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교량설계
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보낸날짜 |
: 2014년 7월 08일 화요일, 11시 09분 51초 +0900 |
교량은 강이나 계곡등 인간이 활동하는데 지장을 주는 장애물을 통과하는데 필요하여 설치된 구조물을 말한다. 옛부터 교량은 도로등 모든 교통로의 필수적인 구성요소였으며 산업이 발달하고, 신속한 통행요구가 증대됨에 따라 이추세는 더욱 가속화되어 그 수효는 물론 규모나 형상이 더욱 커지고 복잡해지고 있다.
이에 따라 교량의 계획에서 시공에 이르기까지 더욱 진보된 기술이 요구되게 되었으며, 이에 종사하는 기술자들의 보다 큰 역할이 기대되게 되었다. 향후 교량은 더욱더 치지하는 비중이 높아질 것으로 예상된다.
1.1 교량의 구성
교량은 크게 나누어 상부구조와 하부구조로 나뉘어진다. 상부구조는 교량의 주체를 이루고 있는 부분으로서 교량을 통과하는 차량등 통과물의 하중을 하부에 전달하여 주는 역할을 한다. 하부구조는 상부로부터 전달되는 하중을 기초지반으로 전달하는 구조로서 교대, 교각 및 기초(footing)로 이루어져 있다.
(1) 상부구조(superstructure)
상부구조를 구성하는 주요 요소로는 바닥판, 바닥틀, 주형, 수직 및 수평브레이싱등이 있으며, 이 밖에 신축장치, 난간, 방호시설, 배수 및 조명장치 등의 부속물이 여기에 해당된다. 일반적인 합성판형교와 트러스교의 구성요소의 위치와 명칭을 나타내면 그림2.1과 같다.
1) 바닥판(Bridge floor)
자동차, 열차등 교통하중을 직접 받는 부분으로서 보통 교면과 그 밑의 슬라브로 되어 있다.
2) 바닥틀(Floor system)
바닥판을 지지하며 바닥에 가해지는 교통하중을 주형으로 전달하는 역할을 한다. 일반적으로 가로보(상형)와 세로보로 구성되어 있다. 하지만 교량폭원이 넓지 않은 경우에는 바닥틀 전체를 생략하거나 세로보등 일부만 생략하는 경우도 있다.
<그림> 교량의 구성요소와 명칭
3) 주형(main girder)
교량의 주체라고 할 수 있으며 상부구조에 가해지는 하중을 하부구조로 전달시켜주는 역할을 하는 구조체이다.
4) 브레이싱(bracing)
바람이나 지진등 교량의 측면에서 가해지는 횡방향의 하중을 지지하여 주고, 휨과 비틀림에 저항하며, 주형상호간에 하중을 분배하여 주는 역할을 목적으로 설치되는 부재이다.
① 수평브레이싱(lateral bracing)
상부구조의 길이 방향으로 설치되는 수평한 브레이싱으로서 횡하중을 지점에 전달하는 역할을 한다. 위치에 따라 상부수평 브레이싱, 하부수평 브레이싱이 있다.
② 수직브레이싱(sway bracing)
주형 상호간의 마주하는 수직재를 수직면상에서 연결해주는 부재로서 위치에 따라 중간에 있는 중간 수직브레이싱, 단부에 있는 단수직 브레이싱등이 있다.
(5) 받침부(bearing)
상부구조와 하부구조를 연결하는 구조 부분으로서 상부구조로 부터의 모든 하중이 이곳을 통하여 하부구조로 전달된다.
① 가동받침(movable bearing)
받침면을 따라 움직일 수 있는 받침으로서 받침면에 수직한 힘에만 저항할 수 있다.
② 고정받침(hinge bearing)
이동할 수는 없으나 회전이 가능한 받침으로 받침을 통과하는 임의의 방향력에 저항할 수 있다.
