중소 노후교량 공용수명 연장을 위한 성능평가기술 연구

차경렬 고려대학교 대학원 2024 국내박사

도로 교량 시설물은 그동안 인적, 물적 자원의 이동을 원활하게 하여 국가 경제적 생산성 증대에 기여해왔다. 하지만 시간이 지남에 따라 공용중 도로 교량 시설물의 공용연수 증대 및 중차량 교통량의 증가에 따라 교량의 열화 손상이 가속화되고 있다. 사회기반 시설물의 노후화를 대비하고 장수명화를 도모하기 위한 최근 연구 동향으로써 구조부재의 재료적 내구성능을 정확히 분석하고 예측하기 위한 연구들과 기존 시설물의 성능을 증진시킬 수 있도록 신소재를 활용한 구조부재 보강공법 적용 연구들이 수행되었다. 하지만, 시설물의 점검 및 진단체계, 성능평가의 세부 항목별 측정 방법 및 기준 등에 대한 비교 및 분석 등의 세부적 연구는 수행된 바가 많지 않았다. 1,2종 교량에 대해서는 ‘시설물 안전관리에 관한 특별법’이 제정되면서 중대형시설물에 대한 주기적인 안전점검을 통해 중대한 결함을 사전에 발견하고 보수보강을 의무화하는 등 구조적 안전성 측면에서 잘 대처하고 있는 것으로 평가할 수 있다. 하지만 중소 노후교량(3종)시설물의 종합성능평가는 제시되어 있지 않으므로 이에 관한 연구가 필요하다. 본 연구에서는 중소 도로 교량의 성능평가기술을 연구하기 위하여 우선 국내외 도로 교량 시설물의 점검 및 평가체계 비교·분석 연구를 수행한다. 기존 국내 도로 교량 시설물의 정기점검 및 정밀안전진단 체계와 제1종 및 제2종 시설물의 시설물 종합성능평가 체계, 제3종 시설물의 안전등급평가 매뉴얼상에서의 점검 및 평가항목 체계에 대한 대응 분석을 수행하고, 미국 및 일본에서의 교량 점검 및 평가 매뉴얼, 체계 분석을 통해, 국내 도로 교량 시설물의 점검 및 평가체계와의 비교·분석 검토 연구를 수행한 후 중소 도로 교량의 성능평가기술을 도출하고자 한다.

고속철도교량 및 레일의 동적 상호작용

최종철 건국대학교 대학원 2012 국내박사

이 논문에서는 기하학적 및 적합조건의 평형을 고려한 새로운 3차원 차륜-레일 상호작용의 해석이 제안되었다. 교량-열차의 동적상호작용의 정식화는, 교량과 열차의 부구조시스템을 독립적으로 해석하는 정열 방식을 사용하는 알고리즘과 상호작용의 적합조건에 대한 반복해석법으로 개발되었다. 열차 탈선 평가의 간단하고 명확한 설정기준은 레일에 차륜집합의 상대적인 움직임에 기초하여 차륜-레일 접촉 메커니즘이 제안되었다. 차륜-레일 상호작용은 적합조건에 접촉력, 차륜 점프, 레일 불규칙성과 국부변형을 포함하여 실제 조건에 부합하며, 수직 접촉은 유한한 인장강성이 없는 강성으로, 횡방향 접촉은 유한한 접촉강성과 크리프 댐핑으로 이상화되었다. 수직과 종축방향에 대한 차륜의 레일에 대한 상대 회전이 고려되었다. 3차원 교량-열차 상호 작용 모델은 차륜에 4자유도, 대차 또는 차체에 5자유도를 고려하여 적절한 모델이다. 교량은 편심과 비틀림에 의한 데크 변위를 고려한 3차원 보요소에 의해 이상화되었다. 트랙은 무도상 슬래브이며, 레일의 불규칙성은 수치 랜덤 프로세스에 의해 생성되었다. 시간과 공간에 독립적인 교량과 열차의 대칭 계수 매트릭스를 만들어 주는 감소 기술을 도입하고, 1차원 배열에 저장하였다. 낮은 수렴의 경우에 열차 해석을 개선하기 위해서 오스틴의 외삽법을 사용하였다. 모델링 과정 및 해석알고리즘은 특히 긴 트랙, 다경간 또는 케이블 교량, 불량한 레일 품질과 같은 하위 구조가 복잡한 차량의 모델에서 효율적이다. 모든 열차 차륜의 3차원 상대 운동 시간 기록의 계산은 또 다른 장점이다. 교량-열차 상호 작용 모델의 정식화 및 해석 알고리즘의 성능은, 여러대의 객차로 구성된 열차의 사례 연구 및 다양한 속도와 레일불규칙 파장 범위에서 2경간 연속교에서 증명되었다. 사례 연구에서, 반복된 축하중, 그리고 교량응답의 허용여부와 레일불규칙의 파장 사이의 관계 및 교량의 공진 등이 조사되었다. 중요한 관찰결과들이 이러한 관계와 행동에서 도출되었다. 본 연구의 확장과 응용 프로그램은 롱레일 궤도, 철도 소음, 차륜-레일에 미치는 영향 및 안전성 평가에 적용이 가능하다.

