교량계획 및 설계 (Planning and Design of Bridges)

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1 교량계획 및 설계 (Planning and Design of Bridges)
강원대학교 토목공학과 송종걸

2 담당교수 소개 송 종 걸 Contact Info: 공대 3호관 209호 Phone: ,

3 과 목 개 요 재료역학 및 구조역학을 수강한 학생들을 대상으로 토목분야의 가장 대표적인 구조물인 교량에 대하여 전반적으로 쉽게 이해하도록 하며 교량의 해석과 설계에 필요한 기본 적인 개념과 이론적인 지식을 배운다.

4 학습목표 교량구조물에 대한 이해력 증가 교량의 계획, 해석, 설계에 필요한 전공지식 습득 교량분야에 대한 최신 경향

5 과목평가 Weight 중간고사 35% 기말고사 40% 숙제 10% 출석 기타(발표등) 5%

6 1. 교량공학, 조효남, 구미서관. 2. 교량공학, 황학주, 동명사.
참고문헌 1. 교량공학, 조효남, 구미서관. 2. 교량공학, 황학주, 동명사.

7 참고자료 공학인증 사이트 ( 강의 자료 참조바람

8 서론 교량의 정의 교량의 구성 교량의 종류 교량의 주요제원

9 교량의 정의 교량이란 도로․철도 등의 운송로상의 장애 또는 방해가 되는 계곡, 호수, 해안, 해협 등을 건너거나 다른 철도, 도로, 수로, 가옥, 시가지 등을 통과할 목적으로 가설되는 구조물을 총칭하는 것 교량공학(Bridge Engineering)은 교량의 계획, 설계, 시공, 유지관리, 폐기의 5단계(교량의 수명간 : Life Cycle)를 포함하는 광범위한 내용으로 이루어진다.

10 교량의 구성 (1) 상부구조(superstructure) 상부구조는 크게 보(beam), 트러스(truss), 라아멘(rahmen)으로 나눌 수 있다. (2) 하부구조(substructure) 하부구조는 교대, 교각 및 이들의 기초를 총칭하는 것이며, 지상에 직립한 부분을 구체, 지반에 접하는 부분을 기초라고 한다.

11 교량의 종류 (1) 교면의 위치에 따른 분류 ① 상로교(deck bridge) ② 중로교(half-through bridge) ③ 하로교(through bridge) ④ 2층교(2-storied bridge) : 상부는 도로, 하부는 철도로 사용 (청담대교, 영종대교)

12 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ① 도로교(highway bridge) : 도로를 통행하기 위한 교량. 1등교, 2등교, 3등교 또는 가로교 (천호대교)

13 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ② 인도교 : 사람의 통행만을 목적으로 사용 (아쿠아 아트 브리지)

14 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ③ 철도교(railway bridge) : 철도선로에 가설되는 교량. 때론 도로와 병용(한강철교)

15 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ④ 수로교 : 발전용수로나 수도용수로, 관계용수로 등을 통행하기 위한 교량 (클라우디우스의 수도교 )

16 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ⑤ 군용교 : 군사용에서 사용하는 교량 (간편조립교)

17 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ⑥ 혼용교 : 동시에 2개 이상의 용도에 사용되는 교량 (청담대교)

18 교량의 종류 (2) 용도에 따른 분류 ⑦ 운하교 : 운하를 통행하기 위한 교량 (수에즈 운하)

19 교량의 종류 (3) 교량의 중심선이 이루는 각에 의한 분류 ① 직교 : 교량의 중심선이 하천과 직교하는 교량
② 사교 : 교량의 중심선과 교대의 2지점을 맺는 선이 사교하는 교량 ③ 곡선교 : 교량의 중심선이 곡선을 이루는 교량

