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Summary

Contents

목차

제1장 연구개발과제의 개요 42

제1절 연구의 필요성 및 목적 42

제2절 연구개발의 목표 및 내용 46

제2장 국내외 기술개발 현황 48

제1절 국내외 합성거더 기술관련 연구 개발 동향 48

제2절 국내외 합성거더 기술관련 특허 동향 51

제3장 연구개발수행 내용 및 결과 52

제1절 CFTA 거더의 개요 52

1. CFTA 거더의 개요 52

2. CFTA 거더의 형상 결정 55

제2절 CFTA 거더의 설계 60

1. CFTA 거더의 특징 및 설계 착안점 60

2. CFTA 거더의 해석 63

3. CFTA 거더의 설계 65

4. 경간별 CFTA 거더의 표준단면 83

제3절 CFTA 거더의 시공 96

1. CFTA 거더를 이용한 교량의 시공단계 96

2. 시공상세 검토 102

제4절 CFTA 거더의 실물모형실험 118

1. 실험체의 설계 118

2. 실험체의 제작 127

3. 실험 방법 129

4. 유한요소해석 134

5. 실험 결과 분석 145

제5절 CFTA 거더의 상세부 검토 171

1. 전단연결부 검토 171

2. 정착부 검토 191

제6절 CFTA 거더의 안전성 평가 206

1. 정적 안전성 평가 206

2. 동적 안전성 평가 225

제7절 CFTA 거더의 경제성 검토 239

제4장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 270

제5장 연구개발결과의 활용계획 272

제6장 연구개발과정에서 수집한 해외과학기술정보 273

제7장 참고문헌 274

표 1.1.1. 연차별 단계적 목표 47

표 3.1.1. 대안별 단면특성 56

표 3.2.2. 설계교량의 사용재료 66

표 3.2.3. 재료의 허용응력 66

표 3.2.4. 차도부분 바닥판의 최소두께 (mm) 67

표 3.2.5. 시공단계별 작용하중 및 저항단면 68

표 3.2.6. 시공단계별 단면 응력 69

표 3.2.7. 허용휨인장응력 및 허용휨압축응력(Mpa) 70

표 3.2.8. 허용전단응력(Mpa) 70

표 3.2.9. 긴장재의 허용응력 71

표 3.2.10. 허용처짐량 (지간장 : m) 72

표 3.2.11. 비합성 플레이트거더의 복부판 최소 두께 72

표 3.2.12. 상·하부플랜지와 수직보강재 사이의 연결 73

표 3.2.13. 수평보강재와 최대복부판높이 (mm) 73

표 3.2.14. 설계교량의 단면제원 74

표 3.2.15. 경간별 CFTA 거더 단면 제원 (단순교) 95

표 3.3.1. 긴장재의 정착구 제원 110

표 3.4.1. 실물모형 실험체의 제원 119

표 3.4.2. 시공단계별 단면력 119

표 3.4.3. 시공단계별 응력 120

표 3.4.4. 실험절차 129

표 3.4.5. 선형-탄성 해석을 위한 물성치 136

표 3.4.6. 비선형 강재 물성치 136

표 3.4.7. 비선형 콘크리트 물성치 (CEB-FIP 1990) 137

표 3.4.8. 선형 해석 시 부여한 요소와 부재 특성 138

표 3.4.9. Step 1에서의 CFTA 거더 모델의 변위, 변형률, 응력 139

표 3.4.10. Step 2에서의 CFTA 거더 모델의 변위, 변형률, 응력 140

표 3.4.11. Step 3에서의 CFTA 거더 모델의 변위, 변형률, 응력 141

표 3.4.12. Step 4에서의 CFTA 거더 모델의 변위, 변형률, 응력 142

표 3.4.13. 계측된 거더의 고유진동수 167

표 3.4.14. 계측과 유한요소해석으로 구한 거더의 고유진동수 167

표 3.4.15. 유한요소해석으로 구한 텐던의 유무에 따른 고유진동수 비교(Hz) 168

표 3.5.1. Push-out 실험체의 종류 및 개수 172

표 3.5.2. 콘크리트 설계기준 강도 25 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 175

표 3.5.3. 콘크리트 설계기준 강도 35 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 176

