제 1장 총 론 |
1-1. 교량의 정의
교량은 교통로, 수로 등이 움푹팬 곳, 그밖의 다른 도로의 기능을 저해하는 것이 있을 때 연결하는 구조물의 총칭이다.
교량공학(Bridge Engineering)은 교량의 계획과 설계, 시공과 가설로부터 유지 또는 보수 까지를 포 함하는 공범위한 내용으로 이루어진다.
1-2. 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, 지 반에 접하는 부분을 기초라고 한다.
1-3. 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
(2) 용도에 따른 분류
① 도로교(highway bridge) : 도로를 통행하기 위한 교량. 1등교, 2등교, 3등교 또는 가로교
② 인도교 : 사람의 통행만으로 사용
③ 철도교(railway bridge) : 철도선로에 가설되는 교량. 때론 도로와 병용
④ 수로교 : 발전용수로나 수도용수로, 관계용수로 등을 통행하기 위한 교량
⑤ 군용교 : 군사용에서 사용하는 교량
⑥ 혼용교 : 동시에 2개 이상의 용도에 사용되는 교량
⑦ 운하교 : 운하를 통행하기 위한 교량
(3) 교량의 중심선이 이루는 각에 의한 분류
① 직교 : 교량의 중심선이 하천과 직교하는 교량
② 사교 : 교량의 중심선과 교대의 2지점을 맺는 선이 사교하는 교량. 시가지의 교량
③ 곡선교 : 교량의 중심선이 곡선을 이루는 교량
(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 재 개하는 교량을 말한다.
a. 선개교(swing bridge) : 교형이 연직축을 중심으로 해서 회전하여 항로를 개폐하는 교량
b. 승개교(lift bridge) : 교형이 상하로 평행 이동하여 항로를 개폐하는 교량
c. 도개교(bascule bridge) : 교형이 수평축의 둘레로 회전하여 개폐하는 교량
d. 혼개교(horizontal rolling bridge) : 교형 전체가 수평하게 이동하여 개폐하는 교량
② 고정교(fixed bridge) : 보통 교량
(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.
④ PS 콘크리트(PS concrete bridge) : 강도 높은 콘크리트와 고장력 강선이 사용된다.
⑤ 강교(steel bridge) : 장대교량에 많이 사용.
⑥ 합성교(composite bridge) : 강재와 철근콘크리트 바닥판 혹은 PC와 철근콘크리트 바닥판이 일 체로 거동하도록 강재나 PC거더 플랜지와 철근콘크리트 바닥판을 전단연결재로 합성시킨 교량.
(6) 구조형식에 따른 분류
① 거더교(girder bridge) : 거더(보)를 수평 방향으로 가설한 교량으로 사용한 재료에 따라 강 거 더교, 철근콘크리트 거더교, PC 거더교 등이 있음.
② 단순교(simple beam bridge) : 주형 또는 주트러스를 양단에서 단순하게 지지한 교량.
③ 연속교(continuous bridge) : 1개의 주형 또는 주트러스를 3점이상의 지점에서 지지하는 교량.
④ 게르버교(gerber bridge) : 연속교 지점이외의 적당한 곳에 힌지를 넣어 부정정구조를 정정구조 로 만든 교량. 강교와 철근콘크리트교로서 매우 좋은 형식.
⑤ 트러스교(truss bridge) : 거더 대신에 트러스를 사용한 교량. 지간이 큰 교량에 적합.
⑥ 아치교(arch bridge) : 아치교는 곡형 또는 곡트러스 쪽을 상향으로하여 양단을 수평 방향으로 이동할 수 없게 지지한 아치를 주형 또는 주트러스로 이용한 교량.
⑦ 라아멘교(rahmen bridge) : 라아멘 형태를 구조물의 주부재로 한 교량.
⑧ 현수교(suspension bridge) : 양안에 타워를 세워 케이블을 걸쳐 놓고, 그것에서 교상을 매어단 것이 무보강련수교. 집중하중을 받으면 변형이 심하고 진동이 심하다.
⑨ 사장교 : 최근들어 가장 많이 가설되고 있는 장대교로서 외관상으로 보아 현수교와 유사하지만 케이블이 주형에 연결되어 직접 주형을 지탱하는 형식.
1-4. 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 경 우에는 지복간의 거리이다.
1-5. 교량계획
공사비를 최소로 하는 동시에 기능을 충분히 발휘할 수 있어야 하며 주변 환경과의 조화와 미적인 면도 중요시 하여야 한다.
