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| 리포트구분 | 기술리포트 | 콘텐츠구분 | 도시/건축 |
|---|---|---|---|
| 출처 | WSDOT | ||
| 원문제목 | TRIAGE EVALUATION OF GUSSET PLATES IN STEEL TRUSS BRIDGES 원문보기 | ||
| 언어 | 영어 | 국가 | 미국 |
| 등록일 | 2012-09-26 | 발행일 | 2010-00-00 |
| 첨부파일 | 등록된 첨부파일이 없습니다. | ||
1. 서론
• 연방 고속도로국(FHWA) 보고서(Ocel and Wright, 2008) 에서 미네아 폴리스의 I-35 미시시피 River Bridge의 다수의 거셋 플레이트가 심각하게 과응력(過應力) 상태에 있으며, 그들 중 한 거셋 플레이트의 경우 비탄성 좌굴 상태를 보이고 있어 교량 붕괴의 지표 역할을 하고 있다고 보고한 바 있다. 그로 인하여, 전국에 분포하고 있는 유사교량의 거셋 플레이트에 대한 안전성 검토를 시급히 수행하여야 할 필요성이 발생하게 되었다. 이러한 상황에 대처하기 위해서 FHWA 에서는 "Load Rating Guidance and Examples for Bolted and Rivetted Gusset Plates in Truss Bridge" 라는 지침서를 발간하여 DOTs 로 하여금 거셋 플레이트 안전성 평가의 지침으로 사용하도록 하였다.
< 그림 1. 일반적인 강 트러스 교량 전경, 대상교량 #1 >
• 접합부재의 강도를 검토하는 것과 더불어, 부재 건전성을 4가지 검토항목으로 평가할 것을 권고하고 있는데, 각각 압축, 좌굴, 인장, 전단 및 블록 전단 등을 제시하고 있다. 전단강도를 검토하기 위해서는 하중 포락선 개념이 아닌 순차적 집중하중을 재하하여 발생하는 전단응력에 대한 근접추정치가 필요하다. 이러한 조건은 대단히 번거롭고 시간이 많이 소요된다. 비록 거셋 플레이트의 안전성을 평가하는 것이 대단히 중요한 사항이기는 하지만 현재 미국에서 공용중인 트러스교의 수에 대비하여 부재의 항복이 발생한 트러스교의 숫자를 감안한다면 전 미국의 강 트러스교량에 포함된 과응력 상태에 있는 거셋 플레이트의 숫자는 매우 작을 것으로 판단된다. 그러므로 급속평가 방법이 합리적인 보수적 평가를 매우 간편하고 효율적으로 수행할 수 있다는 점에서 가장 적절한 방법이라고 할 수 있다. 이러한 절차는 다른 부재들은 명백히 구조안전성에 문제가 없음을 보장하면서 보다 자세한 분석이 필요한 거셋 플레이트를 판별할 수 있어야한다.
< 그림 2-1 (a) Whitmore 유효폭 개념, (b)Thornton 비지지길이 등의 개념도 >
2. 과업의 목적
• 본 연구의 가장 주된 목적은 강 트러스 교량의 거셋 플레이트 접합부의 안전하고 일관성 있으며, 급속 적용이 가능한 평가 방법을 개발하는 것이다. 이 방법은 광범위한 적용성과 각 연결부에 대해 검토해야 하는 하중조합 개수를 최소화하기 위해서 동시 발생하중이 아닌 부재에 대한 하중 포락선을 사용하게 된다.
• 이 방법은 FHWA 지침서에 제시되어 있는 방법과 비교하여 상대적으로 보수적인 결과를 제시하게 되며 이러한 이유로 인해 다른 평가방법을 대체할 수 있게 될 것이다.