전통교량의 표현양식을 적용한 현대의 교량 표현

정봉진 홍익대학교 산업미술대학원 2021 국내석사

현재의 경관법은 ‘교량경관설계심의’를 거쳐야만 교량 시공이 가능하도록 개정되었다. 이는 ‘아름답고 품격 있는 국토 공간 창출방안’의 연장선으로 지역별로 특색 있고 아름다운 경관을 조성할 수 있도록 2011년 이전까지 임의사항이었던 경관계획 수립을 각 지자체에 의무화한 것이다. 이를 통해 지자체가 경관계획을 수립하고 이를 바탕으로 경관심의를 통해 관리하게 되면, 획일적이고 단조로운 도시경관 대신 창의적 디자인의 교량을 통해 개성 있고 아름다운 도시경관을 창출 할 수 있으며 국토품격 향상을 통한 국격 제고 및 도시 활력 증진에 기여 할 것으로 기대한다. 경관법의 조항에는 지역의 정체성, 주변 경관과의 조화성, 교량의 조형적 아름다움 등이 평가항목으로 포함되어 있다. 따라서 지역의 특성을 반영한 교량을 계획하기 위해서는 과거 교량의 특징과 교량에 관계한 역사, 문화적인 배경에 대한 이해가 선행되어야 한다. 본 연구는 전통교량의 표현양식에서 의미적, 형태적 요소들을 재해석하여 현대의 교량에 적용할 수 있는 방법론을 그 주제로 삼아 교량경관설계의 대안을 제안하고자 하는 목적으로 연구를 시작하였다. 위 요소들로 사례를 분석하여 과거의 사물이나 지역적 특성을 직유로 해석하는 방식에서 벗어나 전통교량 및 건축에 내포된 의미를 추출하여 입체적인 방식으로 접근할 수 있는 교량경관설계 방법론을 제시하고자 한다. 이에 본 연구에서는 첫째, 전통교량의 형태적, 의미적 특징을 분석한 문헌들을 통해 이를 이론적으로 고찰해 보았다. 둘째, 전통을 재해석한 국내의 교량 및 건축 사례를 분석하여 기존 구조물의 경관성에 대한 비판적 관점의 이론적 고찰을 통해 분석의 방향을 수립하였다. 셋째, 전통을 재해석한 해외의 교량 및 건축 사례를 분석하여 심미성, 기능성, 역사성, 공공성, 혁신성 측면에서 평가하였다. 전통을 현대적으로 수용하는 가장 이상적인 방법은, 전통에서 축적된 사상적 개념체계를 현대적 관점을 통해 재해석하고 당대의 사상과 기술에 맞게 반영하는 것이다. 글로벌리즘이라는 토대에서 자라왔던 현재의 디자이너들은 전통에 인색하다. 우리는 전통에 대한 뚜렷한 판단력을 갖추지 못한 상황 속에서는 전통을 다뤄서는 안 된다는 압박을 느끼고 있다. 전통의 창조성은 결국 디자이너들이 전통의 사상적 기반 아래 현시대에 주어진 재료와 도구를 주체적으로 사용하여 만들어 가는 것이다. 전통이란 선대의 유산을 바탕으로 당대가 새롭게 창조해야 하는 것으로, 이를 토대로 한 교량경관설계가 미래의 연속성 있는 전통교량으로써의 역할을 수행 할 수 있을 것이다.

