구조물공 ❙ 211

구조물공

413

구조물공 하이브리드 강합성 거더 적용성 검토 기술심사처-2832

(2017.12.22)

1 검 토 배 경

□ 최근 강구조물 설계시 HSB3)800을 포함한 고강도 강재 적용이

일반화되고 있으며, 미국 등 해외에서는 강도 기여도가 적은 복

부에는 저강도 강재를 혼합한 하이브리드 거더4) 적용

□ 국내에서는 기존 허용응력 설계법에 익숙하여 관습적으로 동일

강종을 적용하고 있으나, 설계기준 개정에 맞추어 하이브리드

거더의 구체적 설계방법 및 효과 검증 필요

2 추 진 경 위

제․개정

(년, 월)

설계기준 주 요 내 용

개정

(2010. 9)

도로교 설계기준

‣ 하이브리드 거더 도입(3.8.4.2)

- 복부판의 최대 휨응력이 허용응력 초과 허용,

사용하중 상태에서 항복강도 이내로 제한

개정

(2011.12)

철도설계기준

(노반편)

‣ 하이브리드 거더 도입(9.10.1)

- HSB800 강종조합을 제외하면, 도로교 설계

기준(2010)과 동일

제정

(2011.12)

도로교 설계기준

(한계상태설계법)

‣ 하이브리드 단면의 플랜지 강도감소

계수(이하 하이브리드계수(  ))를 이용하여

조기항복효과 고려(6.10.4.3)

- 직선교에 한정 적용, 정․부모멘트 분리식 적용

개정

(2014. 4)

하중저항계수설계법에

의한 강구조 설계기준

‣ 도로교 설계기준(2012)과 달리 하이

브리드 단면의 플랜지 강도감소계수

단일화된 공식 적용(6.3.1.1.10)

- 직선교, 곡선교 모두 적용 가능

제정

(2016. 6)

강교설계기준

(한계상태설계법)

(KDS 24 14 31)

‣ 강구조부재 설계기준(KDS 14 31 10)을

따르도록 코드 통합

3) HSB : High performance Steel for Bridge(교량용 고성능 강재)

4) 하이브리드 거더 : 플랜지와 복부판에 강도가 다른 강종을 혼합해서 사용한 거더

212 ❙ 구조물공

3 하이브리드 거더 개요

□ 개 념 : 한쪽 혹은 양쪽 플랜지와 복부판에 강도가 다른

강종을 혼합해서 사용한 거더를 의미하며, 복부판의 국부적인

항복을 허용하여 설계 최적화가 가능한 거더

□ 강도특성

(1) 휨 강도

o 동일강종을 가지는 단면의 경우 : 플랜지 항복 발생 → 복부판

항복 영역이 커지면서 강성 상실 → 복부판 전단면이 항복되면

하중 증가없이 변위만 증가하게 되는 전소성 상태로 변화

o 하이브리드 단면의 경우 : 플랜지 항복 이전에 복부판 항복 시작

되고 강성 저하 → 플랜지 항복하면서 한번 더 강성 저하 →

전소성 상태로 변화

【하이브리드 거더의 하중 변위 곡선 】

【하이브리드 거더의 하중 단계별 응력 분포 】

구조물공 ❙ 213

구조물공

(2) 전단 강도

o AASHTO5)의 경우 하이브리드 단면과 동일 강종 단면의 전단

설계에 차이를 두지 않고 있음.

o 휨과 전단이 동시에 작용하는 경우, 특히 휨모멘트가 상대적으로

클 경우 복부판에 일부 항복이 발생할 수 있으므로 극한거동에

차이를 보일 수 있음.

(3) 횡좌굴 강도

o 주로 단면의 기하학적 특성과 관계되므로, 동일 두께의 균질

단면에 비하여 횡좌굴 강도의 저하는 매우 적음.

□ 피로 성능 특성

o 피로 성능의 경우 소재의 강도특성과는 큰 관계가 없으며, 용접

상세에 큰 영향을 받는 것으로 알려짐.

o 하이브리드 거더의 경우 용접상세는 동일한 조건에서 플랜지와

복부판의 항복강도가 다른 강재를 적용하는 것으로 피로 성능

에는 큰 차이가 없음.

□ 이종 강재의 용접

o 서로 다른 강재의 경우 각각의 화학성분이 차이가 나며, 사용

하는 용접재료도 달라짐.

o 예열온도, 입열량 등 용접조건에도 차이가 나게 되며, 고강도

강재일수록 용접조건이 일반적으로 까다로움.

o 상대적으로 고강도 강재 용접조건을 적용하고, 저강도 강재 용접

재료를 사용하면 문제가 없는 것으로 알려져 있으며, 도로교표준

시방서에서도 동일하게 제시하고 있음.

