교량

[장과장]

1.1 교량의 정의

교량이란 도로․철도 등의 운송로상의 장애 또는 방해가 되는 계곡, 호수, 해안, 해협 등을 건너거나 다른 철도, 도로, 수로, 가옥, 시가지 등을 통과할 목적으로 가설되는 구조물을 총칭하는 것

교량공학(Bridge Engineering)은 교량의 계획, 설계, 시공, 유지관리, 폐기의 5단계(교량의 수명간 : Life Cycle)를 포함하는 광범위한 내용으로 이루어진다.

1.2 교량의 구성

(1) 상부구조(superstructure)

상부구조는 크게 보(beam), 트러스(truss), 라아멘(rahmen)으로 나눌 수 있다.

(2) 하부구조(substructure)

하부구조는 교대, 교각 및 이들의 기초를 총칭하는 것이며, 지상에 직립한 부분을 구체, 지반에 접하는 부분을 기초라고 한다.

1.3 교량의 종류

(1) 교면의 위치에 따른 분류

① 상로교(deck bridge) ② 중로교(half-through bridge) ③ 하로교(through bridge)

④ 2층교(2-storied bridge) : 상부는 도로, 하부는 철도로 사용

(2) 용도에 따른 분류

① 도로교(highway bridge) : 도로를 통행하기 위한 교량. 1등교, 2등교, 3등교 또는 가로교

② 인도교 : 사람의 통행만을 목적으로 사용

③ 철도교(railway bridge) : 철도선로에 가설되는 교량. 때론 도로와 병용

④ 수로교 : 발전용수로나 수도용수로, 관계용수로 등을 통행하기 위한 교량

⑤ 군용교 : 군사용에서 사용하는 교량

⑥ 혼용교 : 동시에 2개 이상의 용도에 사용되는 교량

⑦ 운하교 : 운하를 통행하기 위한 교량

(3) 교량의 중심선이 이루는 각에 의한 분류

① 직교 : 교량의 중심선이 하천과 직교하는 교량

② 사교 : 교량의 중심선과 교대의 2지점을 맺는 선이 사교하는 교량

③ 곡선교 : 교량의 중심선이 곡선을 이루는 교량

(4) 상부구조의 가동여부에 따른 분류

① 가동교(movable bridge) : 큰 선박이 통행하는 경우 교량상의 교통을 끊고 장애가 되는 교형의 전부 또는 일부를 벌려 선박을 통과시키고 선박의 통과 후 교형을 닫아서 교량상의 교통을 재개하는 교량을 말한다.

a. 선개교(swing bridge) : 교형이 연직축을 중심으로 해서 회전하여 항로를 개폐하는 교량

b. 승개교(lift bridge) : 교형이 상하로 평행 이동하여 항로를 개폐하는 교량

c. 도개교(bascule bridge) : 교형이 수평축의 둘레로 회전하여 개폐하는 교량

d. 혼개교(horizontal rolling bridge) : 교형 전체가 수평하게 이동하여 개폐하는 교량

② 고정교(fixed bridge) : 보통 교량

(5) 사용재료에 따른 분류

① 목교(wooden bridge) : 내구성이 약하고 수명이 짧다. 가교로서 많이 쓰임.

② 석교(stone bridge) : 짧은 교량에는 형으로 긴 교량에는 아치 형식으로 사용된다.

③ 철근콘크리트교(RC bridge) : 내구력이 크고 유지비가 적다.

④ PS 콘크리트교(PS concrete bridge) : 강도가 높은 콘크리트와 고장력 강선이 사용된다.

⑤ 강교(steel bridge) : 장대교량에 많이 사용.

⑥ 합성교(composite bridge) : 강재와 철근콘크리트바닥판 혹은 PC와 철근콘크리트바닥판이 일체로 거동하도록 강재나 PC거더 플랜지와 철근콘크리트바닥판을 전단연결재로 합성시킨 교량.

