Optimum Design of Steel-Deck System for Two-Story Roads

2층도로용 강구조 덱 시스템의 최적설계

Recently, more and more steel-deck structural system for two story roads has been adopted as a solution against traffic congestion in urban area, mainly because of fast construction, reduced self-weight, higher stiffness and efficient erection compared to that of concrete decks. The main objective is to study on the unit-elective optimal type and proportioning of a rational steel-deck system for two story roads using an optimum design program specifically developed for steel-deck systems. The objective function for the optimization is formulated as a minimum cost design problem. The behavior and design constraints are formulated based on the ASD(Allowable Stress Design) criteria of the Korean Bridge Design Code. The optimum design program developed in this study consists of two steps - the first step for the optimization of the steel box or plate girder viaducts, and the second step for the optimum design of the steel-decks with closed or open ribs. A grid model is used as a structural analysis model for the optimization of the main girder system, while the analysis of the deck system is based on the Pelican-Esslinger method. The SQP(Sequential Quadratic Programming) is used as the optimization technique for the constrained optimization problem. By using a set of application examples, the rational type related to the optimized steel-deck system designs is investigated by comparing the cost effectiveness of each type. Based on the results of the investigation it may be concluded that the optimal linear box girder and deck system with closed ribs may be utilized as one of the most rational and economical viaducts in the construction of two-story roads.

최근도심지의 극심한 교통체증의 해소를 위한 방안으로 2층도로 강구조 덱 시스템의 채택이 증가하고 있다. 그 주된 이유는 신속한 시공과 콘크리트덱에 비하여 자중의 감소효과가 크고 보다 큰 강도와 효율적인 가설이 가능하기 때문이다. 본 연구의 목적은 강구조 덱 시스템의 최적설계프로그램을 이용한 2층도로용 강구조 덱 시스템의 가장 합리적인 형식 결정에 관한 연구이다. 최적화의 목적함수는 최소 초기비용으로 정식화하였다. 설계 제약조건은 도로교시방서의 ASD설계기준에 맞추어 정식화하였으며 최적설계과정은 두 단계로 이루어져 있다. 첫 번째 단계는 박스 또는 플레이트주형에 대한 강구조 덱 시스템의 최적설계가 수행된다. 그리고 두 번째 단계에서 개단면 또는 폐단면리브를 갖는 강상판에 대하여 최적설계를 한다. 최적설계 프로그램의 구조해석은 주형에 대하여 격자해석 모델링을 이용하였고 강상판에 대해서는 Pelican-Esslinger법을 사용하였다. 최적화 기법은 SQP를 이용하였다. 적용 예의 각 형식별 강구조 덱 시스템의 최적설계 결과의 비교를 통하여 비용의 효율성을 검토하였고 폐단면리브를 가지는 직선 형상의 박스거더 형식이 가장 효율적이고 경제적으로 판단된다.