조선시대 교량의 문화경관 해석 : 연결, 교감, 상징

문지영 서울대학교 환경대학원 2012 국내박사

한국은 지형적으로 산이 많다. 그리고 계곡, 하천, 강 등의 물길이 곳곳에 형성되어 있어, 이들 물길을 가로지르는 교량이 필요했다. 기본적으로 교량은 끊어진 두 지점을 빠르고 안전하게 이어준다. 한국의 옛 교량은 두 지역을 이어주는 기능 외에 복합적인 기능을 갖추었는데, 시대의 예술작품, 조상들의 정신세계의 반영, 그리고 일상 생활의 장소로도 사용되었다. 그러나 이와 같은 특징은 근대산업 발전 이후의 교량에서는 찾아볼 수 없게 되었다. 본 연구는 조선시대 교량의 물리적 특징, 생활 속에서의 활동, 문화적 의미를 문화경관적 관점에서 포괄적이고 입체적으로 해석하였다. 특히 교량의 세밀한 현황조사를 바탕으로, 역사기록 및 회화와 시 등에 이르기까지 교량에 나타난 다양한 활동과 의미를 분석하였다. 따라서 본 연구는 조선시대 교량의 고유한 속성과 가치를 알리는 의미가 있다. 그리고 이것은 오늘날 교량설계가 지나치게 기능적이며 주변 환경과 조화를 이루지 못하는 것에 대해 실천적 함의를 지닌다. 조선시대 교량의 문화경관적 특징은 물리적, 경험적, 의미적 측면으로 구분하여 해석하였다. 물리적 특징은 ‘교량의 형태와 색채, 교량과 주변경관과의 관계, 교량의 의장에 나타난 조형적인 상징 표현’으로 구분하여 해석하였다. 조선시대의 교량은 웅장하며 장식과 기교가 많은 서양 혹은 중국의 교량과는 달리, 중ㆍ소규모의 간결하며 명쾌한 구조미가 강조되었고, 과학적ㆍ실용적이었으며 동시에 조형적이었다. 그리고 교량에서의 조망과 머무름을 위한 형태적 특징을 갖추었다. 또한 당 시대의 문화ㆍ관습ㆍ사상이 교량의 형태에 반영되었으며, 자연재료의 자연스러운 가공과 친자연적인 경관 조성이 특징적이었다. 조선시대 교량의 색채는 자연의 재료에서 원료를 추출하였다. 석재의 경우 자연석을 그대로 사용했으며, 목재는 천연 목재를 그대로 사용하거나, 자연에서 원료를 채취한 단청색을 표면에 칠하였다. 그리고 누교와 행각교의 기와에는 토사에 열을 가하여 굽는 방법을 통해 색채를 만들었다. 교량과 주변 경관과의 관계에 있어서는 ‘자연환경과 문화경관의 공생’으로 요약할 수 있었다. 교량의 주변에는 항시 자연의 요소가 공존하고 있었는데, 건조물이 차폐 및 초점경관을 형성하거나 혹은 위요를 하고 있는 경우에도 해당되었다. 조선시대의 교량은 주변경관과 구별되어 홀로 강조되는 경우가 드물었다. 게다가 일부러 교량의 존재감을 강조하기 위해 주변 경관을 정리하는 경우 또한 없었다. 수경은 사상으로 조영한 경우가 많았다. 그리고 이러한 사상은 지당과 수로에 놓인 교량의 형태와 의미에도 영향을 주었다. 교량에 나타난 의장은 동물ㆍ식물ㆍ자연ㆍ초자연 형태를 통해, 인간의 무사안녕에 대한 바램과 초자연세계로의 염원, 자연의 아름다움을 표현하였다. 경험적 특징은 ‘조선왕조실록에 기록된 교량의 용도와 쓰임새, 교량을 매개로 한 민속놀이와 민속신앙에 나타난 의식, 조선의 회화에 나타난 교량에서의 활동과 체험’으로 구분하여 해석하였다. 조선왕조실록의 기록에 의하면, 교량 위 혹은 교량 근처에서는 임금, 신하, 백성 등 다양한 신분의 사람들, 전국의 남녀노소가 만나고 헤어졌다. 