(나) 하부구조
하부구조는 상부구조로부터 전해지는 하중을 지반으로 전달하는 구조체로서 일반적으로 교대와 교각으로 이루어져 있다. 교대는 교량양단에 설치되는 구조물로서 교대배면의 토압과 상부로부터의 연직하중을 기초지반에 전달한다. 교각은 상부구조가 2경간 이상일 경우 교량 양단의 교대사이에 설치되는 일종의 기둥으로 교대와 유사한 역할을 하는 구조물이다.
교대나 교각 모두 지상에 돌출되어 나와있는 부분을 구체라고 하며, 지반에 접하는 부분을 기초라 한다. 기초는 눈에는 보이지 않지만 매우 중요한 구조재로서 종류로는 지반의 성질에 따라 직접기초, 말뚝기초, 우물통기초등이 있다.
1.2 교량의 종류
교량은 그 사용용도, 재료, 통로의 위치, 구조형식등 각종 기준에 따라 여러 가지로 분류될 수 있다.
(1) 용도에 따른 분류
① 도로교 - 도로로 사용하기 위하여 축조된 교량으로 [도로의 구조. 시설기중에 관한 규정]에 따라 DB24 또는 DL24로 설계하는 1등교, DB18 또는 DL18로 설계하는 2등교, DB13.5 또는 DL13.5로 설계하는 3등교로 나뉜다.
② 철도교 - 철도차량을 통과시키기 위한 목적으로 만들어진 교량을 말한다. 선로등급별로 1, 2급선에서는 LS22로 3,4급선에서는 LS18하중으로 설계되고 있다.
③ 인도교 - 사람의 통행만을 위하여 만들어진 교량이다.
이 밖에도 발전용수로나 수도용수로등을 통하기 위하여 가설된 수로교, 운하를 통과시키기 위한 운하교, 도로와 철도가 병설되어 있는 혼용교, 군사용에 사용되는 군용교등이 있다.
(2) 교면의 위치에 따른 분류
차량의 주행면의 위치가 교량전체로 보아 어느 위치에 있느냐에 따라 다음과 같이 분류된다.
① 상로교(deck bridge) - 교면이 교량의 형이나 트러스의 위쪽에 있는 교량
② 중로교(half-through bridge) - 교면이 교량상하의 중간에 있는 교량
③ 하로교(through bridge) - 교면이 교량의 아래에 있는 교량
④ 2층교(2-storied bridge) - 교면이 2층으로 되어 있는 교량.
이밖에도 사용재료, 상부구조의 가동여부, 구조형식등 관점에 따라 또 다른 분류가 가능하다.
1.3 하중
하중은 교량을 구성하는 각 부재에 응력과 변형을 일으키는 원인이 되는 것을 말한다. 도로교의 설계에 사용하는 하중은 재하의 빈도, 작용방법, 구조물에 미치는 영향등의 관점에서 주하중, 부하중, 특수하중으로 구분하고 있다.
주하중은 교량의 주요 구조부를 설계하는 경우에 항상, 또는 자주 작용하여 내하력에 결정적인 영향을 미치는 하중을 말하며 부하중은 항상 또는 자주 작용하지는 않지만 내하력에 영향을 줄 수 있고, 통상 다른하중과 동시에 작용하는 하중으로서 하중의 조합에서 반드시 고려해야 할 하중이다. 특수하중은 교량의 종류, 구조형식, 가설지점의 상황등에 따라 특별히 고려해야 하는 하중을 말한다.
철도교에 작용하는 하중도 도로교외 유사하게 주하중, 종하중, 기타하중으로 나누고 있다.
○ 사하중
교량 자체 및 교량에 부가되는 첨가물(수도관, 가스관등)의 지속적인 중량을 말한다. 사하중을 산출할 때는 단위중량을 사용하여야 한다.
○ 활하중
차량이나 군중과 같이 교량위를 이동하는 하중을 활하중이라고 한다. 활하중은 장래의 하중증가등을 고려하여 적당한 하중을 상정하여 교량의 설계시 표준활하중으로 사용하고 있다. 어느 부재를 설계할 때에 활하중에 의한 영향은 이 활하중이 이동하는 하중임을 감안하여 이 부재에 가장 불리한 효과를 미치도록 그 위치를 정하여 재하하여야 한다.
