1단 수평보강 곡선 플레이트거더의 보강재 휨강성에 대한 예비 연구

만경록,박용명,김병준,씨에청청 한국강구조학회 2019 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.31 No.6

본 연구에서는 강재 곡선거더에서 수평보강재로 웨브 1단 보강 시 보강재 필요 휨강성을 평가하였다. 곡선거더는 곡률로 인해 휨 거동이 직선거더와는 다르므로 대부분의 교량설계기준에서는 수평보강재가 곡률중심 쪽(내측) 또는 반대쪽(외측)에 설치되는경우를 구분하여 보강재의 필요 휨강성을 제시하고 있다. 직선거더 대비 곡선거더에서 보강재 필요 휨강성은 재료 및 기하비선형해석으로부터 평가하였다. 항복강도 355 MPa 강재거더에 대해 웨브 패널의 형상비, 곡률반경, 보강재의 위치(내측 또는 외측)를 매개변수로 고려하였으며, 곡선거더에서 보강재의 필요 휨강성은 직선거더와 동등한 수준의 휨강도가 얻어질 때로 설정하였다. 해석결과에 근거하여 AASHTO LRFD 교량 설계기준 대비 수평보강재의 휨강성에 대해 수정된 식을 잠정적으로 제안하였다. The bending rigidity required of longitudinal stiffeners in curved steel girders stiffened with single stiffener was investigated. Bending behaviour of curved girder is different with that of straight girder due to curvature. Therefore, most bridge design specifications stipulate the required bending rigidity of the stiffeners for the cases where the stiffener is on the side of the web toward(inside) or away(outside) from the center of curvature, separately. The required bending rigidity in curved girders versus straight girders was evaluated through material and geometric nonlinear analysis. Yield strength of 355 MPa steel was considered and aspect ratio of web panel, radius of curvature, and location of stiffeners(inside or outside) were included as major parameters. The bending rigidity of the stiffeners required in the curved girder was assumed when the same level of flexural strength in straight girder is obtained. Based on the numerical results, a modified equation for the bending rigidity of the longitudinal stiffeners against AASHTO LRFD bridge design specifications was tentatively proposed.

콘크리트 충전 반원기둥보강재가 적용된 플레이트 거더의 뒤틀림 강도 증가를 통한 횡비틀림 좌굴 강도의 검토

천진욱,이승후,백승철,김선희 대한토목학회 2023 대한토목학회논문집 Vol.43 No.5

횡비틀림 좌굴은 가설 중 붕괴 사고 등의 안전사고를 유발할 수 있기 때문에 설계단계에서 좌굴에 대한 정확한 안전성 검토가 이루어져야 한다. 횡비틀림 좌굴을 방지하기 위한 방안으로 단부 보강을 통해 거더의 뒤틀림 강도 증가시키거나 크로스 프레임 설치를 통해 비지지길이를 감소하는 방법 등이 있다. 크로스 프레임은 바닥판 합성 이후 구조적 역할이 적은 반면 재료비와 설치비에 따른 인건비 비중이 매우 크며, 용접부의 피로 균열로 인해 유지관리 성능을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다. 콘크리트 충전 반원기둥보강재를 통한 단부 보강 공법은 반원기둥 형태의 보강재를 통해 플레이트 거더의 단부를 보강하는 공법으로 거더 자체의 뒤틀림 강성을 증가시켜 횡비틀림 좌굴 강도를 증가시킨다. 이 연구에서는 콘크리트 충전 반원기둥보강재가 적용된 플레이트 거더의 뒤틀림 강도 증가로 인한 횡비틀림 좌굴 강도의 영향을 검토하기 위하여 설계식에 의한 결과와 유한요소해석의 결과를 비교하였고 실물재하실험을 통해 검증하였다. 설계식은 경계조건의 구속과 관련된 유효길이계수를 적용하고 있는 Eurocode의 설계식을 사용하였으며 결과를 검증하기 위하여 다양한 단면의 유한요소해석을 수행하였다. 이후 횡방향 하중을 통해 뒤틀림을 받는 거더의 실물재하실험을 수행하여 콘크리트 충전 반원기둥보강재의 성능을 확인하였다. 그 결과 CFHPS가 적용된 플레이트 거더는 기존 판형 보강재가 적용된 플레이트 거더와 비교하여 뒤틀림 강도가 증가하였으며 그로 인해 횡비틀림 좌굴 강도가 증가하는 것으로 확인되었다. Lateral torsional buckling causes safety accidents such as collapse accidents during erection. Therefore, an accurate safety design should be conducted. Lateral torsional buckling can be prevented by reinforcing the end or reducing the unbraced length. The method of reducing the unbraced length by installing a cross frame has high material and installation costs and low maintenance performance. In addition, structural safety may be deteriorated due to cracks. The end reinforcement method using Concrete Filled Half Pipe Stiffener is a method of reinforcing the end of a plate girder using a stiffener in the form of a semi-circular column. This method increases the warping strength of the girder and increases the lateral torsional buckling strength. In this study, the effect of increasing the warping strength of plate girders with concrete filled half pipe stiffeners was confirmed. To verify the effect, the results of the design equation and the finite element analysis were compared and verified through a experiment. As a result, the plate girder with CFHPS increased the warping strength and confirmed that the lateral torsional buckling strength was increased