그리고 궁궐과 도성의 교량은 제례, 어가행렬, 준천의식 등의 다양한 행사와 의식 거행의 장소, 마을의 교량은 주변경관현황 및 활동인식의 기준점, 당 시대의 정치와 문화활동의 반영물로 나타났다. 민속놀이와 민속신앙의식 가운데 교량은 두 가지 유형의 쓰임을 나타냈는데, 하나는 ‘놀이와 축제의 장소’였고, 또 다른 하나는 ‘신앙활동의 대상’이었다. 조선시대 회화에 나타난 교량은 ‘이동의 수단, 만남과 헤어짐의 장소, 축제와 행사의 장, 풍류를 즐긴 곳’으로 쓰였다. 의미적 특징은 ‘교량명에 내재된 의경 표현방법, 조선의 한시에 나타난 교량의 상징적인 의미, 전설ㆍ신화ㆍ민담ㆍ속담 속 교량의 존재양상과 정체성’을 중심으로 해석하였다. 조선시대의 교량명에는 교량의 위치, 형식, 형태, 재료 등의 물리적인 특징과 교량가설 정보가 담겨 있었다. 그리고 교량과 교량이 놓인 지역의 역사와 문화, 아름다움이 표현되었으며, 시대의 사상과 사람들의 염원을 반영하기도 했다. 조선시대의 한시 속 교량은 성과 속, 이승과 저승의 연결과 단절, 새로운 세계로의 관문을 상징했으며, 평화ㆍ아름다움ㆍ풍류ㆍ기쁨ㆍ의지ㆍ신념과 같은 긍정적인 이미지, 혹은 쓸쓸함ㆍ어두움ㆍ우수ㆍ아쉬움과 같은 부정적인 이미지의 표상으로도 표현되었다. 전설ㆍ신화ㆍ민담ㆍ속담 속 교량은 ‘만남과 사랑의 상징’으로 가장 빈번하게 쓰였는데, 이별ㆍ원한ㆍ재앙ㆍ의심ㆍ위태로움ㆍ위험ㆍ어려움ㆍ더러움과 같은 ‘부정적인 의미’, ‘영속성과 초월성의 상징’으로도 언급되었다. 이들 해석의 종합결과, 조선시대 교량의 문화경관적 해석은 ‘연결, 교감, 상징’의 세 가지 키워드로 압축되었다. 연결(連結, Connection) 연결(連結)은 사물과 사물 또는 현상과 현상, 사람 혹은 집단간에 서로 관계를 맺는 것을 말한다. 조선의 교량에서는 다양한 형태, 현상, 의미의 연결이 있었다. 즉, 한 지점과 다른 지점, 교량과 주변환경, 양측 지역의 문화, 자연과 문화, 교량과 인간, 인간과 인간, 개인과 집단, 현세와 이상세계가 교량을 통해 연결되었다. 그러나 교량의 연결성은 그 이면에 이별, 송별, 단절, 관문의 의미를 내포하였다. 조선시대 교량의 형태는 단순하고 명쾌하며 조형적이었다. 교량은 교각, 교면과 같은 구조부재를 중심으로 지어졌고, 인공적인 가공을 최소화 한 석재와 목재 같은 자연의 재료를 사용하였다. 이는 교량이 ‘자연과 사람’, 혹은 ‘자연과 문화’를 이어준 것으로 볼 수 있다. 그리고 조선의 교량은 홀로 강조되기 보다는 주변 환경과 관계를 맺고 있었기 때문에 조화로운 경관을 형성하였다. 교량의 의장은 ‘지역의 문화’, ‘개인과 집단의 염원’, ‘현세와 이상세계’를 연결시켰다. 조선왕조실록, 민속놀이와 민속신앙의식, 조선의 회화에 나타난 교량은 교량의 의장에 나타난 세 가지 연결성 외에 ‘사람과 사람’, 을 연결시켰다. 교량명, 조선의 한시, 전설ㆍ신화ㆍ민담ㆍ속담 속에서의 교량은 ‘교량과 교량’, ‘교량과 교량이 관계한 대상’, ‘교량과 교량이 놓인 장소’, ‘교량을 통한 인간의 감정과 염원’과 같이 구체적인 대상 및 추상적인 이미지를 연결시켰다. 교감(交感, Communion) 인간 혹은 자연과의 교감은 교감을 하는 주체가 이들과 생각 혹은 느낌을 공유하는 것을 말한다. 이는 불특정 다수의 소통을 내포한다. 조선시대의 교량에서 역시 사람들간의 다양한 활동과 체험을 통한 소통이 이루어졌다. 