This dissertation introduces simple, but effective, equations to calculate the dead load and tendon moments in reinforced concrete (RC) bridges constructed using the Free Cantilever Method (FCM) and Movable Scaffolding System (MSS). Through time-dependent analyses of RC bridges considering the construction sequence and creep deformation of concrete, structural responses related to the member forces are reviewed. On the basis of the compatibility condition and equilibrium equation at every construction stage, basic equations which can describe the moment variation with time in construction methods are derived. These are then extended to take into account the moment variation according to changes in the construction steps. By using the introduced relations, the design moment and its variation over time can easily be obtained with only the elastic analysis results, and without additional time-dependent analyses considering the construction sequences. In addition, the design moments determined by the introduced equations are compared with the results from a rigorous numerical analysis with the objective of establishing the relative efficiencies of the introduced equations.
In addition, this dissertation introduces a relation to determine the span ratio between exterior and interior spans, which is required in the preliminary design stage of bridges constructed by balanced cantilever method. On the basis of the numerical results obtained by rigorous time-dependent analyses and by the simple equations introduced, the moment distribution along the spans and its variation with the construction sequence are reviewed, and a recommendation for a rational design is suggested. First, a relation for the initial tendon force is derived on the basis of an assumption that no vertical drift occurs at the far end of a cantilever beam due to the balanced condition between the self-weight and the cantilever tendons. In advance, the determination of an effective span ratio is followed with an assumption that the magnitude of maximum negative moment must be the same as that of the maximum positive moment along all of the spans. Finally, many rigorous time-dependent analyses are conducted to establish the validity of the introduced relations, and this paper shows that an effective span length ratio of the exterior span to the interior span ranges between 0.75 and 0.8.
산업과 경제 발전에 따라 사회 기반시설의 확충에 대한 요구가 증대되고 있으며 특히 산업경제의 대동맥이라고 할 수 있는 도로 건설의 증가와 이로 인한 교량의 설계, 시공이 증가되고 있다. 뿐만 아니라 건설기술의 발전에 따라 산간, 바다를 포함한 열악한 시공여건을 갖는 지역에 장대교량의 시공 또한 활발히 이루어지고 있다. 이러한 콘크리트 장대교량 가설공법도 발전되어져 왔는데, 이미 시공되어 있는 교각으로부터 좌우로 평형을 맞추면서 3~5m 길이의 세그멘트를 순차적으로 시공하여 나가는 Free Cantilever Method (FCM )과 교량의 상부구조 시공 시 거푸집이 부착된 특수한 이동식 지보를 이용하여 한 경간씩 시공하여 나가는 Movable Scaffolding System (MSS)이 장대교량의 대표적인 가설공법으로 사용되고 있다. 그리고 콘크리트 교량의 경우 강 교량과 달리 콘크리트 재료적 특성으로 인한 크리프 등의 시간의존적 거동이 동반되므로 구조물의 사용성과 안전성을 확보하기 위해서는 공법에 따른 구조계의 지속적인 변화와 이에 따른 부재력 산정 등 시공단계를 고려한 해석과 설계가 이루어져야한다. 따라서 본 논문에서는 FCM 공법과 MSS 공법으로 시공되는 교량의 시공단계별 사하중과 긴장재의 긴장력에 의한 장기거동을 살펴보고자 한다.