(6) 지지형식에 따른 분류

① 단순교(simple beam bridge) : 상부구조를 2개의 지점으로(1개의 고정받침과 1개의 가동받침으로 구성) 단순하게 지지한 교량. 설계가 간단

② 연속교(continuous bridge) : 상부구조를 3점이상의 지점으로 지지하는 교량. 지점중 1개는 고정받침이며 나머지는 가동받침. 구조물의 강성을 높일 수 있어 부재크기를 감소(재료절감 가능)할 수 있음. 계산이 복잡하고 지점침하에 따른 대책이 필요

③ 게르버교(gerber bridge) : 연속교 지점이외의 적당한 곳에 힌지를 넣어 부정정구조를 정정구조로 만든 교량. 연속형교와 단순교의 장점을 살린 구조. 재료절감 및 지점침하에 적응할 수 있음. 단순해석이 가능하나 신축장치가 많아 주행성이 불량.

(7) 상부구조와 하부구조가 일체여부에 따른 분류

① 보구조 : 받침이 있는 구조. 단순교, 연속교, 게르버교로 분류됨.

② 라아멘구조 : 상부구조와 하부구조를 연결하여 전체구조의 강성을 증대. 상부구조의 휨모멘트를 하부구조가 일부 부담하는 형식. 부등침하에 따른 대책이 필요

(8) 상부구조형식에 따른 분류

① 슬래브교(slab bridge) : 가장 일반적인 형태. 10-20m의 지간에 적당. 단면이 작고 미관 양호. 소규모 공간 필요. 선형조절 용이. 중실 및 중공슬래브교로 구분 함

② 거더형교(girder bridge) : 거더(보)를 수평 방향으로 가설한 교량으로 사용한 재료에 따라 강 거더교, 철근콘크리트 거더교, PC 거더교 등이 있음.

③ 트러스교(truss bridge) : 거더 대신에 트러스를 사용한 교량. 지간이 큰 교량에 적합.

④ 아치교(arch bridge) : 아치교는 곡형 또는 곡트러스 쪽을 상향으로하여 양단을 수평 방향으로 이동할 수 없게 지지한 아치를 주형 또는 주트러스로 이용한 교량.

⑤ 라아멘교(rahmen bridge) : 라아멘 형태를 구조물의 주부재로 한 교량.

⑥ 현수교(suspension bridge) : 양안에 타워를 세워 케이블을 걸쳐 놓고, 그것에서 교상을 매어단 형식의 교량. 집중하중을 받으면 변형이 심하고 진동이 심하다.

⑦ 사장교 : 최근들어 가장 많이 가설되고 있는 장대교로서 외관상으로 보아 현수교와 유사하지만 케이블이 주형에 연결되어 직접 주형을 지탱하는 형식.

○ 형식별 주요 적용 경간

RC T형교	15～20m	PSC BEAM교	20～40m	Plate Girder교	30～50m
RC T형교	15～30m	PSC BOX형교	46～60m	Steel Box Girder교	40～60m

◈ 아치교 일반사항

1. 개 설

아치교란 교량의 주구조가 아치(Arch)형태 또는 보강아치로 구성된 교량이다.

아치구조에서는 수직으로 작용하는 외력이 양단의 지점에서 중앙으로 향하는 수평반력을 발생시키고 수평반력은 단면에서의 휨모멘트를 감소시켜 부재단면을 결정하는 주요인이 되므로 주로 축방향 압축력을 지지하게 되는 구조로 설계하며, 이는 Arch Rib, Stiffening, Girder, Hanger, Cable, 강봉, Post 등의 부재들을 필요목적에 맞도록 결합시켜 설치하게 되는 교량이라 할 수 있다.

교량의 주체를 아치구조로 하는 아치교에서는 연직하중 재하에 의해 발생하는 수평반력을 하부구조를 통해 효과적으로 기초지반에 전달하도록 하고 부재의 단면력을 줄일 수 있도록 설계하면 상당히 경제성이 높은 교량형식이라 할 수 있다.

아치교는 바닥판에 작용하는 차륜하중을 행거 또는 기둥을 이용하여 가능하면 등분포로 아치리브에 전달하고, 이 아치리브를 통하여 지반으로 전달케 하는 구조체계를 갖고 있다. 등분포하중을 받는 축선이 포물선인 아치교는 축방향 압축응력만 받게 되므로 축선을 2차포물선이 되게 설계하기도 한다.

