라멘교
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1. 개요
라멘교는 주 거더와 교각을 강결하여 지진에 강하고, 받침의 사용을 최소화하여 내진 성능을 높인 교량 형식이다. 20세기 초 독일에서 시작되어 철근 콘크리트 기술 발전과 함께 널리 사용되었다. 라멘교는 지진 시 교각의 변형을 줄이고, 얇은 단면 설계를 가능하게 하지만, 온도 변화에 따른 2차 응력 발생 및 복잡한 시공 등의 단점도 존재한다. 문형, T형, 연속, 유힌지, 방장, V각, 사재 부착 π형 등 다양한 종류가 있으며, 최근에는 기존 구조물의 내진 보강 및 프리스트레스 콘크리트 활용에 대한 연구가 진행되고 있다.
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| 라멘교 | |
|---|---|
| 개요 | |
| 유형 | 교량 |
| 특징 | |
| 구조적 특징 | 수직재와 수평재의 접합부가 강절로 연결된 구조 지점에서의 구속 조건에 따라 다양한 형태 존재 |
| 장점 | 교량 하부 공간 활용 용이 비교적 간단한 시공 |
| 단점 | 지점부에 큰 응력 집중 가능성 지반 조건에 민감 |
| 설계 및 시공 | |
| 주요 고려 사항 | 지점부의 강성 확보 콘크리트 균열 방지 온도 변화에 대한 고려 |
| 종류 | |
| 재료 | 철근 콘크리트 라멘교 강철 라멘교 합성 라멘교 |
| 형태 | 단일 경간 라멘교 연속 경간 라멘교 복합 라멘교 |
| 활용 | |
| 적용 분야 | 고가도로 철도 교량 지하차도 |
| 기타 | 도시 미관을 고려한 디자인 적용 가능 다양한 지형 조건에 적용 가능 |
2. 역사
20세기 초 독일에서 강결 구조 교량의 사용이 시작되어 빠르게 아메리카 대륙으로 확산되었다. 특히, 에밀리오 엔리케 바움가르트와 아서 G. 헤이든은 1920년대 초 콘크리트 강결 구조의 사용으로 명성을 얻었다.[1] 당시에는 철근 콘크리트가 교량 설계에 일반적으로 사용되었지만,[2] 상부 구조는 하부 구조에 베어링을 사용하여 설계되었다.[1] 콘크리트 강결 구조 설계에서는 베어링이 사용되지 않는다. 대신 상부 구조는 하부 구조와 일체로 타설되며 데크에서 기초까지 전체 교량이 연속된다.
라멘교는 교량의 주형과 교각, 교대를 강결(강하게 연결)한 구조 형식이다. 일반적인 교량은 주형의 변형을 흡수하기 위해 받침을 설치하지만, 라멘교는 받침을 사용하지 않거나 적게 사용한다.[11]
구조 기술자들은 이러한 유형의 설계가 여러 면에서 유리하다는 것을 발견했다. 강결 구조 교량의 데크 중앙에서 발생하는 모멘트는 단순 지지 데크에서 발생하는 해당 모멘트보다 작다.[3] 따라서 경단면에서 훨씬 얇은 단면을 사용할 수 있다.[3] 추가적인 이점으로는 접근로에 더 적은 공간이 필요하고 데크가 반벽에 닿는 부분에 대한 구조적 세부 사항이 필요하지 않다는 점이 있다.[3] 기술자들은 강결 구조 교량의 몇 가지 단점도 언급했다. 철근 (리바)의 배치가 매우 어려울 수 있으며 콘크리트의 형성과 타설이 복잡하다는 점이다.[1] 또한, 강결 구조는 정정 구조이며, 분석이 단순 지지 구조보다 더 어렵다.
교량의 주형은 하중 작용이나 온도 변화의 영향으로 인해 신축 및 회전 등의 변형을 일으킨다. 따라서 주형과 교대·교각 사이에는 받침이라고 불리는 신축 및 회전을 흡수하는 부위를 설치하는 것이 일반적이다. 이에 반해 라멘교는 이 받침을 설치하지 않고, 주형과 교각, 교대를 강결하는 교량이다.[11]
3. 특징
라멘교는 콘크리트 교에 많이 적용된다. 하부 구조는 주로 콘크리트로 만들어지는데, 콘크리트 주형과의 강결이 철근을 통해 쉽게 이루어지기 때문이다. 콘크리트 교량은 자체 무게가 커서 받침이 커지기 쉬운데, 라멘교는 받침이 없거나 적어 이러한 문제를 해결할 수 있다.