20 교량의 종류 (4) 상부구조의 가동여부에 따른 분류
① 가동교(movable bridge) : 큰 선박이 통행하는 경우 교량상의 교통을 끊고 장애가 되는 교형의 전부 또는 일부를 벌려 선박을 통과시키고 선박의 통과 후 교형을 닫아서 교량상의 교통을 재개하는 교량을 말한다. 선개교(swing bridge) : 교형이 연직축을 중심으로 해서 회전하여 항로를 개폐하는 교량

21 교량의 종류 (4) 상부구조의 가동여부에 따른 분류
b. 승개교(lift bridge) : 교형이 상하로 평행 이동하여 항로를 개폐하는 교량

22 교량의 종류 (4) 상부구조의 가동여부에 따른 분류
c. 도개교(bascule bridge) : 교형이 수평축의 둘레로 회전하여 개폐하는 교량

23 교량의 종류 (4) 상부구조의 가동여부에 따른 분류
d. 혼개교(horizontal rolling bridge) : 교형 전체가 수평하게 이동하여 개폐하는 교량 ② 고정교(fixed bridge) : 보통 교량

24 교량의 종류 (5) 사용재료에 따른 분류 ① 목교(wooden bridge) : 내구성이 약하고 수명이 짧다. 가교로서 많이 쓰임. ② 석교(stone bridge) : 짧은 교량에는 형으로 긴 교량에는 아치 형식으로 사용된다. ③ 철근콘크리트교(RC bridge) : 내구력이 크고 유지비가 적다. (워싱턴 Selah만의 fixed concrete arch bridge.)

25 교량의 종류 (5) 사용재료에 따른 분류 ④ PS 콘크리트교(PS concrete bridge) : 강도가 높은 콘크리트와 고장력 강선이 사용된다. (신단양대교)

26 교량의 종류 (5) 사용재료에 따른 분류 ⑤ 강교(steel bridge) : 장대교량에 많이 사용. (부산대교)

27 교량의 종류 (5) 사용재료에 따른 분류 ⑥ 합성교(composite bridge) : 강재와 철근콘크리트바닥판 혹은 PC와 철근콘크리트바닥판이 일체로 거동하도록 강재나 PC거더 플랜지와 철근콘크리트바닥판을 전단연결재로 합성시킨 교량. (서해대교)

28 교량의 종류 (6) 지지형식에 따른 분류 ① 단순교(simple beam bridge) : 상부구조를 2개의 지점으로(1개의 고정받침과 1개의 가동받침으로 구성) 단순하게 지지한 교량. 설계가 간단 ② 연속교(continuous bridge) : 상부구조를 3점이상의 지점으로 지지하는 교량. 지점중 1개는 고정받침이며 나머지는 가동받침. 구조물의 강성을 높일 수 있어 부재크기를 감소(재료절감 가능)할 수 있음. 계산이 복잡하고 지점침하에 따른 대책이 필요 ③ 게르버교(gerber bridge) : 연속교 지점이외의 적당한 곳에 힌지를 넣어 부정정구조를 정정구조로 만든 교량. 연속형교와 단순교의 장점을 살린 구조. 재료절감 및 지점침하에 적응할 수 있음. 단순해석이 가능하나 신축장치가 많아 주행성이 불량.

29 교량의 종류 (7) 상부구조와 하부구조가 일체여부에 따른 분류
① 보구조 : 받침이 있는 구조. 단순교, 연속교, 게르버교로 분류됨. ② 라아멘구조 : 상부구조와 하부구조를 연결하여 전체구조의 강성을 증대. 상부구조의 휨모멘트를 하부구조가 일부 부담하는 형식. 부등침하에 따른 대책이 필요

30 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ① 슬래브교(slab bridge) : 가장 일반적인 형태 m의 지간에 적당. 단면이 작고 미관 양호. 소규모 공간 필요. 선형조절 용이. 중실 및 중공슬래브교로 구분 함 슬래브교 중공슬래브교

31 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ② 거더형교(girder bridge) : 거더(보)를 수평 방향으로 가설한 교량으로 사용한 재료에 따라 강 거더교, 철근콘크리트 거더교, PC 거더교 등이 있음. T형교 Plate Girder교

