[표지]

요약문

Summary

목차

제1장 서론 23

1. 연구의 필요성 23

1.1. 사회현안에 대한 능동적 대응 23

1.2. 미래사회 대비 핵심기술 개발 30

2. 연구의 목표 33

2.1. 최종 목표 33

2.2. 연차별 목표 및 연구 내용 34

3. 연구추진전략 및 체계 35

3.1. 연구추진 방향 35

3.2. 연구 추진 체계 및 전략 37

3.3. 연구개발 Roadmap 38

제2장 국내·외 기술동향 42

1. 모듈러 도로시스템 관련 특허동향 분석 42

1.1. 주요시장국 연도별 전체 특허 동향 42

1.2. 시장별 기술 성장단계 분석 44

2. 모듈러 도로시스템 관련 선행연구 사례 분석 45

2.1. 미국 46

2.2. 네덜란드 48

2.3. 일본 53

제3장 순환구조형 카펫+슬래브 모듈러 도로시스템 개발 59

1. 슬래브 모듈 구조시스템 개발 59

1.1. Conceptual Slab Dimension 결정 59

1.2. 슬래브 도로시스템 구조 설계 62

1.3. 슬래브 모듈 시험시공 66

1.4. 재하실험을 통한 슬래브 모듈 거동 분석 72

1.5. 슬래브 모듈 최적 단면(안) 제시 79

2. 슬래브 모듈 재료 물성 정량화 82

2.1. 구성재료 물성정량화 83

2.2. 혼합물 배합실험 방법론 검토 87

2.3. 역학적 배합설계 연구 92

3. Multi-Scale/Phase 역학적 해석 기반 구축 105

3.1. Multi-Scale/Phase 역학적 해석 기법 105

3.2. Multi-Phase 해석 113

제4장 혁신적 스마트 조인트 모듈러 도로시스템 개발 121

1. 조인트 시스템 기본 개념 설계 121

1.1. 조인트 시스템의 기능적/역학적 특성 121

1.2. 조인트 시스템 기본 개념 정의 124

1.3. 조인트 시스템의 성능평가 방법과 적용기준 126

2. 슬래브 모듈의 거동분석 130

2.1. 근사해석모델을 이용한 슬래브 모듈 단부 거동 검토 130

2.2. 슬래브 모듈의 상세해석 132

3. 조인트 적용 재료 개발 135

3.1. 조인트 채움 재료의 요구성능 135

3.2. 조인트 적용 재료 검토 135

3.3. 조인트 적용 재료의 성능 검토 136

3.4. 조인트 적용 재료 개발 139

4. 수직조인트 개발 142

4.1. 수직조인트 상세 설계 142

4.2. 수직조인트 시작품 제작 및 현장 적용 144

4.3. 인양장비 상세 설계 151

4.4. 인양장비 시작품 제작 153

제5장 맞춤형 지지 모듈러 시스템 개발 154

1. 지지 모듈러 기본 개념설계 154

1.1. 지지 모듈러 기본 개념 정의 154

1.2. 지지 모듈러 시스템 역학적 모형 정립 159

2. 경제성 평가 166

2.1. 기존 포장 하부 구조 경제성 분석 166

2.2. 지지 모듈러 경제성 분석 169

3. 맞춤형 지지 모듈의 재료 성능 173

3.1. Cross Beam 지지 모듈 173

3.2. Micro Pile 지지 모듈 175

4. 맞춤형 지지 모듈의 제원 176

4.1. Cross Beam 지지 모듈 176

4.2. Micro Pile 지지 모듈 181

5. 시작품 제작 및 Mock-up 실험 188

5.1. 1차 Cross Beam 지지 모듈 188

5.2. 1차 Mock-up 실험 192

5.3. 2차 Mock-up 실험 201

제6장 활용 방안 및 기대효과 203

1. 모듈러 시스템 적용 전략 203

1.1. 상황별 맞춤형 시스템 선정 Process 정립 203

1.2. 가치창조형 맞춤형 도로시스템 활용 대상 209

1.3. 기대 효과 210

제7장 결론 213

1. 순환구조형 카펫+슬래브 모듈러 도로시스템 개발 213

2. 혁신적 스마트 조인트 모듈러 도로시스템 개발 216

3. 맞춤형 지지 모듈러 시스템 개발 217

참고문헌 220

서지자료 225