1.4 교량계획
교량은 각종조사를 거쳐 계획, 설계, 시공되는 과정을 갖는다. 교량계획은 설계나 시공이 이루어지기 전에 예비조사를 통하여 교량에 대한 기본적인 상황 즉 교량의 건설타당성, 가설위치, 형식 및 경간, 폭원등을 결정하는 과정을 말한다. 이 과정은 설계나 시공과정 못지않게 중요한 과정으로서 이 단계에서는 충분한 조사와 연구가 이루어져야만 경제적이고 최적의 구조물이 얻어질 수 있다.
○ 가설위치와 형식선정
교량의 가설위치는 주어진 노선선형에 충분히 부합되고 그 기능을 잘 발휘할수 있도록 선정되어야 한다. 하지만 교량구조물이 전체공사비 및 공정에 미치는 영향이 크므로 노선결정시 반대로 설계, 시공성, 경제성, 등을 고려하여 선형을 결정할 필요가 있다. 교량의 형식을 결정할 때에는 모든 제조건을 종합적으로 검토하여 결정하여야한다. 가교위치와 형식선정시에는 지형 및 선형, 지질, 기상, 교차물 등의 외부적인 제조건과 교량의 시공성, 유지관리, 경제성, 환경과의 미적인 조화 등을 고려한다.
○ 구조 규격의 결정
교량의 가교위치 및 형식이 결정되면 교량의 폭원을 구성하고 건축한계, 선형 등의 구조규격을 결정하여야 한다.
○ 경간분할
경간분할은 공사비는 물론 치수, 주운, 미관 등에 많은 영향을 미치기 때문에 교량가설지점의 관할기관과 충분히 협의하여 결정하여야 한다. 경간을 어떻게 나누느냐에 따라 교각위치나 교하공간등이 결정되므로 현지상황을 충분히 고려하여 타기관의 시설물이나 계획에 지장이 없도록 하여야한다.
2. 설계방법
2.1 설계순서
설계의 순서는 구조물의 종류, 설계조건 및 자료의 정비상황 등에 따라서 다르나 대체로 다음 순서에 의한다.
① 재료의 선정
재료의 선정은 구조물의 종류, 재료입수의 난이, 경비, 완성후의 유지관리등을 고려하여 어떤 부재에 어떤 재료를 쓸 것인가를 정한다.
② 허용응력의 결정
허용응력은 재료의 종류나 사용장소에 따라서 정한다. 이 때 설계시방서나 기타의 규정에 표시되어 있는 경우에는 이에 따르면 되나 그렇지 않을 경우에는 재료시험을 하여 정한다.
③ 하중의 결정
하중은 설계시방서등에 규정되어 있으면 그에 따르고, 그렇지 않을 경우에는 실상을 조사해서 정한다.
④ 부재단면의 가정
부재단면은 과거의 경험이나, 비슷한 기설의 구조물을 참고로 하여 형상이나 치수를 가정한다.
⑤ 부재단면에 생기는 응력의 계산
부재단면에 생기는 응력은 ④에서 가정한 단면에 대하여 ③에서 채용한 하중을 실어서 계산한다.
⑥ 단면의 결정
⑤의 결과를 허용응력과 비교해서, 가정한 단면이 적당한가를 조사한다. 적당하면 다시 구조상의 제조건을 고려해서 세부적인 형상, 치수를 결정한다. 만약 ?의 결과가 허용응력을 초과한다던지, 허용응력과 비교해서 너무작아 부적당하면 ?의 가정을 고쳐서 다시 계산한다.
⑦ 구조기능등에 대한 검토
결정한 부재단면이 사용목적에 적당한가, 또 구조물 전체가 환경과 잘 조화하고 있는가에 대하여 조사한다.
⑧ 안정에 대한 검토
구조물이 전체로서 안정하고 있는가를 조사한다. 이 검토는 필요한 경우와 필요치 않은 경우가 있으므로 상황에 따라서 판정하면 된다. 계산결과가 안정하지 못할 경우에는 단면을 변경시키던지 또는 단면은 그대로 두고 다른 적당한 대책을 강구한다.