표 3.5.4. 콘크리트 설계기준 강도 45 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 177

표 3.5.5. 콘크리트 강도별 스터드 당 강도 - 본 실험 178

표 3.5.6. 콘크리트 강도별 스터드 당 강도 - 이전 실험자료 178

표 3.5.7. 콘크리트 설계기준 강도 25 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 179

표 3.5.8. 콘크리트 설계기준 강도 35 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 180

표 3.5.9. 콘크리트 설계기준 강도 45 MPa에 대한 Push-out 실험 결과 181

표 3.5.10. 실험 결과 - 스터드 당 항복강도 183

표 3.5.11. 실험 결과 - 스터드 당 극한강도 187

표 3.5.12. 일반 PSC 빔과 CFTA 거더의 정착부 응력 비교 198

표 3.5.13. 지점부로부터의 거리에 따른 CFTA 거더와 PSC빔의 응력 비교 201

표 3.6.1. CFTA 거더의 물성치 207

표 3.6.2. CFTA 거더 단면 재원 207

표 3.6.3. 환경별 강선의 부식 개시점 산정 210

표 3.6.4. 부식률의 평균과 표준편차 210

표 3.6.5. 텐던 단면적 및 초기 긴장력 211

표 3.6.6. 유한요소해석에 의한 CFTA 거더 중앙부의 처짐 212

표 3.6.7. 콘크리트 단면의 응력 214

표 3.6.8. 충돌 해석에 사용된 거더 물성치 215

표 3.6.9. 긴장재의 비선형 물성치 216

표 3.6.10. 긴장재 응력 218

표 3.6.11. 긴장재 변형률 218

표 3.6.12. 1번 긴장재의 파단에 따른 처짐과 긴장재 응력 219

표 3.6.13. 거더 중앙부 응력 221

표 3.6.14. 긴장재 손실에 의한 긴장재 응력 221

표 3.6.15. 긴장재 손실에 따른 좌측 거더 중앙부 응력 222

표 3.6.16. 계측과 해석으로 구한 거더의 고유진동수 226

표 3.6.17. 거더의 고유진동수 비교 - 해석 232

표 3.6.18. 거더의 고유진동수 비교 - 실험 232

표 3.6.19. 개선된 CFTA 거더 유한요소모델로 구한 고유진동수 비교 237

표 3.7.1. 비교대상 구조 형식 241

표 3.7.2. VE 평가를 위한 비교항목 242

표 3.7.3. VE 평가를 위한 대상 선정기법 242

표 3.7.4. 평가등급 산정을 위한 기준 243

표 3.7.5. LCC 분석을 위한 각 교량형식의 초기비용(교량 폭＝10.5 m) 245

표 3.7.6. CFTA 거더교 초기비용 내역서 246

표 3.7.7. PSC 박스 거더교 초기비용 내역서 247

표 3.7.8. 강박스 거더교 초기비용 내역서 248

표 3.7.9. SCP 거더교 초기비용 내역서 249

표 3.7.10. 비교대상 교량의 유지 보수 주기 (발생률:%, 주기:년) 254

표 3.7.11. 비용모델 255

표 3.7.12. 교량구조물의 공용수명(Service Life) - 교량 형식별 258

표 3.7.13. 교량의 내구연한 - 국가별 259

표 3.7.14. 각 교량형식별 장·단점 260

표 3.7.15. 설문조사를 바탕으로 한 적용 가중치 261

표 3.7.16. 설문조사를 바탕으로 한 교량 평가등급 261

표 3.7.17. VE 평가결과 262

그림 1.1.1. CFTA 거더의 개념도 43

그림 1.1.2. CFTA 거더를 이용한 교량의 구성 44

그림 1.1.3. CFTA 거더의 구조적 조합 및 기술적 특징 45

그림 2.1.1. CFT 트러스교(미국) 49

그림 2.1.2. CFT 아치교(중국) 49

그림 2.1.3. CFT 거더교의 시공(일본) 49

그림 2.1.4. CFT 거더 실물모형실험 49

그림 2.1.5. RPF 거더교량 50

그림 2.1.6. SCP 거더교량 50

그림 2.1.7. IPC 거더교량 50

그림 2.1.8. MSP 거더교량 50

그림 2.1.9. 복부 파형강판 복합교량 50

그림 2.1.10. 복부트러스 복합교량 50

그림 2.1.11. FRP 피복 RC 스트럿 적용교량(일본) 51

그림 2.1.12. FRP 피복 RC 스트럿 적용교량 조감도(인천대교) 51

그림 3.1.1. CFTA 거더교의 기본 구조 52

그림 3.1.2. 라이즈비에 따른 아치구조의 거동 54

그림 3.1.3. 라이즈비에 따른 CFTA 거더의 거동 54

그림 3.1.4. 각 대안의 개요도 55

그림 3.1.5. Internal Tendon 배치 개요도 57

그림 3.1.6. 강관적용 개요도 58

그림 3.2.1. 라이즈비에 따른 아치구조의 거동 60

그림 3.2.2. 타이드 아치구조의 평형 61

그림 3.2.3. 라이즈비에 따른 CFTA 거더의 거동 62

그림 3.2.4. 긴장재량에 따른 CFTA 거더의 거동 62

그림 3.2.5. CFTA 거더의 프레임 모델링 63

그림 3.2.6. 설계흐름도 65

그림 3.2.7. 격자 해석 모델링 69

그림 3.2.8. 거더높이 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 - Case 1 84

그림 3.2.9. 거더높이 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 - Case 1 84

그림 3.2.10. 거더높이 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 - Case 1 84

그림 3.2.11. 거더높이 변동비율 vs. 활하중 처짐 - Case 1 84

그림 3.2.12. 거더높이 변동비율 vs. 시공비 변화 - Case 1 85

그림 3.2.13. 거더높이 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 - Case 2 86

그림 3.2.14. 거더높이 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 - Case 2 86

그림 3.2.15. 거더높이 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 - Case 2 86