Bibliographic Data 226

판권기 227

표 1.1. 골재자원조사량과 채취 후 잔량 및구성비 26

표 1.2. 유럽연합 도로기술 개선방향 30

표 1.3. 일본 도로관련 기술 개선 핵심 개발기술 31

표 1.4. 미국 SHRP 2 도로기술 개선 핵심 개발기술 32

표 1.5. 연차별 연구 목표 및 연구내용 34

표 1.6. 정부의 연구개발 방향과 부합도 37

표 1.7. 연차별 세부 연구개발 내용(1차년도) 39

표 1.8. 연차별 세부 연구개발 내용(2차년도) 40

표 1.9. 연차별 세부 연구개발 내용(3차년도) 40

표 1.10. 연차별 세부 연구개발 내용(4차년도) 41

표 1.11. 연차별 세부 연구개발 내용(5차년도) 41

표 2.1. 분석대상 기술분류기준 42

표 2.2. 일본의 프리캐스트 콘크리트 포장의 설계와 공용성 54

표 2.3. GAEART T·K 방문 조사 개요 55

표 2.4. 고강도 PRC판의 적용개소 별 특장점 56

표 3.1. 7종, 12종 대표차량 및 제원 59

표 3.2. 프리캐스트 슬래브의 적정크기 61

표 3.3. 여름/ 겨울 온도 입력값 63

표 3.4. 하중 종류 63

표 3.5. 단면의 물성치 63

표 3.6. 하중별 전단력 및 모멘트 최대 최소 값 64

표 3.7. 하중 계수 64

표 3.8. Case L8의 극한 한계상태 I 64

표 3.9. Case L8의 사용 한계상태 I 65

표 3.10. 최종 철근량 65

표 3.11. SCC 배합비 69

표 3.12. SCC의 레올로지 분석결과 69

표 3.13. SCC 물성 분석결과 70

표 3.14. SCC 강도 특성 분석 결과 70

표 3.15. 재료별 물성치(하중 재하 시) 76

표 3.16. 콘크리트 배합비 91

표 3.17. 콘크리트의 단위굵은골재 용적, 잔골재율 및 단위수량의 대략값 94

표 3.18. 잔골재율과 단위수량의 보정표 94

표 3.19. 콘크리트 배합표 100

표 3.20. 콘크리트 레올로지 분석결과 104

표 4.1. 조인트 시스템의 기능적 특성 123

표 4.2. 수직조인트의 성능평가 항목 127

표 4.3. 횡방향 수평조인트의 성능평가 항목 127

표 4.4. 종방향 수평조인트의 성능평가 항목 127

표 4.5. 수직조인트의 성능평가 기준 129

표 4.6. 횡방향 수평조인트의 성능평가 기준 129

표 4.7. 종방향 수평조인트의 성능평가 기준 129

표 4.8. 슬래브 단부의 상단 변위 변위의 합 - 롤러 131

표 4.9. 슬래브 단부의 상단 변위 변위의 합 - 힌지 131

표 4.10. Case ID 132

표 4.11. 하중조합 시 변위에 대한 유한요소해석 결과값 134

표 4.12. 하중조합 시 내력에 대한 유한요소해석 결과값 134

표 4.13. 최적 배합표 140

표 4.14. 초속경 모르타르의 각종 실험결과 141

표 4.15. 앵커 로드 규격 별 인장강도 및 전단강도 143

표 5.1. 연약지반 판단 기준 157

표 5.2. 슬래브 모듈의 자중 및 교통하중 158

표 5.3. cross beam 모듈의 지지력 산정결과 161

표 5.4. cross beam 모듈의 침하량 산정결과 161

표 5.5. 수정 cross beam 모듈의 지지력 산정결과 162

표 5.6. 수정 cross beam 모듈의 지지력 산정결과 163

표 5.7. cross beam-micro pile 모듈의 지지력 산정결과 164

표 5.8. cross beam-micro pile 모듈의 침하량 산정결과 164

표 5.9. cross beam-micro pile 모듈(직경0.4 m, 길이5.0 m)의 지지력 산정결과 164

표 5.10. 강소말뚝 ductile iron pile의 지지력 및 개수 166

표 5.11. 북부지역(서울 북부)의 동결심도 분석 결과 167

표 5.12. 중부지역(서울이남~대전)의 동결심도 분석 결과 167