강박스거더교 가로보 니브레이스(Knee Brace)의 보강효과

길흥배,장갑철,강상규,이일근,Gil, Heung Bae,Jang, Gab Chul,Kang, Sang Gyu,Lee, Il Keun 대한토목학회 2009 대한토목학회논문집 A Vol.29 No.3A

최근 강박스거더교량 가로보와 박스거더 연결부에 니브레이스(Knee-brace) 설치가 일반화 되어있다. 니브레이스는 가로보-박스거더 연결부의 응력완화 및 횡변형 방지를 목적으로 설치되는 보강재나, 구조적 보강효과에 대해서는 아직 명확하지 않다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통하여 니브레이스의 보강효과를 검토하였다. 가로보-박스거더 높이비와 니브레이스 유무를 변수로한 구조해석을 통하여 부재별 응력흐름, 응력수준과 가로보 처짐을 검토하였다. 그리고 수치해석결과의 비교를 통하여 니브레이스의 보강효과를 평가하였다. 유한요소해석 결과는 니브레이스가 박스거더-가로보 연결부의 보강재로서 응력완화 및 구조적 보강효과가 매우 낮음을 보이고 있다. Recently, a knee brace is usually installed in connection between cross-beam and main-girder of steel box-girder bridges. The knee brace is installed as a structural stiffener and mainly aims to relieve stress at joints and to prevent main-girder from lateral deformation. However, research on the knee brace is insufficient to obviously evaluate the necessity. The stiffened effect of knee brace is determined by using finite element analyses. Stress distribution, stress level of members and deflection of the cross-beam are evaluated by parametric FE analysis for the installation of knee brace and the depth ratio of cross-beam/steel box girder. It is seen from comparison of numerical analysis results that the knee brace installed in cross-beam of steel boxgirders bridges is not efficient as a structural stiffener with respect to stress relief and stiffened effect.

수평보강재로 1단 보강된 강재 거더의 웨브 세장비와 보강재 강성 변수에 대한실험 연구

박용명,김병준,김희순,만경록 한국강구조학회 2018 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.30 No.6

