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활용사례
[Bridge] 남도대교 하로식 닐센아치교 (한국)개요
남도대교는 전라남도 화개면에 건설될 하로식 닐센아치교로 경간장(L)=160 m, 아치높이(f)=32.00 m 교량폭원(B)=18.492 m로 섬진강을 가로지르는 2차선 교량이다.
구조개념
Basket Handle식의 닐센로제아치교로 압축력을 받는 아치리브와 인장력을 받는 보강거더를 경사케이블로 서로 연결하여 보강거더의 내력을 아치리브가 분담하도록 한 것이다. 외적으로는 정정이나 내적으로 고차 부정정 구조물로 케이블이 연직으로 배치된 일반적인 아치교와 비교할 때 강성이 커서 구조물의 처짐 및 단면력을 줄일 수 있다.
아치리브를 수평면에서 약 78.2603도 경사지게 배치하여 경관적 측면을 고려함과 동시에 횡방향 내하력을 증가시켰다. 아치의 높이는 지간에 대한 비로써 1/6 ~1/7정도가 적당하나 본 교량은 미관적 측면을 중요시 여겨 32 m (1/5)로 하였다.
케이블의 경사각은 60도로 일정하게 하였고 간격은 13.0 m로 배치하였다. 사용케이블의 규격은 0.6′-19strands, 22strands를 사용하였으며 케이블의 프리스트레스는 계획상 필요하지 않도록 설계하였다. 케이블의 개수는 총44개이며, 미관과 구조적 안정성을 고려, 최소개수로 사용하였다. 바닥판은 장대지간 교량에서 주로 채택하는 강상판 형식이며 경제성을 고려하여 아치교의 보강형과 합성구조가 되도록 설계하였다.
안전성 검토
보강형 단부와 리브가 만나는 부분은 강결 구조로 되어 있으며 보강형에 큰 지점 반력이 작용하므로 응력 분포 상태는 일반구조 계산으로 파악하기 어렵다. 이러한 응력 집중점에 대해서 설계상 유의해야 할 점은 국부적이고 고응력 영역을 피하는 구조로 하고 취성파괴에 대한 안전성을 확보하는 것이다. 이러한 점에 대처하기 위해 복부판 두께를 이 부분에서는 크게 하거나 보강재를 설치하는 것이 일반적이다. 그러나 과도하게 복부판 두께를 늘리거나 보강재를 사용하게 되면 구조계를 더 복잡하게 만들어 제작상 곤란을 초래할 뿐만 아니라 특히 용접구조에서는 높은 수준의 잔류응력을 발생시켜 도리어 취성파괴의 위험성을 높이게 된다.
따라서 구조를 결정할 때에는 이 부분의 응력 전달상태나 국부적인 응력 상태를 광탄성 실험과 같은 모형실험 혹은 유사한 구조에 관한 과거의 시험 해석 결과를 참고로 하여 정확하게 파악하는 것이 중요한데 본 과업에서는 LUSAS를 이용한 유한요소해석을 통하여 검증하였다.
해석 모델
해석모델에는 TTS3와 QTS4 (3D Thick Shell Element) 부재를 사용하였으며 하중은 사하중(2차 사하중 포함), 활하중, 풍하중을 고려하였다.
국부해석을 통하여 보강형 단부와 리브가 만나는 응력집중부의 응력 전달상태나 국부적인 응력 상태를 정확하게 파악할 수 있었으며 보강판과 보강형 단부의 복부에 발생하는 응력이 허용응력 이내임을 확인할 수 있었다.
