할 수도 있으므로 주의하여야 한다.
(나) 비틀림에 의한 응력의 계산과 α값
[도․설 3.8.2.3 비틀림모멘트를 고려하는 범위]에 의하면 구조물의 성질 상 비틀림에 의한 영향을 무시할 수 없는 경우 즉, 설계 상 비틀림을 고려하는 경우의 비틀림에 의한 응력 취급방법을 파라메터를 로 하여 다음 식 (506.1.22)로 비틀림상수를 계산하도록 하고 있다.
즉, 의 경우에는 뒴비틀림에 의한 응력이 현저히 작아지기 때문에 계산을 생략하고, 순수전단응력에 의한 비틀림을 검토하는 것으로 충분하다. 의 경우에는 순수비틀림에 의한 응력은 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에 뒴비틀림에 의한 전단응력과 수직응력의 검토를 하면 된다. 또한 의 범위에서는 순수비틀림과 뒴비틀림에 의한 응력을 모두 계산하여 검토하여야 한다.
곡선교 구조계 전체를 단일 곡선부재로 치환하여 취급하는 경우에 뒴비틀림응력을 무시할 수 있는 범위는 식(506.1.23)과 같다.
곡선교 전체를 단일부재로 치환하여 값을 구하는 경우, 일반적으로 단일박스거더교 이외에는 뒴비틀림의 영향을 무시할 수 없다.
뒴비틀림 응력을 무시할 수 없는 곡선교의 설계계산은 일반적으로 동심원 상에 나란한 각 주 거더의 단면정수를 정리한 단일 곡선부재로서 해석한 후 그 결과를 각 주거더에 분배하는 방법으로 계산한다.
값에 의한 검산은 각각 부재에 대해서도 적용하여야 하며, 비틀림에 대한 지간장 l은 편의상 수직브레이싱, 가로보 등의 간격을 취하는 것이 가능하므로 I형단면 주거더에서는 값이 0.4이하, 박스주거더의 경우는 30 ～ 100으로 되는것이 보통이다.
(다) 곡선격자거더
교량구조가 비틀림을 받는 경우, 각 주거더가 가로보 등으로 결합되어 있으면 전단면이 일체가된 거동으로 되며, 주거더의 휨강성에 의해 대부분의 비틀림모멘트에 저항하는 경우에 대해서는 (1)에서 설명하였다. 이 관계를 격자거더교에 대해 그림으로 나타낸 것이 <그림 506.1.41>이다.
이는 I거더병렬교에 편심하중 P가 가해진 경우를예로 든 것이다.
<그림 506.1.41(a)>는 P가 가해진 경우의 각 주거더플랜지의 응력분포를 나타낸다. 이것은 (b)～(e)의 각 작용에 대한 응력으로 분해할 수 있다. 즉,격자거더는 일반적으로 각 부재의 뒴비틀림강성을 고려하지 않는 해석이 이루어지므로 각각의 주거더의 뒴비틀림응력 f3는 계산되지 않는다. 따라서 격자거더의 계산으로부터 구한 하부플랜지 응력 f는 다음과 같이 된다.
전단면을 일체로 하였으므로 주거더의 상대변위에 따른 응력 f4는 격자강도 Z가 충분히 큰 경우에는 무시할 만큼 작다. 또 f3은 (1)에서 설명한 바와 같이 일반적으로 작기 때문에 무시한다. 곡선교를 격자거더로 취급하는 경우의 비틀림과 응력의 관계는 이상의 설명과 같지만, 격자거더에 의한 해석은 부재의 절점 사이를 직선으로 취급하기 때문에 주거더가 절점 사이에서 곡선으로 작용하는 경우, 플랜지의 응력에 만곡에 의해 일어나는 부가응력 fs를 가산하여야 한다. fs는 <그림 506.1.42>에 나타낸 분포로 되며, 식 (506.1.27)로 계산한다.
박스주거더로 된 곡선격자거더에서는 윗 식 중 현저하게 크기 때문에 거의 계산할 필요가 없다.
(2) 곡선거더의 설계
(가) 주거더의 형식과 설계
곡선교의 주거더에 박스거더를 이용하면 α값으로 알 수 있듯이 뒴비틀림응력이 작아지고, 부가응력 fs도 계산할 필요 없을 정도의 크기이므로 구조적으로 유리하다. 그러나 지간이 작은 경우에는 경제성을 고려해 I거더병렬교를 채택하는 것이 좋다. 곡선교의 주거더 형식에 의한 분류는 <그림 506.1.44>와 같다. 형식의 선택기준은 주거더의 강성이 같은 직선교에 비해 처짐의 증가가 5% 이하가 되는 조건을 고려하는 경우 <그림 506.1.45>와같다.
