[표지]

요약문

Summary

목차

제1장 서론 22

1. 연구의 필요성 22

1.1. 사회현안에 대한 능동적 대응 22

1.2. 미래사회 대비 핵심기술 개발 29

2. 연구의 목표 32

2.1. 최종 목표 32

2.2. 연차별 목표 및 연구 내용 33

3. 연구추진전략 및 체계 34

3.1. 연구추진 방향 34

3.2. 연구 추진 체계 및 전략 36

3.3. 연구개발 Roadmap 37

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

1.3. 미국 46

1.4. 네덜란드 47

1.5. 일본 53

제3장 순환구조형 카펫+슬래브 모듈러 도로시스템 개발 60

1. 슬래브 모듈 구조시스템 개발 60

1.1. Conceptual Slab Dimension 결정 60

1.2. 슬래브 도로시스템 구조 설계 63

1.3. 슬래브 모듈 시험시공 67

1.4. 재하실험을 통한 슬래브 모듈 거동 분석 76

1.5. 슬래브 모듈 회전에 따른 구조해석 84

1.6. 슬래브 모듈 최적 단면(안) 제시 92

2. 슬래브 모듈 재료 물성 정량화 97

2.1. 구성재료 물성정량화 98

2.2. 혼합물 배합실험 방법론 검토 102

2.3. 역학적 배합설계 연구 107

3. Multi-Scale/Phase 역학적 해석 기반 구축 125

3.1. Multi-Scale/Phase 역학적 해석 기법 125

3.2. Multi-Phase 해석 132

제4장 혁신적 스마트 조인트 모듈러 도로시스템 개발 140

1. 조인트 시스템 기본 개념 설계 140

1.1. 조인트 시스템의 기능적/역학적 특성 140

1.2. 조인트 시스템 기본 개념 정의 143

1.3. 조인트 시스템의 성능평가 방법과 적용기준 145

2. 슬래브 모듈의 거동분석 149

2.1. 근사해석모델을 이용한 슬래브 모듈 단부 거동 검토 149

2.2. 슬래브 모듈의 상세해석 151

3. 조인트 적용 재료 개발 154

3.1. 조인트 채움 재료의 요구성능 154

3.2. 조인트 적용 재료 검토 154

3.3. 조인트 적용 재료의 성능 검토 155

3.4. 조인트 적용 재료 개발 158

4. 수직조인트 개발 161

4.1. 수직조인트 상세 설계 161

4.2. 수직조인트 시작품 제작 및 현장 적용 163

4.3. .인양장비 상세 설계 170

4.4. 인양장비 시작품 제작 172

5. 모듈러 도로 시스템 경제성 분석 173

5.1. 경제성 분석 대상 및 범위 173

5.2. 공사비 산정기준 175

5.3. 시공 절차 177

5.4. 직접공사비 분석 178

5.5. 생애주기비용 분석 179

5.6. 공사기간 분석 181

제5장 맞춤형 지지 모듈러 시스템 개발 184

1. 지지 모듈러 기본 개념설계 184

1.1. 지지 모듈러 기본 개념 정의 184

1.2. 지지 모듈러 시스템 역학적 모형 정립 189

1.3. 동결융해 지반 적용 가능성 수치해석 201

2. 시작품 제작 및 Mock-up 실험 206

2.1. 1차 Cross beam 형태의 지지 모듈 206

2.2. 1차 Mock-up 실험 210

2.3. 2차 Mock-up 실험 219

2.4. Micro-Pile 형태의 지지 모듈 설계 및 현장시공 225

제6장 활용 방안 및 기대효과 227

1. 모듈러 시스템 적용 전략 227

1.1. 상황별 맞춤형 시스템 선정 Process 정립 227

1.2. 가치창조형 맞춤형 도로시스템 활용 대상 233

1.3. 기대 효과 234

제7장 결론 237

1. 순환구조형 카펫+슬래브 모듈러 도로시스템 개발 237

2. 혁신적 스마트 조인트 모듈러 도로시스템 개발 240

3. 맞춤형 지지 모듈러 시스템 개발 241

참고문헌 245

서지자료 252

Bibliographic Data 253

판권기 254

표 1.1. 골재자원조사량과채취후잔량및구성비 25

표 1.2. 유럽연합 도로기술 개선방향 29

표 1.3. 일본 도로관련 기술 개선 핵심 개발기술 30

표 1.4. 미국 SHRP 2 도로기술 개선 핵심 개발기술(The National Academies,... 31

표 1.5. 연차별 연구 목표 및 연구내용 33

표 1.6. 정부의 연구개발 방향과 부합도 36

표 1.7. 연차별 세부 연구개발 내용(1차년도) 38

표 1.8. 연차별 세부 연구개발 내용(2차년도) 39

표 1.9. 연차별 세부 연구개발 내용(3차년도) 39

표 1.10. 연차별 세부 연구개발 내용(4차년도) 40

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 60

표 3.2. 프리캐스트 슬래브의 적정크기 62

표 3.3. 여름/ 겨울 온도 입력값 64

표 3.4. 하중 종류 64

표 3.5. 단면의 물성치 64

표 3.6. 하중별 전단력 및 모멘트 최대 최소 값 65

표 3.7. 하중 계수 65

