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유광호 全南大學校 産業大學院 2004 국내석사
교각의 형태는 크게 강교각, 콘크리트 교각, 및 합성형식의 교각으로 나뉘어질 수 있다. 강교각의 경우 비용면에서는 콘크리트 교각에 비해 상대적으로 고가이나 강성 및 연성도가 우수하며 교각 자체의 무게가 가볍고, 건설기간이 짧다는 장점이 있다. 콘크리트 교각은 경제성은 뛰어나지만 교각 자중이 많이 나가고, 시공 속도가 느린 단점이 있다. 반면 합성교각의 한 형태인 콘크리트 충전형 합성교각의 경우 합성효과로 인해 단면이 작아지고, 외측강판이 콘크리트의 영구거푸집 역할을 해주어 시공속도가 빠르고 그 강도와 연성도 특성이 강교각이나 콘크리트 교각보다 월등히 우수하다. 이에 따라 뛰어난 내진성, 제한된 공간 및 건설기간이 요구되는 도심내의 교각과 같은 곳에 강합성 교각을 적용하기 위한 연구가 일본을 중심으로 진행되고 있다. 또한, 한계상태 설계법은 기존의 허용응력 설계법보다 일보 진전된 설계방법으로 한계상태, 다중 하중저항계수와 저항계수, 신뢰성에 대한 절대적 확률적 결정을 명확히 고려하고 있으며, 이러한 계수화 형식은 허용응력 설계법에서 저항(항복응력)을 안전계수로 나누기만 했던 것과는 다른 것으로 소성설계법에서 하중에 일반 하중계수를 곱하는 것과도 다른 것이다. 본 논문에서는 현재까지 축적된 연구결과를 기초로 하여 한계상태 설계법에 의해설계된 콘크리트 충전형 합성교각의 사례를 통하여 연구하였다. The types of piers can be classified into steel piers, concrete piers and concrete-filled steel piers. In steel case of steel piers, there are some advantages related to strength and ductility, weight and short construction period in spite of high costs when compared to RC piers. RC piers have economic benefit, but they are heavy and the rate of construction is slow. On the other hand, in the case concrete-filled steel piers, the smaller cross section can be used due to a composite effect. As a result, the rate of construction is fast because outside steel plates play a role in permanent concrete form. The quality of strength and ductility is excellent. Therefore, concrete-filled steel pters research has been conducted mainly in Japan, where its application is practical in highly populated urban regions. Limit State Design is more advanced then Allowable stress Design in existence. It is certainly consider probabitity decision to limit state, multy load resisting factor, resisting factor and reliability. Factor form is differently devided in resisting by safety factor in Allowable stress design. Plastic design method is different from that the general load factor multiple load. This paper focuses on the design of composite column by Limit State Design from the basis of accumulated results.
공기단축을 위한 내부구속 중공 조립식교각 코핑부의 실험적 연구
Construction technology has been developed along with technological innovation. However, there’s no dramatic improvement realized yet because of the way to reduce the term of construction work, mostly through working on site, has not been changed that much. In order to solve this problem, many researches about pre-fabricating bridging are going on right now but there are not that many researches going on about bridge cab yet. The entire production of coping part generally has been made on site, however, this research developed a pre-made coping part that enables fabrication only on site to reduce the total construction time. In this research, we designed and experimented on the fabricated bridge pier cab, coping part, using not only the reinforced concrete bridge generally constructed but also the coupler which connects both steel reinforcements and the tendon which makes divided segments one. In addition, we suggested and studied the pier – coping junction part which fits into the ICH-CFT fabricated column by performing the three kinds of experiment.