그림 3.2.16. 거더높이 변동비율 vs. 활하중 처짐 - Case 2 86

그림 3.2.17. 거더높이 변동비율 vs. 시공비 변화 - Case 2 86

그림 3.2.18. 중앙부 아치리브 높이 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 87

그림 3.2.19. 중앙부 아치리브 높이 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 87

그림 3.2.20. 중앙부 아치리브 높이 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 88

그림 3.2.21. 중앙부 아치리브 높이 변동비율 vs. 활하중 처짐 88

그림 3.2.22. 중앙부 아치리브 높이 변동비율 vs. 시공비 변화 88

그림 3.2.23. 긴장재량 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 89

그림 3.2.24. 긴장재량 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 89

그림 3.2.25. 긴장재량 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 89

그림 3.2.26. 긴장재량 변동비율 vs. 활하중 처짐 89

그림 3.2.27. 긴장재량 변동비율 vs. 시공비 변화 90

그림 3.2.28. 상부 강재 두께 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 91

그림 3.2.29. 상부 강재 두께 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 91

그림 3.2.30. 상부 강재 두께 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 91

그림 3.2.31. 상부 강재 두께 변동비율 vs. 활하중 처짐 91

그림 3.2.32. 상부 강재 두께 vs. 시공비 변화 91

그림 3.2.33. 하부 강재 두께 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력 92

그림 3.2.34. 하부 강재 두께 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력 92

그림 3.2.35. 하부 강재 두께 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력 92

그림 3.2.36. 하부 강재 두께 변동비율 vs. 활하중 처짐 92

그림 3.2.37. 하부 강재 두께 vs. 시공비 변화 93

그림 3.2.38. fck 변동비율 vs. 1차 긴장시 거더콘크리트 상연응력(이미지참조) 93

그림 3.2.39. fck 변동비율 vs. 2차 긴장시 바닥판 콘크리트 상연응력(이미지참조) 93

그림 3.2.40. fck 변동비율 vs. 활하중 작용시 거더콘크리트 하연응력(이미지참조) 94

그림 3.2.41. fck 변동비율 vs. 활하중 처짐(이미지참조) 94

그림 3.3.1. 시공절차 안(1) 97

그림 3.3.2. 시공절차 안(2) 98

그림 3.3.3. 시공절차 안(3) 99

그림 3.3.4. 시공절차 안(추가) 101

그림 3.3.5. 제작 흐름도 102

그림 3.3.6. 강재주형의 조립 103

그림 3.3.7. 긴장장치 상세 109

그림 3.3.8. CFTA 거더 긴장재의 정착 및 설치 110

그림 3.3.9. 사장교 MS type cable의 부식방지 대책 (free length) 111

그림 3.3.10. 내부 콘크리트 검토 위치 112

그림 3.3.11. 내부 콘크리트 상태 (단면 1, 측면) 112

