지침 한국도로공사_설계실무자료집_2009년_5-13_다이아프램 설계최적화 방안 검토
2024.02.28 17:58
5-13 다이아프램 설계최적화 방안 검토
기술심사처-2314
(2008. 10. 28)
1. 검토목적
Steel Box Girder교에서 비틀림 또는 찌그러짐을 방지하기 위하여 설치하는
중간다이아프램 형식을 변경(충복식→K형식)하고 개구부 규격을 확대하여 시공성, 경제성 및 유지관리 편의성을 향상시키고자 함.
2. 설계기준 및 문제점
설계기준
￭ 국 내
|
충 복 식 |
크로스 프레임 형식 |
|
|
K 형 |
X 형 |
|
|
|
|
|
|
구 분 |
내 용 |
|
도로교설계기준(2005) ㆍ해설(2008) |
중간 다이아프램 간격
[L = 지간, |
|
도로설계요령 교량편 (2001) |
중간 다이아프램 간격
중간 다이아프램 필요 강성 K≥20 |
|
강도로교 상세부 지침 (2006) |
중간 다이아프램 형식은 충복판, 라멘구조, 수직 브레이싱 방식이 있으며, 개구율(ρ)은 ρ ≤ 0.4 충복판 0.4 < ρ < 0.8 충복판과 라멘의 중간 ρ≥ 0.8 라멘 구조 |
[표 계속]
|
구 분 |
내 용 |
|
개구제형 강합성형 교량 설계지침 (2003) |
개구제형에 설치하는 K형 크로스 프레임 부재 - 최소 L-100×100×10 이상의 부재 사용 단, 곡선교의 경우 최대 뒤틀림응력을 허용인장 응력의 5%이내가 되도록 중간다이아프램 배치 - 부재의 세장비(λ)는 150이하 λ = l/r 여기서, l=부재의 길이 r=부재의 최소 단면 2차 반지름 |
￭ 국 외
문제점
￭원자재값(원유, 강재, 고철) 상승으로 인한 건설환경 악화.
￭중간 다이아프램은 대부분 가로보 설치간격과 동일한 5m로 하고 있음.
￭다이아프램 형식은 대부분 충복식만을 적용하고 개구부 규격이 작아(ρ=0.28정도) 다른 형식에 비하여 경제성, 시공성, 유지관리 측면에서 불리함.
3. 검토(안)
검토조건
￭Steel Box Girder교
- 단순교 : L=50m, 2차로(폭원12.6m), 직선교, 사각 0°
- 연속교 : L=130m(40m+50m+40m), 2차로(폭원12.6m), 직선교, 사각 0°
- 연속교 : L=130m(40m+50m+40m), 2차로(폭원12.6m), 곡선교(R=900m), 사각 15°
￭Steel Box Girder교는 거더 배치간격 및 거더수 등 다양한 변수가 있으므로 행선분리를 기준으로 검토.
￭강합성교 다이아프램 설계최적화 방안의 설계자문(2008. 9) 의견을 반영하여 직선교는 강성, 세장비, 축응력 3가지, 곡선교는 강성, 세장비, 축응력, 뒤틀림응력비(뒤틀림응력/최대휨응력) 4가지 항목의 구조적 안정성 검토.
다이아프램 지점별 적용방향
|
구 분 |
다이아프램 형식 |
비 고 |
||
|
충복식 |
K형식 |
|||
|
직선교 |
지 점 부 (중간지점부 포함) |
○ |
- |
단순교 연속교 |
|
중 간 부 |
- |
○ |
||
|
곡선교 |
지 점 부 (중간지점부 포함) |
○ |
|
“ |
|
중 간 부 |
구조검토 후 결정 |
|||
검토내용
￭교량 다이아프램 설계최적화 방안 설계자문(2008. 9) 의견(별첨#1)
|
- 자문위원 : 고려대학교 강영종 교수외 6인 - 자문내용 : 중간 다이아프램 형식변경(충복식→K형식)등 6개사항 |
￭ 구조적 안정성 (별첨#2)
- 직선교(연속교 포함)의 경우
지점부(중간지점부 포함)의 다이아프램은 개구율을 확대하고 중간부는 충복식 → K형식으로 변경하여도 안정성 확보
- 곡선교(연속교 포함) 경우
∙ 지점부(중간지점부 포함) 다이아프램은 개구율을 확대해도 안정성 확보
∙ 중간 다이아프램은 각종 변수【곡선반경, 강성, 세장비, 축응력, 뒤틀림응력비(뒤틀림응력/최대휨응력)】를 감안한 구조적 안정성 검토를 통하여 충복식 → K형식으로 변경이 필요
￭ 경제성 (다이아프램 설치간격 5m 적용)
- 단순교【지점부(충복식 개구율 확대) + 중간부(K형식 적용)】
|
구 분 |
당 초 |
개 선 |
|
강재량(ton) |
13.19 |
10.53 (감 20%) |
|
공사비(만원) |
3,690 |
2,950 (감 20%) |
- 연속교【지점부(충복식 개구율 확대)+ 중간부(K형식 적용)】
|
구 분 |
당 초 |
개 선 |
|
강재량(ton) |
19.41 |
17.09 (감 12%) |
|
공사비(만원) |
5,430 |
4,780 (감 12%) |
4. 검토결과
지점부(중간지점부 포함) 다이아프램은 시공성, 유지관리측면을 감안하여 개구율(ρ) 0.4이내에서 충복식 개구율을 확대.