교각 주위의 흐름특성 분석을 위한 2차원 수치모형 개발
하천내에 교량과 같은 수공구조물을 설치할 경우 수공구조물로 인한 흐름의 변화를 분석하고 예측하는 것은 매우 중요하다. 이를 위해 물리적 상사성에 기초를 둔 수리모형실험과 수학적 표현에 기초를 둔 수치모형실험은 지금까지 많은 연구자들에 의해 수행되어져 왔다. 이 중 특히 수치모형 실험은 수리모형실험보다 시간 및 비용의 절감 등의 효과로 인해 관심 및 연구가 더욱 증가되고 있는 실정이다. 본 연구에서는 교량의 교각 주위의 흐름에 대한 거동을 수치적 기법을 통해 분석하였다. 지배방정식으로 2차원 연속방정식과 Navier-Stokes 방정식이 사용되었으며, 이를 Galerkin 유한요소법을 이용해 이산화 시키고, 상류이송문제를 해결하기 위해 Penalty 함수를 이용하였다. 본 연구에서 개발된 모형을 검증하기 위해 수리모형실험을 수행하였으며 교각 전·후면부, 좌·우 측면부에 대하여 유속분포를 비교 및 분석한 결과 전반적으로 유사한 경향을 보였다. 또한 본 연구에서 사용된 Penalty 함수의 매개변수에 대한 변화를 알아본 결과 매개변수의 값이 증가할수록 실험치에 보다 접근해 감을 알 수 있었으며, Penalty 함수의 매개변수인 r_ε = 10^10일 때 수리모형실험에서 얻어진 유속값과 유사함을 보였다. 본 연구에서 개발된 수치모형을 이용하여 원형, 트랙형, 그리고 직사각형의 교각 주위에 대한 흐름거동을 분석하였으며, 각각의 경우에 대해 교각의 전·후면, 좌·우측면부에서 계산된 유속분포를 비교 및 분석을 한 결과 전면부에서는 유속이 급격히 감소함을 보였으며, 후면부에서는 유속이 직사각형과 트랙형 교각에서는 폭의 약 1.0배되는 지점까지, 원형교각은 직경의 0.8배 되는 지점까지 급격하게 증가하다가 그 이후부터는 유입부 경계 유속값에 접근하면서 완만하게 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 좌·우 측면부에서 직사각형과 트래형 교각은 폭의 약 2.4배되는 지점까지, 원형교각은 직경의 2.2배되는 지점까지 유속이 증가하였다가 다시 감소하는 경향을 보였다. 이는 흐름이 교각에 의해 분리되어 주변의 흐름과 결합하여 생긴 현상으로 사료된다. 또한 세 가지 교각 형상의 1cm 전변부에서 흐름을 분석한 결과, 원형과 트랙형 교각에 비해 직사각형 교각이 흐름에 대해 보다 장애적인 요인이 될 수 있음을 알 수 있었다. 직사각형, 원형 그리고 트랙형 교각의 전·후면부에서 계산된 압력분포를 분석한 결과, 전면부의 경우, 유속에 대한 결과와는 반대로 원형 교각에서의 압력이 다른 두 교각의 경우에 비해 작았다. 또한 후면부에서의 압력은 세 경우 모두 교각으로부터 3배의 폭에 해당되는 거리까지 급격히 증가하였다가 일정한 값에 접근하는 경향을 나타내었다. It is important to analyze and predict flow around hydraulic structure in river such as bridge. Many researchers have studied through hydraulic and numerical model experiments. However, it has been increasingly studied with numerical model experiment, because it reduces time and cost than hydraulic model experiment. For this study, behavior of flow around bridge pier was analyzed by using numerical method. The governing equations we used were 2-D continuity equation and Navier-Stokes equation. These equations were specially formulated by the method of Galerkin finite element method. In order to solve the upwind problem, we used the penalty function method. In order to verify this numerical model, hydraulic model experiment is carried out, we compared the results obtained from numerical experiment with those from hydraulic experiment, at pier front, back, left and right-side about velocity. As a result of comparison, numerical model and hydraulic model results appeared similar tendency. In the sensivity analysis of penalty parameters, when Penalty parameter was increased, numerical model results approached to hydraulic model results. In our study, suitable Penalty parameter value was r_e = 10^10 Our numerical model was applied to cylinder, track and rectangular shape of piers, and we compared and analyzed velocity distributions at front, back, left, and right-side of piers. At pier front, velocities decreased abruptly, and at back-side of pier, for rectangular and track shape of piers, velocities abruptly increased 1.0 times distance corresponding to pier width from piers and for cylinder pier. Velocities abruptly increased 0.8 times distance corresponding to pier diameter from pier, and then velocities increased to approaching the initial inlet velocity. At left, right-side of pier, velocities reached at maximum value that distance is 2.4 times corresponding to pier width from piers, for cases of rectangular and track shape piers and 2.4 times corresponding to pier diameter from pier for case of cylinder pier. From analyses of velocity distribution at 1cm front of three cases of pier shape, rectangular shape pier is more obstructive than other shape of piers. In the analysis of pressure at front and back-side of three cases of pier shape, the pressure of cylinder shape pier is lower than other shape of piers, and at back-side of piers, all of them abruptly increased up to 3.0 times distance from piers corresponding to pier width.