표 5.13. 남부지역(대전이남)의 동결심도 분석 결과 167

표 5.14. 시멘트 콘크리트포장 ㎡ 당 공사비 167

표 5.15. 아스팔트 콘크리트포장 ㎡ 당 공사비 168

표 5.16. 아스팔트 및 콘크리트 포장 하부구조 슬래브당 공사비 169

표 5.17. 기존 포장 하부구조 및 수정 cross beam 슬래브당 공사비 170

표 5.18. 기존 포장 하부구조 및 cross beam-micro pile 슬래브당 공사비 171

표 5.19. 콘크리트 최소설계기준 압축강도 174

표 5.20. RC, PC, PHC 말뚝의 콘크리트의 허용응력(MPa)(철도설계기준(2011)) 175

표 5.21. 수치해석을 위한 적용 물성치 178

표 5.22. Cross Beam 형태 지지 모듈 지지력 검토결과 178

표 5.23. 수치해석을 위한 적용 물성치 183

표 5.24. Micro Pile 형태 지지 모듈 지지력 검토결과 184

표 5.25. Cross Beam 형태 지지 모듈의 재료 특성 및 강도 188

표 5.26. 하부지반 물성치 188

표 5.27. Cross Beam 형태 지지 모듈 구조해석 강도감소계수(콘크리트 구조기준(2012)) 189

표 5.28. Cross Beam 형태 지지 모듈 구조해석 단면형상 및 해석모델 189

표 5.29. Cross Beam 형태 지지 모듈 단면력 산정 190

표 5.30. Cross Beam 형태 지지 모듈 단면력도 190

표 5.31. Cross Beam 형태 지지 모듈 철근량 산정 190

표 6.1. 모듈러 도로시스템의 적용 대상지 203

그림 1-1. 신설 도로건설 성장 추세 둔화 23

그림 1-2. 도로 유지관리비의 지속적 증가 24

그림 1-3. 도로 설계에 대한 발상의 전환(단계건설 → 장수명 건설) 25

그림 1-4. 대표적인 조기파손형상 27

그림 1-5. 우리나라 교통혼잡비용 증가 27

그림 1-6. 포장 형식별 소음 측정치 28

그림 1-7. 한국도로공사 포장형식 선정 평가표 29

그림 1-8. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템의 필요성 29

그림 1-9. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템의 핵심가치 도출 33

그림 1-10. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템 개념도 34

그림 1-11. 미래형 맞춤 모듈(module) 정의 35

그림 1-12. 수명주기와 기술수준 분석결과 36

그림 1-13. 연구추진 전략 38

그림 1-14. 총괄 연구개발 roadmap 38

그림 2-1. 도로 기술의 시장별 연도별 전체 특허동향 43

그림 2-2. 도로 기술의 시장별 기술 성장단계 파악 44

그림 2-3. 도로 기술의 시장별 내·외국인 특허출원 현황 45

그림 2-4. 미국 Fort Miller사의 Super-Slab 47

그림 2-5. 미국의 New York and New Jersey system 47

그림 2-6. 미국의 Michigan System(좌)과 Kwik-Slab(우)의 표층 슬래브 47

그림 2-7. 네덜란드의 ModieSlab 48

그림 2-8. ModieSlab System 구성 및 효과 49

그림 2-9. ModieSlab 단면 및 시공현장 50

그림 2-10. ModieSlab Joint 상세 51

그림 2-11. ModieSlab Support 상세 52

그림 2-12. ModieSlab 재료 상세 52

그림 2-13. Hengelo 구간 장기 공용성 53

그림 2-14. 일본의 프리캐스트 포장 적용 사례 54

그림 2-15. 고강도 PRC판 표준도 56

그림 2-16. 도로용 PRC판 표준 패턴 56

그림 2-17. 코타식 조인트(좌) 및 고성능 덮개(우) 57

그림 3-1. 단면 산정 63

