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SUMMARY
Contents
목차
제1장 연구개발과제의 개요 26
제1절 연구개발의 배경 및 필요성 26
1. 연구개발 배경 26
2. 연구개발 필요성 28
제2절 연구개발 목표 및 내용 33
1. 연구개발의 최종목표 33
2. 연구개발 내용 33
제2장 국내외 기술개발 현황 38
제1절 중장경간 철도교의 기술적 특징 38
제2절 철도 교량분야 기술개발 현황 40
제3장 연구개발 수행 내용 및 결과 44
제1절 중장경간 CFT 철도교량 구조 상세설계 44
1. 교각/거더 일체식 또는 코핑부 적용 CFT 구조 합리화 방안 44
2. CFT 트러스 교량 단부 지점 상세 개선 64
3. CFT 격점부 중첩구간의 개선안 68
4. CFT 철도교량 구조의 타당성 검토 72
5. 콘크리트 충전에 의한 원형강관 접합부 상세 수치해석 및 성능평가 실험 115
6. 원형강관과 사각강관의 연결부 상세 구조 141
7. CFT 철도교량 최적단면 상세설계 150
제2절 중경간 프리텐션 PSC 철도교 실시설계 및 시범구축 201
1. 구조물 설계조건별 최적화 단면 개발 201
2. 중경간 Pretension 철도교 실시설계 205
3. 장기거동 수치 모델 작성 및 분석 212
4. 시공품질 향상 및 안정화 구현하기 위한 개선안 제시 230
5. 시스템 거푸집 최적화 설계 및 Test용 거푸집 제작 235
6. 중경간 프리텐션 거더교 시범구축 240
제3절 철도교 장기변형 계측/예측 시스템 핵심 기술 개발 258
1. 영상기반 장기 변위계측 시스템 258
2. 간접 변위계측법 277
3. 철도교 유지관리 시 장기변형 예측을 위한 기존 모델 문헌 조사 283
4. 효율적인 철도교 유지관리를 위한 장기변형 예측 기술 개발 방향 299
5. Bayesian Kriging 기법을 활용한 예측 값 업데이트 302
제4절 연구개발 수행 결과 319
1. 중장경간 CFT 철도교량 구조 상세설계 319
2. 중경간 프리텐션 PSC 철도교 실시설계 및 시범구축 319
3. 철도교 장기변형 계측/예측 시스템 핵심 기술 개발 320
제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 324
제1절 목표 달성도 324
제2절 관련분야에의 기여도 328
제5장 연구개발 결과의 활용 계획 332
제1절 성과활용 계획 332
제2절 성과확산 계획 332
참고문헌 334
판권기 337
표 2-2-1. 1990년~2015년 분야별 건설 신기술 지정 현황 40
표 3-1-1. 국내외 교각/거더(강재) 일체형 시스템 적용안 44
표 3-1-2. 국내외 교각/거더(콘크리트) 일체형 시스템 적용안 48
표 3-1-3. 기존 CFT구조와 콘크리트 블록 적용시 경제성 비교 54
표 3-1-4. 검토에 활용한 경간구성 및 CASE 78
표 3-1-5. 단면검토 설계기준 정의 80
표 3-1-6. 강관 부재 제원(CASE1) 87
표 3-1-7. 처짐(승차감) 검토(CASE1) 88
표 3-1-8. 응력검토(부모멘트부 H=5.5m) 검토(CASE1) 88
표 3-1-9. 응력검토(부모멘트부 H=6.0m) 검토(CASE1) 89
표 3-1-10. 응력검토(부모멘트부 H=6.5m) 검토(CASE1) 90
표 3-1-11. 강관 부재 제원(CASE2) 92
표 3-1-12. 처짐(승차감) 검토(CASE2) 93
표 3-1-13. 응력검토(부모멘트부 H=5.5m) 검토(CASE2) 93
표 3-1-14. 응력검토(부모멘트부 H=6.0m) 검토(CASE2) 94
표 3-1-15. 응력검토(부모멘트부 H=6.5m) 검토(CASE2) 95
표 3-1-16. 강관 부재 제원(CASE3) 97
표 3-1-17. 처짐(승차감) 검토(CASE3) 98