교량 위 혹은 교량 인접 공간에서는 왕, 신하, 백성과 같은 다양한 신분의 사람들과 전국의 남녀노소가 만나고 헤어졌다. 그리고 지인 혹은 벗이 서로 교류하는 장소로도 언급되었다. 조선의 교량에서는 제례, 왕의 행차, 준천의식, 계회 등 다양한 형태와 규모의 행사와 의식이 거행되었다. 놀이와 축제의 장, 풍류를 즐긴 곳으로도 교량이 이용되었는데, 정월대보름에 전국에서 펼쳐진 ‘답교놀이’가 대표적이었다. 이 밖에 ‘다리놓기놀이, 다리축제, 다리굿놀이’를 통해서는, 지역 주민들의 화합과 협동이 이루어졌다. 그리고 교량 옆 공터에서는 자연의 아름다운 경관을 즐기며 담소를 나누었다. 조선의 교량은 교량명, 교량의 위치 혹은 의미를 통해 교량이 놓인 지역의 현황과 활동을 인식할 수 있었다. 특정 교량을 언급함으로서 사람들은 지역의 지도를 그릴 수 있었고, 따라서 대화의 소통이 가능했다. 또한 교량은 집단의 문화와 정치의 반영물로 언급되었다. 즉 조선시대의 교량은 단순한 건너기 수단이 아닌, 선조들의 삶이 반영된 정체성 있는 ‘장소’ 였으며, ‘공공의 공간’이었다. 그리고 교량을 통해 인간이 자연과 교감할 수 있었다. 왜냐하면 조선의 교량이 자연경관 가운데 놓였으며, 자연의 재료를 최소한의 가공을 통해 축조하였기 때문이다. 특히 수경에 놓여서 교량에서의 오감 체험이 가능했다. 상징(象徵, Symbol) 상징은 특정 개념을 대표하는 어떤 것으로서, 물리적인 독립체이거나 혹은 과정이다. 상징의 목적은 의미의 소통에 있다. 조선시대의 교량은 존재의 이유에서부터 교량 및 교량인접 공간에 표현된 상징 조형물에 이르기까지 다양한 상징이 나타났다. 조선시대 교량의 상징성은 ‘교량명과 의경 표현방법’, ‘한시에 나타난 교량의 상징적 의미’, ‘전설ㆍ신화ㆍ민담ㆍ속담에서 교량의 존재양상과 정체성’, ‘교량과 주변 경관과의 관계’, ‘교량 의장의 종류별 형태와 상징적 의미’, ‘교량을 매개로 한 민속놀이와 민속신앙의식’ 등의 해석을 통해 알 수 있었다. 조선시대 교량의 교량명에는 지역의 경관, 역사적인 유래와 사건, 현세와 불교ㆍ도교ㆍ사후세계의 식별 및 통로, 성스러운 곳으로의 진입로, 사람들의 염원 등의 상징이 담겨 있었다. 조선시대의 한시와 전설ㆍ신화ㆍ민담ㆍ속담에서의 교량은 연결ㆍ단절ㆍ관문, 아름답고 기쁘며 풍류가 있는 곳, 인간의 능력과 신념, 만남과 사랑, 영속성, 초월성의 상징으로 나타났다. 그러나 이별ㆍ원한ㆍ재앙ㆍ위태로움ㆍ위험ㆍ아쉬움 등 어두운 이미지로도 교량이 언급되었다. 특히 교량의 하부 공간은 부정적인 이미지로 쓰였다. 교량과 주변 경관과의 관계 해석 가운데, 수경의 형태와 교량경관과의 관계에서 지당과 수로의 교량에 담긴 의미는 이상세계로의 이동로, 도교ㆍ불교의 이상향 및 철학사상의 상징, 인간의 사상ㆍ명상ㆍ풍류ㆍ관조ㆍ집중 등과 관계된 이미지로 해석되었다. 교량의 상징 조형물에서는 동물ㆍ식물ㆍ자연ㆍ초자연 형태의 의장을 통해, 벽사ㆍ길상ㆍ열반ㆍ영생ㆍ이상향ㆍ생명ㆍ창조ㆍ번영ㆍ순결ㆍ아름다움ㆍ젊음을 나타냈다. 그리고 조선시대의 전통공간 가운데, 궁궐ㆍ사찰ㆍ능과 고분에서 교량의 상징성이 가장 강조되었다. 교량을 통한 놀이와 축제, 신앙활동으로서의 교량은 건강ㆍ복ㆍ행복ㆍ행운ㆍ액막이ㆍ안정ㆍ이숭과 저승의 연결ㆍ천도의 수단을 상징했다.