☞ 역학적 특성, 피로강도 및 용접성 등 충분한 적용성 확보

5) AASHTO : American Association of State Highway and Transportation Officials(미국도로교통공무원협회)

214 ❙ 구조물공

4 검 토 내 용

□ 국내·외 관련 설계기준 분석

설계기준 설계법 세부구분 강도조건 하이브리드 적용

도로교(2010) ASD6) - 탄성 신규도입-항복강도 이내

AASHTO(2002),

도로교(2012)

LRFD7)

조밀 소성 Mp 계산시 복부판 항복강도

비조밀 탄성 정, 부모멘트 분리식 적용

AASHTO(2007),

강구조(2014)

LRFD

조밀 소성 Mp 계산시 복부판 항복강도

비조밀 탄성 정, 부모멘트 동일식 적용

Eurocode LSD8)

Class1, 2 소성 Mp 계산시 복부항복강도

Class 3 탄성 My 계산시 복부일부항복

Class 4 유효단면 Meff.y 계산시 유효단면반영

※ 국가건설기준(KDS)이 2016. 6월 이후 KDS 14 31 10 [강구조부재 설계기준(하중저항계수

설계법)]으로 일원화 되어 적용 가능

□ 하이브리드 강종조합 검토

o 관련 세부기준

▶ AASHTO LRFD(2007) Bridge Design Specification : 6.10.1.3

▫ 저강도 강재는 고강도의 70% 및 250MPa 이상의 항복강도를 요구

▫ 모든 종류의 하이브리드 거더에 대해 안전하게 적용할 수 있으나,

고강도 플랜지와 한 강재 등급의 저강도 적용을 권장함.

▶ 강구조 설계기준(2014) : 6.3.1.1.3

▫ 웨브의 최소항복강도는 고강도의 65% 이상이 되도록 요구

6) ASD : Allowable Stress Design(허용응력설계법)

7) LRFD : Load and Resistance Factor Design(하중저항계수설계법)

8) LSD : Limit State Design(한계상태설계법)

구조물공 ❙ 215

구조물공

o 적용가능 강종조합 검토

강 종

복 부 판

HSB800 HSB600 HSB500 SM520 SM490 SM400

항복강도 690MPa 450MPa 380MPa 355MPa 315MPa 235MPa

플

랜

지

HSB800 690MPa 100% 65% 55% 51% 46% 34%

HSB600 450MPa - 100% 84% 79% 70% 52%

HSB500 380MPa - - 100% 93% 83% 62%

SM520 355MPa - - - 100% 89% 66%

SM490 315MPa - - - - 100% 75%

SM400 235MPa - - - - - 100%

o 국내․외 기준별 적용가능 강종조합

설계기준

강 종

AASHTO LRFD 강구조 설계기준

HSB800 - HSB600

HSB600 HSB500(권장), SM520, SM490 HSB500, SM520, SM490

HSB500 SM520, SM490(권장) SM520, SM490

SM520 SM490 SM490, SM400

SM490 - SM400

※ AASHTO LRFD에서는 하이브리드 거더 저강도 강재에 항복강도 250MPa 이상을 요구

하므로, SM400(항복강도 235MPa)은 적용 불가

□ 설계자문 내용

o 자문위원 : 한국해양대 경갑수 교수 등 5명

o 주요내용

- 서로 다른 강종의 강재 용접에 따른 문제점 및 고려사항

- 저강도 강재에 대한 별도의 최소항복강도 기준 필요성

- 강종 조합을 고강도의 65%내에서 자유롭게 적용 가능 여부

216 ❙ 구조물공

□ 하이브리드 거더 적용방안

CASE 1

저강도

고강도

고강도

저강도

고강도

고강도

저강도

고강도

고강도

· 복부에만 저강도 강재 적용

CASE 2

고강도 저강도

고강도

저강도

저강도

고강도

저강도

고강도

저강도

· 복부 + 정모멘트부 압축 플랜지 저강도 강재 적용

※ 하이브리드 거더 경제성 검토결과(붙임 1) 참조

o 단경간 적용시(ex. L=70m)

구 분 CASE 1-1 CASE 2-1

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500 SM490 HSB500

(상부FL)

SM490

(상부FL)

자재비

(백만원) 459 425 420 459 420 439

경제성

(%) 100 93 92 100 92 96

o 연속경간 적용시(ex. L=60+70+60=190m)