주거더형식의 선택은 폭원의 크기에도 관계가 있으나 <그림 506.1.45>의 기준에 따르면 중심각이 5°～15° 에서는 I거더병렬교가 유리하고, 15°～
20° 에서는 단일박스거더교가 유리하다. <그림 506.1.45>로부터 중심각이 25° 를 초과하면 설계에 상당히 무리가 있고, 중심각 5° 이하에서는 직선교에 가까운 성질을 나타낸다. 단일박스거더교로 설계하는 경우에는 공식집을
이용하여 비교적 쉽게 계산할 수 있다. 이때 좌우의 받침 반력이 현저히 차이가 나므로 주의하여야 한다. I거더병렬교, 박스거더병렬교의 경우는 동일한
형식의 직선교와 비교한 휨모멘트, 처짐, 반력 등의 변화율을 <그림 506.1.46>의 (a)～(d)를 이용하여 구하고 각 부재단면을 가정하여 설계계산을 수행한다.
불규칙한 형상을 갖는 곡선교의 설계계산은 임의형상의 격자거더에 대한 변형법의 적용을 통해 구하며 컴퓨터를 이용한다.
(나) 가로보
곡선교의 가로보는 비틀림 전달기구 중 가장 중요한 역할을 하기 때문에 충복단면을 사용하여 충분한 강성을 갖도록 하고, 주거더와 강결하는 것을 원칙으로 한다. 가로보의 단면을 개략적으로 계산하여 가정하고자 하는 경우에는 다음의 식을 이용한다.
가로보의 간격은 특히, I거더병렬교의 경우 편람 506.1.5.2 (1) (다) ‘곡선격자거더’에 기술한 fs를 작게 하기 위해서라도 직선교인 경우보다 좁게 설정하여 4～5 m로 하는 것이 바람직하다.
(다) 수평브레이싱
I거더병렬의 곡선교에서는 상부와 하부에 수평브레이싱을 설치하는 것을 원칙으로 한다. 이는 가설시 및 완성 후의 교량 전체의 전도 혹은 좌굴에 대한 안정성을 높이고, 플랜지에 발생하는 부가응력을 경감하기 위한 것이다. 상․하부수평브레이싱을 주거더와 공동으로 작용하는 것으로 취급하는 준박스거더구조는 이론적으로 해명하기 어려운 부분이 있으므로 사용하지 않는 것이 좋다.
3) 곡선거더의 받침
(가) 일반
곡선교는 지점의 약간의 변위가 교량 전체의 특성에 큰 영향을 주기 때문에 받침의 시공에 매우 주의를 기울여야 하지만 설계에 있어서도 가능한 한 부반력이 생기지 않도록 검토하여야 하고, 지점상의 가로보를 가능한 강성이 큰 구조로 하는 등의 배려가 필요하다. 곡선교를 하나의 만곡들보로 치환하여 구조계산을 하는 경우 주거더의 지지조건은 비틀림에 대해 완전 고정으로 되기 때문에 박스거더를 주거더로 이용하는 경우에는 특별히 이론상의 가정과 실제가 차이가 나지 않도록 충분히 비틀림에 강한 구조로 한다. 곡선격자거더로 취급하는 경우에는 주거더의 지점의 비틀림에 대한 구속의 성질을 실제에 부합하게 해석할 수 있다는 장점이 있다.
(나) 가동받침의 회전축과 이동방향
곡선교에 있어서는 가동받침의 회전축과 이동방향이 일치하지 않기 때문에 고정받침으로서는 피보트받침, 받침판받침이 적당하고, 가동받침으로는 받침판받침이 적당하다. 롤러받침을 사용하는 경우에는 핀의 방향과 롤러의 방향에 각도를 주는 것이 일반적이지만 강거더가설의 정밀도를 엄격히 요구한다. 1개 롤러형의 받침은 그 특성이 곡선교에 적합하지 않다. 가동받침의 이동방향은 이것과 고정받침을 직선으로 연결한 방향으로 하는 것이 원칙이지만거더 단부에서의 교면의 어긋남이 발생되어 신축이음이나 낙교방지장치 등에 나쁜 영향을 주므로 거더의 접선방향으로 받침의 이동방향을 향하게
하고 횡방향의 구속력에 견디도록 받침을 설계하는 것도 하나의 방법이다. 이 경우에는 온도변화에 따른 횡방향의 구속력이 상부구조에 미치는 영향에 대해서도 설계시 충분히 고려하여야 한다.
(다) 고정받침의 반력
가동받침을 거더의 접선방향으로 배치하는 경우 고정받침의 지진시의 최대반력이 증가한다는 보고가 있으나 중심각이 30° 까지는 2% 정도이므로 무시할 수 있다. 연속곡선교에서는 고정받침의 위치에 따라 최대수평반력의 차이가 거의 없으므로 가동받침의 신축량을 작게 하도록 하부공에 특별히 문제가 없는 한 중간지점을 고정으로 한다. 연속곡선교에서는 고정받침뿐만 아니라 가동받침도 중간지점 상의 연직반력이 곡률 내측의 받침에 큰 정반력을 일으키는 수가 있으므로 주의하여야 한다. 이것은 중간지간 하중에 의한 뒴비틀림 효과가 원인이다.
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