3. 연구내용
• 급속 거셋 플레이트 평가절차, 즉, Triage Evaluation Procedure (TEP) 라는 방법을 개발하기 위하여 워싱턴 주에 위치한 교량들의 거셋 플레이트 연결부를 상세히 조사하였다. 본 연구에 적절한 연결부를 선정하기 위하여 WSDOT는 3개의 교량을 선정하여 재하시험분석을 시행하였다. 이러한 분석으로 구해지는 부재력들은 각 교량의 연결부를 비교하여 상대적으로 과도한 응력을 받고 있는 연결부를 도출하는데 사용된다. 이 해석에는 기하구조의 영향도 고려하기 위해 각 교량에서 각각 1개씩의 연결부를 선정하여 유한요소 모델링을 시행하였다. 또한 I-35 교량의 과도한 응력을 받고 있는 것으로 의심되는 연결부에 대해서도 추가적으로 모델링 하였다. 이러한 상세 유한요소 모델은 실험 및 기타 다른 해석결과와 비교함으로서 그 효용성을 검증하였다. 이 유한요소 해석자료를 상세 검토함으로서 거셋 플레이트의 항복여부 및 거셋 플레이트의 좌굴을 간편하게 파악하는 방법을 개발하여 궁극적으로 TEP 기법을 정립하게 된다. 이 TEP 방법은 그 후 WSDOT 가 선정한 3개소의 교량에 적용하여 FHWA 하중평가 권고사항과 비교하였으며, 마지막으로 관련 문헌으로 부터 리벳강도의 이력을 수집한 후 FHWA에서 제공한 권장 리벳강도와 비교하였다.
< 그림 3-3 대상교량 #2 BR 21-36 >
< 그림 3-4. 대상교량 BR 101-217 >
4. 연구결과
• TEP 절차는 강 트러스교량의 거셋 플레이트의 강도를 평가하고 3가지의 주요 검토사항인 거셋 플레이트의 항복, 거셋 플레이트의 좌굴 및 연결부재 강도를 파악하기 위해 개발되었다. 트러스 부재의 강도를 검토하기 위해 다음과 같은 권고사항을 제시한다.
1) 거셋 플레이트 압축 및 인장 항복 : 전 연결부재에 대한 Fy/v3 수치를 30° 분포각을 이용하여 최대 Whitmore 응력을 비교 검토한다. 여기서 Fy는 거셋 플레이트의 항복응력을 나타낸다.
2) 거셋 플레이트 좌굴 : AASHTO LRFD(AASHTO 2007) 기준의 좌굴방정식에서는 거셋 플fp이트의 좌굴 평가 시 유효길이 계수 K 값을 1.0을 사용하도록 권고하고 있다. 또한 비지지 길이는 거셋 플레이트 지지부 다음 기준선(일반적으로 거셋 플레이트와 연결부재 연결부의 리벳 이음선)에서부터 압축부재의 끝단 거리를 적용하는 것을 권장하고 있다. 이때 작용응력과 좌굴응력을 파악하기 위해 45° 의 분산각을 사용할 것을 권고하고 있다.
< 그림 2-2 거셋 플레이트의 일반형상 및 전단강도 추정 단면 위치 >
< 그림 4-4 3 교량 거셋 플레이트의 유한요소 모델링 >
• TEP 방법은 FHWA 권고사항 결과와 비교하여 거셋 플레이트 강도추정 시 보수적인 결과치를 도출하는 것으로 분석되었으며, FHWA 권고사항을 도입할 경우 안전한 것으로 판단되는 같은 연결부재에 대해 사용하중에 대한 결과치가 1.0 보다 작은 비율 즉, 안전도를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 더욱이, 거셋 플레이트의 항복판정은 FHWA 권고사항에 의한 결과와 정확히 일치하지 않는 것으로 나타났다.
< 그림 5-3 거셋 플레이트의 응력 간섭 개념도 >
• FHWA의 권고안에 의한 리벳강도는 과거의 이력 데이터와 비교해 볼때 대단히 보수적인 것으로 나타났다. 여기서, 이 리벳강도는 WSDOT가 선정한 3개의 교량에 있는 대부분의 거셋 플레이트의 안전성을 지배하는 것으로 나타나 이로 인하여 연결부의 평가지수가 1.0 보다 낮은 수치가 나올 수 밖에 없는 상황의 요인이 되었다.