그림 3-2. 모듈 상세 설명도 66

그림 3-3. 게이지 위치 67

그림 3-4. 가장자리로부터 변형률 게이지의 위치 68

그림 3-5. 콘크리트 슬럼프플로우/L-BOX 실험전경 69

그림 3-6. 슬래브타설 전경 70

그림 3-7. 모듈러 도로시스템 시공 전경 71

그림 3-8. 실험 시 하중 재하 위치 73

그림 3-9. 포장가속시험기 실험모습 73

그림 3-10. 8m 슬래브 전체 계측기 위치 74

그림 3-11. 8 m 슬래브 모듈 모식도 75

그림 3-12. 3.9 m 슬래브 모듈 모식도 76

그림 3-13. 수직조인트 부근 모델링 76

그림 3-14. 390 loading 시 콘크리트 실험값과 해석값 77

그림 3-15. 390 loading 시 철근 실험값과 해석값 78

그림 3-16. 1750 loading 시 콘크리트 실험값과 해석값 79

그림 3-17. 1750 loading 시 철근 실험값과 해석값 79

그림 3-18. 8 m 슬래브 도면(1) 80

그림 3-19. 8 m 슬래브 도면(2) 81

그림 3-20. Adjustment factor(q)값 변화에 따른 Dinger and Funk 곡선 85

그림 3-21. Adjustment factor 변화에 따른 합성골재의 실적률 비교 86

그림 3-22. 파우더의 구성성분 87

그림 3-23. 빙함 모델 곡선 89

그림 3-24. SCC 역학적 배합설계 기본안 90

그림 3-25. 슬럼프 플로우, T500시간 실험결과(이미지참조) 92

그림 3-26. V-funnel 실험결과 92

그림 3-27. 콘크리트 배합설계 흐름도 93

그림 3-28. 물-결합재비와 휨강도 관계 분석 95

그림 3-29. Excess water/paste theory 96

그림 3-30. 역학적 배합설계 개발을 위한 각 단계별 실험계획 97

그림 3-31. 플로우 실험결과(좌 : OPC, 우 : FA 20%) 98

그림 3-32. V-funnel 실험결과(좌 : OPC, 우 : FA 20%) 98

그림 3-33. OPC 배합의 고성능감수제 첨가에 따른 유동특성 결과 99

그림 3-34. 고성능감수제 첨가에 따른 배합별 플로우 특성 비교(물-결합재비 0.35) 99

그림 3-35. 콘크리트 배합용 골재 합성입도 곡선 100

그림 3-36. 골재입도별 packing density 비교 102

그림 3-37. Excess paste thickness와 슬럼프 플로우 관계 분석(비다짐상태 packing density 고려) 102

그림 3-38. Excess paste thickness와 슬럼프 플로우 관계 분석(다짐상태 packing density 고려) 103

그림 3-39. 골재 표면적과 슬럼프 플로우 관계 분석 103

그림 3-40. 배합별 콘크리트 레올로지 특성 103

그림 3-41. Excess paste thickness와 레올로지 특성 관계 분석 104

그림 3-42. Excess paste thickness와 압축강도 관계 분석 104

그림 3-43. 골재 표면적과 압축강도 관계 분석 105

그림 3-44. Multi-Scale 해석의 흐름도 106

그림 3-45. Multi-Scale/Phase 해석의 개념도 108

그림 3-46. Multi-Scale and -Phase 모형에서 필요한 실험 및 재료와의 관계 109

그림 3-47. Multi-Scale 모형 기법 110

그림 3-48. 동적 요소망 생성 방법 110

그림 3-49. Multi-Scale 모형과 일반 FEM 모형과의 비교 111

그림 3-50. 아스팔트 플랜트에서의 상차시 발생하는 잔분의 이동 개념도 112

그림 3-51. 전산유체역학을 이용한 상차시 발생하는 잔분의 이동해석 112

그림 3-52. 전산유체역학을 이용한 SCC의 L-BOX 내 거동 해석 113

그림 3-53. 수화작용에 따른 시멘트 콘크리트의 강도 발현 과정 118