The AASHTO LRFD Bridge Design Specifications stipulates two requirements for the bending rigidity of the longitudinal stiffeners; formation of a buckling nodal line and securing the buckling strength of the T-section composed of a stiffener and a part of the web. Therefore, the required rigidity of the stiffener is related to the web slenderness ratio(D/tw) and yield strength of steel. In this study, an experimental study was carried out on the steel girders stiffened with single stiffener considering the web slenderness ratio and the rigidity of stiffeners as variables. Two cases of web slenderness ratios 331 and 247 were selected and total six girders were tested for the unstiffened and stiffened webs with two different stiffener rigidity for each slenderness ratio. Based on the tests, a required rigidity of the stiffener to reach the yield moment according to the web slenderness ratio was investigated. In addition, the stiffener rigidity requirements of AASHTO and Eurocode 3 were compared and possible shortcomings were analyzed by taking into consideration the web slenderness ratio, yield strength of girder and stiffener. AASHTO LRFD 교량 설계 기준에서는 수평보강재의 휨강성 요건으로서 좌굴 nodal line의 형성과 보강재와 웨브 일부분으로 구성된 T-단면의 좌굴강도 확보의 두 가지를 규정하고 있다. 따라서, 보강재의 필요 강성은 웨브 세장비(D/tw)와 강재의 항복강도와 연계가 된다. 본연구에서는 웨브를 1단 보강한 강재 거더에서 웨브 세장비와 보강재 휨강성 변수에 대한 실험 연구를 수행하였다. 웨브 세장비는 331과 247의두 경우를 고려하였으며, 각 세장비에 대해 비보강 및 두 가지 보강재 강성을 고려하여 총 6개의 거더에 대해 실험을 수행하였다. 실험 결과로부터웨브 세장비에 따라 항복모멘트에 도달하기 위해 필요한 보강재의 휨강성을 분석하였다. 아울러 웨브 세장비, 거더와 보강재의 항복강도 변수를고려하여 AASHTO 및 Eurocode 3 기준의 보강재 강성 요건을 비교하고 문제점을 분석하였다.

다단계 온도프리스트레싱을 이용한 강거더교의 보강에 관한 연구

김상효,김준환,김준환,Kim, Sang Hyo,Kim, Jun Hwan,Ahn, Jin Hee 한국강구조학회 2006 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.18 No.6

교량의 보강공법으로 주로 사용되는 외부강봉을 이용한 후인장공법은 적용범위가 넓고 교량의 극한 및 항복에 대한 강성을 증가시켜 휨 보강 효과가 뛰어나지만, 모재접합부의 응력집중, 비효율적인 하중분배, 고정앵커부설치, 유지관리의 어려움 등의 단점이 있다. 본 연구는 기존의 외부강봉을 이용한 후인장공법이 가지는 단점을 보완하고 강판접합공법의 장점을 접목한 새로운 개념의 보강공법으로 커버플레이트의 열변형 특성을 이용한 다단계 프리스트레싱 보강공법을 제안하고자 한다. 커버플레이트의 열변형 특성을 이용한 다단계 프리스트레싱 보강공법은 커버플레이트를 다단계로 가열하여 가열단계별로 거더의 하부플랜지에 고장력볼트로 접합한 뒤, 열원을 제거하여 발생하는 다단계 수축력을 보강에 필요한 프리스트레싱력으로 이용하는 보강공법이다. 커버플레이트의 다단계 프리스트레싱에 의한 보강효과는 커버플레이트의 온도분포와 가열구간에 따라 결정되므로 본 연구에서는 커버플레이트의 열전달 모형실험 및 강거더 모형 실험을 통하여 커버플레이트의 열전달해석과 프리스트레스 도입효과를 분석하였으며, 단경간 강거더 교량을 대상으로 제안된 보강공법의 효율성 및 적용성을 검토하였다. Traditional external post-tensioning method using either steel bars or tendons is commonly used as a retrofitting method for steel composite bridges. However, the method has some disadvantages such as stress concentration at anchorages and inefficient load-carrying capability of live loads. Multi-stepwise prestressing method using thermal expanded coverplate is a newly proposed prestressing method, which was originally developed for prestressing steel structures. A new retrofitting method for steel girder bridges founded on a simple concept of thermal expansion and contraction of cover plate, the method is a hybrid of and combines the advantages of external post-tensioning and thermal prestressing. In this paper, basic concepts of the method are presented and an illustrative experiment is introduced. From actual experimental data, the thermal prestressing effect was substantiated and the FEM approach for its analysis was verified. The retrofitting effects ofa single-span bridge were analyzed and the feasibility of the developed method was examined.