(1) 교량설계의 분류
1. 일반도 작성 → 2. 계획설계 → 3. 기본설계 → 4. 상세설계
(2) 조사
교량의 계획, 설계, 시공시 공기 및 공사비 등에 차질이 없도록 자세히 조사
(3) 교량 형식의 결정
․ 비교설계 → 최적의 형식 결정 → 상세설계
․ 노선 선형 및 가교위치, 외적조건, 구조적 안정성과 경제성, 시공성과 유지관리성
주행 안정성과 쾌적성, 미관
(4) 경간분할
하천의 상황, 경제성, 용도, 외관 등의 관점에서 검토하는 것이 필요.
1-6. 교량의 미학
(1) 교량의 미학이란
교량의 설계에서 미학 원리는 구조물에 대한 기술적 분야의 새로운 학문은 아니다. 그러나 미학은 예술의 고전적 종류인 창출활동에 일반적으로 속해 창조 구성의 한 부분이 된다. 과거 무계획적 다 리 공사와 건축 양식에서 자연의 미와 웅장함이 교량 건설에 접목하여 예술적면을 살려 자연적인 미 의 아름다움과의 조화를 항상 살려야 한다.
(2) 교량의 미적설계
교량미학에서는 교량미를 교량의 형태미와 구도의 두 구성요소에 유의하며 보는 시각에 따른 수평 거리, 시거리, 시선 입사각, 양각과 부각 등을 잘 고려하여야 하고, 또 주변공간과의 조화도 잘 이룰 수 있도록 설계한다.
제 2장 한국의 교량사 |
2-1. 세계의 교량사
(1) 석조 아치
A.D 14년에 완성된 프랑스의 님즈(Nimes)에 있는 Pont du Gard 수로교가 있는데 길이 270m, 수 면상의 높이 45m로서 상층에는 아치를 쌓고 그 위에 수로를 설치하여 완성이래 지금까지 그 아름다 운 모습을 그대로 유지하고 있다. 그 외에도 에스파니아의 Alcantara교, St. Martin교, 이탈리아의 데 레소 아치교는 각기 톡특한 양식을 갖고 있으며, 대부분 양호한 상태로 현존하여 아직도 실용되고 있다.
(2) 우리 나라의 최초 아치교
우리나라에 아치교가 처음 가설된 것은 8세기 말이며 불국사의 청운교, 백운교, 칠보교, 연화교등 이다. 시대상으로는 중세 르네상스시대에 속한다.
(3) 트러스교
트러스(truss)는 이탈리아의 천재적 건축가 팔라디오에 의해서 처음 제안되었고, 18세기에 많은 트 러스교가 가설되어 19세기 전반 하우 트러스로서 훌륭히 발전하였다.
근대교량은 철재의 발달과 더불어 발전하였다. 1776년에 주철로 아치교를 가설하였으며 1826년 연 철로 현수교를 가설했다. 그후 구조이론의 발전과 함께 현재와 같은 간단한 트러스가 사용되게 되었 다. 그 뒤를 이어 판형(plate girder) 구조가 발달하게 되었다.
(4) 콘크리트교
포오틀랜드 시멘트는 1855년에 제조되었는데 그 이후 석재 대신에 빈번히 콘크리트를 사용하기에 이르렀다. 또한 철근 콘크리트의 발명으로 인하여 콘크리트의 약점을 보완하는 한편 최근에는 고강 도 콘크리트와 고장력 피아노선으로 프리스트레스를 주어 성질의 개선을 꾀한 PC가 출현하게 되어 교량의 시공상에 있어 큰 발전을 하게 되었다.
2-2. 한국의 교량
(1) 삼국시대의 교량
① 청운교, 백운교 : 완전한 형태로 현존하는 신라의 유일한 다리. 두 개의 돌다리가 45°의 경사 로 높다랗게 걸려 있고 청운, 백운교는 계단을 다리 형식으로 만든 특이한 구조의 성격을 지니 고 있다.
② 연화교, 칠보교 : 청운교, 백운교와 모습이 비슷하고 다리 경사가 훨씬 완만하게 처리되었다. 특 이한 것은 돌계단 위에 연꽃잎을 새기고, 중앙에 바둑판 모양의 무늬를 10개나 이어놓은 점이다.