FCM 공법으로 시공되는 교량의 경우, 사하중에 의한 부재력은 켄틸레버 시공으로 인하여 지점부에서 최대 부모멘트가 발생하게 되며, 순차적인 시공으로 의한 구조계의 변화로 인한 크리프 모멘트의 재분배로 정모멘트는 증가하고 부모멘트는 감소하는 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 그리고 켄틸레버 텐던의 긴장력은 구조계의 전체 부재력에 대하여 부모멘트를 감소시키는 역할을 수행함을 알 수 있다. 이와 같은 사하중과 켄티레버 텐던의 긴장력에 의한 시공단계별 시간의존적 거동에 통해, 변위일치조건을 토대로 한 지배방정식을 구성한 후 복잡한 장기거동 해석없이 탄성해석 결과를 토대로 설계 부재력과 임의의 시간 경과 후 모멘트 변화를 예측할 수 있는 관계식을 구성하였다. 그리고 다양한 예제해석 통해 제안한 관계식의 적용성을 검증하였다. 또한 설계 최대 정, 부모멘트를 산정방안으로써, 각 지간의 중앙부에서 발생하는 최대 정모멘트는 사하중과 켄틸레버 긴장재의 긴장력에 의한 부재력을 모사하는 제안된 관계식의 중첩에 의해 산정하고, 각 지점에서 발생하는 최대 부모멘트는 켄틸레버 상태의 사하중에 의한 부모멘트와 켄틸레버 텐던에 의한 정모멘트의 차이에 의한 값으로 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
그리고 시공단계에 따른 구조물의 거동을 분석을 토대로 콘크리트 장대교량의 중요한 설계인자 하나인 교량단면의 효율적이며 경제적인 설계를 위한 부재력의 효율적 분포 방안을 제안하고 있다. 먼저 사하중에 의한 켄틸레버 보의 하향처짐과 켄티레버 텐던 긴장력에 대한 켄틸레버 보의 상향처짐을 일치하도록 시공한다는 가정을 토대로 켄틸레버 텐던의 긴장력을 유도하였다. 나아가 외측경간의 최대 정모멘트 $(M^{+max}_{ext.})$ 와 지점부의 최대 부모멘트 $(M^{-max})$ 의 절대값을 일치되도록 하여 내측 경간의 주어진 켄틸레버 보의 길이에 대한 외측 경간의 길이를 산정할 수 있는 관계식을 제안하였다. 그리고 제안된 관계식에 의해 결정된 켄틸레버 텐던의 긴장력과 최적 경간길이를 토대로 FCM공법의 시공단계별 시간의존적 정밀해석에 의한 부재력 분포를 산정하여 이를 비교함으로써 제안된 부재력의 효율화 방안에 대한 타당성을 검증하였다. 또한 제안된 관계식에 의한 결과도 시공단계별 시간의존적 정밀해석의 부재력를 유사하게 모사함을 알 수 있다.
MSS 공법으로 시공되는 교량의 경우, 사하중에 의한 부재력은 이동식 지보에 의한 순차적인 경간의 시공으로 콘크리트의 사하중과 비계가 집중하중으로 반복 작용하게 되므로, 내부 변형에 의한 부재력의 크기를 변화시키므로 연속화에 의한 부정정 구조계와 일체 시공에 의한 구조계의 탄성모멘트 차이가 크지 않게 됨을 알 수 있다. 그리고 긴장재에 의한 부재력은 구조계의 변화에 따른 크리프 모멘트의 재분배 영향으로 정모멘트가 증가함뿐만 아니라, 긴장재의 응력이완에 따른 긴장력의 감소로 전체 부재력의 감소가 추가적으로 나타남을 알 수 있다. 이에 적합조건과 평형방정식을 토대로 긴장재의 긴장력에 의한 부재력을 모사할 수 있는 관계식을 제안하였으며, 제안된 관계식이 정밀해석 결과와 비교검증에서 근사적으로 모사하고 있음을 알 수 있다. 나아가 설계모멘트 산정방안으로 사하중의 일체시공에 의한 탄성해석 부재력과 긴장재의 긴장력에 대한 제안된 관계식에 의한 부재력의 합에서 설계 최대 정모멘트는 마지막 경간의 최대 정모멘트으로, 설계 최대 부모멘트는 첫 번째 지점의 최대 부모멘트 값으로 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
이를 통해 FCM 공법과 MSS 공법으로 시공되는 교량의 설계 시 초기단면을 효과적으로 결정할 수 있을 것으로 판단된다. 나아가 설정된 초기단면을 토대로 기본설계를 수행한 후 최종적으로 시간 의존적 거동해석을 통한 정밀해석에 의해 구조물의 안전성을 검토한다면 보다 효과적이고 경제적인 단면의 설계가 이루어질 것으로 판단된다.