비부착 압축 프리스트레싱을 도입한 중공박스 거더의 거동

김성배(Kim Sung Bae),김장호(Kim Jang-Ho),김태균(Kim Tae Kyun),어철수(Eoh Cheol Soo) 대한토목학회 2010 대한토목학회논문집 A Vol.30 No.3A

일반적으로 PSC 거더 교량은 철근 콘크리트 부재와 달리 전단면을 사용하여 외부하중을 저항한다. 또한 설계와 시공의 용이성, 구조적 안전성, 경제성, 유지관리의 편리성 등의 장점 때문에 30 m 이하의 중/소 경간 교량에 많이 적용되고 있다. 그러나, 최근 전세계적으로 환경, 미관 등에 관심이 높아짐에 따라, 교량의 경간은 점점 길어지는 추세이다. 이러한 추세는 케이블 교량뿐만 아니라 PSC 교량에서도 나타난다. 본 연구는 시대적 흐름에 맞춰 PSC 거더를 50 m 이상의 장경간에 적용하기 위한 연구의 일환으로 상부에 H형 강재가 도입된 중공 박스 합성거더를 개발하였다. 개발된 거더는 타설 전 상부에 H형 강재에 미리 비부착 압축 프리스트레스를 주어 거더의 성능저하 시 프리스트레스력을 제거하여 성능을 회복시키는 방법이다. 개발된 거더는 실제 교량에 사용하기위한 필수적인 정적실험을 3점 재하로 4단계로 구분하여 수행하였다. 1차 하중은 균열발생시점까지로 하였으며, 하중 제거 후 미리 상부강재에 도입된 프리스트레스력을 제거하여 거더의 성능회복력을 확인하였다 그 후, 거더가 파괴될 때까지 하중을 재하하였다. 실험 결과, 18.7 ㎜의 잔류변형이 발생하였으나, 상부 강제의 PS 제거에 의해 7.7 ㎜로 회복되었다. 즉, 상부 H형 강재에 도입된 비부착 압축프리스트레스의 제거에 의한 거더 하연의 추가 압축응력으로 하중 증가에 따른 잔류변형을 약 60%가량 회복시키는 성능향상을 보였다. 상부에 H형 강재를 시공함으로써 추후 보수보강을 용이하게 할 수 있고, 비용도 절감할 수 있다. Generally, PSC girder bridge uses total gross cross section to resist applied loads unlike reinforced concrete member. Also, it is used as short and middle span (less than 30 m) bridges due to advantages such as ease of design and construction, reduction of cost, and convenience of maintenance. But, due to recent increased public interests for environmental friendly and appearance appealing bridges all over the world, the demands for longer span bridges have been continuously increasing. This trend is shown not only in ordinary long span bridge types such as cable supported bridges but also in PSC girder bridges. In order to meet the increasing demands for new type of long span bridges, PSC hollow box girder with H-type steel as compression reinforcements is developed for bridge with a single span of more than 50 m. The developed PSC girder applies compressive prestressing at H-type compression reinforcements using unbonded PS tendon. The purpose of compressive prestressing is to recover plastic displacement of PSC girder after long term service by releasing the prestressing. The static test composed of 4 different stages in 3-point bending test is performed to verify safety of the bridge. First stage loading is applied until tensile cracks form. Then in second stage, the load is removed and the girder is unloaded. In third stage, after removal of loading, recovery of remaining plastic deformation is verified as the compressive prestressing is removed at H-type reinforcements. Then, in fourth stage, loading is continued until the girder fails. The experimental results showed that the first crack occurs at 1,615 kN with a corresponding displacement of 187.0 ㎜. The introduction of the additional compressive stress in the lower part of the girder from the removal of unbonded compressive prestressing of the H-type steel showed a capacity improvement of about 60% (7.7 ㎜) recovery of the residual deformation (18.7 ㎜) that occurred from load increase. By using prestressed H-type steel as compression reinforcements in the upper part of cross section, repair and rehabilitation of PSC girders are relatively easy, and the cost of maintenance is expected to decrease.