32 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ② 거더형교(girder bridge) : 거더(보)를 수평 방향으로 가설한 교량으로 사용한 재료에 따라 강 거더교, 철근콘크리트 거더교, PC 거더교 등이 있음. Steel Box Girder교 (강합성상형교) 강상판형교

33 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ② 거더형교(girder bridge) : 거더(보)를 수평 방향으로 가설한 교량으로 사용한 재료에 따라 강 거더교, 철근콘크리트 거더교, PC 거더교 등이 있음. PSC박스거더교 PSC빔교

34 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ③ 트러스교(truss bridge) : 거더 대신에 트러스를 사용한 교량. 지간이 큰 교량에 적합. 주구조가 축방향인장 및 압축부재로 조합된 형식의 교량 일반 형교와 현수교의 중간 경간에 사용되었으나 최근에는 사장교의 등장으로 많이 사용되지 않음. 트러스 구조를 성립시키기 위해서 몇가지 가정  ① 트러스 부재의 연결은 핀으로 연결되어 모든 부재는 축력만을 전달한다.  ② 모든 하중과 반력은 트러스격점에 재하된다.  ③ 모든부재는 직선이며 격점은 해당부재의 교차점에 위치한다.  ④ 트러스의 축방향 변형은 미소하여 전체 구조에 영향을 주지 않는다.

35 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ③ 트러스교(truss bridge): 트러스교의 구성

36 영종대교 보강형 - 수직부재가 있는 Warren트러스
교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ③ 트러스교(truss bridge): 트러스교의 예 한강철교 - Warren트러스 영종대교 보강형 - 수직부재가 있는 Warren트러스

37 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ③ 트러스교(truss bridge):
Warren 트러스: 상로의 단지간에 사용. 지간 60m정도까지 적용 Howe 트러스: 사재가 만재하중에 의하여 인장력을 받도록 배치한 트러스

38 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ③ 트러스교(truss bridge):
Pratt 트러스: 상대적으로 부재길이가 짧은 수직재가 압축력을 받는 장점 Parker 트러스: 상현재가 아치형의 곡선인 경우, 보통 지간 55 ~ 110m에 적용

39 Mycenaean bridge(그리스)
교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치교(arch bridge) : 아치교는 곡형 또는 곡트러스 쪽을 상향으로 하여 양단을 수평 방향으로 이동할 수 없게 지지한 아치를 주형 또는 주트러스로 이용한 교량. 자연이 만든 아치, 미국 아치국립공원 Mycenaean bridge(그리스)

40 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치교(arch bridge) : 아치교는 곡형 또는 곡트러스 쪽을 상향으로하여 양단을 수평 방향으로 이동할 수 없게 지지한 아치를 주형 또는 주트러스로 이용한 교량. 최초의 철재아치교인 Iron Bridge(영국) New River Gorge Bridge (미국)

41 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치의 정의 : 아치의 역학적인 정의는 원호 형상의 보가 양단에서 단순지지 되어 있고, 지점이 수평방향으로 구속된 것을 말한다. 수평반력으로 인해 발생하는 휨모멘트는 하중에 의해 발생하는 휨모멘트를 없애도록 거동하므로 이상적인 아치부재에서는 축력(압축력)만 발생하게 됩니다.

42 스팬드럴: 상판과 아치리브 사이의 공간을 지칭
교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치의 구성 스팬드럴: 상판과 아치리브 사이의 공간을 지칭

43 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치교란?
아치교란 교량의 주구조가 아치(Arch)형태 또는 보강아치로 구성된 교량이다. 아치구조에서는 수직으로 작용하는 외력이 양단의 지점에서 중앙으로 향하는 수평반력을 발생시키고 수평반력은 단면에서의 휨모멘트를 감소시켜 부재단면을 결정하는 주요인이 되므로 주로 축방향 압축력을 지지하게 되는 구조로 설계한다. 교량의 주체를 아치구조로 하는 아치교에서는 연직하중 재하에 의해 발생하는 수평반력을 하부구조를 통해 효과적으로 기초지반에 전달하도록 하고 부재의 단면력을 줄일 수 있도록 설계하면 상당히 경제성이 높은 교량형식이라 할 수 있다.