3. 1. 장점
라멘교는 여러 장점을 가지고 있다. 우선, 주형과 교각, 교대를 강결하여 받침을 설치하지 않거나 적게 사용하므로 건설 비용을 절감할 수 있다.[11] 특히 일본에서는 한신·아와지 대지진 이후 교량의 내진 설계 기준이 강화되면서 받침 비용이 상승하여 라멘교의 경제성이 더욱 부각되었다.[11]
또한, 라멘교는 주 거더와 교각이 강결되어 있어 지진 발생 시 교각의 변형을 주 거더가 구속하므로 내진성이 우수하다.[11] 받침을 사용하지 않아 지진으로 인한 낙교 위험을 줄일 수 있다.[11]
구조 기술자들은 라멘교 설계가 여러 면에서 유리하다는 것을 발견했다. 강결 구조 교량의 데크 중앙에서 발생하는 모멘트는 단순 지지 데크에서 발생하는 해당 모멘트보다 작다.[3] 따라서 경단면에서 훨씬 얇은 단면을 사용할 수 있다.[3] 더불어, 접근로에 더 적은 공간이 필요하고 데크가 반벽에 닿는 부분에 대한 구조적 세부 사항이 필요하지 않다는 장점도 있다.[3]
3. 2. 단점
주형의 변형을 교각이 구속하므로 온도 변화 등에 의한 2차력이 크게 발생할 수 있다. 설계 시에는 2차력의 영향을 적절하게 평가해야 한다.[11] 철근 배치가 매우 어려울 수 있으며, 콘크리트 형성과 타설이 복잡하다.[1] 라멘교는 고차 부정정 구조물이므로, 지진 시 힘의 흐름이 복잡하다. 따라서 시간 이력 응답 해석 등을 통해 검증해야 한다.[11]
4. 종류
라멘교는 다양한 형태로 분류될 수 있으며, 주로 사용되는 형식은 다음과 같다.
| 종류 | 설명 |
|---|---|
| 문형 라멘교 | 1경간 구조로, 소규모 교량에 사용된다. |
| T형 라멘교 | 2경간 구조로, 산간부 도로의 PC교에 자주 사용된다. |
| 연속 라멘교 | 3경간 이상 구조로, 고속도로 등에 사용된다. |
| 유힌지 라멘교 | 중앙부에 힌지가 있는 구조로, 장대 교량에 사용되었으나 최근에는 다른 형식으로 대체되고 있다. |
| 방장 라멘교 | 교각이 비스듬하게 배치된 구조로, 깊은 계곡 등에 사용된다. |
| V각 라멘교 | 방장 라멘교의 연속 형식으로, 미관이 뛰어나다. |
| 사재 부착 π형 라멘교 | 주거더 단부와 교각 부착부를 사재로 연결한 구조로, 고속도로의 고가교에 자주 사용된다. |
| 기타 | 사장교 등의 다른 형식에서도 주탑이나 교각이 주거더와 강결하고 있는 경우는 라멘교의 일종이 된다.[13] |
4. 1. 문형 라멘교 (Portal frame bridge)
문형 라멘교는 포털 라멘(Portal frame)이라고도 불린다. 1경간의 양쪽 교대(혹은 교각)와 주거더를 강결한 구조이다. 하부공에 큰 회전 반력이 작용하기 때문에 소규모를 제외하면 채용 사례가 적다.[4]4. 2. T형 라멘교
2경간의 중앙 교각만을 주거더와 강결한 구조로, 양쪽 교대는 지점 구조이다. 측면에서 보면 주거더와 중앙 교각이 T자를 그리고 있어 T형 라멘교라고 불린다. 주로 산간부 도로에서 계곡을 건너는 PC교에 자주 사용되며, 캔틸레버 공법으로 시공하는 것이 일반적이다.[13]4. 3. 연속 라멘교 (Continuous rigid-frame bridge)
3경간 이상의 라멘교이다. 소규모에서는 철도 고가교에 8-10m 지간의 철근 콘크리트 라멘교가 자주 사용된다. 대규모 교량은 내민 가설 공법으로 시공되는 PC 연속 라멘교가 있으며, T형 라멘교와 마찬가지로 산간부 고속도로 등에서 채용 사례가 많다.[13] 최근에는 주행성을 고려하여 신축 이음 장치가 적은 다경간 연속 라멘이 채용되는 경향이 있지만, 강결 교각을 늘리면 2차력의 영향이 커져 상부 구조와 하부 구조에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서 일부 중간 교각을 지점 구조로 하는 경우도 있다.[13]4. 4. 유힌지 라멘교 (Gerber rigid-frame bridge)
내민 가설 공법으로 시공되는 PC교에서 자주 사용되는 형식이며, 지간 중앙부에 힌지(hinge)를 가진다. 시공 중과 완성 시의 단면력(굽힘 모멘트)이 거의 일치하는 구조이며, 200m를 넘는 지간도 가능하다. 그러나 중앙부 힌지가 주행성을 저해하고, 콘크리트의 크리프에 의해 힌지부가 후에 처지는 등의 결점도 있어, 최근에는 연속 라멘교나 지간이 큰 교량에서는 사장교나 엑스트라도즈교로 이행하고 있다.[13]이 형식의 교량으로는 건설 당시 거더교로서 세계 최대 지간 240m를 자랑했던 하마나 대교가 유명하다. 최근에는 2004년에 시마네현에 에시마 대교가 지간 250m (거더교로서 세계 3위)의 규모로 완성되었다.[13]
4. 5. 방장 라멘교 (Batter-post rigid-frame bridge)
교각 부재를 비스듬하게 배치한 라멘교이다. 깊은 계곡을 건너는 교량에서 중간에 교각을 세울 수 없는 경우 등에 사용되며, 교각을 비스듬하게 배치함으로써 상부 구조의 겉보기 지간을 작게 할 수 있다. 미관이 뛰어나며, 강교의 채용 사례도 많다. 이 형식에서는 그림에 나타낸 바와 같이, 교각 하단에 회전 지점(고정 지점)이 설치되는 경우가 있다.[13]
4. 6. V각 라멘교 (V-shaped rigid-frame bridge)
V자형 강성 프레임은 단일 경간만으로는 불가능한 더 긴 다리를 지지하는 효율적인 방법이다. 각 V자형 교각은 하나의 기초만 필요로 하면서 갑판을 두 곳에서 지지한다. 교각에서 발생하는 휨 모멘트는 최소화되어 기초 크기를 상당히 줄일 수 있다.[6] 또한, 각 경간의 유효 길이는 수직 교각이 있는 다리의 경간에 비해 짧아진다.[7] 그러나 이 시스템은 교각이 다리 아래에 대략적으로 중앙에 위치해야 하므로 강성 프레임 다리에서는 덜 일반적으로 사용된다. 종종 다리는 도로 또는 수로를 가로지르며, 이러한 경우 교각 건설은 비용이 많이 들고 어려울 수 있다.방장 라멘교를 연속시킨 형식이며, 중간 교각이 V자 혹은 Y자 모양으로 벌어져 있는 것이 특징이다. 미관이 뛰어나다.