표 3-1-18. 응력검토(부모멘트부 H=5.5m) 검토(CASE3) 98
표 3-1-19. 응력검토(부모멘트부 H=6.0m) 검토(CASE3) 99
표 3-1-20. 응력검토(부모멘트부 H=6.5m) 검토(CASE3) 100
표 3-1-21. 강관 부재 제원(CASE4) 102
표 3-1-22. 처짐(승차감) 검토(CASE4) 103
표 3-1-23. 응력검토(부모멘트부 H=5.5m) 검토(CASE4) 103
표 3-1-24. 응력검토(부모멘트부 H=6.0m) 검토(CASE4) 104
표 3-1-25. 응력검토(부모멘트부 H=6.5m) 검토(CASE4) 105
표 3-1-26. 강관 부재 제원(CASE5) 107
표 3-1-27. 처짐(승차감) 검토(CASE5) 107
표 3-1-28. 응력검토(TYPE1, L=10.0m)(CASE5) 108
표 3-1-29. 응력검토(TYPE1, L=7.0m)(CASE5) 109
표 3-1-30. 응력검토(TYPE2, L=10.0m)(CASE5) 110
표 3-1-31. 응력검토(TYPE1, L=10.0m)(CASE5) 111
표 3-1-32. 콘크리트 블록 응력검토(CASE5) 112
표 3-1-33. 처짐(승차감)검토 결과 비교 113
표 3-1-34. 실험체 상세 118
표 3-1-35. 주요 결과 요약(EX-01~EX-06) 125
표 3-1-36. 주요 결과 요약(EX-07~EX-09) 129
표 3-1-37. 주요 결과 요약(EX-10~EX-15) 132
표 3-1-38. 궤도해석 입력제원 171
표 3-1-39. 설계하중 171
표 3-1-40. 검토기준 172
표 3-1-41. 자갈궤도 적용시 장대레일 최대 축응력 요약 190
표 3-1-42. 콘크리트 궤도 적용시 장대레일 최대 축응력 요약 190
표 3-2-1. 기본설계와 실시설계 수행내용 비교 205
표 3-2-2. 실시설계도면 목록 206
표 3-2-3. 교량제원 212
표 3-2-4. 콘크리트 213
표 3-2-5. 강재 213
표 3-2-6. 재료모델 상세 213
표 3-2-7. ART거더 표준공정 214
표 3-2-8. 평균두께에 따른 보정계수, Υc,υs 218
표 3-2-9. 예측식별 장기처짐 결과 221
표 3-2-10. 변수별 거더 콘크리트 강도 224
표 3-2-11. 디텐션시기별 장기처짐 결과 225
표 3-2-12. 슬래브 타설시기별 장기처짐 결과 226
표 3-2-13. 2차고정하중 재하시기별 장기처짐 결과 227
표 3-3-1. 크리프 예측 모델 297
표 3-3-2. 건조수축 예측 모델 298
표 3-3-3. 긴장력 손실 예측 모델 298
표 3-3-4. Training data를 이용하여 평가한 예제교량 해석모델의 NRMSE 지수 값 313
표 3-3-5. Test data를 이용하여 평가한 예제교량 해석모델의 NRMSE 지수 값 314
표 3-3-6. 예제교량 해석모델의 NMPIL 지수 값 315
표 3-3-7. Training data를 이용하여 평가한 예제교량 해석모델의 ACE 지수 값 316
표 3-3-8. Test data를 이용하여 평가한 예제교량 해석모델의 ACE 지수 값 316
그림 1-1-1. 경부고속철도 초기 단계 적용된 PSC Box 거더 교량(신정교) 26
그림 1-1-2. 신형식 철도 거더교 적용예(IPC교) 27
그림 1-1-3. KTX 기존, 신설 노선 계획 27
그림 1-1-4. 국내 노후 철도교량 교체수요 증가 28
그림 1-1-5. 콘크리트 충전 강관 아치 86m-Pont d' Antrenas(프랑스, 도로교) 29
그림 1-1-6. 콘크리트 충전 강관 아치(275m+275m)-Yichang Changjiang River Bridge(중국, 철도교) 29
그림 1-1-7. 연제교 장기처짐 계측 30