(2) 고려시대의 교량
가장 대표적인 교량은 선죽교를 꼽을 수 있으며, 개풍군 동면과 장단군 진서면과의 경계의 내에 돌로 놓은 취적교, 지파리천과 조천이 합하여 흐르는 천에 놓인 풍교와 궐문교, 견교, 영산강의 지류 -호수가 넘나드는 샛강 위에 놓여진 독다리 등이 고려시대의 대표적 교량들이다.
(3) 이조시대의 교량
① 서울의 살곶이다리 : 현재 한양대 성동교 옆의 중랑천 가는 지류에 놓여진 다리가 이조시대에 가장 긴 대교였다는 사적 160호인 살곶이 다리이다. 원래는 현재의 길이보다 길고 컸으나 임진 왜란 당시 잘라냈다고 한다.
② 서울의 수표교 : 장충단공원 입구 개천 위에 석교가 이조 세종 때 가설한 서울 지방문화재 18 호인 수표교이다. 청계천에 놓여졌던 7개의 다리 가운데 가장 훌륭한 석교로 알려져 있으며, 현 존하는 유일한 존재이다.
③ 창경궁의 옥천교 : 창경궁 홍화문에 들어서면 창경궁의 본전인 명정진의 명정문에 이르는 길 위에 옥천교가 놓여져 있다. 490년이라는 연륜을 가지고 있으며, 보물 386호로 지정되었다.
④ 곡성의 능파각 목교 : 남한에서 유일한 목교로서 1737년 영조 13년에 창건 이후 영조 떄 2번, 순조와 철종 때 1번, 일제 때 1번 등 총 5번에 걸쳐서 중수하였다.
⑤ 강화의 홍교 : 강화대교를 건너 왼쪽으로 200m 쯤 내려가면 3경간의 홍현(arch)로 이루어진 강 화홍교가 있다. 이조 숙종때 강화성을 보수하면서 호수의 출입을 조절하기 위해서 수문을 곳곳 에 설치하였다.
⑥ 송광사의 삼청교 : 조계산 해발 887m에는 우리나라 삼보사찰의 하나인 송광사가 있고 그곳에 간결하고 정한 모양의 홍예석교인 삼청교가 있다.
⑦ 벌교의 홍교 : 전남 벌교읍내 한복판에 삼경간의 홍예를 연결한 홍교가 자리잡고 있다. 화강석 으로 이용되고 있으며, 현재 보물 304호로 지정되어 있다. 홍교로서는 규모가 가장 큰 편이며 부 채꼴 모양의 석재를 맞추어 둥근 홍현을 만들고, 홍현 사이에는 잡석을 쌓아올려 석벽을 만들었 다.
⑧ 수원이 화홍교 : 수원천 위에 성곽을 따라 7개의 무지개로 이루어진 수문이 있다. 사적 3호인 화홍문이다. 루각이 서있고 성벽이 둘러 쳐지고, 그밑으로 홍현문 7개가 가지런히 뚫려 화홍문은 수문이면서 다리의 구실을 하고 있다.
(4) 근대의 교량
우리 나라 근대 교량은 한강철도교(1900년, 트러스교), 압록강철교(1911년, 선개교), 부산영도교 (1934년, 일엽도개교), 제 1한강교(1937년, 타이드 아치교), 남해대교(1973년, 현수교), 성산대교(1980 년, 게르바 트러스교), 원효대교(1981년, 아치교) 등이 대표적이다.
최근에는 고강도 재료와 구조해석이론의 발달로 사장교나 닐슨 아치(Nielson arch)교 등으로 기우 는 추세다. 우리나라에 가설된 사장교로는 서강대교, 여수의 돌산대교, 진도대교, 올림픽대교, 서해대 교가 있다.
제 3장 하 중 |
3-1. 개 요
구조물 설계에 있어 하중의 평가는 매우 중요하다. 대부분의 경우는 규준화된 시방서를 이용하고 특 별한 경우는 검사하도록 한다.