⑨ 설계도의 작성
설계도는 전체를 나타내는 일반도와 세부의 상황을 나타내는 상세도 및 재료의 수량을 나타내는 재료표로 이루어진다. 설계도는 설계자가 어떠한 구조물을 만들려고 하는 것인지를 나타내는 것으로서, 시공자가 설계자의 의도하는 대로를 시공할 수 있도록 해야 한다.
이상은 허용응력설계법에 따라 설계한 경우의 대체적인 설계순서로서, 설계법, 상황에 따라서는 다소 내용이나 순서가 바뀔 수 있다.
2.2 설계방법
우리나라에서 교량의 설계는 강교와 콘크리트교량으로 나누어 생각할 때, 강교 및 강제교각은 허용응력설계법에 따라, 콘크리트교와 콘크리트교대, 교각 등은 강도설계법에 따라 설계하는 것을 원칙으로 하고 있다. 다만 도로교의 경우 강교의 설계시 설계자가 필요하다고 인정할 때에는 하중계수설계법에 따라 설계할 수 있도록 하고 있다. 아울러 콘크리트교의 설계에 있어서는 허용응력설계법을 병용하여 사용할 수 있도록 정하고 있다.
○ 허용응력설계법
이 설계법은 부재를 탄성체로 보고 탄성이론을 적용하여 설게하중하에서 재료에 작용하는 응력을 구한 것이 그 재료의 허용응력을 넘지 않도록 설계하는 방법이며 탄성설계법, 사용하중설계법이라고도 한다.
즉, 부재에 작용하는 응력(f)이 이에 대응하는 허용응력(fa)보다 적은 값을 가지도록 설계하는 방법이다.
f ≤ fa
허용응력은 재료의 한계응력을 적당한 안전율로 나누어 결정하고 있는데, 구성부재의 기능, 역할 등에 따라 다르나 보통은 재료의 항복응력, 좌굴응력, 피로응력등을 한계응력으로 사용하고 있다. 이 설계법은 구조물의 안전을 재료의 강도를 안전율을 이용하여 낮추어 줌으로써 확보하는 방법이다.
○ 강도설계법
이 설계법은 부재의 극한강도에 기초를 두고 설계하는 방법으로 극한강도란 어떤 부재가 파괴상태 또는 파괴에 가가운 상태에 있을 때의 강도를 말하는 것이다.
이 설계법은 사용하중에 하중계수를 곱한 설계하중을 토대로 구한 부재의 단면력이 재료의 극한강도를 사용하여 얻은 최대응력을 넘지않도록 설계하는 방법이다. 즉 부재가 받을 수 있는 최대강도인 공칭강도(Sn)에 강도감소계수(φ)를 곱한 값(설계강도)이 사용하중에 하중계수를 곱하여 얻은 값(설계단면력)보다 크도록 설계하는 방법이다.
설계강도(φSn) ≥ 설계단면력(U)
여기서 강도감소계수는 설계계산상의 불확실성, 부재간의 상대적인 중요도, 시공상의 오차등으로 발생할 수 있는 강도상의 결함을 고려하여 정한 1보다 작은 값이며, 하중계수는장래에 발생할 수도 있는 강도상의 결함을 고려하여 정한 1보다 큰 값이다. 즉 이 설계법에서는 구조물의 안전을 하중계수와 강도감소계수라는 두가지 요소에 의하여 확보하고 있다.
3. 교량형식별 특성
3.1 구조형식별 분류
교량은 상부구조의 형태에 따라 아래와 같이 나눌 수 있다.
① 판구조
이 구조는 판이론에 따라 설계되는 구조를 말하며 대표적인 교량으로 슬래브교를 들 수 있다.