그림 1-1-8. 확률기반 예측모델 수립 31
그림 1-1-9. 교량의 장기처짐 32
그림 2-1-1. Koror-Babeldoab 교량 붕괴 38
그림 2-1-2. Tsukiyono 교량의 종단면도 39
그림 2-1-3. Tsukiyono 교량의 중앙경간 장기처짐 실측값과 예측값의 비교 39
그림 3-1-1. 연속지점부 콘크리트 거더 적용 개념도 51
그림 3-1-2. 연속지점부 콘크리트 블록 적용시 휨모멘트도 52
그림 3-1-3. 시공적 측면에 의한 콘크리트 블록이 적용된 CFT의 문제점 53
그림 3-1-4. 연속지점부 콘크리트 블록 구조 개념도(Concept 2안) 55
그림 3-1-5. 연속지점부 콘크리트 블록 구조 개념도(Concept 3안) 58
그림 3-1-6. 신형식 충전강관 연속교 개념도 62
그림 3-1-7. 부분 콘크리트 블록을 적용한 교각-거더 일체형 교량 개요 63
그림 3-1-8. 콘크리트 블록 적용 단부지점 상세 64
그림 3-1-9. 트러스 부재의 격점부 중첩구간(상·하현재 ø609.6, 사재 ø508.0적용시) 68
그림 3-1-10. 사재 격점부차에 의한 검토안 69
그림 3-1-11. 기성 원형강관을 활용한 CFT 트러스 교량 개요도 72
그림 3-1-12. 개선 Concept 1(정모멘트구간 CCFT, 부모멘트구간 RCFT or RT) 74
그림 3-1-13. 개선 Concept 1에서 연속지점부 하현재에 콘크리트 블록을 적용한 Design 76
그림 3-1-14. 개선 Concept 1에서 연속지점부 하현재에 콘크리트 블록을 적용한 Design 76
그림 3-1-15. 개선 Concept 1에서 연속지점부 하현재에 콘크리트 블록을 적용한 Design(계속) 77
그림 3-1-16. 검토에 활용한 경간구성 78
그림 3-1-17. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:CCFT(H=5.5m)) 86
그림 3-1-18. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:CCFT(H=6.0m)) 86
그림 3-1-19. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:CCFT(H=6.5m)) 87
그림 3-1-20. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RCFT(H=5.5m)) 91
그림 3-1-21. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RCFT(H=6.0m)) 91
그림 3-1-22. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RCFT(H=6.5m)) 92
그림 3-1-23. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RT(H=5.5m)) 96
그림 3-1-24. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RT(H=6.0m)) 96
그림 3-1-25. MIDAS 모델링(상연:CCFT, 하연:RT(H=6.5m)) 97
그림 3-1-26. MIDAS 모델링(상연:RCFT, 하연:RCFT(H=5.5m)) 101
그림 3-1-27. MIDAS 모델링(상연:RCFT, 하연:RCFT(H=6.0m)) 101
그림 3-1-28. MIDAS 모델링(상연:RCFT, 하연:RCFT(H=6.5m)) 102
그림 3-1-29. 강관구조 접합의 형태 116
그림 3-1-30. 강관구조 접합의 상세 및 주요 인자 116
그림 3-1-31. 실험체 고정 및 가력 장치(지관 압축/인장 T형 트러스 접합: EX-01~EX-09) 119