그림 3.3.12. 내부 콘크리트 상태 (단면 1, 단면) 112

그림 3.3.13. 내부 콘크리트 상태 (단면 2, 측면) 112

그림 3.3.14. 내부 콘크리트 상태 (단면 2, 단면) 112

그림 3.3.15. 내부 콘크리트 상태 (단면 3, 측면) 113

그림 3.3.16. 내부 콘크리트 상태 (단면 3, 단면) 113

그림 3.3.17. 타설홀 위치 114

그림 3.3.18. 타설홀 위치 및 형태 114

그림 3.3.19. 단부 개구부 타설 115

그림 3.3.20. 아치리브를 따라 차오르는 상태 115

그림 3.3.21. 타설홀 타설 전경 1 115

그림 3.3.22. 타설홀 타설 전경 2 115

그림 3.3.23. 타설홀 마감 상태 116

그림 3.3.24. 중앙 개구부 타설 전경 116

그림 3.3.25. 아치리브 절단면 116

그림 3.3.26. 중앙부 절단면 116

그림 3.4.1. 프레임 해석 모델 118

그림 3.4.2. 실험체 도면(1) 121

그림 3.4.3. 실험체 도면(2) 122

그림 3.4.4. 실험체 도면(3) 123

그림 3.4.5. 실험체 도면(4) 124

그림 3.4.6. 실험체 도면(5) 125

그림 3.4.7. 실험체 도면(6) 126

그림 3.4.8. 세그먼트 반입 및 거치 127

그림 3.4.9. 세그먼트 연결 127

그림 3.4.10. 거더 내부 콘크리트 충전 127

그림 3.4.11. 충전 콘크리트 증기양생 127

그림 3.4.12. 1차 긴장재 설치 128

그림 3.4.13. 1차 긴장력 도입 128

그림 3.4.14. 바닥판 거푸집 및 철근 설치 128

그림 3.4.15. 바닥판 콘크리트 타설 128

그림 3.4.16. 2차 긴장력 도입 128

그림 3.4.17. 완성 실험체 128

그림 3.3.18. 하중 재하 개요도 130

그림 3.3.19. 실험세팅 전경 130

그림 3.3.20. 정적재하실험 전경 130

그림 3.4.21. 계측단면 위치 131

그림 3.4.22. 변형률 게이지 위치 (A-A) 131

그림 3.4.23. 변형률 게이지 위치 (B-B) 131

그림 3.4.24. 변형률 게이지 위치 (C-C) 131

그림 3.4.25. 변형률 게이지 위치 (D-D) 131

그림 3.4.26. 변형률 게이지 위치 (E-E) 131

그림 3.4.27. 가진기 설치 위치 132

그림 3.4.28. 가속도계 설치 위치 132

그림 3.4.29. 가진실험 전경 133

그림 3.4.30. 가속도 계측 전경 133

그림 3.4.31. 계측된 가속도 시간이력의 예 133

그림 3.4.32. CFTA 거더의 바닥판 134

그림 3.4.33. CFTA 거더의 바닥판 철근 134

그림 3.4.34. CFTA 거더의 강재주형 135

그림 3.4.35. CFTA 거더의 콘크리트 충전재 135

그림 3.4.36. CFTA 거더의 긴장재 135

그림 3.4.37. CFTA 거더의 완성된 모습 135

그림 3.4.38. Step 1의 해석 결과 139

그림 3.4.39. Step 2의 해석 결과 140

그림 3.4.40. Step 3의 해석 결과 141

그림 3.4.41. Step 4의 해석 모델 142

그림 3.4.42. 거더에 작용하는 가력하중 142

그림 3.4.43. 부재별 하중 변형률 곡선 143

그림 3.4.44. 가력하중에 따른 처짐 변화 곡선 143

그림 3.4.45. 가력하중별 단면 변형률 및 응력 분포 곡선 144

그림 3.4.46. 1차 긴장에 의한 솟음 145

그림 3.4.47. 1차 긴장에 의한 중앙부의 변형률 145

그림 3.4.48. 바닥판 자중에 의한 처짐 146

그림 3.4.49. 바닥판 자중에 의한 변형률 146