② 보구조
이 구조는 보이론에 따라 상부구조가 설계되는 구조로 형교들이 여기에 속한다. 강판을 조합하여 주형으로 한 판형교(plate girder Bridge), I형강을 주형으로 한 I형교, 상자형의 단면을 주형으로한 Box형교, 철근con'c, 슬래브와 주형이 전단연결재로 일체화된 합성형교등 여러 가지가 있다.
③ 라아멘 구조
이 구조는 뼈대구조로 이루어진 형태로서 라아멘교가 여기에 속한다.
④ 아아치 구조
이 구조는 상부구조가 아치로 이루어진 구조를 말하는 것으로 일반 아치교와 타이드아치교, 랭거교, 로제교등 각종 아아치 형태의 교량이 여기에 포함된다.
⑤ 트러스 구조
이 것은 상부구조가 트러스로 형성된 구조로 부재의 배치방법에 따라 프랏트러스, 하우트러스, 와렌트러스, K트러스, 발티모어트러스등이 있다.
⑥ 케이블 구조
이 구조는 주형이 케이블에 의하여 보강된 구조를 말하는 것으로 대표적으로 사장교와 현수교가 있다.
하지만 모든 교량이 위에서 분류한대로 어느 한 구조형태에만 속하는 것은 아니고 경우에 따라서는 두 개 이상의 구조를 겸하고 있는 일이 많다. 이하 대표적인 형태의 교량에 대하여 살펴본다.
3.2 교량형식별 특성
○ 슬래브교(Slab Bridge)
교량형식중 가장 많이 이용되는 형태의 교량으로 10-20m 의 지간에 적당한 교량이다. 일반적으로 형교에 비하여 형고가 낮고 미관이 양호하며 형하공간이 필요한 소규모의 하천교량 등에 유리하며 시공이 용이하다. 그러나 주로 동바리공법에 의하여 시공이 되므로 유량이 많은 하천 또는 깊은 계곡을 횡단하는 경우에는 시공이 곤란하다.
도로의 선형에 알맞게 모양을 변화시킬수 있는 장점도 있다. 지지조건에 따라 단순슬래브교, 연속슬래브교, 라멘슬래브교등이 있다.
○ 형교 (girder bridge)
형교는 사용재료, 단면의 형상등 기준에 따라 다양하게 나뉘어 진다. 사용재료에 따라서는 목조형교, 강형교, 철근콘크리트 형교, PC형교, 합성형교등이 있고 단면 형상에 따라서는 I형교, T형교, box형교등이 있다. 또한 지지형태에 따라서는 단순형교, 연속형교, 게르바형교등으로 분류할 수 있다. 이밖에 주형과 강성이 있는 가로보를 격자모양으로 조립하여 주형상호간에 하중이 분배되도록 한 형교를 격자형교라고 부른다.
○ 라아멘교
교량의 상부구조와 하부구조를 강결하여 전체구조의 강성을 높임과 동시에 지간내에 발생하는 휨모멘트를 교대나 교각에서 일부 부담케하는 형식의 교량이다.
하지만 본교량 형태도 기초지반의 부등침하에 의한 응력변화가 크기 때문에 지반이 견고한 곳에 가설되지 않으면 균열 또는 파괴가 일어날 가능성이 높다.
○ 아치교
아치교는 일반 형교와 더불어 역사적으로 가장 오래된 형태의 교량이다. 주형에 곡률을 붙인다음 철부(凸部)를 상향으로 하여 연직하중이 작용할 때 지점에 연직 및 수평반력이 발생하도록 한 구조이다. 사용된 활절수에 따라 양단지점을 고정한 고정아치, 양단지점을 힌지로 한 2힌지아치, 2힌지 사이에 또 하나의 힌지를 추가한 3힌지아치등이 있다. 본 교량형태는 교량의 주체를 아치로 하여 지점이 이동하지 못하도록 만든 교량이기 때문에 아치리브(rib)가 주로 軸방향 압축력을 받도록 설계된 구조이다. 물론 휨모멘트와 전단력을 받으나 단면을 결정하는 주된 인자는 축방향 압축력이다.