구 분 CASE 1-2 CASE 2-2

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500 SM490 HSB500

(상부FL)

SM490

(상부FL)

자재비

(백만원) 1,225 1,124 1,109 1,225 1,108 1,090

경제성

(%) 100 92 91 100 90 89

☞ (단 경 간) 복부에만 저강도 강재 적용

☞ (연속경간) 정모멘트부 압축플랜지와 복부에 저강도 강재 적용

구조물공 ❙ 217

구조물공

5 결 론

□ 하이브리드 강합성 거더는 소재의 고강도화에 따라 효율적

으로 고강도 소재를 적용할 수 있는 방법으로 강합성교 설

계시 설계여건과 경제성 등 검토 후 선택 적용

☞ 하이브리드(Hybrid) 거더 적용시 균질(Homogeneous) 거더에

비하여 자재비의 7~11% 절감 가능

* 새만금-전주(강합성교 11개소) 노선에 적용할 경우 : 약 8억원 절감

□ 강종 조합시 저강도 강재는 최소항복강도 250MPa 이상을

준수하고, 고강도의 65%내에서 응력 여유와 자재 수급률

등을 감안하여 유연하게 적용 가능

6 적 용 방 안

□ 설계 중 노선 : 설계주관부서 검토 후 적용

□ 향후 설계 노선 : 본 방침 적용

붙 임 : 1. 하이브리드 거더 경제성 검토결과

2. 하이브리드계수(Rh) 산정방법 및 유의사항

3. 구조계산서 및 설계도면(CASE 1, 2)

4. 설계자문 결과

218 ❙ 구조물공

붙임1 하이브리드 거더 경제성 검토결과

□ CASE 1-1 : 복부만 적용 <단경간>

구 분

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500 SM490

경간구성 70m

교 폭 12.3m(2차로)

적용 개념도 저강도

고강도

고강도

하이브리드 계수(Rh) 1.000 0.997 0.976

형 고(m) 3.0m 3.0m 3.0m

플랜지 폭

(mm)

상면 550 550 550

하면 2,440 2,440 2,440

플랜지 두께

(mm)

상판 24∼28 24∼28 24∼28

하판 12∼26 12∼26 12∼26

복부 두께(mm) 전구간 20 20 20

안전율

압축 1.095(450/411) 1.092(449/411) 1.068(439/411)

인장 1.095(450/411) 1.092(449/411) 1.068(439/411)

강종

HSB600 247.765 104.704 104.704

HSB500 - 144.921 -

SM490 - - 147.352

SM400 53.539 53.539 53.539

기타 18.456 18.456 18.456

총중량(ton) 319.760 321.620 324.051

자재비(백만원) 459 425 420

경제성(%) 100％ 93％ 92％

※ 저강도 비에 따른 하이브리드 계수(Rh) 값의 차이가 미미(0.997 ∼ 0.976) 하므로 가능한 가장

저강도의 강재를 적용하는 것이 최적

구조물공 ❙ 219

구조물공

□ CASE 2-1 : 복부+정모멘트부 압축 플랜지 적용 <단경간>

구 분

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500(상부FL) SM490(상부FL)

경간구성 70m

교 폭 12.3m(2차로)

적용 개념도

저강도

고강도

저강도

하이브리드 계수(Rh) 1.000 0.989 0.961

형 고(m) 3.0m 3.0m 3.0m

플랜지 폭

(mm)

상면 550 550 550

하면 2,440 2,440 2,440

플랜지 두께

(mm)

상판 24∼28 24∼42 24∼74

하판 12∼26 12∼26 12∼26

복부 두께(mm) 전구간 20 20 20

안전율

압축 1.095(450/411) 1.084(376/347) 1.092(284/260)

인장 1.095(450/411) 1.121(445/397) 1.143(432/378)

강종

HSB600 247.765 59.358 59.358

HSB500 - 197.176 -

SM490 - - 220.114

SM400 53.539 53.539 53.539

기타 18.456 18.456 18.456

총중량(ton) 319.760 328.529 351.467

자재비(백만원) 459 420 439

경제성(%) 100％ 92％ 96％

※ 단경간에서는 시공중 압축플랜지 및 극한한계상태의 상하 플랜지 강도에 지배가 되어, 판 두께

증가에 따른 강재량 증가로 저강도 상부플랜지 적용은 경제성 효과가 상대적으로 크지 않음.