아치교는 장대교에 주로 사용되며 아치 고유의 독특한 곡선의 아름다움으로 인해 미관이 중요시 되는 곳에 옛부터 널리 사용되어왔다. 적용지간이 현수교, 사장교 다음으로 장지간으로 할 수 있고 계곡이나 해협 등 주변환경과의 미적조화를 이루고자 하는 곳에 그 사용이 늘어가고 있는 추세이다.

2. 아치교의 분류

2.1 아치교의 구조계 및 형식별 분류

아치교는 주구조계의 형식, 힌지수 및 아치리브 형식, 통행로 위치, 기타의 아치교 등으로 분류하여 나눌 수 있는데 일반적으로 구조계 및 형식별 분류로 아치를 구분한다.

특수한 형식으로는 tied arch 교(외적 정정, 내적 1차 부정정), Langer교 (1차 부정정), Lohse교(고차 부정정), balanced arch교, Nielsen arch교 등을 들 수 있다.

2.2 구조계(힌지수)에 의한 분류

구조계(힌지수)에 의한 분류로서 고정 아치교(3차 부정정), 1힌지 아치교(2차 부정정), 2힌지 아치교(1차 부정정), 3힌지아치교(정정)로 구분된다.

• 고정아치교 (3차 부정정)

⇨ 지점에서 수평반력외에 고정모멘트가 크게 발생하여 강성이 큰 지반에 적합, 다른 구조에 비해 처짐이 작으나 장지간 채택시 처짐에 의한 부가응력이 크므로 신중한 검토 필요

• 1힌지아치교 (2차 부정정)

• 2힌지아치교 (1차 부정정)

⇨ 가장 많이 쓰이는 형식. 트러스구조의 브레이스드리브(braced-rib) 아치를 이용하는 경우 장지간의 교량건설이 가능. 지간 190 ~ 270m에 적용

Moldau교 : 체코슬로바키아(순지간 330m)

• 3힌지아치교 (정정)

⇨ 바닥틀구조의 교장방향 탄성곡선이 정부힌지의 위치에서 침하하므로 고속도로 및 철도교와 같이 큰 충격이 발생하는 곳에서는 사용곤란. 지간 180m 이내에 적용

 

2.3 아치리브형식에 따른 분류

• 솔리드리브(solid-rib)아치교

- 장지간인 경우 미적인 측면에서는 좋으나 아치부재의 중량이 무거워 제작∙운반∙가설상의 문제점을 내포하고 있다.

• 브레이스드리브(braced-rib) 아치교

- 경제성 및 강도측면에서 유리. 고정아치일 경우 아치지점에서의 구조적 처리가 용이하여 장지간 교량건설에 이용

• 스팬드럴브레이스드리브(spandral braced-rib) 아치교

- 연속구조로 캔틸레버식의 가설법이 이용되는 경우 유리

           

2.4 통행로 위치에 따른 분류

• 상로교(Deck bridge) : 교면이 교량의 형이나 트러스 위쪽에 있는 교량

• 중로교(half-through bridge) : 교면이 교량상하의 중간에 있는 교량 (당산철교)

• 하로교(through brigde) : 교면이 교량아래에 있는 교량(동호대교,한강철교 트러스)

• 2층교(2-storied bridge) : 교면이 2층으로 되어 있는 교량 (상부-도로, 하부-철도)

            

2.5 기타 아치형식 교량

• 타이드 아치교(TIED ARCH) (외적 정정, 내적 1차 부정정) - 한강대교

아치의 양단을 Tie로 연결하여 1단 고정단 타단 가동단으로 지지하여 수평반력을 Tie로 받게 한 형식. 아치Rib에는 모멘트 및 축력 작용, Tie에는 축력만 작용

▪장단점

- 지점에서 일어나는 수평반력을 Tie가 받으므로 지점 수평반력 안생김.

- 외적으로 정정구조이므로 반력은 단순보로 해석.

- 지반상태가 양호하지 않은 곳에서 채택가능.