표 3.8. Case L8의 극한 한계상태 I 65

표 3.9. Case L8의 사용 한계상태 I 66

표 3.10. 최종 철근량 66

표 3.11. SCC 배합비 70

표 3.12. SCC의 레올로지 분석결과 70

표 3.13. SCC 물성 분석결과 71

표 3.14. SCC 물성 분석결과 71

표 3.15. 재료별 물성치 (하중 재하 시) 80

표 3.16. 8m 슬래브 모듈의 회전 안전성에 대한 설계 판정 84

표 3.17. 3.9m 슬래브 탈형하중에 대한 슬래브 설계 판정 88

표 3.18. 콘크리트 배합비 106

표 3.19. 콘크리트의 단위굵은골재 용적, 잔골재율 및 단위수량의 대략값 109

표 3.20. 잔골재율과 단위수량의 보정표 109

표 3.21. 모르타르 배합표 115

표 3.22. 콘크리트 배합표 119

표 3.23. 콘크리트 레올로지 분석결과 122

표 4.1. 조인트 시스템의 기능적 특성 142

표 4.2. 수직조인트의 성능평가 항목 146

표 4.3. 횡방향 수평조인트의 성능평가 항목 146

표 4.4. 종방향 수평조인트의 성능평가 항목 146

표 4.5. 수직조인트의 성능평가 기준 148

표 4.6. 횡방향 수평조인트의 성능평가 기준 148

표 4.7. 종방향 수평조인트의 성능평가 기준 148

표 4.8. 슬래브 단부의 상단 변위 변위의 합 - 롤러 150

표 4.9. 슬래브 단부의 상단 변위 변위의 합 - 힌지 150

표 4.10. Case ID 151

표 4.11. 하중조합 시 변위에 대한 유한요소해석 결과값 153

표 4.12. 하중조합 시 내력에 대한 유한요소해석 결과값 153

표 4.13. 최적 배합표 159

표 4.14. 초속경 모르타르의 각종 실험결과 160

표 4.15. 앵커 로드 규격 별 인장강도 및 전단강도 162

표 4.16. 경제성 분석 대상 175

표 4.17. 공사비 산정 대상물량 및 산정근거 176

표 4.18. 공사비 산정 범위 176

표 4.19. 시공두께 산정결과 176

표 4.20. 기존 포장 시공 프로세스 177

표 4.21. 모듈러 도로 시공 프로세스 178

표 4.22. 노임단가 적용기준 178

표 4.23. 일반 구간 공사비 비교 179

표 4.24. 연약지반 구간 공사비 비교 179

표 4.25. 유지관리비 비교 180

표 4.26. LCC 분석 180

표 4.27. 공사기간 분석결과 183

표 5.1. 연약지반 판단 기준 187

표 5.2. 슬래브 모듈의 자중 및 교통하중 188

표 5.3. 수치해석을 위한 적용 물성치 191

표 5.4. Cross beam 형태의 지지 모듈 지지력 검토결과 191

표 5.5. 수치해석을 위한 적용 물성치 196

표 5.6. Micro-Pile 형태의 지지 모듈 지지력 검토결과 197

표 5.7. 노상 및 노체의 품질기준 201

표 5.8. Cross beam 형태의 지지 모듈의 재료 특성 및 강도 206

표 5.9. 하부지반 물성치 206

표 5.10. Cross beam 형태의 지지 모듈 구조해석 강도감소계수 207

표 5.11. Cross beam 형태의 지지 모듈 구조해석 단면형상 및 해석모델 207

표 5.12. Cross beam 형태의 지지 모듈 단면력 산정 208

표 5.13. Cross beam 형태의 지지 모듈 단면력도 208

표 5.14. Cross beam 형태의 지지 모듈 철근량 산정 208

표 6.1. 모듈러 도로시스템의 적용 대상지 227

그림 1-1. 신설 도로건설 성장 추세 둔화 22

그림 1-2. 도로 유지관리비의 지속적 증가 23

그림 1-3. 도로 설계에 대한 발상의 전환(단계건설 → 장수명 건설) 24

그림 1-4. 대표적인조기파손형상 26

그림 1-5. 우리나라 교통혼잡비용 증가 26

그림 1-6. 포장 형식별 소음 측정치 27

그림 1-7. 한국도로공사 포장형식 선정 평가표 28

그림 1-8. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템의 필요성 28

그림 1-9. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템의 핵심가치 도출 32

그림 1-10. 지속가능한 장수명 모듈러 도로시스템 개념도 33

그림 1-11. 미래형 맞춤 모듈(module) 정의 34

그림 1-12. 수명주기와 기술수준 분석결과 35

그림 1-13. 연구추진 전략 37

그림 1-14. 총괄 연구개발 roadmap 37

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 (전구간) 45

그림 2-4. 미국 Fort Miller사의 Super-Slab 46

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. 고강도PRC판표준도 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 64