평면곡선반경 2,000m이상의 곡선교 중간 다이아프램은 직선교로 간주 하여 충복식→K형식으로 변경 적용.
평면곡선반경 2,000m미만의 곡선교 중간 다이아프램은 강성, 세장비, 축응력, 뒤틀림응력비(뒤틀림 응력/최대휨응력)의 구조적 안정성 검토후 충복식 또는 K형식 결정.
단, 뒤틀림응력비(뒤틀림 응력/최대휨응력)는 10% 이내로 함.
5. 기대효과
시공성 및 유지관리 편의성 도모
다이아프램 형식변경에 따른 예산절감
- 국가간선망계획(7×9) 확대 적용시 760억원 절감
6. 적용방안
설계중 또는 VE시행 노선 : 본 방침 적용
공사중인 노선 : 공사주관부서 판단 하에 적용
(별첨# 1)
교량 다이아프램 설계최적화 방안 설계자문
￭ 일 시 : 2008. 9. 5 ～ 9. 25
￭ 자문위원 : 고려대학교 강영종교수외 6인
￭ 설계자문 사항 및 의견
중간 다이아프램
1. 강합성교에서 중간 다이아프램은 설계기준(도로교설계기준․해설 및 도로설계요령)에 의해 강성검토 항목만 규정되어 있으므로 다이아 프램을 K형식으로 변경시 설계기준에 의거 강성검토만 시행할 경우 다이아프램 안전성 확보 여부에 대한 의견
⇒ 다이아프램 변경(K형식)시 도로교설계기준에 의거 강성만 검토
2. 다이아프램 설계시 뒤틀림 응력비를 국내 기준(개구제형 강합성교량 설계지침, 곡선교)은 5%, 해외 기준(AASHTO 및 한신고속도로)은 10% 및 5%로 제한하고 있으나, 제한범위가 서로 상이하므로 다이아 프램 설계시 뒤틀림 응력비를 5%, 10%, 다른값을 적용해야 하는지에 대한 의견
⇒ 구조검토시 휨응력대비 뒤틀림응력의 비를 10%이내 적용
3. 본 검토내용은 직교 기준으로 검토하였으나 사교, 곡선교에 K형식의 중간 다이아프램 적용성에 대한 의견
⇒ 사교, 곡선교도 K형식 적용해도 무리가 없음.
4. 직선교와 곡선교을 구분하기 위한 평면곡선반경(R)의 최대치
⇒ 초기곡률영향 검토와 2,000m이상이면 가능하다는 소수(2인)
의견을 제시하여 곡선반경 2,000m이상이면 가능
5. 가로보(Cross Beam)간격 확대(5m→10m)에 따른 다이아프램 설치 간격을 5m 또는 10m 적용방안에 대한 의견
⇒ 다이아프램 설치간격을 5m→10m 조정해도 문제가 없음.
지점부 다이아프램(교대, 교각부)
6. 현재 적용하고 있는 지점부 다이아프램(충복식)의 개구부 크기가 협소하여 유지관리성이 저하되므로 개구부 규격을 크게 하는 개구율 확대방안에 대한 의견.