그림 3-1-32. 실험체 고정 및 가력 장치(T형 모멘트 접합: EX-10~EX-15) 119
그림 3-1-33. 실험체 고정 및 가력 장치(K형 트러스 접합: EX-16~EX-21) 120
그림 3-1-34. 지관 압축/인장 T형 트러스 접합 실험 세팅(EX-01~EX-09) 120
그림 3-1-35. T형 모멘트 접합 실험 세팅(EX-10~EX-15) 121
그림 3-1-36. K형 트러스 접합 실험 세팅(EX-16~EX-21) 122
그림 3-1-37. 파괴 형상(EX-01~EX-06) 123
그림 3-1-38. 하중-변위 곡선(EX-01~EX-06) 124
그림 3-1-39. 강도 변화(EX-01~EX-06) 126
그림 3-1-40. 항복비 변화(EX-01~EX-06) 127
그림 3-1-41. 변위 연성비 변화(EX-01~EX-06) 127
그림 3-1-42. 응력 집중 계수 변화(EX-01~EX-06) 128
그림 3-1-43. 응력 집중 계수 변화(EX-07~EX-09) 129
그림 3-1-44. 파괴 형상(EX-07~EX-09) 130
그림 3-1-45. 파괴 형상(EX-10~EX-15) 131
그림 3-1-46. 항복비 변화(EX-10~EX-15) 133
그림 3-1-47. 변위 연성비 변화(EX-10~EX-15) 133
그림 3-1-48. 응력 집중 계수 변화(EX-10~EX-15) 134
그림 3-1-49. 불연속 면을 포함한 판이 일축 압축력을 받는 경우 변형 및 응력장 140
그림 3-1-50. 원형강관과 사각강관의 연결부 설치 위치 141
그림 3-1-51. 원형강관과 사각강관 연결부의 형상 159
그림 3-1-52. 시제동하중 재하 종류 173
그림 3-1-53. CFT 3경간 연속교 모델링 173
그림 3-1-54. CFT 3경간 연속교의 온도하중 재하 174
그림 3-1-55. REJ를 적용한 연속교의 온도하중 재하 175
그림 3-1-56. REJ를 적용한 연속교의 시동하중 재하 176
그림 3-1-57. REJ를 적용한 연속교의 시동하중 재하 177
그림 3-1-58. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 178
그림 3-1-59. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 179
그림 3-1-60. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 180
그림 3-1-61. REJ를 적용한 연속교의 상호작용 해석 결과 181
그림 3-1-62. CFT 3경간 연속교의 온도하중 재하 182
그림 3-1-63. REJ를 적용한 연속교의 온도하중 재하 183
그림 3-1-64. REJ를 적용한 연속교의 시동하중 재하 184
그림 3-1-65. REJ를 적용한 연속교의 시동하중 재하 185
그림 3-1-66. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 186
그림 3-1-67. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 187
그림 3-1-68. REJ를 적용한 연속교의 제동하중 재하 188
그림 3-1-69. REJ를 적용한 연속교의 상호작용 해석 결과 189
그림 3-2-1. ART거더 철도교 적용 개념도 201
그림 3-2-2. 거더의 배치 및 하중의 흐름 202
그림 3-2-3. 기존 거더교와 단면 비교 예시 203
그림 3-2-4. 기존 거더교와 무게 중심 비교 203
그림 3-2-5. 일체형 거푸집 적용 예시 204
그림 3-2-6. 교량테스트베드구간 전반도 207
그림 3-2-7. ART거더 일반도 207
그림 3-2-8. ART거더 구조도 208
그림 3-2-9. 강연선 상세도 208
그림 3-2-10. EPS블록 상세도 209