그림 3-54. 시멘트 페이스트의 흐름 구분 118

그림 3-55. 항복응력 75Pa 조건에서의 개별요소의 흐름 및 이동속도 120

그림 3-56. 항복응력 250Pa 조건에서의 개별요소의 흐름 및 이동 속도 120

그림 4-1. 모듈러 도로 시스템의 개념도 121

그림 4-2. 조인트 시스템의 구성 122

그림 4-3. 수직조인트의 개념도 124

그림 4-4. 횡방향 수평조인트의 개념도 125

그림 4-5. 종방향 수평조인트의 개념도 126

그림 4-6. 슬래브 단부 변형의 개요 130

그림 4-7. 조인트 유한요소 해석의 변수(Parameters) 132

그림 4-8. 온도상승 하중에 의한 변위형상 133

그림 4-9. 온도하중에 의한 슬래브 변위 133

그림 4-10. 슬래브 모듈 단부의 제원 133

그림 4-11. 수평조인트 및 수직조인트의 적용 그라우트 136

그림 4-12. 폴리우레탄의 인장응력-변형률 곡선 137

그림 4-13. 모래비율에 따른 탄성계수 및 극한변형률 변화 138

그림 4-14. 수직조인트 상세 개요도 142

그림 4-15. 수직조인트를 이용한 인양 장치 144

그림 4-16. 습식 수직조인트 시작품 144

그림 4-17. 습식 수직조인트용 유압잭 145

그림 4-18. 높이조절장치 스크류 장치 145

그림 4-19. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 매립부 설치 145

그림 4-20. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 콘크리트 타설 146

그림 4-21. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 거치 146

그림 4-22. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커 홀 천공 146

그림 4-23. 습식 수직조인트 Mock-up 적용... 147

그림 4-24. 습식 수직조인트 Mock-up 적용... 147

그림 4-25. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커볼트 체결 147

그림 4-26. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 완료 147

그림 4-27. 건식 수직조인트 시작품 148

그림 4-28. 건식 수직조인트 Mock-up 적용... 149

그림 4-29. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 인양 149

그림 4-30. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 거치 149

그림 4-31. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커 홀 천공 150

그림 4-32. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 주입재 시공 150

그림 4-33. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커볼트 설치 150

그림 4-34. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 높이 조절 151

그림 4-35. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 체결/완료 151

그림 4-36. 인양력에 의한 프리캐스트 슬래브의 응력 검토 152

그림 4-37. 인장장비 상세 설계 153

그림 4-38. 인양장비 시작품 전경 153

그림 4-39. 인양장비를 이용한 슬래브 거치 153

그림 5-1. 맞춤형 지지 모듈러 정의 154

그림 5-2. 맞춤형 지지 모듈러 기본개념 155

그림 5-3. 맞춤형 지지 모듈러 정의 156

