무도상 철도판형교의 비틀림 저항성 향상을 위한 수평브레이싱 보강효과 연구 = Investigation on Lower Horizontal Bracing Reinforcement to Improve Torsional Resistance of Ballastless Railway Plate Girder Bridges

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 하부에 수평브레이싱이 존재하지 않아 개단면의 형태로 Ⅰ형 거더가 병렬되어 있는 2거더 철도판형교의 하부를 수평브레이싱으로 보강하였을 때, 수평브레이싱으로 보강된 2거더 철도판형교에 대하여 () 관계곡선을 이용하여 2거더 철도판형교 하부의 수평브레이싱보강에따른비틀림저항의적정성여부를검토하였다.다음으로()관계곡선을 이용하여 이론적으로 비틀림검토를 수행한 보강형상에 유한요소해석을 수행하여 이론적으로 산정된 비틀림보강의 적정성과 유한요소해석으로 확인된 비틀림보강의 적정성 여부를 비교․검토하였다. 유한요소해석 검토결과를 이용하여 현재 공용중인 무도상 철도판형교에 적용할 수 있는 효율적인 하부 수평브레이싱 보강형상을 제안하였으며, 제안한 보강형상에 대하여 보강된 하부 수평브레이싱을 등가의 얇은 판으로 치환할 수 있는 등가두께() 산정식을 제시하였다. 2개의 거더 사이의 하부가 수평브레이싱으로 보강되어 있지 않은 실제 2거더 철도판형교와 기존의 연구에서 제시되어 있는 하부 수평브레이싱 보강형상으로 보강된 2거더 철도판형교에 하부 수평브레이싱이 보강되는 설치위치를 달리하여 비틀림보강에 유리한 하부 수평브레이싱 설치위치를 제시하였다. 또한, 기존의 보강되지 않은 2거더 철도판형교와 2개의 거더 사이의 하부를 수평브레이싱으로 보강한 2거더 철도판형교에 철도하중을 동적으로 재하하고 유한요소해석을 수행하여 철도하중 통과시 위험단면에서의 최대 비틀림각변화율()을 비교하는 방법으로 기존에 공용중인 2거더 철도판형교의 비틀림저항성 확보정도를 검토하였다.

첫 번째로, ()관계곡선을 이용하여 양단이 단순지지된 2거더 철도판형교의 지간의 중앙에서 단면의 중심에 비틀림모멘트가 작용할 때 2거더 철도판형교의 비틀림 보강이 필요한 범위를 이론적으로 제시하였다. 다음으로 하부 수평브레이싱의 보강 없이 공용중인 실제의 개단면 2거더 철도판형교와 2개의 거더 사이를 수평브레이싱으로 보강한 2거더 철도판형교 보강형상에 대하여 ()관계곡선을 이용하여 2거더 철도판형교의 보강형상별로 하부 수평브레이싱 보강에 따른 비틀림 저항성을 적정하게 확보하고 있는지의 여부를 이론적으로 검토하였다.

두 번째로, ()관계곡선을 이용하여 이론적으로 비틀림 저항성을 검토한 실제 공용중인 2거더 철도판형교와 2개의 거더 사이의 하부를 수평브레이싱으로 보강한 2거더 철도판형교를 유한요소해석 모델링하고 지간의 중앙, 단면의 중심에 비틀림하중을 재하하고 비틀림각변화율()을 확인하는 방법으로 유한요소해석을 수행하여 2거더 철도판형교의 보강형상에 따른 비틀림 저항성 확보정도를 이론적으로 산정된 결과와 비교․검토하였다. 유한요소해석 검토결과를 이용하여 효율적으로 비틀림 저항성을 향상시킬 수 있는 2거더 철도판형교의 하부 수평브레이싱 보강형상을 제안하였으며, 제안한 2거더 철도판형교의 하부 수평브레이싱 보강형상의 등가두께() 산정식을 제시하였다.