PSC 합성형 거더의 극한휨강도에 시공이력 및 CFRP 판의 보강이 미치는 영향

이재석 ( Jae Seok Lee ),최규천 ( Kyu Chon Choi ) 충북대학교 건설기술연구소 2012 建設技術論文集 Vol.31 No.2

이 논문 에서는 외부 부착 보강재로 보강된 PSC 합성형 거더의 시공이력을 고려한 비선형 해석방법을 제시하고 합성형 시공에 따른 시공 이력과 CFRP 판의 보강이 PSC 합성형 거더의 휨강도에 미치는 영향을 해석적으로 검토하였다. 실제 활용되고 있는 표준 PSC I 거더를 대상으로 이 논문에서 제시한 해석방법을 적용하요 비부착 CFRP 판으로 긴장하기 전에 PSC I 거더가 일괄적으로 시공되었다고 가정한 경우와 시차를 두고 분리해서 시공 되었다고 가정한 경우에 대한 비선형 해석을 수행하여 해석결과를 비교했다. 거더의 처짐과 합성 단면 내에서의 응력분포 및 긴장재의 인장력은 물론 휨강도가 보강재의 영향으로 개선되는 것을 정략적으로 확인할 수 있었으며 더불어 시공이력에 따라 무사할 구 없을 정도의 차이를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 CFRP 판으로 보강되는 PSC 합성형 거더의 극한 내력을 상대적으로 정확히 추정하기 위해서는 외부 부착 보강재의 영향에 대변화를 모두 고려할 수 있는 시공간계 해석이 중요함을 확인하였다. An analytical study for the nonlinear analysis method of flexural behavior of the composite concrete girder with unbonded CFRP plate is presented. In addition, effects of strengthening with CFRP plate and construction history` on the flexural strength of the PSC composite girder is investigated. The composite concrete girders with unhanded CFI{P plates exhibit the complex nonlinear behaviors due to the errects or frictional forces between the concrete girders and the CFRP plates in addition to the usual time-dependent nonlinear characteristics or composite concrete girders due to the difference between the casting dates. The unbonded CFRP plate is modeled as a series of the CFRP plate segments each of which is linked to the composite concrete girder element, with slip with the frictional resistance to simulate the unbonded behavior of the CFRP plate. To evaluate the applicability of the proposed analysis method, a standard 30m-span PSC composite concrete girder which is widely used in the domestic bridge industry is analyzed considering the effect of construction history. It is found that the strengthening` with CFRP plate as well as construction history has appreciable effects on the deflections and the flexural strength of the PSC composite girder.

수평보강재로 1단 보강된 플레이트거더의 휨강도 평가 방안 연구

김병준,박용명,미키타 코발렌코,조광일,Kim, Byung Jun,Park, Yong Myung,Mykyta, Kovalenko,Cho, Kwang Il 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.29 No.4

현재의 AASHTO LRFD 및 Eurocode 3 기준은 수평보강 플레이트거더의 휨강도를 과소 평가하는 것으로 나타났다. 이는 웨브보강으로 인한 웨브-플랜지 상호작용을 적절히 고려치 않는 것에 그 원인이 있다. 즉, 웨브 보강 시 압축플랜지의 회전을 구속하는 효과가 증가하여 압축플랜지의 좌굴강도가 증가한다. 또한 압축플랜지와 수평보강재가 웨브의 회전을 구속함으로써 웨브의 일정 영역이 항복강도에 도달하게 된다. 본 연구에서는 수평보강재로 1단 보강된 플레이트 거더에 대해 압축플랜지의 좌굴강도 증가와 웨브의 실제 응력분포를 고려하여 휨강도를 합리적으로 평가하기 위한 모델을 제안하였다. 일반강(SM490) 및 고강도강(HSB800) 플레이트거더에 대해 비선형해석으로부터 휨강도를 평가하고 본 제안 모델의 적용성을 분석하였다. The current AASHTO LRFD and Eurocode 3 specifications have been found to underestimate the flexural strength of longitudinally reinforced plate girders. This is because the web-flange interaction is not considered appropriately when a web is reinforced. The buckling strength of compression flange increases due to the improved rotational restraint to the compression flange. Also, the compression flange and the longitudinal stiffener could constrain the web rotation, so that a certain area of the web reaches yield strength. In this study, a model for evaluating the flexural strength is proposed for plate girders reinforced with one line of longitudinal stiffeners, considering the increase of the buckling strength of the compression flange and the actual stress distribution of the web. The flexural strengths of the conventional steel(SM490) and the high-strength steel(HSB800) plate girders were evaluated from the nonlinear analysis and the applicability of the proposed model was analyzed.