⇒ 원활한 유지관리을 위하여 개구부 확대는 바람직
(별첨# 2)
구조적 안전성 검토
중간 다이아프램의 강성 및 세장비 검토
￭단순교 (적용부재 : L-100×100×10mm)
|
구 분 |
검 토 결 과 |
안전율 |
판정 |
||
|
배치 간격 |
충복식 |
도로설계요령 교량편 (2001) |
K=1.639E+13 N·mm > Kreq=2.532E+12 N·mm |
0.15 |
O.K |
|
K형식 |
도로설계요령 교량편 (2001) |
K=3.227E+12 N·mm > Kreq=2.532E+12 N·mm |
0.78 |
O.K |
|
|
개구제형 설계지침(2003) |
λ = 94.9 < 150 |
0.63 |
O.K |
||
￭ 연속교 (적용부재 : L-100×100×10mm)
|
구 분 |
검 토 결 과 |
안전율 |
판정 |
||
|
배치 간격 |
충복식 |
도로설계요령 교량편 (2001) |
K=1.426E+13 N·mm > Kreq=1.747E+12 N·mm |
0.12 |
O.K |
|
K형식 |
도로설계요령 교량편 (2001) |
K=2.883E+12 N·mm > Kreq=1.747E+12 N·mm |
0.61 |
O.K |
|
|
개구제형 설계지침(2003) |
λ = 89.7 < 150 |
0.60 |
O.K |
||
중간 다이아프램의 뒤틀림 응력비(뒤틀림응력/최대휨응력), 축응력 검토
￭단순교 (적용부재 : L-100×100×10mm) (응력단위:Mpa)
|
구 분 |
고정 하중 |
활하중 재하시 |
허용 인장 응력 |
뒤틀림응력/ 허용인장응력 (개구제형 설계지침, 5%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (AASHTO, 응력비 10%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (한신고속도로, 응력비 5%) |
Cross Frame 축응력 (D+L) |
|||||
|
최대 휨응력 |
최대 휨응력 |
순수 휨응력 |
뒤틀림 응력 |
|||||||||
|
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
|||||||
|
1차선재하 |
103.14 |
16.38 |
14.12 |
2.26 |
140 |
1.61% |
0.32 |
1.89% |
0.19 |
1.89% |
0.38 |
23.52 |
|
2차선재하 |
29.20 |
26.33 |
2.87 |
140 |
2.05% |
0.41 |
2.17% |
0.22 |
2.17% |
0.43 |
||
|
3차선재하 |
33.27 |
31.77 |
1.50 |
140 |
1.07% |
0.21 |
1.10% |
0.11 |
1.10% |
0.22 |
||
￭연속교(직선교) (적용부재 : L-100×100×10mm) (응력단위:Mpa)
|
구분 |
고정 하중 |
활하중 재하시 |
허용 인장 응력 |
뒤틀림응력/ 허용인장응력 (개구제형 설계지침, 5%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (AASHTO, 응력비 10%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (한신고속도로, 응력비 5%) |
Cross Frame 축응력 (D+L) |
||||||
|
최대 휨응력 |
최대 휨응력 |
순수 휨응력 |
뒤틀림 응력 |
||||||||||
|
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
||||||||
|
측 경 간 |
1차선재하 |
62.09 |
21.12 |
20.86 |
0.26 |
140 |
0.19% |
0.04 |
0.31% |
0.03 |
0.31% |
0.06 |
34.47 |
|
2차선재하 |
39.97 |
37.16 |
2.81 |
140 |
2.01% |
0.40 |
2.75% |
0.28 |
2.75% |
0.55 |
|||
|
3차선재하 |
44.01 |
41.24 |
2.77 |
140 |
1.98% |
0.40 |
2.61% |
0.26 |
2.61% |
0.52 |
|||
|
중 앙 경 간 |
1차선재하 |
57.94 |
20.49 |
19.77 |
0.72 |
140 |
0.51% |
0.10 |
0.92% |
0.09 |
0.92% |
0.18 |
34.47 |
|
2차선재하 |
37.93 |
35.72 |
2.21 |
140 |
1.58% |
0.32 |
2.31% |
0.23 |
2.31% |
0.46 |
|||
|
3차선재하 |
42.48 |
40.8 |
1.68 |
140 |
1.20% |
0.24 |
1.67% |
0.17 |
1.67% |