그림 3.4.50. 2차 긴장에 의한 솟음 147

그림 3.4.51. 2차 긴장에 의한 중앙부의 변형률 147

그림 3.4.52. 재하하중에 의한 처짐 - 설계하중 147

그림 3.4.53. 재하하중에 의한 변형률 - 설계하중 147

그림 3.4.54. 재하하중에 의한 처짐 형상 - 극한하중 148

그림 3.4.55. 재하하중에 의한 처짐 - 극한하중 148

그림 3.4.56. 재하하중에 의한 변형률 - 극한하중 149

그림 3.4.57. 손상 및 복원에 따른 변위의 증가 150

그림 3.4.58. 손상 및 복원에 따른 누적 변위 150

그림 3.4.59. 손상별 하중-변위 곡선 (All) 151

그림 3.4.60. 손상별 하중-변위 곡선 (무손상, 완전손상) 151

그림 3.4.61. 손상 및 복구에 따른 하중-변위 곡선 151

그림 3.4.62. 손상별 변형률 분포 (All) 152

그림 3.4.63. 손상별 변형률 분포 (무손상, 완전손상) 152

그림 3.4.64. 복구에 따른 변형률의 복원 (연직분포) 152

그림 3.4.65. 손상 및 복구에 따른 횡방향 변형률 분포 (하부플랜지) 153

그림 3.4.66. 손상 및 복구에 따른 횡방향 변형률 분포 (상부플랜지) 153

그림 3.4.67. CFTA의 개요와 계측기 설치 전경 154

그림 3.4.68. 충격하중과 자유진동실험 154

그림 3.4.69. 계측된 가속도 시간이력 155

그림 3.4.70. 주된 가진 진동수별로 계측된 가속도응답의 특이치 분해(SVD) 155

그림 3.4.71. Modal Circle의 특성 157

그림 3.4.72. Circle-Fit Method를 이용한 예 159

그림 3.4.73. Peak Amplitude Method 159

그림 3.4.74. Receptance와 Inverse Receptance의 Nyquist선도 160

그림 3.4.75. 4자유도계의 모드계수 추정에서 residual 항의 영향 161

그림 3.4.76. 계측된 거더의 모드형상 168

그림 3.4.77. 계측된 거더의 정규화된 모드형상 168

그림 3.4.78. 계측과 유한요소해석으로 구한 모드형상 비교 169

그림 3.4.79. 유한요소해석으로 구한 CFTA 거더 및 등단면 단순보의 모드형상 비교 169

그림 3.4.80. 유한요소해석으로 구한 텐던의 유무에 따른 모드형상 비교 169

그림 3.5.1. Push-out 실험체의 외형 172

그림 3.5.2. 실험 전경 173

그림 3.5.3. 실험체 세팅 173

그림 3.5.4. 변위계 설치 모습 173

그림 3.5.5. 하중-상대슬립 곡선의 예 173

그림 3.5.6. 리핑균열의 예 174

그림 3.5.7. 할렬균열의 예 174

그림 3.5.8. 스터드 파단의 예 174

그림 3.5.9. Push-out 실험들에 대한 회귀식 179

그림 3.5.10. 스터드 직경 vs. 항복강도 184

그림 3.5.11. 스터드 직경의 제곱 vs. 항복강도 184

그림 3.5.12. 스터드 높이 vs. 항복강도 184

그림 3.5.13. √fck vs. 항복강도(이미지참조) 184

그림 3.5.14. 제안된 허용전단력 기준 185

그림 3.5.15. 스터드 직경 vs. 극한강도 188

그림 3.5.16. 스터드 직경의 제곱 vs. 극한강도 188

그림 3.5.17. 스터드 높이 vs. 극한강도 188

그림 3.5.18. √fck vs. 극한강도(이미지참조) 188

그림 3.5.19. √Ek vs. 극한강도(이미지참조) 188

그림 3.5.20. 제안된 스터드 전단연결재의 극한강도 189

그림 3.5.21. 제안된 극한강도의 비교 189

그림 3.5.22. 포스트텐선 정착부의 주응력 분포 191