그림 3-2. 모듈 상세 설명도 67

그림 3-3. 게이지 위치 68

그림 3-4. 가장자리로부터 변형률 게이지의 위치 69

그림 3-5. 콘크리트 슬럼프플로우/L-BOX 실험전경 70

그림 3-6. 슬래브타설 전경 71

그림 3-7. SCC 염소이온침투저항성 실험결과 72

그림 3-8. SCC 동결융해저항성 실험결과 72

그림 3-9. SCC 표면박리저항성 실험결과 73

그림 3-10. 모듈러 도로시스템 시공 전경 74

그림 3-11. 실험 시 하중 재하 위치 77

그림 3-12. 포장가속시험기 실험모습 77

그림 3-13. 8m 슬래브 전체 계측기 위치 78

그림 3-14. 8m 슬래브 모듈 모식도 79

그림 3-15. 3.9m 슬래브 모듈 모식도 80

그림 3-16. 수직조인트 부근 모델링 80

그림 3-17. 390 loading 시 콘크리트 실험값과 해석값 81

그림 3-18. 390 loading 시 철근 실험값과 해석값 82

그림 3-19. 1750 loading 시 콘크리트 실험값과 해석값 83

그림 3-20. 1750 loading 시 철근 실험값과 해석값 83

그림 3-21. h＝0m, θ＝0˚ 85

그림 3-22. h＝2.42m, θ＝44˚ 86

그림 3-23. h＝3.5m, θ＝90˚ 87

그림 3-24. h＝0m, θ＝0˚ 89

그림 3-25. h＝2.42m, θ＝44˚ 90

그림 3-26. h＝3.5m, θ＝90˚ 91

그림 3-27. 8m 슬래브 도면(1) 93

그림 3-28. 8m 슬래브 도면(2) 94

그림 3-29. 3.9m 슬래브 도면(1) 95

그림 3-30. 3.9m 슬래브 도면(2) 96

그림 3-31. Adjustment factor(q)값 변화에 따른 Dinger and Funk 곡선 100

그림 3-32. Adjustment factor 변화에 따른 합성골재의 실적률 비교 101

그림 3-33. 파우더의 구성성분 102

그림 3-34. 빙함 모델 곡선 104

그림 3-35. SCC 역학적 배합설계 기본안 105

그림 3-36. 슬럼프 플로우, T500시간 실험결과(이미지참조) 107

그림 3-37. V-funnel 실험결과 107

그림 3-38. 콘크리트 배합설계 흐름도 108

그림 3-39. 물-결합재비와 휨강도 관계 분석 110

그림 3-40. Excess water/paste theory 111

그림 3-41. 역학적 배합설계 개발을 위한 각 단계별 실험계획 112

그림 3-42. 플로우 실험결과 113

그림 3-43. V-funnel 실험결과 113

그림 3-44. OPC 배합의 고성능감수제 첨가에 따른 유동특성 결과 114

그림 3-45. 고성능감수제 첨가에 따른 배합별 플로우 특성 비교(물-결합재비 0.35) 114

그림 3-46. 골재 입도별 packing density 결과 116

그림 3-47. 골재 표면적과 슬럼프 플로우 관계 분석 117

그림 3-48. Excess paste thickness와 슬럼프 플로우 관계 분석 117

그림 3-49. Excess paste thickness와 압축강도 관계 분석 118

그림 3-50. 콘크리트 배합용 골재 합성입도 곡선 119

그림 3-51. 골재입도별 packing density 비교 121

그림 3-52. Excess paste thickness와슬럼프플로우관계분석(비다짐상태packing density고려) 121

그림 3-53. Excess paste thickness와슬럼프플로우관계분석(다짐상태packing density고려) 121

그림 3-54. 골재 표면적과 슬럼프 플로우 관계 분석 122

그림 3-55. 배합별 콘크리트 레올로지 특성 122