그림 3-2-11. Sole plate 상세도 209
그림 3-2-12. 시공순서도 210
그림 3-2-13. 전도방지공 210
그림 3-2-14. 반력대 설치 개요도 211
그림 3-2-15. Thrust Head 설계도 211
그림 3-2-16. ART거더 종단면도 212
그림 3-2-17. ART거더 표준 횡단면도 212
그림 3-2-18. 슬래브, 가로보 콘크리트(30MPa) Creep/Shrinkage 215
그림 3-2-19. 거더 콘크리트(49MPa) Creep/Shrinkage 215
그림 3-2-20. 시공단계별 모델링 형상(KCI-USD12) 223
그림 3-2-21. 예측식별 장기처짐 결과 그래프 223
그림 3-2-22. 시간에 따른 거더 콘크리트 강도 224
그림 3-2-23. 디텐션시기별 장기처짐 결과 그래프 225
그림 3-2-24. 슬래브 타설시기별 장기처짐 결과 그래프 227
그림 3-2-25. 2차고정하중 재하시기별 장기처짐 결과 그래프 228
그림 3-2-26. 드론 Mapping 기술의 개요 230
그림 3-2-27. ART거더 제작을 위한 디지털맵 구성 및 제작장 레이아웃 배치 231
그림 3-2-28. 테스트베드 구간내 거더별 시공순서 232
그림 3-2-29. ART거더 최초 시공안 232
그림 3-2-30. 인양장비와 교각간 간섭 233
그림 3-2-31. 인양장비와 기존거더간 간섭 234
그림 3-2-32. 거더 일괄 거치를 위한 인양장비 배치안 234
그림 3-2-33. 거푸집 보강재 제작 235
그림 3-2-34. 거푸집 측벽폼 제작 235
그림 3-2-35. 거푸집 측벽폼 제작 236
그림 3-2-36. 자재반입 236
그림 3-2-37. 하부폼 고정용 철물 설치 237
그림 3-2-38. 하부폼 설치 237
그림 3-2-39. 유압장치 설치 238
그림 3-2-40. 측벽폼 설치(1) 238
그림 3-2-41. 측벽폼 설치(2) 239
그림 3-2-42. 거푸집 개폐확인 및 설치 완료 239
그림 3-2-43. ART거더 횡단면도 240
그림 3-2-44. 거더 제작공정 흐름도 241
그림 3-2-45. 전도방지공 249
그림 3-2-46. 철근 가공 및 조립 250
그림 3-2-47. 거푸집 설치 및 가조립 철근 세우기 251
그림 3-2-48. INSERT PLATE 설치 및 철근조립 251
그림 3-2-49. 강연선 삽입 252
그림 3-2-50. EPS 블록 삽입 252
그림 3-2-51. 웨지 설치 253
그림 3-2-52. 강연선 긴장 253
그림 3-2-53. Half-Slab 철근 및 상부철근조립 254
그림 3-2-54. 인양강선 삽입 254
그림 3-2-55. 고강도콘크리트 타설 255
그림 3-2-56. 증기양생 255
그림 3-2-57. 거푸집 탈형 256
그림 3-2-58. 디텐션(긴장력 도입) 256
그림 3-2-59. 거더이적 257
그림 3-3-1. 영상기반 변위계측 시스템의 하드웨어 구성 258
그림 3-3-2. 영상기반 변위계측 시스템의 소프트웨어 구성 258
그림 3-3-3. 좌표 변환 예시: 아핀변환 260
그림 3-3-4. 빛의 강도에 따른 코너 검출 오류 260
그림 3-3-5. 빛의 강도에 따른 원 검출 오류 261
그림 3-3-6. 아핀 변환의 한계 262
그림 3-3-7. 카메라의 위치에 따른 원근 투영 결과 262
그림 3-3-8. 카메라의 회전에 따른 계측 오차 263
그림 3-3-9. 일반적인 ROI와 적응형 ROI 263
그림 3-3-10. 적응형 ROI를 이용한 센트로이드 계산 264
그림 3-3-11. 호모그래피 변환 265
그림 3-3-12. 적응형 ROI와 호모그래피를 통한 변위 계측 흐름도 265
그림 3-3-13. 하드웨어 구성 266
그림 3-3-14. 장기변위 계측원리 266