그림 3.5.23. 포스트텐션 부재 정착부의 응력 분포 192

그림 3.5.24. 정착부의 국부영역과 일반영역 193

그림 3.5.25. 정착부에서의 응력 193

그림 3.5.26. 정착부의 집중하중에 의한 파열응력 분포 194

그림 3.5.27. 정착판 194

그림 3.5.28. 정착부 해석 모델 195

그림 3.5.29. AASHTO 규정의 파열 철근 배근 기준 196

그림 3.5.30. 정착부 안전성 평가를 위한 콘크리트 빔 모델링 197

그림 3.5.31. 응력 Path 197

그림 3.5.32. 일반 콘크리트 PSC 빔의 정착부 응력 199

그림 3.5.33. CFTA 거더의 정착부 응력 199

그림 3.5.34. CFTA 콘크리트 X방향 Stress, S11 200

그림 3.5.35. PSC빔 콘크리트 X방향 Stress, S11 200

그림 3.5.36. 정착부의 인장력 202

그림 3.5.37. CFTA 거더의 정착부 구조 202

그림 3.6.1. CFTA 거더의 해석 모델 207

그림 3.6.2. DB-24 207

그림 3.6.3. CFTA 거더에 하중 재하 208

그림 3.6.4. 강선표면에서의 양극-음극 반응 및 Pitting Corrosion 209

그림 3.6.5. 내부에의 텐던 부식 손상 209

그림 3.6.6. 긴장재 단면 변화에 따른 거더의 처짐 213

그림 3.6.7. 시간 흐름에 따른 콘크리트 단면 응력 변화 214

그림 3.6.8. 트럭 모델 215

그림 3.6.9. 충돌 모델의 접촉 알고리즘 216

그림 3.6.10. 트럭 충돌 해석 217

그림 3.6.11. 트럭 충돌에 의한 긴장재 변형률 217

그림 3.6.12. 긴장재 번호 219

그림 3.6.13. 긴장재 손실이 없는 경우 220

그림 3.6.14. 1개 긴장재 손실 경우 220

그림 3.6.15. 실험체의 하중-처짐 곡선 222

그림 3.6.16. CFTA 거더의 전체 해석모델 225

그림 3.6.17. CFTA 거더의 구성품별 수치해석 모델 226

그림 3.6.18. 계측과 해석으로 구한 거더의 모드형상 227

그림 3.6.19. 정현파 형상의 교량을 주행하는 자동차 227

그림 3.6.20. 도입부에서의 시간함수 예 (주행속도 : 100 km/hr) 228

그림 3.6.21. Meister 진동감각특성 곡선 228

그림 3.6.22. Meister 진동감각특성 곡선(40 km/hr) 229

그림 3.6.23. Meister 진동감각특성 곡선(60 km/hr) 230

그림 3.6.24. Meister 진동감각특성 곡선(80 km/hr) 230

그림 3.6.25. Meister 진동감각특성 곡선(100 km/hr) 231

그림 3.6.26. 1차 손상상태 모델과 초기모델의 모드형상 - 해석 232

그림 3.6.27. 1차 손상상태 모델과 초기모델의 모드형상 - 실험 233

그림 3.6.28. 2차 손상상태 모델과 초기모델의 모드형상 - 실험 233

그림 3.6.29. 3차 손상상태 모델과 초기모델의 모드형상 - 실험 233

그림 3.6.30. 계측된 동적특성과 개선된 모델로 구한 동적특성의 비교 237

그림 3.7.1. 생애주기 동안의 각 단계별 LCC 구성 항목 240

그림 3.7.2. 매트릭스 평가법에 의한 가중치 결정 243

그림 3.7.3. 경제성 평가 대상 교량 244

그림 3.7.4. PSC 박스 거더교와 강박스 거더교의 교량 받침 보수보강 공법 현황 255

그림 3.7.5. 시간 경과에 따른 총 생애주기 비용 (좌) 및 항목별 발생비용 (우) 263

I. 제목

건설구조재료의 효율적 복합구조화를 통한 신형식 교량용 거더 시스템 개발

II. 연구개발의 목적 및 필요성