2거더교의 수직보강재 연결상세부의 피로설계에 관한 연구

권순철,경갑수,박진은,Kwon, Soon Cheol,Kyung, Kab Soo,Park, Jin Eun 한국강구조학회 2009 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.21 No.1

2거더 플레이트교는 주부재인 바닥판과 거더, 2차부재인 가로보, 수직보강재 및 수평보강재 등으로 구성되어 있다. 2거더교는 AASHTO와 국내의 도로교설계기준에는 하나의 거더가 손상되면 그 교량의 기능과 안전성에 문제가 야기되는 단재하 경로 구조로 규정되어 있다. 이러한 이유 때문에 2거더교의 피로균열은 교량의 안전성에 심각한 영향을 줄 수 있다. 따라서 본 논문에서는 2거더교에서 피로균열 발생 가능성이 높은 수직보강재와 거더 복부의 연결부를 대상으로 수직보강재 스캘럽 곡률반경 및 복부두께를 변화시키면서 피로 평가를 수행하였다. 이 결과에 기초하여 피로에 유리한 구조상세 및 간이 평가식을 제안하였다. Two-girder bridge is composed of primary members such as deck slab and main girder, and secondary member such as cross beam, vertical and horizontal stiffeners etc,. Two-girder bridge is prescribed as a non-redundant load path structure in the ASSHTO and the Korean Highway Bridge Design Code. Such structure is that if one girder is damaged, problems of function and safety of the bridge are caused. From the reasons, fatigue cracks in two-girder bridge can affect safety of the bridge seriously. Therefore, in this paper, fatigue evaluation was performed at connection parts of vertical stiffener and web with radius of curvature of scallop of vertical stiffener and thickness of web as variables. Such joint is known as a detail which has high possibility of fatigue crack in the bridge. Based upon the analytical results, preferable joint detail in terms of fatigue and simple empirical formula for fatigue evaluation of the detail were suggested.

플레이트 거더의 수평보강재 필요 강성에 관한 해석적 연구

이건준,박용명,김병준,박찬희,Lee, Kun Joon,Park, Yong Myung,Kim, Byeong Jun,Park, Chan Hee 한국강구조학회 2016 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.28 No.1

본 연구에서는 판 형상의 수평보강재가 한쪽에만 설치되는 통상적인 보강 웨브에서 수평보강재의 필요 강성에 대한 해석적 연구를 수행하였다. 실제 교량용 플레이트 거더는 대부분 비대칭 단면이지만 제작성을 감안하여 수평보강재를 통상 웨브 높이의 1/5인 0.2D 부근에 설치하고 있다. 이러한 점을 감안하여 보강재가 0.16D~0.24D 범위에 설치되는 조건에 대해 단면의 비대칭성과 웨브의 형상비를 고려하여 수평보강재의 강성비(${\gamma}^*$)에 따른 고유치 해석을 수행하고 좌굴강도를 평가하였다. 이로부터 AASHTO LRFD 기준의 좌굴강도를 만족하는 수평보강재의 필요 강성을 제안하였다. A numerical study on required stiffness of the longitudinal stiffener in the webs stiffened with flat plate at one-side of the web was conducted. The longitudinal stiffeners are commonly placed around 0.2D, i.e., 1/5 the web depth due to fabrication convenience although most plate girders for bridges are unsymmetric section. Considering asymmetry of section, aspect ratio of web and the rigidity ratio of longitudinal stiffener(${\gamma}^*$), eigenvalue analysis were performed to evaluate the buckling strength for the webs with a stiffener located at 0.16D~0.24D. Based on the parametric analysis, the required stiffness of the longitudinal stiffener to satisfy the buckling strength specified in AASHTO LRFD specifications was presented.