위중완 광주대학교 경상대학원 1999 국내석사
교각은 교량상부를 지지하고 차량소통과 교량하부의 유수소통에 지장을 받지 않도록 설치되어야 한다. 또한, 교각은 자중뿐만 아니라 상부구조 양단에서 전달되는 수직하중과 수평하중을 지지하도록 설계되어야 한다 교각의 형식은 T형, ∏형 등이 주로 사용되었으며, 1970년대와 1980년대에는 T형교각이 다수 가설되었다. T형교각은 입체교차로나 도시 내 도로처럼 비좁은 공간에서 주로 사용되며, 암반이나 말뚝기초에 지지된 사각형 또는 원형기둥과 철근콘크리트 두부구조로 구성된다. 과거에 설계, 시공되었던 대부분의 교각두부 내민부분에서는 다수의 수직방향균열이 발견되며, 이 균열에 대한 적절한 보수와 설계법의 개선을 위해서는 균열의 원인을 규명해야 한다. 교각파손의 징후는 균열에 의해 예견될 수 있으며, 균열의 원인은 미숙한 설계, 시공 응력초과, 건조수축 또는 교량이동에 대한 억제 등에 의한 것으로 판단된다 따라서, 본 논문에서는 과거에 설계, 시공되었던 T형교각두부의 내민보부분에서 발생하는 수직균열의 원인에 대해서 연구한다. The pier supports the bridge spans and is located to minimize the constriction of traffic or flow of water underneath the bridge. Besides it's own weight, the pier should carry the vertical and horizontal forces transmitted by the ends of the two bridge spans Most of the piers built in 1970s and 1980s consist of a reinforced concrete T-shape. The T-shaped pier is used where the geometry requires tight spaces such as ramp and city streets to avoid skewed bents. The T-shaped pier consists of a reinforced concrete hammerhead, a rectangular or cylindrical reinforced concrete stem supported on rock or a reinforced pile cap on piles. When a crack is obserbed at the cantilever arm of the pier cap, the location of the crack should be given to determine the cause of the crack so as to make proper remedial repairs. Usually any sign of distress are detected by the evidence of the cracks. Cracks may be caused by poor design details , poor practice, shrinkage, overstress and restraint of bridge movement. This study deal with the cause of vertical cracks at the cantilever arm of the pier cap.