새롭게 토목분야에 적용이 시도되고 있는 신재료, 합성재료 등을 이용한 교량용 거더 시스템의 개발은 가까운 미래에 효율적이고 폭넓게 적용되기 어려운 실정이다. 따라서 기존 구조재료의 장점을 극대화할 수 있는 형상 및 재료배치를 통해 기존 중장경간 교량의 단점을 최소화하고, 구조적, 경제적 효율성뿐만 아니라 미적으로도 우수하며 유지관리가 용이한 교량용 거더의 개발이 요구된다.

강박스 거더교, PSC 박스 거더교 등 기존의 중장경간의 교량의 경우 규모가 커질수록 재료 및 공정의 비효율성, 경관과의 부조화, 중압감 등의 문제가 있으며, 특수교량 또는 장대교량의 경우 비용 효율적인 문제가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 콘크리트 충전 강관구조(CFT 구조, Concrete Filled Steel Tubular Structure), 아치구조(arch structure), 프리스트레스트 구조(prestressed structure)의 효율적 복합구조화를 통해 저중량의 장경간화가 가능하고 구조적인 안전성과 우수성뿐만 아니라 유지관리의 효율성을 증진시킬 수 있으며, 생애주기비용의 감소와 경관과 어우러진 심미적인 효과를 기대할 수 있는 새로운 교량용 복합거더 시스템을 개발을 목적으로 한다.

III. 연구개발의 내용 및 범위

본 연구는 3차년에 걸쳐 콘크리트 충전 아치형 강재주형의 긴장을 통해 구조적, 경제적 효율성을 향상시킨 새로운 형식의 복합구조 거더(Concrete-Filled and Tied Steel Tubular Arch Gilder; CFTA Gilder) 시스템의 실용화를 최종목표로 하여 CFTA 거더의 설계 및 시공방법 정립, CFTA 거더의 실물모형 및 상세부 실험을 통한 실증, CFTA 거더교의 설계, 시공, 유지관리 등 관련 지침 도출 등을 세부적인 연구목표로 하며, 연차별 연구개발 내용은 다음과 같다.

〈1차년도〉

▶ CFTA 거더 관련 기초연구

o 합성거더의 설계 및 시공 관련 자료 수집 및 분석

o 기존 설계기준을 만족하는 설계방법 정립

o 구성재료 및 형상의 특성을 고려한 해석모델 연구

▶ CFTA 거더의 설계 및 시공방법 연구

o CFTA 거더의 합리적인 해석 및 설계기법 개발

o 구조적으로 효율적이고 경제적인 시공방법 연구

o 거더 시스템의 성능검증실험

▶ CFTA거더의 경제성 비교

〈2차년도〉

▶ CFTA모형 거더의 설계 및 시공

o 모형 실험체 설계 및 제작

o 해석적 효과의 검증을 위한 모형실험

o CFTA 거더의 설계프로그램 개발

o 모형거더의 시공단계별 제작을 통해 시공방법 정립 및 검증

▶ CFTA 거더의 상세부 설계방법 정립

o 상세부 설계를 위한 실용적 모델의 적용성 검토

▶ CFTA 거더교의 안전성 평가

o CFTA 거더의 안전성 평가방법 연구

〈3차년도〉

▶ CFTA 실물 모형거더의 재하실험

o 설계변수 변화에 따른 최적 CFTA 거더 시스템 도출

o 실물 모형실험체 제작

o 안전성 및 사용성 검증을 위한 실물모형실험

o CFTA 거더의 시공 및 설계 개선사항 도출

▶ CFTA 거더의 상세부 검토 및 설계프로그램 개발

o CFTA 거더교의 안전성 및 경제성 검토

o CFTA 거더의 설계프로그램 보완

o 상세부 거동 특성 규명을 위한 모형실험

o 상세부 해석을 통한 안전성검증

▶ CFTA 거더의 설계/시공/유지관리 지침(안) 개발

o 설계, 시공, 유지관리 지침(안) 작성

o 상세부 설계를 포함한 설계예제집 작성

o 표준화 설계개념 도입을 위한 표준도면 작성

IV. 연구개발결과

본 연구개 발의 최종적 인 목표인 CFTA 거더의 실용화를 위해 총 3차년도에 걸쳐 CFTA 거더의 효율성 및 안전성을 높이기 위한 연구를 수행하였다.