교량을 설계할 때에 고려해야 할 하중의 종류 | |
주 하 중 | 1.사하중(D) 2.활하중(L) 3.충격(I) 4.프리스트레스(PS) 5.콘크리트 크리프의 영향(CR) 6.콘크리트 건조수축의 영향(SH) 7.토압(H) 8.수압(F) 9.부력 또는 양압력(B) |
부 하 중 | 10.풍하중(W) 11.온도하중의 영향(T) 12.지진의 영향(E) |
주하중에 상당하는 특수하중 | 13.설하중(SW) 14.지반변동의 영향(T) 15.지점이동의 영향(SD) 16.파압(WP) 17.원심하중(CF) |
특 수 하 중 | 18.제동하중(BK) 19.가설시하중(ER) 20.충격하중(CO) 21.기타 |
주하중은 구조물에 항시 작용하는 것으로 교량의 기본설계는 이 주하중을 대상으로 해서 행하여 진 다. 기타 하중은 교량에 불리한 조합으로 그 기본구조에 재하시켜 그에 대한 강도를 검사한다. 강도가 부족한 경우에는 사용재료의 바꿈, 허용응력의 증가 등이 있다.
3-2. 사하중(Dead Load)
사하중은 구조물 자신의 자중이며 사용된 재료의 체적과 비중으로 정해진다.
구조물의 자중은 그 구조물의 규격에 따라 대체로 정해지며, 설계시 가장 먼저 생각해야 하는 하중 이다. 추정 사하중으로 계산된 교량의 설계 사하중과 추정돤 값을 비교하여 큰 차가 있으면 단면추정 을 다시하여 설계를 반복해야 한다.
3-3. 활하중(Live Load)
(1) 개 요
철도교량에서는 열차, 도로교량에서는 자동차행열, 난간은 군중등이 주된 하중으로 된다. 사하중과 는 달리 분포상태 및 하중강도의 시간적 변동이 크며 또한 교량에 동적인 효과를 주어 예측되는 가 장 무거운 차축 등을 교량에 가장 불리하도록 재하시켜도 붕괴되지 않으면 안전하다고 말할 수 있으 나 그렇게 되면 과대한 강도를 요구하게 되어 합리적이며 경제적인 설계라고는 말할 수 없게 된다.
D B 하중 및 D L 하중 | |||||||
교량등급 | 하중 | 총중량(T) | 전륜하중 0.1W(kg) | 후륜하중 0.4W(kg) | 전륜폭 b1(cm) | 후륜폭 b2(cm) | 차륜접지폭 a(cm) |
1등교 2등교 3등교 | DB-24 DB-18 DB-13.5 | 43.2 32.4 24.3 | 2,400 1,800 1,350 | 9,600 7,200 5,400 | 12.5 12.5 12.5 | 50 50 50 | 20 20 20 |
차선하중 D L | 등 급 | 기 호 | 집중하중P (t/Lane) | 등분포하중W (t/m/Lane) | |
휨모멘트 계산용 | 전단력 계산용 | ||||
1 | DL-24 | 10.8 | 15.6 | 1.27 | |
2 | DL-18 | 8.1 | 11.7 | 0.95 | |
3 | DL-13.5 | 6.08 | 8.78 | 0.71 | |
(2) 자동차 하중
우리나라에서는 표준트럭하중과 차선하중, 보도하중 등을 활하중으로 한다. 국도와 주요도시의 가 로에 가설되는 교량은 원칙적으로 1등교, 지방도와 교통량이 적은 지방도시의 가로에 가설되는 교량 은 2등교, 또 산간벽지나 교통량이 경미한 곳에 가설될 교량은 3등교로 하되 가설지점의 교통량과 교통하중의 크기를 변경할 수 있다.
W (설계 차선폭) = Wc / N |
(3) 열차 하중
우리나라 철도교 설계에는 사하중, 활하중, 충격, 원심하중, 풍하중, 횡하중, 제시동하중 및 기타(온 도변화, 진동, 가설하중)를 고려한다. 사하중 산출은 강중량 추산도표를 적용하고, 활하중은 L,S 하중 중 생각하는 부재에 큰 영향을 주는 쪽을 적용한다.
3-4. 충격 (Impact)
차량하중은 교량에 상당한 충격을 주며 그 영향은 해당 차량하중에 충격계수를 곱한 값으로 한다.
15 I (충격계수) = ------------------------ ≤ 0.3 40 + L |
3-5. 풍하중
수평으로 작용하는 활하중으로 설계부재에 가장 불리한 응력이 일어나도록 재하시킨다.
판 형 교 의 풍 하 중 | |
단 면 형 상 | 풍 하 중 |
1 ≤ B/D < 8 | [400-200(B/D)] D ≥ 600 |
8 < B/D | 240 D ≥ 600 |
3-6. 지진 (Earthquake)
(1) 설계진도
구조물이 지진에 의해 진동이 일어나면 그 구조물의 각 부분은 각각 가속도와 질량에 비례한 힘, 관성력을 갖는다. 이 힘을 정적인 구조물에 가해서 일어나는 응력이 어느 허용응력내에 있으면 대체 로 진동에 설계가 가능하다.