44 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 하로아치교의 구성

45 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 상로아치교의 구성

46 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 구조계(힌지수)에 의한 분류

47 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치리브형식에 따른 분류

48 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 통행로 위치에 따른 분류

49 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 기타 아치형식 교량

50 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ④ 아치교의 예 하로아치교-한강대교 상로아치교-가천교

51 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑤ 라아멘교(rahmen bridge) : 라아멘 형태를 구조물의 주부재로 한 교량. 문형라멘교 연속라멘교

52 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑤ 라아멘교(rahmen bridge) : 라아멘 형태를 구조물의 주부재로 한 교량. π형 라멘교 V각 라멘교

53 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑤ 라아멘교(rahmen bridge) : 라아멘 형태를 구조물의 주부재로 한 교량. Π형라멘교 - 금평육교 V각라멘교 - 청담대교

54 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑥ 현수교(suspension bridge) : 양안에 타워를 세워 케이블을 걸쳐 놓고, 그것에서 교상을 매어단 형식의 교량. 집중하중을 받으면 변형이 심하고 진동이 심하다.

55 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑥ 현수교(suspension bridge) : 양안에 타워를 세워 케이블을 걸쳐 놓고, 그것에서 교상을 매어단 형식의 교량. 집중하중을 받으면 변형이 심하고 진동이 심하다. 광안대교 - 중앙경간 500m(국내최대) 아카시대교 - 중앙경간 1991m

56 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑦ 사장교 : 최근들어 가장 많이 가설되고 있는 장대교로서 외관상으로 보아 현수교와 유사하지만 케이블이 주형에 연결되어 직접 주형을 지탱하는 형식

57 교량의 종류 (8) 상부구조형식에 따른 분류 ⑦ 사장교 : 서해대교(400m) 타타라대교(일본,890m)

58 교량의 종류 형식별 주요 적용 경간 RC T형교 15～20m PSC BEAM교 20～40m Plate Girder교
PSC BOX형교 46～60m Steel Box Girder교 40～60m

59 교량의 주요제원 (1) 경간(clear span) : 교대 또는 교각의 상면측간의 수평거리. (2) 지간(span) : 상부구조의 받침중간의 거리. (3) 폭원 : 교축선에 직각 방향인 횡단면의 치수이고, 도로교의 폭원은 보도와 차도의 구별이 없는 경우에는 지복간의 거리이다. (4) 상부구조 : 교대나 교각 위에 설치되는 교량의 주거더를 비롯한 일체의 구조 (5) 하부구조 : 상부구조로부터 전달되는 하중을 기초지반으로 전달하는 구조부분으로 교대나 교각 및 그들의 기초를 일컫는다. (6) 강교 : 상부구조를 구성하는 주요 부재가 강재로 이루어진 교량을 일컫는다. (7) 콘크리트교 : 상부구조를 구성하는 주요 부재가 콘크리트로 이루어진 교량을 일컫는다.

60 교량의 주요제원 (8) 차도부분 : 차도부(차도, 중앙분리대, 갓길 등)중에서 자동차가 통행하도록 계획되어 있는 부분, 단차, 연석, 방호울타리 등을 설치하여 자동차의 운행을 물리적으로 배제하고 있는 부분 이외의 부분 (9) 보도부분 : 「도로의 구조 시설기준에 관한 규칙」에서 정의하는 보도, 자전거도 및 자전거보행자도의 총칭 (10) 주하중 (11) 부하중 (12) 특수하중 1등교 DB-24 DL-24 고속국도 및 자동차 전용도로 상의 교량 , 교통량 중차량 장대교 2등교 DB-18 DL-18 일반국도 3등교 DB-13.5 DL-13.5 지방도, 시도, 군도