압전-복합재료 발전소자를 내장한 교량받침의 BWIM 시스템 적용에 관한 기초 연구

장원서 건국대학교 대학원 2014 국내석사

교량 파괴의 주범인 과적차량의 단속을 효율적으로 하고 기존 교량의 안전성을 평가하고 교량의 효율적인 유지관리를 위해서는 교량을 통행하는 차량의 총중량, 차량속도 등의 정확한 계측과 축적된 데이터가 필요하다. 이를 위해서 교량을 통행하는 차량에 대한 하중 계측을 할 수 있는 BWIM(Bridge Weigh-in-Motion)시스템 적용되고 있으며 지속적인 연구개발이 진행 중에 있다. 그러나 기존 BWIM 시스템은 변형률계를 상부구조의 거더에 부착하여 복잡한 과정을 통해 차량하중계측을 하고 있다. 따라서 기존 BWIM 시스템 선정시 상부구조의 형식과 경간구성, 교량의 형상 등을 고려해야 한다. 본 논문에서는 교량 위를 주행하는 차량중량을 교량받침에 작용하는 하중을 이용하여 측정하기 위한 방법에 대한 기초 연구를 수행하였다. 압전소자는 물리적인 변형이 가해질 때 전기를 발생하는 압전효과를 가지고 있는 재료로서 기존의 포트받침에 내장시켜 차량이 교량을 통과할 때 차량하중에 의해 전기를 생성하게 된다. 이 때 발생된 전압 히스토그램을 이용하여 차량의 하중, 차종, 차량의 속도를 추정할 수 있다. 본 논문에서 제안하는 차량하중계측 방법은 교량받침에 센서가 내장되어 시공하므로 별도 설치가 필요 없고, 장수명화와 유지관리가 용이하며, 설치비용이 다른 계측방법 보다 저렴하여 효율적인 모니터링 시스템의 구축이 가능한 장점이 있다. 또한 앞서 언급한 기존 BWIM 시스템과 달리 제안된 시스템은 상부구조형식, 경간구성, 교량형상과 무관하게 적용할 수 있다. 차량이 교량을 통행시 발생하는 하중은 교량받침에서 시간에 따른 하중변화를 계측할 경우에 차량하중을 추정할 수 있음을 수치해석적 방법으로 검증하였다. 신형 BWIM 시스템인 압전-복합재료 발전소자를 내장한 교량받침의 적용을 위해 차량의 데이터베이스를 구축하고, 계측신호를 이용한 차량식별 알고리즘을 제시하였다. 보예제와 강합성 교량을 통해 제시된 방법론의 타당성과 적용성을 검증하였다. The exact measurement of the traffic load and the acquisition of data and statistics like the number of vehicles, axle mass distribution, gross vehicle mass are necessary to achieve efficient bridge maintenance strategy and evaluate the health of the bridge. To that goal, BWIM (Bridge Weight-in-Motion) systems have been developed and applied in numerous bridges. However, former BWIM systems exploit strain gauges attached to the girders of the bridge, which make the selection of the BWIM system subordinated to several factors including the calibration procedure, the type of superstructure, the span composition, and the geometry of the bridge. This study intends to provide a basic framework enabling to apply the bridge bearings as a BWIM system. Therefore, a piezo-composite electricity generating element (PCGE) was inserted in a conventional pot bearing to measure the vehicle load crossing the bridge by means of the piezoelectric materials, which convert mechanical into electrical energy when subjected to a mechanical force. Using the so-produced electrical voltage will enable us to estimate the vehicle’s load, type and speed. The BWIM system proposed in this study employs a sensor embedded in the bearing without separate works for its installation. This method can be thus applied easily and efficiently for monitoring purpose without additional cost. Moreover, this system can also be applied without particular calibration process and regardless of the bridge type, span composition, superstructure and geometry differently from the previous BWIM systems. A methodology enabling to identify the vehicle using this innovative BWIM system that is the bridge bearing with built-in PCGE and its applicability is verified by means of numerical examples on various bridge types.