4. 7. 사재 부착 π형 라멘교
방장에 가깝지만, 주거더 단부와 교각 부착부를 사재(斜材, diagonal member)로 연결하고 있는 것이 특징이다. 고속도로의 고가교에 자주 사용된다.[13]5. 최근 연구 동향
최근 몇 년 동안, 강성 골조 교량에 대한 대부분의 연구는 기존 구조물을 새로운 지진 규격에 맞게 개조하는 데 초점을 맞추고 있다.[9] 이 연구에서는 빔-기둥 접합부에서 필요한 보강재의 양을 늘려야 한다는 점을 자주 발견한다. 많은 교량에서 지진 설계 기준에서 요구하는 강철의 양은 접합부에 혼잡을 유발한다.[9] 이를 완화하기 위해 강철 섬유를 보강재로 사용하여 철근과 주변 콘크리트 사이의 부착력을 향상시킬 수 있다.[9] 시험 결과, 강철 섬유 보강 콘크리트를 사용하면 전단 및 휨 강성을 향상시키면서 철근의 정착 길이를 줄일 수 있는 것으로 나타났다.[9] 필요한 정착 길이가 감소하면 빔-기둥 접합부의 혼잡을 줄일 수 있다.
프리스트레스 콘크리트의 사용은 또 다른 발전이다. 프리스트레스 콘크리트는 콘크리트 공학의 주요 발전이며 강성 골조 교량 건설에 효과적으로 사용되어 왔다.[10] 이는 콘크리트 강성 골조 교량에 표준 보강재를 배치하는 것이 이미 어려웠기 때문에 주목할 만하다. 철근을 프리스트레싱하는 것은 더 어렵지만 여전히 실현 가능한 것으로 입증되었다.[10] 프리스트레스 콘크리트는 기존의 철근 콘크리트보다 인장 강도가 높아서 더 긴 교량 경간을 가능하게 하므로 교량 건설에 유용하다.
참조
[1]
웹사이트
Rigid Frame Bridges
http://www.marylandr[...]
2024-02-06
[2]
간행물
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http://www.britannic[...]
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[3]
서적
Analysis of Rigid Frame Concrete Bridges
http://babel.hathitr[...]
Portland Cement Association
1936
[4]
웹사이트
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http://www.ncdot.gov[...]
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2024-02-06
[5]
문서
National Register of Historic Places Continuation Sheet
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[6]
웹사이트
FINLEY Engineering Group: Finley: - Projects
http://www.finleyeng[...]
2014-11-05
[7]
문서
CONCRETE STRUCTURES FRAME BRIDGES ON V-SHAPED SUPPORTS
http://fib.bme.hu/cs[...]
Antónia Királyföld, Gábor Pál
2012
[8]
간행물
Rigid Frame Bridge
http://www.eng-forum[...]
Middle East Economic Engineering Forum
2014-11
[9]
논문
Application of steel fibers in beam–column joints of rigid-framed railway bridges to reduce longitudinal and shear rebars
2012-02
[10]
논문
Design of Prestressed Concrete Continuous Rigid Frame Bridge with V-shaped Piers
http://www.scientifi[...]
2012-10
[11]
웹사이트
つくる技術
https://www.kajima.c[...]
鹿島建設株式会社
2024-04-04
[12]
웹사이트
2.複合ラーメン橋の設計・施工
https://www.kougiken[...]
鋼橋技術研究会
2024-04-04
[13]
웹사이트
鋼方杖ラーメンを擁する 横浜横須賀道路 第二田浦高架橋の制震・免震的補強
https://www.kozobuts[...]
株式会社鋼構造出版
2024-04-04
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