한계상태설계법에 기초한 강박스교의 내하력 평가 및 개선

Abstract

Bridge structures are socially important infrastructure, and thus require a safe maintenance during their service period. Steel box girder bridges, which take up a large portion of pre-existing highway bridges, were so far designed and evaluated of load-carrying-capacity with Allowable Stress Design method(ASD); however, though design code has changed to reliability-based Limit State Design method(LSD), evaluation of load-carrying-capacity is still being done with ASD in most cases.

Currently, evaluation of load-carrying-capacity is carried out using a method with which engineers find rating factor first by structural analysis and then apply response modification factor in accordance to load test. However, this evaluation method has a high risk of subjectivity on structural analysis modelling and calculating section property, thus relatively hard to draw a coherent and objective result on load-carrying-capacity.

For this reason, suggestions for improvements are provided for structural analysis procedure to make the model converge to the real behavior of bridge structures, by analyzing pre-existing research trends and results from load-carrying-capacity evaluation of bridges with which load test has been carried out. Suggestions for applying the same improvements are also provided for the load-carrying-capacity evaluation procedure, and the results of suggestions for 2 procedures are verified.

And the suggesting improved evaluation method based on LSD in accordance with the current design code, can apply the improvements verified by load test

From the results of evaluation of 32 bridges that are in service, analysis and comparison are made on rating factors found by ASD, LSD and improved LSD. The results of the 3 methods show high interdependency. This correlation provides equations to convert rating factor found with ASD to a rating factor found with LSD.

Unlike ASD which determines safety with allowable stress, LSD presents different method to find resistance and determine safety depending on the type of section, and thus rating-factor-converting equations is presented for each of: compact or non-compact section subjected to plus moment, and minus moment section; in the forms of proportional equation, linear equation and quadratic equation – for each ASD, LSD and improved LSD.

The converting equations give satisfactory results both in verifying of errors, and in application to other 2 bridges. Applying improvement to evaluate load-carrying-capacity in improved LSD showed similar effect in result as with deflection in structural analysis.

It is considered that the evaluation method proposed in this study will be useful in reliability-based evaluation of load-carrying capacity of bridge; and rating-factor-converting method will prove useful in converting pre-existing ASD based rating factor into LSD based rating factor.

It is also considered that this study will help when there is not enough load-carrying- capacity for maintenance, deciding on reinforcement to improve capacity, or to identify load-carrying-capacity by LSD for in-depth safety inspection or capacity evaluation. Additionally, applying the results from converting equations will help reduce the cost of bridge construction in new designs.|교량 시설물은 사회적으로 중요한 기반 시설물로서 공용기간 동안 안전한 관리가 중요하다. 기존 도로교량의 많은 비율을 차지하고 있는 강박스거더교의 경우 현재까지 허용응력설계법(ASD)으로 설계되고 내하력을 평가하여 왔으나, 최근에는 설계기준이 신뢰도 기반의 한계상태설계법(LSD)으로 변경되었음에도 불구하고 내하력 평가에서는 아직까지 ASD를 대부분 사용하고 있는 실정이다.

현재 교량의 내하력 평가는 구조해석에 의한 내하율을 먼저 계산하고 재하시험에 의한 응답수정계수를 반영하여 내하력을 결정하는 방법을 사용하고 있으나, 이런 평가 방법에서는 구조해석 모델의 구현방법과 단면 특성치의 산정에서 평가자의 주관적인 판단이 개입될 우려가 크며, 객관적이고 일관성 있는 내하력 평가의 결과를 확보하기 어렵다.

이러한 이유로 기존의 연구동향을 분석하고 재하시험을 실시한 교량의 내하력 평가 결과를 분석하여, 실제 교량 구조물의 거동에 수렴할 수 있는 구조해석 단계의 개선사항을 제안하였으며, 내하력 평가 단계에서도 동일한 개선사항을 반영할 수 있는 방법을 제안하였고, 그 결과를 검증하였다.

또한 현행 설계기준에 따라 LSD를 이용한 내하력 평가방법을 제안함에 있어 재하시험 결과에서 검증된 개선사항을 반영할 수 있도록 하였다.

현재 공용중인 32개 교량의 내하력 평가 자료를 수집하여 기존의 ASD에 의한 내하율, LSD에 의한 내하율 및 개선사항을 반영한 LSD의 내하율을 비교하여 3가지 방법의 상관관계를 분석하였고, 상호간의 높은 종속성이 확인되어 기존의 ASD에 의한 내하율을 LSD에 의한 내하율로 환산하는 식을 제시하였다.

허용응력으로 안전성을 평가하는 ASD와는 달리 LSD는 단면의 종류에 따라 저항강도와 안전성을 평가하는 방법이 다르기 때문에 정모멘트부의 조밀단면 및 비조밀단면과 부모멘트부 단면에 대한 환산식을 각각 제안하였으며, 환산식은 비례식, 1차 함수, 2차 함수의 3가지 형태로 나타내었다.

제안한 내하율 환산식은 오차발생에 대한 검증과 별도의 2개 교량에 대한 적용에서 공학적으로 만족할 만한 결과를 제공하는 것으로 확인하였으며, LSD에 기초한 내하력 평가단계에서 개선사항의 적용은 구조해석 단계의 처짐 개선비율과 유사한 개선효과를 확보할 수 있음을 확인하였다.

이 연구에서 제안한 LSD와 개선사항을 반영한 내하력 평가 방법은 향후 국내 교량의 신뢰도 기반 내하력 평가에 도움이 될 것으로 판단되고, 내하율 환산 방법은 기존의 ASD에 의한 내하력을 LSD에 의한 내하력으로 환산하는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

현재 공용 중인 교량 시설물을 유지관리함에 있어 내하력의 여유가 없거나 성능개선을 위하여 보강여부를 판단하여야 경우, 또는 정밀안전진단이나 성능평가 수행시 LSD에 의한 내하력을 확인하고자 하는 경우에도 이 연구 결과를 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 신규 설계에서도 환산식의 결과를 응용하면 신설 교량 단면의 경제성 예측에도 유익할 것으로 판단된다.