- 가설시 어려움, 비경제적

• 랭거교(LANGER) (1차 부정정) - 동작대교 전철교 부분

LANGER교는 비교적 가는 ARCH부재와 보강형을 수직재(평형재)로 힌지연결하여 ARCH부재는 압축력만 받게하고, 휨모멘트와 전단력은 별도 설치한 보강형(형 또는 트러스)이 받게한 형식. 지간장 80 ~ 200m에 적용.

▪장단점

- 아치Rib는 압축력만 받고 보강형이 휨모멘트 및 전단력을 받으므로 경제적.

- 아치Rib의 강성이 작으므로 설계시 주의 요함. 내적으로는 부정정구조임.

- 미관이 좋고 교량전체의 중심이 낮다.

• 로제교(LOHSE) (고차 부정정)

LANGER교의 아치단면을 크게 하고 접합점을 강결로 하여 아치부재도 휨모멘트, 전단력을 부담할 수 있게 한 구조.

▪ 장단점

- 아치Rib와 보강형의 강성이 같으므로 모멘트 분배를 효과적으로 할 수 있기 때문

에 구조적안정감이 있고 상, 하현재의 구조가 동일하므로 연결부 설계가 용이함

- 아치Rib와 보강형의 강성이 크므로 수직재(Tie)의 간격을 Langer교에 비해 넓게

배치 가능함. 비경제적임

• 닐슨교 (NIELSEN) - 서강대교 , EXPO교

로제교의 일종으로 아치부재 및 아치부재와 보강형을 연결하는 로프나 봉강을 경사지게 배치하여 트러스와 같이 강성을 향상시킨 형식.

• BALANCED ARCH교

교량이 3경간일때 중앙경간을 아치로 설치하고 측경간에 캔틸레바를 연장해서 그 선단과 교대 사이에 형 또는 트러스를 설치하여 만든 교량.

◈ 트러스(Truss)교

1. 개 설

주구조가 축방향인장 및 압축부재로 조합된 형식의 교량

일반 형교와 현수교의 중간경간에 사용되었으나 최근에는 사장교의 등장으로 많이 사용되지 않음.

2. 트러스교의 구성

① 주트러스 : 수직하중을 지지하고 그하중을 하부구조로 전달하는 역할.

현재(상하현재), 단주(경사, 수직단주), 복부재(수직재, 사재)로 구성

② 수평브레이싱 : 양측의 주트러스를 연결하여 횡하중에 저항하는 역할.

③ 수직 브레이싱 : 양측의 주트러스와 상부 수평브레이싱을 연결하는 것.

④ 바닥틀 : 횡형과 종형으로 구성되며 바닥판으로부터 전달되는 하중을 주트러스의 격점으로 전달.

3. 구 조 특 성

① 부재의 모든 격점은 마찰이 없는 핀결합으로 가정하므로 부재력은 축방향력만 발생한다.

그러나, 실제는 리벳,볼트,용접 등 강결구조이므로 2차응력이 발생하나 그영향력은 미소하므로 무시할만함.

② 트러스교의 높이를 임의로 정할 수 있어 상당히 큰 휨모멘트에 저항할 수 있다.

③ 구성부재를 개별적으로 운반하여 현장에서 조립이 가능하다.

④ 트러스의 상하에 바닥판의 설치가 가능하므로 2층구조의 교량형식으로 사용할 수 있다.

⑤ 내풍성이 좋고 강성확보가 용이하여 장대교량의 보강형으로 적합하다.

⑥ 부재구성이 복잡하고 현장작업량이 많으므로 가설비가 비싸며 유지관리비가 고가임.

4. 적 용 경 간

① 단순 트러스 : 60 ~ 100M

② 연속 트러스 : 70 ~ 200M

③ 게르버 트러스 : 90 ~ 200M

5. 종 류

① PRATT TRUSS : 사재가 만재하중에 의하여 인장력을 받도록 배치한 트러스

상대적으로 부재길이가 짧은 수직재가 압축력을 받는 장점

지간 45 ~ 60m에 적용

② HOWE TRUSS : 사재가 만재하중에 의하여 인장력을 받도록 배치한 트러스

③ WARREN TRUSS : 상로의 단지간에 사용. 지간 60m에 적용

④ PARKER TRUSS : 지간 55 ~ 110m에 적용

⑤ BALTIMORE TRUSS : 분격트러스의 일종. 지간 90m이상에 적용

⑥ K - TRUSS : 외관이 좋지 않으므로 주트러스에는 사용않함. 2차응력이 작은 이점이 있다.