우리나라의 경우는 특별한 경우를 제외하고 설계에 고려치 않고 있으나 몇 일전 국내 상․하수도 의 공사에 진도 5의 내진설계를 의무화하고 있다.
Kn (설계 수평진도) = V1V2V3K0 |
(2) 우리나라의 주요지진 내용
․ 속리산 지진 (1978년 9월 16일) : 규모 5.2
․ 삭주 지진 (1980년 1월 8일) : 규모 5.3
․ 울산 지진 (1992년 1월 21일) : 규모 4.0
(3) 내진설계
| 시방서의 적용범위 |
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| 예비설계 |
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| 가속도계수 결정 |
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| 내진등급 결정 |
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| 지반계수 결정 |
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| 응답수정계수 결정 |
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| 단경간 교량 |
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| 그렇다 |
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| 아니다 |
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| 설계지진력 결정 | ||||
내진 2등급교 |
| 내진 1등급교 |
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| 설계변위 결정 | ||||
설계지진력 결정 |
| 흐름도로 연결 |
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설계변위 결정 |
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① 가속도 계수
가 속 도 계 수 | |
지 역 | 가속도 계수 (A) |
강원도, 전남남도, 제주도 | 0.07 |
기 타 지 역 | 0.14 |
② 내진등급
교 량 의 내 진 등 급 | |
등 급 구 분 | 가속도 계수 (A) |
내진 1등급 교 | A > 0.07 |
내진 2등급 교 | A ≤ 0.07 |
③ 지반의 영향
지 반 계 수 S | |||
지반 종류 | I | II | III |
지반 계수 | 1.0 | 1.2 | 1.5 |
․지반종류 I - 혈암등이나 자연상태에서 결정체를 갖는 암반, 지반의 깊이가 60m이하인 단단한 모래자갈 또는
견고한 점토질의 안전성 있는 견고한 지반
II - 지반의 깊이가 60m를 초과하는 단단한 모래자갈 또는 견고한 점토질의 안전성 있는 견고한 지반
III - 연약 또는 중간정도의 점토 또는 느슨한 모래질의 지층두께가 9cm를 초과하는 지반
- 현재 지반진동특성과 그에 따른 스펙트럼은 다음의 4가지 요인에 의해 영향을 받는다.
a. 그 지역 지반을 구성하는 퇴적토의 특성
b. 지반운동을 일으키는 지진의 진도
c. 지반운동을 일으키는 지진발생기구
d. 진앙지로부터의 거리 및 지진경로의 지질
④ 응답수정계수
a. 내진 2등급교의 각 부재와 연결부분에 대한 설계지진력은 내진 1등급교의 설계지진력에서 규정한 설계력을 적절한 응답수정계수로 나눈 값으로 한다.
b. 각 요소에 대한 응답수정계수 R
하부구조 | R | 연결부분 | R |
벽식교각 | 2 | 상부구조와 교대 | 0.8 |
철근콘크리트 말뚝 가구(bent) 1. 수직말뚝만 사용한 경우 2. 한 개 이상의 경사말뚝을 사용한 경우 | 3 2 | ||
상부구조의 한 지간내의 신축이음 | 0.8 | ||
기둥, 교각 또는 말뚝가구와 캡빔 (Cap Beam) 또는 상부구조 | 1.0 | ||
단주 | 3 | ||
강재 또는 합성강재와 콘크리트 말뚝가구 1. 수직말뚝만 사용한 경우 2. 한 개 이상의 경사말뚝을 사용한 경우 | 5 3 | ||
기둥 또는 교각과 기초 | 1.0 | ||
다주가구 | 5 |
3-7. 기타하중
(1) 온도변화 (Temperature gradient)
강교에서는 가설시의 온도변화의 범위를 -20℃(추운곳에서는 -30℃) ～ 50℃로 한다. 콘크리트교의 온도변화 범위는 지역별 평균기온을 고려하여 정하며 보통 온도의 승강은 각각 15℃로 한다.
(2) 충돌하중
중량 W의 물체가 충돌해서 속도가 V0에서 V1으로 변하면 그 충돌력은 접촉부분의 변형과 힘의 동적관계임을 알게된다.
․ 자동차의 충돌 |
W FΔt =
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