신설교량의 경우 내진설계를 하여 시공되었으나, 이미 시공되어 사용중에 있는 콘크리트 교각의 경우에는 내진설계를 하지 않고 시공되었기 때문에 지진에 의한 횡력에 취약한 실정이다. 특히 내진설계가 되어 있지 않은 교각 중에서 교각과 교각의 기초 접합부에 주철근 겹이음이 존재하는 교각은 지진이 발생할 경우 부착파괴 형태의 급격한 취성파괴거동을 나타낸다. 즉, 교각에 가해지는 횡하 중으로 인해 주철근의 겹이음 구간에 인장이 발생하게 되며, 이러한 인장력은 철근과 그 주변 콘크리트의 부착파괴를 유발한다. 부착파괴가 일어나는 구간에 FRP 적층 원통관으로 보강하여 부착강도를 크게 함으로써 횡하중에 대한 급격 한 파괴를 예방할 수 있다. 본 연구에서는 횡하중을 받는 FRP 적층 원통관으로 보강된 원형교각에서 FRP 적층 원통관에 대한 탄성해석을 통해 FRP 적층 원통관이 철근콘크리트 원형교각에 발휘하는 구속응력을 이론적으로 유도하였다. 이론적으로 유도된 식을 사용하여 구한 횡하중을 받는 적층 원통관으로 보강 된 원형교각의 횡하중-변위 관계는 기존 실험결과와 잘 일치함을 확인하였다. 또한 FRP 적층 원통관의 구속응력이 증가함에 따라 교각에 작용할 수 있는 횡하중이 증가하였으며, 횡하중-변위 관계는 취성거동에서 연성거동으로 변화하였다. FRP 적층 원통관의 구속응력에 영향을 미치는 요인을 매개변수 분석을 수행하여 조사하였으며, 그 결과 FRP 적층 원통관으로 내진보강을 할 경우 적 층수, 배향각, 섬유보강 방향의 탄성계수(E_11)가 내진보강 효과에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. The bridge columns under service suffered a brittle failure due to the deterioration of lap-spliced longitudinal reinforcement without developing its flexural capacity or ductility, An earthquake induced lateral force results in tension which causes bond-slip failure at lap-spliced region in circular bridge piers. In this case, such a brittle failure can be controlled by the seismic retrofit using FRP laminated circular tube. The retrofitted columns using FRP laminated circular tube showed significant improvement in seismic performance due to ERP'S confinement effect. This thesis presents the analytical results on the seismic strengthening effect of circular bridge columns with poor lap-splice details and strengthened with FRP laminated circular tube. FRP's confinement effect is predicted by the classical elasticity solution for the laminated circular tube manufactured with several layers. The FRP laminated circular tube induces the flexural failure instead of a bond-slip failure of the circular reinforced concrete columns under seismic induced lateral forces. To investigate the correctness and effectiveness of analytical solution derived in this study, the analytical results compared with the experimental data and it is confirmed that the results are correlated well each other. The effects on the confinement of FRP laminated circular tube, such as the number of layers, the fiber orientations, and the mechanical properties, were investigated. From the parametric study, it is found that the number of layers, the fiber orientations, and E_11 of the FRP laminated circular tube are the dominant parameters effecting the confinement of circular reinforced concrete bridge pier.
교각형태에 따른 교각주변의 국소세굴 양상에 관한 실험 및 수치해석