세 번째로, 무도상 2거더 철도판형교의 하부를 수평브레이싱으로 보강하였을 때 하부 수평브레이싱의 보강형상에 따른 등가두께() 차이, 보강하는 하부 수평브레이싱의 설치위치에 따른 유사폐합단면의 크기 차이가 무도상 2거더 철도판형교의 비틀림 저항성에 미치는 영향을 검토하기 위하여 2거더 철도판형교의 2개의 거더 사이를 보강하는 하부 수평브레이싱의 보강형상 및 설치위치를 달리하여 지간의 중앙, 단면의 중심에 비틀림하중을 재하하고 비틀림각변화율()을 확인하는 방법으로 유한요소해석을 수행하여 2거더 철도판형교의 보강형상별 비틀림 거동특성을 비교․검토하였다. 다음으로 기존의 보강되지 않은 실제 공용중인 무도상 2거더 철도판형교와 2개의 거더 사이를 하부 플랜지 위치에서 수평브레이싱으로 보강한 무도상 2거더 철도판형교 모델에 대하여 철도하중을 동적으로 재하하고 철도하중 통과시의 위험단면에서의 최대 비틀림각변화율()을 비교하는 방법으로 유한요소해석을 수행하여 열차하중 재하시 기존 교량의 비틀림 저항성 확보여부를 검토하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 기존의 연구 1
• 1.2 연구내용 및 목적 10
• 1.3 논문의 구성 13
• 제 2 장 무도상 철도판형교의 비틀림거동 15
• 2.1 서론 15
• 2.2 비틀림보강 범위산정 17
• 2.2.1 양단 단순지지 보의 비틀림 거동 17
• 2.2.2 관계곡선 18
• 2.2.3 비틀림보강 필요범위에 대한 검토 20
• 2.3 비틀림 보강효과 해석방법 22
• 2.3.1 해석대상 교량 22
• 2.3.2 비틀림 보강형상 22
• 2.3.3 하부 수평브레이싱 보강형상에 따른 비틀림 보강효과 검토절차 23
• 2.4 하부 수평브레이싱 형상에 따른 비틀림 보강효과 25
• 2.4.1 보강형상의 등가두께(), 비틀림상수() 및 뒤틀림상수() 산정 25
• 2.4.2 비틀림상수비() 산정 및 보강형상별 비틀림보강 적정성 검토 29
• 2.4.3 브레이싱의 설치간격 변화에 따른 비틀림 보강효과 32
• 제 3 장 비틀림 저항성을 고려한 하부 수평브레이싱 보강모델 제안 35
• 3.1 서론 35
• 3.2 유한요소해석을 이용한 비틀림 보강효과 검토 38
• 3.2.1 비틀림 산정이론 38
• 3.2.2 2거더 철도판형교 보강모델의 비틀림상수(), 등가두께() 산정 40
• 3.2.3 비틀림상수비() 산정 및 보강형상별 비틀림보강 적정성 검토 49
• 3.3 교량 시·종점부 횡방향 보강재를 제거한 철도판형교의 비틀림 저항성 검토 53
• 3.3.1 2거더 철도판형교 해석모델(Modified RF-0) 선정 53
• 3.3.2 보강모델의 비틀림상수(), 등가두께() 산정 53
• 3.3.3 비틀림상수비() 산정 및 보강형상별 비틀림보강 적정성 검토 57
• 3.4 2거더 철도판형교의 보강방법 제안 59
• 3.4.1 2거더 철도판형교의 보강모델의 제안 필요성 및 기존 이론식의 한계점 59
• 3.4.2 횡방향 브레이싱만 보강된 모델의 비틀림해석 62
• 3.4.3 보강모델의 등가두께() 산정식 및 효율적인 횡방향 보강모델 제안 66
• 제 4 장 수평브레이싱 보강형상 및 설치위치에 따른 철도판형교의 비틀림보강 적정성 검토 71
• 4.1 서론 71
• 4.2 수평브레이싱이 설치된 철도판형교의 거동 74
• 4.2.1 수평브레이싱이 설치된 철도판형교의 거동특성 74
• 4.2.2 2거더 판형교의 횡비틀림좌굴강도 79
• 4.2.3 거더와 하부 수평브레이싱의 설치위치에 따른 유사폐합단면의 변화 80
• 4.3 무도상 2거더 철도판형교 해석모델 산정 83
• 4.3.1 무도상 2거더 철도판형교 해석모델 제안 83
• 4.3.2 유한요소해석을 이용한 보강모델의 비틀림상수(), 등가두께() 산정 85
• 4.3.3 비틀림상수비() 산정 및 보강형상별 비틀림보강 적정성 검토 90
• 4.4 철도하중 재하를 통한 기존 교량의 비틀림 저항성 검토 92
• 4.4.1 철도하중 재하를 통한 무도상 철도판형교의 비틀림 저항성 검토 92
• 4.4.2 무도상 2거더 철도판형교의 유한요소해석 모델링 93
• 4.4.3 철도하중 재하에 따른 최대 비틀림각변화율()비교 101
• 제 5 장 결론 103
• 참고문헌 106
• 감사의글 111