5. 결론
• 현재 거셋 플레이트의 안전도 평가에 적용하도록 권고하고 있는 FHWA 절차는 사용하중 상태에서 붕괴위험에 처한 강트러스 교량의 거셋 플레이트를 정확히 판별하지 못한다. 해석결과를 분석하면 거셋 플레이트에는 연결부재들의 부재력의 상호작용으로 인한 상당히 복잡한 응력상태를 나타내고 있으며, 연결부 각 부재들은 항복응력 대비 상당한 저응력을 받는 상황에서도 Whitmore 단면에 평행한 응력상태에 놓일 경우 이러한 복잡한 응력상태로 인하여 항복이 진행될 수 있다. 좌굴로 인한 항복이 발생한 거셋 플레이트를 파악하기 위한 대단히 간단하고 보수적인 방법을 개발하기 위하여 단순한 역학관계를 사용하였다. 거셋 플레이트의 손상은 이 triage 평가로서도 아직까지는 적절하게 평가할 수 있지만 보다 자세한 분석이 필요하다. 상세한 유한요소 해석결과로서 이 방법이 대단히 보수적으로 거셋 플레이트의 항복 여부를 파악하며 FHWA 지침서에 나타난 절차와 비교하여 훨씬 일관성 있게 보수적인 해답을 주는 동시에, 오히려 FHWA 방법 보다도 훨씬 속도도 빠르고 쉬운 절차를 가지고 있음을 증명하였다. 이러한 Triage Evaluation Procedure(TEP) 방법을 사용하여 부재의 항복 여부를 검토하기 위해서 자동수행이 가능한 스프레드 쉬트가 작성 되었으며, 이를 부록에 수록하였다.
• 거셋 플레이트 좌굴은 실제 적정한 거셋 플레이트 두께를 가지고 있을 경우에는 어떤 경우에도 거셋 플fp이트의 항복이전에 먼저 발생하는 경우는 나타나지 않는다. 좌굴현상이 우려되는 경우는 수정 Thornton Method를 사용하여 거셋 플레이트의 비지지 길이 및 압축응력을 유효길이 계수 1.0을 적용하여 본석하는 것이 보다 보수적인 해를 얻을 수 있으며, 이때 좌굴 방정식은 AASHTO 기준의 식을 적용한다. 이 방법은 TEP 방법의 좌굴 여부 판단항목으로 포함되어 있으며 자동 스프레드 쉬트 형식으로 구성되어 있다.
• 워싱턴 주의 3개 교량에 대해 적용한 결과 제안된 TEP 방법은 대단히 간편하고 보수적인 해를 제공하는 것으로 파악되었다. 이 방법으로 얻은 평가지수(RFs)들은 FHWA 지침서에 나타난 값들 보다 대단히 보수적인 결과를 나타내고 있으며 사용하중과 운용하중을 재하하여 적용하였을 때 극히 일부의 연결부만이 추가적인 조사가 필요한 것으로 파악되었다.(다시말하면 평가지수가 1.0 보다 작은 수치가 나타났다.)
• FHWA 지침서에서 권장하는 방법에 의한 리벳강도를 적용하여 RFs 값을 도출하는데 적용하였는데, 그 결과 대상 3개 교량의 많은 연결부에서 평가지수가 1.0 에 못 미치는 것으로 분석되었다. 이러한 FHWA 권장 리벳강도와 문헌에서 나타난 실험에 근거한 리벳강도와 비교해 볼 경우 이 FHWA 제안치는 비록 수 년 간 의 공용기간을 거친 리벳에 대한 실험적인 연구가 추가적으로 필요하긴 하지만 너무 과도하게 보수적인 값이라는 결론을 얻을 수 있었다.
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초록(Abstract)
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