하도 내 설치된 교각은 하상저하나 교각 주변의 이상 세굴에 의해 변형 전도 등의 피해를 보는 경우가 적지 않다. 교량의 대형화나 도하하는 교각 수의 증대에 따라서 교각 흐름이나 하상 변동에 미치는 영향은 점점 커지고 있다. 본 연구는 교각주위에 발생하는 국소 세굴의 특성을 파악하기 위해 세굴공의 형태, 범위, 최대세굴심의 특성을 분석하였으며, 이를 위한 교각 형태의 변화에 따른 교각주위의 국소세굴 변화 양상에 관한 실험을 수행하였고, 이러한 교각 세굴에 대한 해석에 앞서 고정상 수로에 교각이 설치되었을 경우의 교각 주변 흐름 해석에 대한 기초적인 흐름의 수치해석을 실시하여 교각 주변의 평면 2차원적인 흐름에 대해서도 검토하였다. 실험을 정적세굴조건으로 유지하면서 평형상태에 도달한 후의 세굴공의 형태는 교각전면부에서 반원이고, 교각후면부에서는 반타원의 형태를 나타내었으며, 교각형상으로 인한 상대 세굴심은 직사각형일 때 가장 크게 나타났다. 최대세굴심은 흐름이 교각과 부딪쳐서 하강류가 발생하는 지점인 교각전면부에 발생되었다. 이는 하강류가 교각 전면부에 세굴공으로부터 하상물질을 세굴공 외부로 이송시키는 역할을 하기 때문으로 판단이 되었으며, 본 실험을 통해 교각 후면부의 하류구간에서 교각에 의해 교란된 물의 흐름의 영향으로 인한 세굴공의 형상을 분석하여 보면 세굴공의 경사가 후면부에서는 완만하게 형성되어 있었고, 하류구간에는 세굴공에서 침식, 이동된 토사가 퇴적되어 하상이 원하상고보다 높게 형성된 것을 관찰할 수 있었다. 교각의 형태에 따라 와류의 발달 정도가 상이함을 확인하기 위한 평면 2차원 수치해석을 실시하여 이것을 이용하여 이후 과제인 교각 주위의 세굴 형태에 관한 수치 해석에 있어 세굴공의 범위 등을 판단할 수 있을 것이다. 본 연구에서는 평면2차원 일반좌표계를 이용한 수치해석을 통해 2가지 Case에 대해 교각 주위의 흐름 해석을 하였으며, 이를 통해 교각 주위의 평면적인 흐름을 확인할 수 있었다. 이후 이를 이용하여 이동상 조건일 경우 교각 주위의 세굴 형태 및 범위를 추정할 수 있을 것으로 판단된다. Piers installed in river are harmed by strange scour around the pier or riverbed fall. flow of pier or riverbed change are getting more affected by supersized pier or increase of crossing of a river. This study analyzed characteristic of maximum depth, range, shape of scour hole to figure out characteristic of local scour which happens around the pier. For this we experimented about local scour changing aspect around the pier as pier shape changes, and before analyzing pier scour, we experimented basic flow characteristic about flow around the pier in fixed condition and reviewed in plane two-dimensional flow around the pier. Maintaining the experiment in passive scour condition, we reached balanced state and shape of scour hole there were most effect if there is half circle in fore side, half oval in rare side and rectangle in relativity scour depth accord to pier shape. Maximum scour depth appeared in point where the flow and pier meets and arose descending water current. We figured out this is because descending water current moves bed material from scour hole to out side of it in fore side of pier, and through this study, if we analyzed the shape of scour hole by effect of water flow that disturbed by pier in downstream of rare side pier, we can figure out inclination of scour hole is gentle in rare side of pier, and in downstream, eroded, moved soil accumulate in scour hole so the shape of river is higher that originally river bed height. To find out how parasitic degree is different in shape of pier, we analyzed two-dimensional value, and through this we could figure out range of scour hole in value analyzation of shape of scour around the pier. In this study, through the numerical analyzation of two-dimensional general coordinate system, we found out the flow around the pier about in two cases. And through this we can identify the plane flow around the pier. We are expecting that we could also figure out range and shape of scour around the pier in condition of movement by using this study.