그림 3-3-15. 장기변위계측 흐름도 267
그림 3-3-16. 보조 카메라 좌표계(월드 좌표계 기준) 268
그림 3-3-17. 보조 카메라 좌표계(CCsub,1 좌표계 기준)[이미지참조] 269
그림 3-3-18. 메인 카메라의 좌표계 관계 269
그림 3-3-19. 메인 타겟의 카메라 모션에 따른 변위 271
그림 3-3-20. 적응형 ROI 실험 세팅 272
그림 3-3-21. 적응형 ROI 실내 실험 결과 273
그림 3-3-22. 호모그래피를 통한 변위 계측 실험 세팅 273
그림 3-3-23. 다양한 카메라 위치에서 계측한 실내 실험 결과 274
그림 3-3-24. 카메라 모션 실험 275
그림 3-3-25. 카메라 모션 실험 275
그림 3-3-26. 카메라 모션 실험 276
그림 3-3-27. Xnode 센서 및 주요 스펙 280
그림 3-3-28. Xnode 소프트웨어 제작 및 이식 프로그램 281
그림 3-3-29. 구비된 Xnode 계측장비 282
그림 3-3-30. 하중재하 및 제거에 따른 크리프의 회복가능성 284
그림 3-3-31. 콘크리트의 크리프-응력 관계 285
그림 3-3-32. 콘크리트의 크리프에 대한 물/시멘트비의 영향 286
그림 3-3-33. 콘크리트의 크리프에 대한 재령의 영향 287
그림 3-3-34. 콘크리트의 크리프에 대한 온도 및 온도변화의 영향 287
그림 3-3-35. 크리프와 수분량과의 관계 288
그림 3-3-36. 골재의 종류와 탄성계수가 크리프에 미치는 영향 289
그림 3-3-37. 콘크리트의 회복가능한 크리프와 회복불가능한 크리프 특성 290
그림 3-3-38. 부재의 수분손실과 건조수축의 관계 292
그림 3-3-39. 단위골재량과 건조수축의 관계 292
그림 3-3-40. 극한건조수축과 체적-표면적비의 관계 293
그림 3-3-41. 단위수량과 건조수축의 관계 294
그림 3-3-42. 예측 모델 알고리즘 개략도 1 302
그림 3-3-43. 예측 모델 알고리즘 개략도 2 302
그림 3-3-44. Kriging 기법을 이용한 예측 모델 고도화 303
그림 3-3-45. 알고리즘 검증을 위한 예제 교량 305
그림 3-3-46. 실측값에 대한 기존 예측 식들의 오차 306
그림 3-3-47. 업데이트 결과 예측 식 및 95% 신뢰구간 307
그림 3-3-48. 추가 실측값과 업데이트 식 비교 307
그림 3-3-49. 언양고가 평면도 309
그림 3-3-50. 언양고가 종평면도 309
그림 3-3-51. 언양고가 전경 309
그림 3-3-52. 측정기간의 영상계측시스템 기반 계측 변위 310
그림 3-3-53. 측정기간의 주아치 강박스 온도 310
그림 3-3-54. 언양고가교 변형 예측 결과 1: 2016년 7월 계측 데이터를 기반으로 한 예측(검정)과 8월... 311
그림 3-3-55. 언양고가교 변형 예측 결과 2: 2016년 7~8월 계측 데이터를 기반으로 한 예측(검정)과... 311
그림 3-3-56. 언양고가교 변형 예측 결과 3: 2016년 7~9월 계측 데이터를 기반으로 한 예측(검정)과... 312
그림 3-3-57. 언양고가교 변형 예측 결과 4: 2016년 7~10월 계측 데이터를 기반으로 한 예측(검정)과... 312
그림 3-3-58. 언양고가교 변형 예측 결과 5: 2016년 7월 계측 데이터(빨강)를 기반으로 한... 317
그림 3-3-59. 언양고가교 변형 예측 결과 6: 2016년 7~8월 계측 데이터(빨강)를 기반으로 한... 317
그림 3-3-60. 언양고가교 변형 예측 결과 7: 2016년 7~9월 계측 데이터(빨강)를 기반으로 한... 318
그림 3-3-61. 언양고가교 변형 예측 결과 8: 2016년 7~10월 계측 데이터(빨강)를 기반으로 한... 318