교량 배수시설 접속부 및 곡관부 수리특성 분석 : 고효율 교량 배수시설 제트드레인 수치해석

유의종 대진대학교 일반대학원 2024 국내석사

교량 배수시설은 강우가 발생하는 날에 물을 효과적으로 배출하여 교량의 안전성을 유지하는 역할을 위해 설치되고 있다. 하지만 국내에서는 배수 설계에 대한 관심이 적고, 배수관 단면에 대한 고려 외에 관 내부에서 발생되는 수리적 특성에 대한 고려는 제대로 이루어지지 않고 있다. 또한 도로 배수 설계를 실제 도로 배수유역에 맞지 않은 유역 구분, 강우량, 강우강도 및 홍수량 산정으로 인해 국지적이고 도발적인 집중호우에 대응하는 것은 더욱 어려운 실정이다. 더욱이, 교량 배수시설은 최근 기후변화로 집중호우가 자주 발생하여 퇴적물로 인한 성능 저하가 우려되고 있다. 이 때문에 배수시설 그레이팅 파손, 오물퇴적, 막힘, 배수관 파손 등과 같은 요인으로 노면 물 고임, 노면 침수, 오물퇴적이 발생하고 있으며, 더 나아가 교통사고 유발 및 인명피해로 이어질 수 있기 때문에 개선되어야 할 매우 중요한 부분이다. 본 연구는 실물 모형과 전산유체역학 수치해석 프로그램인 SFS(Solidworks Flow Simulation)을 활용하였으며, 과거 우수 역류 현상이 발생하였던 월드컵대교 북단 접속교량의 교량 배수시설을 대상으로 연구를 수행하였다. 배수시설 접속부와 곡관부의 우수 흐름, 유속 압력 등의 수리특성을 검토하고 역류원인을 분석한 결과 레듀샤 연결배수구를 역류한 평균 유량은 2.1kg/s 수직배수관을 통하여 정상적으로 배수된 평균 유량은 6.3kg/s로 역류한 유량은 전체 우수 유입량의 25%로 나타났으며, 전산수치해석 결과 레듀샤 연결배수구의 역류 원인은 레듀샤 연결배수구 위에서부터 우수가 집중적으로 수직배수관 우측 벽을 따라 유하하면서 레듀샤 연결배수구 우측단 바닥의 물과 충돌하여 발생하는 상대적으로 높은 정체수압 때문인 것으로 판단된다. 본 연구는 배수 시설의 수리적 효율성을 확보하는데 기여할 수 있을 것으로 판단되며, 향후 배수 시스템의 접속부 외 요소들을 포함하여 연구를 수행한다면 보다 실효성 높은 연구가 이루어질 것으로 기대된다. Bridge drainage facilities are installed to effectively discharge water on rainy days and maintain bridge safety. However, due to the lack of interest in drainage design in Korea, consideration of hydraulic characteristics occurring in the pipe is not being made in addition to considering the cross-section of the drain pipe. In addition, it is more difficult to respond to local and provocative torrential rains by calculating the watershed division, rainfall, rainfall intensity, and flood volume that does not fit the actual road drainage basin. In addition, there are concerns that the performance of bridge drainage facilities will deteriorate due to sediments due to frequent torrential rains due to recent climate changes. For this reason, road surface water retention, road surface flooding, and sewage deposition are caused by factors such as grating damage, sewage deposition, clogging, and drainage pipe damage in drainage facilities. This study utilized real models and Solidworks Flow Simulation (SFS), a numerical analysis program for computational fluid mechanics, and conducted a study on the bridge drainage facility of the northern end of the World Cup Bridge, where good reverse flow occurred in the past. As a result of examining the hydraulic characteristics of the connection to the drainage facility and the flow pressure of the curve, and analyzing the cause of backflow, the average flow rate of backflow through the Reducer connection drain was 2.1kg/s, and the average flow rate of backflow through the vertical drain was 6.3kg/s, 25% of the total inflow of reverse flow. As a result of the computational numerical analysis, the cause of reverse flow in the Reducer connection drain is believed to be due to the relatively high stagnant water pressure caused by colliding with the water at the bottom of the right end of the Reducer connection drain while the reverse flow is concentrated along the right wall of the Reducer connection drain. This study is believed to contribute to securing the mathematical efficiency of drainage facilities, and it is expected that more effective research will be carried out in the future by including elements other than the connection of drainage systems.