220 ❙ 구조물공

□ CASE 1-2 : 복부만 적용 <연속경간>

구 분

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500 SM490

경간구성 60+70+60=190m

교 폭 12.3m(2차로)

적용 개념도 저강도

고강도

고강도

저강도

고강도

고강도

저강도

고강도

고강도

하이브리드

계수(Rh)

정모멘트 1.000 0.983 0.940

부모멘트 1.000 0.993 0.974

형 고(m) 3.0m 3.0m 3.0m

플랜지 폭

(mm)

상면 550 550 550

하면 2,340 2,340 2,340

플랜지 두께

(mm)

상판 24 24 24

하판 12∼36 12∼36 12∼36

복부 두께(mm) 전구간 20 20 20

정모멘트부

압축 2.261(450/199) 2.221(442/199) 2.126(423/199)

인장 1.654(450/272) 1.625(442/272) 1.555(423/272)

부모멘트부

압축 1.494(384/257) 1.257(323/257) 1.031(265/257)

인장 1.243(450/362) 1.235(447/362) 1.210(438/362)

강종

HSB600 656.014 233.121 233.121

HSB500 - 427.968 -

SM490 - - 435.580

SM400 142.870 142.870 142.870

기타 56.264 56.264 56.264

총중량(ton) 855.148 860.223 867.835

자재비(백만원) 1,225 1,124 1,109

경제성(%) 100％ 92％ 91％

구조물공 ❙ 221

구조물공

□ CASE 2-2 : 복부+정모멘트부 압축 플랜지 적용 <연속경간>

구 분

플랜지

HSB600

HSB600 HSB600

복 부 HSB500 SM490

경간구성 60+70+60=190m

교 폭 12.3m(2차로)

적용 개념도

고강도 저강도

고강도

저강도

저강도

고강도

저강도

고강도

저강도

하이브리드

계수(Rh)

정모멘트 1.000 0.983 0.940

부모멘트 1.000 0.993 0.974

형 고(m) 3.0m 3.0m 3.0m

플랜지 폭

(mm)

상면 550 550 550

하면 2,340 2,340 2,340

플랜지 두께

(mm)

상판 24 24 24

하판 12∼36 12∼36 12∼36

복부 두께(mm) 전구간 20 20 20

정모멘트부

압축 2.261(450/199) 1.879(374/199) 1.392(277/199)

인장 1.654(450/272) 1.625(442/272) 1.555(423/272)

부모멘트부

압축 1.494(384/257) 1.257(323/257) 1.031(265/257)

인장 1.243(450/362) 1.235(447/362) 1.210(438/362)

강종

HSB600 656.014 170.949 170.949

HSB500 - 490.140 -

SM490 - - 497.752

SM400 142.870 142.870 142.870

기타 56.264 56.264 56.264

총중량(ton) 855.148 860.223 867.835

자재비(백만원) 1,225 1,108 1,090

경제성(%) 100％ 90％ 89％

222 ❙ 구조물공

붙임2 하이브리드계수(Rh) 산정방법 및 유의사항

□ 하이브리드계수() 산정방법

①   결정 : 단면의 탄성중립축에서 플랜지 내면 거리 중 큰 값

- 안전측으로 단기 n합성 단면을 이용 가능

- 부모멘트 구간은 거더+철근의 합으로 구성된 탄성 중립축 적용

(사용한계상태와 극한한계상태에서 동일한 계수값 적용)

- 사용한계 부모멘트에서 바닥판이 유효한 경우 단기 n합성 단면의

중립축에서 하부플랜지 내면거리를 적용

②   결정 :  에 대응하는 쪽의 플랜지 요소의 단면적

- 플랜지 요소는 플랜지, 덮개판 및 플랜지에 부착된 판을 의미

- 중립축이 중심에 위치할 경우 항복이 먼저 발생하는 쪽으로 결정

-  이 상부플랜지인 경우 종방향 철근의 면적을 포함

-   및  을 결정 후 값 결정 (   )

③  결정 : 플랜지 요소의 최소 항복강도 중 가장 큰 값

-  에 대응하는 쪽의 플랜지 요소에 공칭항복 발생시 :  의

계산에 포함된 각 플랜지 요소의 최소 항복강도 중 가장 큰 값

-  에 대응하는 반대쪽에서 공칭항복 발생시 :   방향에 포함된

각 플랜지 요소의 계산된 탄성응력 중 가장 큰 값

-  결정 후   min    으로서 1.0을 초과할 수 없음

□ 하이브리드계수() 적용시 유의사항

▫Tub단면 : 하나의 상부플랜지, 복부 및 하부플랜지의 절반 적용

▫폐합단면 : 상하플랜지 절반 및 하나의 복부단면 적용

▫시공성 검토시 비합성단면 , 기타 검토시는 합성단면 를 적용