지간 90m이상에 적용

⑦ PENSILVENIA TRUSS

6. 구조해석상의 기본가정

① 부재의 양단은 마찰없는 핀으로 연결

② 하중 및 반력은 트러스의 평면에 있고 격점에만 적용

③ 부재는 직선이며 중심축은 격점에서 만난다

④ 하중으로 인한 트러스의 변형 무시

7. 트러스의 교번응력

① 정의- 한부재의 전부재력이 인장력도 될수 있고 압축력도 되는 현상을 응력교체(應力交替, stress reversal) 이라 하고, 이때의 응력을 교번응력(交番應力)이라 한다.

Truss의 중앙격간 부근에 있는 사재(斜材)일수록 應力交替의 가능성이 크다.

② 설계방법

a. 소요단면적 - 각 응력에 대해서 소요단면적을 구하고 큰쪽의 단면적을 사용해야 하며 압축응력에 대한 좌굴강도의 검토도 해야한다.

b. 상반응력 부재 - 활하중에 의해서 발생한 활하중응력이 사하중응력과 부호가 반대가되는 경우

③ 결론

과거에는 일반적으로 사재가 압축응력을 받지 않는다고 가정했기 때문에 응력교체가 일어나는 구간에서는 사재와 교차되는 새로운 사재 즉 대재(對材)를 설치하였다, 그러나 오늘날 대부분의 교량 트러스에서는 교번응력을 동시에 견디도록 설계되어 있으며 對材를 두지 않는다.

8. 트러스의 2차응력

① 원인

a. 격점에서 거세트 플레이트에 의해 부재를 강접

b. 부재의 중심에 대해 축방향력이 편심하여 작용

c. 부재의 자중에 의한 영향

d. 횡연결재의 변형에 의한 영향

② 최소화 방안

a. 부재의 세장비 또는 높이, 길이의 비 h/L가 적당한 범위에 들어오도록 한다.

( 시방서 규정사항: h / L < 1 / 10 )

b. 거세트 플레이트를 가능한한 Compact하게 한다.

c. 부재의 폭을 작게 한다.

1.4 교량의 주요제원

(1) 경간(clear span) : 교대 또는 교각의 상면측간의 수평거리.

(2) 지간(span) : 상부구조의 받침중간의 거리.

(3) 폭원 : 교축선에 직각 방향인 횡단면의 치수이고, 도로교의 폭원은 보도와 차도의 구별이 없는 경우에는 지복간의 거리이다.

(4) 상부구조 : 교대나 교각 위에 설치되는 교량의 주거더를 비롯한 일체의 구조

(5) 하부구조 : 상부구조로부터 전달되는 하중을 기초지반으로 전달하는 구조부분으로 교대나 교각 및 그들의 기초를 일컫는다.

(6) 강교 : 상부구조를 구성하는 주요 부재가 강재로 이루어진 교량을 일컫는다.

(7) 콘크리트교 : 상부구조를 구성하는 주요 부재가 콘크리트로 이루어진 교량을 일컫는다.

(8) 차도부분 : 차도부(차도, 중앙분리대, 갓길 등)중에서 자동차가 통행하도록 계획되어 있는 부분

단차, 연석, 방호울타리 등을 설치하여 자동차의 운행을 물리적으로 배제하고 있는 부분이외의 부분

(9) 보도부분 : 「도로의 구조 시설기준에 관한 규칙」에서 정의하는 보도, 자전거도 및 자전거보행자도의 총칭

(10) 주하중

(11) 부하중

(12) 특수하중

1등교 DB-24 DL-24 고속국도 및 자동차 전용도로 상의 교량 , 교통량 중차량 장대교

2등교 DB-18 DL-18 일반국도

3등교 DB-13.5 DL-13.5 지방도, 시도, 군도