탄소저감형 방음벽지주 및 방음터널 프레임에 관한 연구

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid urbanization and increasing traffic volume, traffic noise has become a growing concern, leading to a continuous demand for the installation of noise barriers and noise tunnels. However, conventional H-beam-based noise barrier structures exhibit low cross-sectional efficiency, resulting in excessive steel usage and increased carbon emissions. In response, this study developed a carbon-reducing HC (Hybrid Composite) beam by cutting and reassembling conventional H-beams to enhance cross-sectional performance. The HC beam was applied to noise barrier posts and noise tunnel frames, and its structural performance was verified through both experimental testing and numerical analysis.
A total of 44 full-scale specimens were tested to evaluate bending, shear, buckling, and joint performance, while finite element analysis was conducted to investigate the structural behavior. Experimental results demonstrated that the HC beam exhibited approximately 1.56 times higher bending strength compared to conventional H-beams, with significantly reduced deflection for the same amount of steel, confirming the improvement in cross-sectional efficiency. All specimens also maintained a safety margin of over 5 % relative to design criteria in shear and buckling tests. Joint tests showed that minimal reinforcement was sufficient to satisfy performance requirements, and the column-roof connections achieved adequate strength without stiffening plates, enhancing constructability.
Full-scale noise tunnel experiments (24.3 m in length) confirmed that the HC beam system exceeded 5 % of the design ultimate load and maintained linear behavior under service loads. The segmental fabrication and bolted assembly approach improved transport and construction efficiency, demonstrating practical feasibility.
Economic analysis indicated that the HC beam could reduce steel usage by approximately 36% for the same design load, translating into a significant CO₂reduction per kilometer of noise barrier. Overall, the HC(A) beam structural system provides superior structural performance, economic efficiency, and constructability compared to conventional solutions. It shows high potential for application in a variety of infrastructure structures, including noise barriers and noise tunnels, and offers a viable technological alternative for carbon-reducing infrastructure development.

국문 초록 (Abstract)

현대 도시화와 교통량 증가로 교통소음 문제가 심화됨에 따라 방음벽 및 방음터널의 설치 수요가 지속적으로 증가하고 있다. 그러나 기존 H형강 기반 방음벽 구조는 단면 효율이 낮아 과도한 강재 사용과 탄소배출 증가를 초래한다. 이에 본 연구는 H형강을 절단·재조립해 단면성능을 향상시킨 탄소저감형 HC(Hybrid Composite) 빔을 개발하고, 이를 방음벽지주 및 방음터널 프레임에 적용하여 구조성능을 실험적·해석적으로 검증하였다.
총 44개의 실물 크기 실험체를 대상으로 휨·전단·좌굴 및 접합부 성능을 평가하였으며, 유한요소해석을 병행해 구조거동을 규명하였다. 실험 결과, HC빔은 기존 H빔 대비 휨 강도가 약 1.56배 향상되고 동일 강재량 기준 처짐이 크게 감소해 단면성능 개선 효과가 확인되었다. 전단 및 좌굴 실험에서도 모든 단면이 설계기준 대비 5 % 이상의 안전율을 확보하였다. 접합부 실험에서는 최소 보강으로도 요구 성능을 만족하였으며, 기둥-지붕 연결부는 보강판 생략이 가능해 시공 효율이 높았다.
실물 방음터널(연장 24.3 m) 성능 실험에서는 설계 극한하중의 5 % 이상을 만족하였고, 사용하중 단계에서 선형 거동을 유지하였다. 분절 제작·볼트 조립 방식은 운반 및 시공 효율을 높여 실용화 가능성을 확인하였다.
경제성 분석 결과 HC빔은 동일 설계하중 기준 약 36 %의 강재 절감이 가능하며, 이는 방음벽 1 km당 상당한 CO2 저감 효과로 이어진다. 종합적으로 HC(A)빔 구조시스템은 기존 대비 우수한 구조성능, 경제성, 시공성을 확보했으며, 향후 방음벽·방음터널을 포함한 다양한 인프라 구조물에 적용 가능성이 높다. 또한 탄소저감형 인프라 구축에 기여할 수 있는 기술적 대안을 제시하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 2
• 1.3 논문의 구성 4
• 제 2 장 이론적 고찰 6
• 2.1 방음벽 및 방음터널 구조의 개요 6
• 2.1.1 방음벽 구조적 개념 및 기능적 특성 7
• 2.1.2 방음터널의 구조적 개념 및 기능적 특성 10
• 2.1.3 방음시설 구조 시스템의 변화와 기술적 과제 12
• 2.2 HC 빔의 정의 및 구조적 특징 14
• 2.2.1 HC 빔의 개념 및 단면 형성 원리 14
• 2.2.2 HC 빔의 구조적 특성 및 장점 15
• 2.3 탄소저감형 구조 기술 개발 16
• 2.3.1 건축·토목·기계 분야의 탄소저감 필요성 16
• 2.3.2 HC 빔 적용에 따른 탄소저감 효과 17
• 제 3 장 실험체 설계 및 실험 계획 19
• 3.1 HC 빔 구조시스템 설계 개요 19
• 3.2 실험체 형상 및 구성 23
• 3.2.1 지주 구성 상세 23
• 3.2.2 프레임 및 연결부 설계 25
• 3.3 실험 조건 설정 29
• 3.3.1 하중 조건 및 가력 방식 29
• 3.3.2 경계 조건 설정 31
• 3.4 실험 장비 및 계측 계획 33
• 제 4 장 탄소저감형 HC(A)빔 강도실험 36
• 4.1 유한요소해석 모델링 36
• 4.1.1 모델 형상 및 Mesh 구성 36
• 4.1.2 재료 모델 설정 36
• 4.2 해석 조건 37
• 4.3 실험 결과 및 해석 비교 38
• 4.3.1 휨 성능검증 실험 및 분석 38
• 4.3.2 좌굴 성능검증 실험 및 분석 58
• 제 5 장 탄소저감형 HC(A)빔 접합부 강도실험 71
• 5.1 실험 구성 및 하중이력 71
• 5.1.1 실험체 명칭 및 조건 정리 71
• 5.1.2 반복하중 가력 방법 72
• 5.2 실험 결과 및 해석 비교 73
• 5.2.1 기둥 보강 범위 실험 및 분석 73
• 5.2.2 기둥+기초 접합부 실험 및 분석 86
• 5.2.3 기둥+지붕 연결부 실험 및 분석 91
• 5.3 반복하중에 따른 강성 및 변형 거동 분석 98
• 5.3.1 강성 변화 곡선 분석 98
• 5.3.2 잔류 변형 및 피로 거동 99
• 5.4 파괴양상 및 손상 진행 관찰 100
• 5.5 반복하중 결과 분석 101
• 제 6 장 HC(A) 방음터널 실물 실험을 통한 검증 103
• 6.1 HC(A) 방음터널 실물 실험을 통한 검증 103
• 6.2 구조 성능 및 실험 결과 종합 109
• 6.2.1 정하중 및 반복하중 결과 비교 109
• 6.2.2 실험체별 구조 거동 특성 분석 111
• 6.3 시공성 측면 113
• 6.3.1 부재 연결 방식의 시공성 113
• 6.3.2 구조 단순화에 따른 시공 시간 단축 가능성 114
• 제 7 장 결 론 116
• 7.1 연구의 결론 116
• 7.2 향후 연구 118
• 참고문헌 120
• Abstract 122