사례 연구

유로코드 4 기반 일체식 교량 해석 및 설계

• 강재/합성 일체식 교량의 해석 및 설계 검토

• 강재 단면 및 슬래브 보강근 규격 최적화

• 단순 지지 구조물 대비 강재 중량의 상당한 절감 효과 달성

Spea Engineering spa는 LUSAS Bridge와 Steel and Composite Deck Designer 소프트웨어 옵션을 사용하여 유로코드에 따른 일체식 교량의 설계를 조사하고 최적화했습니다. 이를 위해 주 경간 길이를 고속도로 차선 폭에 따라 38m 및 45.5m로 하는 1경간 및 3경간 배열의 두 가지 주요 경간 구성이 선택되었습니다. 수행된 해석 및 설계 검토 결과, 시간이 많이 소요되는 수동 검토를 피하고 최적화된 강재 보 및 보강근 규격을 얻었으며, 이는 단순 지지 구조물로 계산된 값에 비해 구조용 강재 중량을 약 25% 절감했습니다.

1경간 교량

교량의 주요 구성은 폭 13.5m의 합성 콘크리트 덱을 지지하는 깊이 1600mm의 종방향 강재 보 두 개로 이루어져 있습니다. 8개의 동일 간격 횡방향 강재 I형 보가 주 보에 대한 하부 횡방향 구속을 제공합니다. 각 끝단에서 종방향 보는 1.2m 두께의 상당한 옹벽에 매립되며, 이 옹벽은 8개의 1.2m 직경으로 촘촘하게 배치된 말뚝 위에 놓인 파일캡 위에 주조됩니다. 전체 시스템은 모든 하중에 견딜 수 있도록 설계된 단일 프레임 시스템을 생성합니다.

1경간 일체식 교량 개략도

모델링 및 해석

LUSAS를 사용하여 시공의 모든 단계를 나타내고 지반-구조물 상호작용을 모델링하기 위해 단일 3D 모델이 생성되었습니다. 비선형 거동을 수용하는 연결부 요소는 능동 및 수동 지반 압력을 모델링했습니다. 주 종방향 강재 보는 웹과 플랜지의 두께를 최적화하기 위해 아래와 같이 A, B, C, B, A로 표시된 다섯 개의 세그먼트로 나누어졌습니다.

설계 검토

LUSAS 해석에서 생성된 모멘트 및 전단 데이터를 사용하여 강재 및 합성 덱 설계자가 주 구조 부재 및 연결부에 대해 ULS 휨, 응력, 전단 및 상호작용; SLS 응력, 웹 호흡 및 피로 검토를 수행했습니다. 수행된 해석 및 설계 검토를 통해 시간이 많이 소요되는 수동 검토를 피할 수 있었습니다. 단순 지지 교량 및 일체식 교량에 대해 최대 활용 계수를 0.95로 제한하여 최적화된 강재 보 플랜지, 웹 및 보강근 규격이 얻어졌습니다(아래 참조). 전반적으로, 단순 지지 교량에 비해 일체식 교량 설계에서 구조용 강재 중량이 약 25% 절감되었으며, 덱과 교대의 연결로 인해 발생하는 휨 모멘트로 인해 슬래브 끝단 영역의 보강근은 증가해야 했습니다. 일체식 교대는 더 얇게 만들 수 있지만 더 많은 양의 강재 보강이 필요합니다. 전체적으로 일체식 교대는 기존 교대에 비해 약 30%의 상당한 비용 절감을 제공합니다.

단순 지지 1경간 교량	단순 지지 1경간 일체식 교량
정의된 세그먼트에 대한 강재 보 및 보강근 규격 최적화 설계

다양한 구조 형식에 대한 민감도

네 개의 종방향 보와 3경간 교량을 갖는 다양한 횡방향 강재 배열도 해석되었으며, 일체식 및 단순 지지 교량 유형 간의 결과가 비교되었습니다. 결과는 약간씩 달랐지만, 해석된 모든 사례 연구에서 일체식 교량이 비용을 절감하고 더 나은 품질과 내구성을 제공하는 것으로 나타났습니다.

3경간 일체식 교량

Spea Engineering spa의 교량 설계 부서 소속 L. Ferretti Torricelli는 “능동 및 수동 압력을 모델링하는 비선형 연결부를 사용한 LUSAS 덕분에 지진 해석에도 사용될 통합 모델을 확보할 수 있었고, Steel and Composite Deck Designer를 사용함으로써 합리적인 시간 내에 관련 유로코드에 따라 설계를 최적화할 수 있었습니다.”라고 말했습니다.