그림 5-4. 지지 모듈러 역학적 설계 개념 157

그림 5-5. DB 하중 158

그림 5-6. DB 및 DL하중 158

그림 5-7. 슬래브 모듈의 제원 158

그림 5-8. 지지모듈의 종류 159

그림 5-9. cross beam 모듈의 제원 160

그림 5-10. 수정 cross beam 모듈의 제원 162

그림 5-11. cross beam-micro pile 모듈의 제원 163

그림 5-12. 강소말뚝(ductile iron pile) 165

그림 5-13. 강소말뚝 ductile iron pile을 활용한 지지모듈 단면도 165

그림 5-14. 수정 cross beam 모듈단면도 169

그림 5-15. 기존 포장하부구조와 수정 cross beam 모듈 공사비 비교 170

그림 5-16. cross beam-micro pile 모듈단면도 171

그림 5-17. 기존 포장하부구조와 cross beam-micro pile 모듈 공사비 비교 173

그림 5-18. Cross Beam 형태 지지 모듈 CASE별 형상 및 규격 177

그림 5-19. 교통하중 모식도(도로교 설계기준(2012)) 177

그림 5-20. Cross Beam 형태 지지 모듈 Type-1(하부직선형)의 수치해석 결과 179

그림 5-21. Cross Beam 형태 지지 모듈 Type-2(하부곡선형)의 수치해석 결과 180

그림 5-22. Micro Pile 형태 지지 모듈 CASE별 형상 및 규격 182

그림 5-23. 교통하중 모식도(도로교 설계기준(2012)) 183

그림 5-24. Micro Pile 형태 지지 모듈 Type-1(N ＝ 6)의 수치해석 결과 185

그림 5-25. Micro Pile 형태 지지 모듈 Type-2(N ＝ 3)의 수치해석 결과 186

그림 5-26. Micro Pile 형태 지지 모듈의 추가검토 187

그림 5-27. Cross Beam 형태 지지 모듈의 철근 배근도 191

그림 5-28. Cross Beam 형태 지지 모듈 및 계측치 배치도 192

그림 5-29. Cross Beam 형태 지지 모듈에 설치된 시작품, 토압계 및 변위계 192

그림 5-30. 1차 Mock-up실험을 위한 Cross Beam 형태 지지 모듈의 시공 193

그림 5-31. 현장실험 조건 193

그림 5-32. 윤하중 장비에 의한 지지 모듈 현장 성능 검증 실험 194

그림 5-33. 하중 및 재하위치 변화에 따른 변위 194

그림 5-34. 하중 및 재하위치 변화에 따른 토압 195

그림 5-35. A지점 하중 재하 시 변위 196

그림 5-36. B지점 하중 재하 시 변위 196

그림 5-37. C지점 하중 재하 시 변위 196

그림 5-38. D지점 하중 재하 시 변위 197

그림 5-39. E지점 하중 재하 시 변위 197

그림 5-40. A지점 하중 재하 시 토압 198

그림 5-41. B지점 하중 재하 시 토압 198

그림 5-42. C지점 하중 재하 시 토압 198

그림 5-43. D지점 하중 재하 시 토압 199

그림 5-44. E지점 하중 재하 시 토압 199

그림 5-45. Line 7에서 하중 재하 200

그림 5-46. Line 7에 하중 재하시 변위 및 토압 200

그림 5-47. Cross beam 시공 및 센서 설치 201

그림 5-48. 계측기 설치 위치도 202

그림 6-1. 의사결정 흐름도 204

그림 6-2. 1차 의사결정 206

그림 6-3. 2차 의사결정 206

그림 6-4. 생애주기비용 개념도 207

그림 6-5. LCCA Process 207

그림 6-6. 신설 시 Application Decision Tree 208

그림 6-7. 도로포장공사의 패러다임 전환 210

그림 6-8. 기술성, 시장성, 공공성 부분의 파급효과 분석 211

그림 6-9. 경제적 기대효과 분석 212

그림 6-10. 뉴욕주의 교차로 급속시공 예 212