이 교량은 강성이 크고 내풍, 내진안정성이 높으며 미관이 우수하고 사용재료가 적게드는 장점이 있는 반면에 기초변위의 영향이 커서 견고한 지반에 설치되어야 하며 압축력을 주로 받는 구조물이기 때문에 좌굴문제에 특히 세심한 배려가 필요하다.
아치교의 특수한 형태로 다음과 같은 교량들이 있다.
타이드 아치교 (tied arch bridge)
랭거교(Langer bridge)
로제교(Lohse Bridge)
○ 트러스교(Truss bridge)
트러스를 주형으로 한 교량이다. 형으로는 긴 경간을 얻을 수 없을 때 유리한 형식의 교량이다. 재료로는 주로 강재가 사용되나 철근 콘크리트나 P.S.C가 부분적으로 사용되기도 한다.
트러스는 수평재와 사재 및 수직재로 이루어지며 각 부재의 배치방법에 따라 프랏트 트러스, 하우 트러스, 와렌 트러스, K트러스, 발티모어 트러스등으로 분류한다. 하우트러스는 사재의 방향이 프랏트 트러스와 반대인 형식이며 주로 목교에 사용된다. 일반적으로 사재는 압축, 수직재는 인장을 받게 된다. 와렌트러스는 사재의 방향이 서로 번갈아 가면서 방향이 바뀌는 형식으로 사재는 압축재 또는 인장재가 되기도 한다.
트러스교는 형교에서와 같이 주 트러스의 형태와 받침부의 구속조건에 따라서 단순트러스교, 연속 트러스교등으로 분류하기도 한다. 단순트러스교는 단순형교와 같이 외적으로 힌지, 롤러로 되어 있는 외적으로 정정인 구조물이다. 단순트러스교는 지간이 40-80m인 곳에 사용한다.
연속 트러스교도 연속형교와 같이 외적 부정정 구조물로 지점의 부등침하가 없어야 하며 연속으로 함으로써 단순 트러스교보다 긴 경간을 얻을 수 있다.
○ 현수교(suspension bridge)
현수교는 보강거더가 행거 로우프에 의하여 정착부(Anchor)와 주탑(Tower)에 늘어져 있는 주케이블에 매달려 있는 형태의 교량이다. 따라서 노면(보강형)에 활하중이 재하되면 그 하중이 주탑 및 정착블록을 통하여 지반에 전달되는데, 이때 보강형에는 휨모멘트, 케이블에는 인장력, 주탑에는 압축력이 주로 작용하게 된다. 즉 활하중에 의한 합응력을 보강형과 그것을 매달고 있는 케이블에 각각 분담하여 담당토록 한 것이 그 원리이다.
케이블은 양안의 지중에 정착시키는데 이와같이 된 교량을 진정식 현수교라고 하며 경우에 따라서는 케이블의 양단을 보강형의 양단에 결합시켜 타이드 아치와 같이 케이블 양단의 장력의 수평분력이 서로 비기도록 한 구조도 있는데 이것을 자정식 현수교라고 한다.
미국 샌프란시스코에 있는 금문교는 중앙경간이 1280m 인 진정식 현수교이다.
○ 사장교(cable-stayed bridge)
사장교는 소정의 장소에 탑을 세워 그 곳으로부터 주형상의 적당한 위치에 케이블을 연결하여 교량에 가해지는 하중을 케이블과 탑을 통하여 지반으로 전달시키도록 고안된구조이다. 기본적으로는 현수교와 같이 탑, 케이블, 형으로 이루어져 있으나 그 역학적거동은 다르다.
사장교의 형식은 세 구조요소를 어떻게 조합시키느냐에 따라 여러가지로 나눌 수 있다. 보강형은 비교적 소경간의 교량에는 I형, 장경간에는 박스형, 이층 교량일 경우에는 트러스가 많이 사용되고 있다.
본 교량의 장점은 케이블을 이용한 응력조정이 용이하고 현수교에 비하여 강성이 높으며 가설이 쉽고 미적으로 우수하다는데 있다. 강성이 높기 때문에 내풍안전성에도 유리하다.