판형교의 하부구조는 주로 조적식 및 무근콘크리트 구체로 되어 있으며, 대부분이 확대기초로 말뚝이 없는 기초형식으로 되어 있다. 판형교 교각은 상시에도 제동하중 등에 의해서 수평하중을 받게 되며, 지진 시에는 상부구조와 교각 자중에 의해서 발생하는 지진력이 작용하게 된다. 이러한 수평하중은 전도 및 활동에 취약한 판형교 교각에 전도 또는 활용을 유발할 가능성이 존재한다. 특히, 판형교 교각은 구체형식으로 자중이 매우 크기 때문에 지진 시에 자중에 의한 지진력이 크게 발생하기 때문에 전도 또는 활동의 위험성은 상시에 비해 더 크다고 판단된다. 따라서 판형교 교각에 대한 지진 시에 전도 및 활동에 대한 위험성을 평가하고, 이에 대한 보강방안을 제시할 필요성이 있다. 본 논문에서는 판형교 교각에 대해서 상시 및 지진 시의 전도에 대한 안전성을 교축방향과 교축직각방향에 대해 평가하고자 한다. 중력식 교각의 예상손상부위는 크게 두 가지로 분류할 수 있다. 첫째는 나무말뚝을 가진 얕은 직접기초부의 하중전달점의 이탈로 인한 전반적인 전도파괴, 둘째는 시공이음부의 약한 인장강도에 기인한 균열로 국부적인 전도파괴를 통하여 손상될 수 있다. 다시 말하면, 교각구체의 국부적 손상, 교각-기초시스템의 전반적 전도로 정의하였다. 본 논문에서는 확대기초의 교각 전도 검토 흐름도에 따라 실제 일반철도 판형교인 율천교의 중력식 교각을 대상으로 가)전도보강 전, 나)기초보강 후, 다)기초보강+구체보강 후에 대해 각각 3번의 강제전도실험을 실시하였다. 최종적으로 각 실험에서 수평전도력에 대한 개선된 내진성능을 비교, 검토하는데 그 목적이 있다. 기초보강의 경우 교각 상부의 수평전단력의 증가에 따른 인장 측 하부의 확대기초 저면이 들림 현상이 영구앵카를 이용하여 감소되었다. 부가적으로 발생할 수 있는 구체의 시공이음부 균열은 강판-폴리머 계열 부착보강으로 휨에 대한 성능이 향상되었음을 알 수 있었다.
허용응력 설계법에 의한 콘크리트 충전형 합성교각의 합리적인 설계방안에 관한 연구
문동일 전남대학교 산업대학원 2002 국내석사
교각의 형태는 크게 강교각, 콘크리트 교각, 및 합성형식의 교각으로 나뉘어 질 수 있다. 강교각의 경우 비용면에서는 콘크리트 교각에 비해 상대적으로 고가이나 강성 및 연성도가 우수하며 교각 자체의 무게가 가볍고, 건설기간이 짧다는 장점이 있다. 콘크리트 교각은 경제성은 뛰어나지만 교각 자중이 많이 나가고, 시공 속도가 느린 단점이 있다. 반면 합성교각의 한 형태인 콘크리트 충전형 합성교각의 경우 합성효과로 인해 단면이 작아지고, 외측강판이 콘크리트의 영구거푸집 역할을 해주어 시공속도가 빠르고 그 강도와 연성도 특성이 강교각이나 콘크리트 교각보다 월등히 우수하다. 이에 따라 뛰어난 내진성, 제한된 공간 및 건설기간이 요구되는 도심내의 교각과 같은 곳에 강합성 교각을 적용하기 위한 연구가 일본을 중심으로 진행되고 있다. 이 논문에서는 현재까지 축적된 연구결과를 기초로 하여 콘크리트 충전형 합성교각의 합성재료 특성과 합성교각의 압축재, 기둥재, 연결부분등과, 내진에 관한 검토 사항을 허용응력 설계법을 통하여 연구하였다. The types of piers are to be classified into steel piers, concrete piers and concrete-filled steel piers. In steel pier's case, there are some advantages of good strength and ductility, light self weight and short construction period in spite of a high price compared with RC piers. RC piers have an economic merit, but self weight is heavy and the rate of construction is slow. On the other hand, in case of concrete-filled steel piers, the smaller cross section can be used due to a composite effect, the rate of construction is fast because outside steel plates play a role of a permanent concrete form and a 1 quality of strength and ductility is more excellent than others. Therefore, many studies about concrete-filled steel piers are going on to apply to piers constructed in highly populated places like urban area where seismic safety, limited space and fast construction are indispensably required. In this paper, on the basis of accumulated results of study up to this day, I studied composite properties of concrete-filled steel piers and main points which are about compression members, column members, connecting parts, and seismic safety by allowable stress design.