1차년도에서는 CFTA 거더의 최적 형상을 결정하기 위한 연구를 수행하여 효율적이며 미관을 향상시킨 CFTA 거더의 형상을 결정하였고, CFTA 거더의 시공 방법 및 설계방법을 정립하기 위한 기초적인 연구를 수행하였다.

2차년도에서는, 1차년도의 결과를 바탕으로 CFTA 거더의 최종적인 시공방법과 설계방법을 정립하였으며, 정립된 설계방법에 따라 25m의 모형교량을 설계하였다. 모형교량은 CFTA 거더의 시공성을 확인하고 개선점을 도출하기 위하여 정립된 시공방법에 따라 제작하였으며, 시공성을 검증하고 콘크리트 타설에 대한 개선점을 발견하여 구조를 개선함으로써 시공상의 문제점을 해결하였다. 또한, 제작된 모형교량을 이용하여 정·동적실험 및 손상을 모사한 정적재하실험을 수행하였으며, 실험 결과로부터 CFTA 거더의 거동이 설계 및 유한요소해석에서 예측한 결과와 유사하게 거동한다는 것을 검증함으로써 설계에 대한 신뢰성을 확인하고 긴장재가 유실된 CFTA 거더에 심각한 안전상의 문제는 발생하지 않는다는 사실을 확인하였다.

3차년도에서는, 2차년도의 연구결과를 바탕으로 최종적인 연구과제의 목표인 실용화를 위한 최종적인 연구를 수행하였다. 3차년도에서는 정립된 설계방법과 시공방법에 따라 실물모형 실험체를 제작하고 정적재하실험 및 동적재하실험을 수행하여 CFTA 거더의 시공성, 구조적 안전성, 설계의 타당성을 검증함으로써 CFTA 거더가 실교량에 충분히 적용가능하며 정·동적으로 안전한 구조임을 확인하였다. 정·동적 재하실험과 더불어, 1차년도부터 수행해온 CFTA 거더에 대한 정·동적 안전성에 대한 해석적인 검토를 완료하였으며, 검토결과로부터 공용 중 구조적인 안전성에 문제가 없으며 이동하중에 의한 공진의 문제도 없는 것으로 확인되었다. CFTA 거더의 실용화를 위해 설계와 관련된 세부적인 연구로서, 아직까지 명확한 설계 기준이 없는 강재 아치리브와 충전 콘크리트 간의 전단연결재에 대한 설계기준을 제안하였으며 긴장 정착부에 대한 안전성을 검증하였다. 또한, 3차년도에서는 실용화를 위한 최종적인 연구로서 VE/LCC 분석을 통한 CFTA 거더의 경제성을 분석하였으며, 분석 결과로부터 CFTA 거더가 중경간 교량의 경제적이고 미적으로 우수한 대안이 될 수 있다는 것을 확인하였다. 마지막으로, CFTA 거더의 설계 및 시공에 대한 일정수준의 품질을 확보하기 위하여 설계기준(안) 및 시공/제작/유지관리 지침(안)을 작성하였으며, 지금까지의 연구결과를 바탕으로 CFTA 거더의 경간별 대표단면을 도출하였다.

V. 연구개발결과의 활용계획

CFTA 거더의 실용화를 위하여 총 3차년도에 걸쳐 수행된 연구개발을 통하여 최적의 형상, 설계 및 시공방법의 정립, 안전성 및 경제성의 검증, 설계기준(안)및 시공/제작/유지관리 지침(안)의 작성 등의 성과를 달성하였다. 본 연구개발로부터 축적된 연구결과와 설계 및 시공에 관련된 노우하우는 CFTA 거더를 현장에 적용함에 있어서 필요한 기술적인 지원에 활용할 것이다. 특히, 본 연구의 최종적인 목적이 CFTA 거더의 실용화인 만큼 실교량에 적용하기 위한 기술계약에 노력을 기울일 것이다.