그림 3-56. Excess paste thickness와 레올로지 특성 관계 분석 123

그림 3-57. Excess paste thickness와 압축강도 관계 분석 123

그림 3-58. 골재 표면적과 압축강도 관계 분석 123

그림 3-59. 콘크리트 배합 분석 도구 124

그림 3-60. Multi-Scale 해석의 흐름도 126

그림 3-61. Multi-Scale/Phase 해석의 개념도 127

그림 3-62. Multi-Scale and -Phase 모형에서 필요한 실험 및 재료와의 관계 128

그림 3-63. Multi-Scale 모형 기법 129

그림 3-64. 동적 요소망 생성 방법 129

그림 3-65. Multi-Scale 모형과 일반 FEM 모형과의 비교 130

그림 3-66. 아스팔트플랜트에서의상차시발생하는잔분의이동개념도 131

그림 3-67. 전산유체역학을이용한상차시발생하는잔분의이동해석 131

그림 3-68. 전산유체역학을 이용한 SCC의 L-BOX 내 거동 해석 132

그림 3-69. 수화작용에따른시멘트콘크리트의강도발현과정 137

그림 3-70. 시멘트 페이스트의 흐름 구분 138

그림 3-71. 항복응력 75Pa 조건에서의 개별요소의 흐름 및 이동속도 139

그림 3-72. 항복응력 250Pa 조건에서의 개별요소의 흐름 및 이동 속도 139

그림 4-1. 모듈러 도로 시스템의 개념도 140

그림 4-2. 조인트 시스템의 구성 141

그림 4-3. 수직조인트의 개념도 143

그림 4-4. 횡방향 수평조인트의 개념도 144

그림 4-5. 종방향 수평조인트의 개념도 145

그림 4-6. 슬래브 단부 변형의 개요 149

그림 4-7. 조인트 유한요소 해석의 변수(Parameters) 151

그림 4-8. 온도상승 하중에 의한 변위형상 152

그림 4-9. 온도하중에 의한 슬래브 변위 152

그림 4-10. 슬래브 모듈 단부의 제원 152

그림 4-11. 수평조인트 및 수직조인트의 적용 그라우트 155

그림 4-12. 폴리우레탄의 인장응력-변형률 곡선 156

그림 4-13. 모래비율에 따른 탄성계수 및 극한변형률 변화 157

그림 4-14. 수직조인트 상세 개요도 161

그림 4-15. 수직조인트를 이용한 인양 장치 163

그림 4-16. 습식 수직조인트 시작품 163

그림 4-17. 습식 수직조인트용 유압잭 164

그림 4-18. 높이조절장치 스크류 장치 164

그림 4-19. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 매립부 설치 164

그림 4-20. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 콘크리트 타설 165

그림 4-21. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 거치 165

그림 4-22. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커 홀 천공 165

그림 4-23. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 주입재 시공 166

그림 4-24. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커볼트 설치 166

그림 4-25. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커볼트 체결 166

그림 4-26. 습식 수직조인트 Mock-up 적용 - 완료 166

그림 4-27. 건식 수직조인트 시작품 167

그림 4-28. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 매립부 설치 및 콘크리트 타설 168