0.33 |
|||
￭연속교(곡선교) (적용부재 : L-100×100×10mm) (응력단위:Mpa)
|
구분 |
고정하중 |
활하중 재하시 |
허용 인장 응력 |
뒤틀림응력/ 허용인장응력 (개구제형 설계지침, 5%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (AASHTO, 응력비 10%) |
뒤틀림응력/ 최대휨응력 (한신고속도로, 응력비 5%) |
Cross Frame 축응력 (D+L) |
|||||||
|
최대 휨응력 |
뒤틀림 응력 |
최대 휨응력 |
순수 휨응력 |
뒤틀림 응력 |
||||||||||
|
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
응력비 |
안전율 |
|||||||||
|
측 경 간 |
1차선재하 |
78.79 |
2.08 |
16.79 |
15.50 |
1.29 |
140 |
2.41% |
0.48 |
3.53% |
0.35 |
3.53% |
0.71 |
36.47 |
|
2차선재하 |
30.66 |
29.42 |
1.24 |
140 |
2.37% |
0.47 |
3.03% |
0.30 |
3.03% |
0.61 |
||||
|
3차선재하 |
37.03 |
35.92 |
1.11 |
140 |
2.28% |
0.46 |
2.75% |
0.28 |
2.75% |
0.55 |
||||
|
중 앙 경 간 |
1차선재하 |
68.88 |
3.00 |
16.47 |
14.65 |
1.82 |
140 |
2.79% |
0.56 |
4.09% |
0.41 |
4.09% |
0.82 |
36.47 |
|
2차선재하 |
29.96 |
27.91 |
2.05 |
140 |
2.95% |
0.59 |
3.80% |
0.38 |
3.80% |
0.76 |
||||
|
3차선재하 |
36.15 |
34.35 |
1.80 |
140 |
2.77% |
0.55 |
3.38% |
0.34 |
3.38% |
0.68 |
||||
지점부 다이아프램의 강성 및 응력 검토
￭단순교
|
구 분 |
당 초 |
개 선 |
||
|
교대 |
다이아프램 제원 |
개구부 크기 500×700 (ρ=0.28), t=16mm 사용 |
개구부 크기 600×1000 (ρ=0.38), t=18mm 사용 |
|
|
강성검토 |
K=2.395E+13 N·mm > Kreq=1.213E+12 N·mm |
K=2.694E+13 N·mm > Kreq=1.213E+12 N·mm |
||
|
안전율 = 0.05 |
안전율 = 0.05 |
|||
|
응력 검토 |
휨 |
f=97.22MPa < fa=190MPa |
f=91.97MPa < fa=190MPa |
|
|
안전율 = 0.51 |
안전율 = 0.48 |
|||
|
전단 |
v=83.84MPa < va=110MPa |
v=102.47MPa < va=110MPa |
||
|
안전율 = 0.76 |
안전율 = 0.93 |
|||
￭연속교
|
구 분 |
당 초 |
개 선 |
||
|
교대 |
다이아프램 제원 |
개구부 크기 500×700 (ρ=0.30), t=12mm 사용 |
개구부 크기 500×1000 (ρ=0.37), t=14mm 사용 |
|
|
강성검토 |
K=1.555E+13 N·mm > Kreq=8.713E+11 N·mm |
K=1.814E+13 N·mm > Kreq=8.713E+11 N·mm |
||
|
안전율 = 0.05 |
안전율 = 0.05 |
|||
|
응력 검토 |
휨 |
f=75.05MPa < fa=190MPa |
f=76.87MPa < fa=190MPa |
|
|
안전율 = 0.40 |
안전율 = 0.40 |
|||
|
전단 |
v=81.13MPa < va=110MPa |
v=99.34MPa < va=110MPa |
||
|
안전율 = 0.74 |
안전율 = 0.90 |
|||
|
교각 |
다이아프램 제원 |
개구부크기 500×700 (ρ=0.28), t=26mm 사용 |
개구부크기 500×1000 (ρ=0.35), t=32mm 사용 |
|
|
강성검토 |
K=3.707+13 N·mm > Kreq=1.752E+12 N·mm |
K=4.562E+13 N·mm > Kreq=1.752E+12 N·mm |
||
|
안전율 = 0.04 |
안전율 = 0.04 |
|||
|
응력 검토 |
휨 |
f=41.851MPa < fa=190MPa |
f=40.623MPa < fa=190MPa |
|
|
안전율 = 0.22 |
안전율 = 0.21 |
|||
|
전단 |
v=92.836MPa < va=110MPa |
v=100.572MPa < va=110MPa |
||
|
안전율 = 0.84 |
안전율 = 0.91 |
|||