그림 4-29. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 인양 168

그림 4-30. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 거치 168

그림 4-31. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커 홀 천공 169

그림 4-32. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 주입재 시공 169

그림 4-33. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 앵커볼트 설치 169

그림 4-34. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 슬래브 높이 조절 170

그림 4-35. 건식 수직조인트 Mock-up 적용 - 체결/완료 170

그림 4-36. 인양력에 의한 프리캐스트 슬래브의 응력 검토 171

그림 4-37. 인장장비 상세 설계 172

그림 4-38. 인양장비 시작품 전경 172

그림 4-39. 인양장비를 이용한 슬래브 거치 172

그림 4-40. 모듈러 도로 시스템의 형태 173

그림 4-41. Crossbeam 모듈 제원 174

그림 4-42. Crossbeam-Micro Pile 모듈 제원 174

그림 4-43. 콘크리트 포장 단면 174

그림 4-44. 아스팔트 포장 단면 175

그림 4-45. 콘크리트 포장 공정계획 181

그림 4-46. 아스팔트 포장 공정계획 181

그림 4-47. Crossbeam 모듈 공정계획 182

그림 4-48. Crossbeam-Micro Pile 모듈 공정계획 182

그림 5-1. 맞춤형 지지 모듈러 도로 시스템 정의 184

그림 5-2. 맞춤형 지지 모듈러 기본개념 185

그림 5-3. 맞춤형 지지 모듈러 정의 186

그림 5-4. 지지 모듈러 역학적 설계 개념 187

그림 5-5. 표준트럭하중 188

그림 5-6. 슬래브 모듈의 제원 188

그림 5-7. Cross beam 형태의 지지 모듈 CASE별 형상 및 규격 190

그림 5-8. 교통하중 모식도 190

그림 5-9. Cross beam 형태의 지지 모듈 Type-1(하부직선형)의 수치해석 결과 192

그림 5-10. Cross beam 형태의 지지 모듈 Type-2(하부곡선형)의 수치해석 결과 193

그림 5-11. Micro-Pile 형태의 지지 모듈 CASE별 형상 및 규격 195

그림 5-12. 교통하중 모식도 196

그림 5-13. Micro-Pile 형태의 지지 모듈 Type-1(N＝6)의 수치해석 결과 198

그림 5-14. Micro-Pile 형태의 지지 모듈 Type-2(N＝3)의 수치해석 결과 199

그림 5-15. Micro-Pile 형태의 지지 모듈의 추가검토 200

그림 5-16. Cross beam 형태의 지지 모듈 시스템의 해석 단면 202

그림 5-17. 지반조건에 따른 온도분포 및 연직변위 203

그림 5-18. 지역별 실제 온도이력 203

그림 5-19. 지역별 실제 온도이력 적용한 수치해석(Slab 연직변위) 204

그림 5-20. Cross beam 형태의 지지 모듈의 철근 배근도 209

그림 5-21. Cross beam 형태의 지지 모듈 및 계측치 배치도 210

그림 5-22. Cross beam 형태의 지지 모듈에 설치된 시작품, 토압계 및 변위계 210

그림 5-23. 1차 Mock-up실험을 위한 Cross beam 형태의 지지 모듈의 시공 211

그림 5-24. 현장실험 조건 211

그림 5-25. 윤하중 장비에 의한 지지 모듈 현장 성능 검증 실험 212

그림 5-26. 하중 및 재하위치 변화에 따른 변위 212

그림 5-27. 하중 및 재하위치 변화에 따른 토압 213

그림 5-28. A지점 하중 재하 시 변위 214

그림 5-29. B지점 하중 재하 시 변위 214

그림 5-30. C지점 하중 재하 시 변위 214

그림 5-31. D지점 하중 재하 시 변위 215

그림 5-32. E지점 하중 재하 시 변위 215

그림 5-33. A지점 하중 재하 시 토압 216

그림 5-34. B지점 하중 재하 시 토압 216

그림 5-35. C지점 하중 재하 시 토압 216

그림 5-36. D지점 하중 재하 시 토압 217

그림 5-37. E지점 하중 재하 시 토압 217

그림 5-38. Line 7에서 하중 재하 218

그림 5-39. Line 7에 하중 재하시 변위 및 토압 218

그림 5-40. Cross beam 시공 및 센서 설치 220

그림 5-41. 계측기 설치 위치도 220

그림 5-42. 현장실험 하중재하 조건 221

그림 5-43. S1 & S4 토압비교 222

그림 5-44. L3 & L6 변위비교 222

그림 5-45. S2 & S5 토압비교 223

그림 5-46. L4 & L7 변위비교 223

그림 5-47. 연약지반 적용 지지 모듈 현장시공 226

그림 6-1. 의사결정 흐름도 228

그림 6-2. 1차 의사결정 230

그림 6-3. 2차 의사결정 230

그림 6-4. 생애주기비용 개념도 231

그림 6-5. LCCA Process 231

그림 6-6. 신설 시 Application Decision Tree 232

그림 6-7. 도로포장공사의 패러다임 전환 234

그림 6-8. 기술성, 시장성, 공공성 부분의 파급효과 분석 235

그림 6-9. 경제적 기대효과 분석 236

그림 6-10. 뉴욕주의 교차로 급속시공 예 236