하천정비계획에 따른 교량설계에 관한연구

최병국 울산대학교 산업대학원 2008 국내석사

태풍과 같은 천재지변에 의해서 구조물 또는 교량이 손상을 입게 된다. 이러한 천재지변에 의한 구조물 또는 교량의 피해복구 및 정비사업을 실시하는데 있어서는 해당지역 주민들의 불편사항을 해소하고 향후 피해방지등 재해예방에 만전을 기하여 지역균형 발전 및 주민소득 증대에 기여하고 각 지역의 민원사항을 사전에 예방할 필요가 있다. 하천정비기본계획의 수립은 이수, 치수 환경측면을 서로 연관성 있게 계획하여 유역의 홍수와 갈수피해를 경감시키고, 유수와 유로의 이용도를 향상시키며, 유역의 수자원개발 및 이용을 위해 각종 관련자료 등을 참고하고 해당 하천의 자연, 사회, 문화, 경제적조건을 고려하여 이루어져야 한다. 따라서 하천 유역전체에 대한 체계적이고 효율적인 계획을 위해서 충분한 조사, 검토는 필수사항이라 할 수 있다. 이에 따라 유역의 특성 등 자연적 현황, 사회문화적 현황, 하천의 치수, 이수, 환경현황을 조사하였다. 그리하여 홍수피해를 사전에 예방하기 위해 실시한 하천정비기본계획을 바탕으로 교량의 계획고를 산정하고 그에 따른 교량형식을 선정하였다. 교량형식선정에서는 경제성, 안정성 및 시공성이 좋아야 하고 주변환경과 조화된 구조물이어야 하므로 구조물 안전측면 ,미적측면을 고려하여서 형식을 선정하였다. 이에 본 연구는 지난2006년 발생한 태풍 ‘에위니아’에 따른 무동교의 피해복구와 관련하여 울산광역시 지방2급하천인 태화강의 하천정비계획을 바탕으로 하는 교량형식 선정과 기본설계를 목적으로 한다. A damage is plated to the structure or the bridge by the natural calamity like a typhoon. In performing the recovery of damage of a structure by this kind of the natural calamity or the bridge and maintenance business, the inconvenient item of the residents of the region concerned s is canceled and it makes assurance doubly secure for the disaster prevention including the damage prevention, and etc. in the future and it contributes to the balanced development of regions and resident's income enlargement and the civil affair matters of each region is prevented in advance. The establishment of the river maintenance basic plan completes the establishment of the river maintenance basic plan has to refer to all kinds of the related data,s and etc. for the development of water resources and usage of the area drained by a river and the establishment of the river maintenance basic plan be made in consideration of the natural, society, culture, economical condition of the corresponding river. Therefore, the investigation , and a review sufficient for the plan which it is systematic, it is with high efficiency about the river whole basin say to be the essentiality matter. Accordingly, the natural present condition, the socialcultural present condition, the dimension of a river, the water utility, the current condition of environment including the characteristic of the area drained by a river, and etc. must be examined. The plan of the bridge has to be calculated based on the performed in order to prevent the flood damage in advance river maintenance basic plan and the bridge form according to it has to be selected. In the bridge selection, since it has to be a profitability, and a stability and the structure in which the application property has to be good and which is in harmony with the surrounding environment, the bridge has to be selected in the structure side, and the aesthetic side. And the final design of the bridge is made after finishing the cross-check about the bridge form. In case of meeting the is unable to forecast situation like the natural calamity in case of the intentional design phase not being gone through or the intermediate phase not being fulfilled and designing the bridge or the structure, it more was more unable to reach more than the load or the stress which the structure or the bridge originally can originally endure and the possibility of collapsing is high and even if it is not collapsed, the damage potential will be very serious. Therefore, properly the river maintenance basic plan should be carried out and the inappropriate design procedure should be fulfilled according to all kinds of the designing standards as to the bridge design. And the inappropriate recovery of damage has to be implemented for the bridge or the damaged structure. Thus, this research does the bridge form estimate and the final design planning the river maintenance plan with the natural disposition in connection with the recovery of damage of the dancing child of the Ulsan Metropolitan City fat 2 class river Taehwa river according to the generated typhoon 'erwinia' by an object in 2006.

수치해석 모형을 활용한 교량 배수시스템 효율 개선 연구

황성규 대진대학교 일반대학원 2024 국내박사

본 연구는 호우 시 교량 노면의 물 고임 현상을 방지하여 차량과 보행자의 안전을 확보하기 위한 교량 배수시스템의 효율성 개선에 관한 것으로, 본 연구에서는 고효율 교량 집수구와 자정기능을 가진 배수 시스템 그리고 과잉수 처리장치를 구비한 교량 배수시스템의 배수효율 증진 방안에 대한 연구와 신기술 개발을 수행하였다. 수평 및 수직와류 제어 장치와 부착수맥을 형성할 수 있는 형태를 집수장치에 적용하였다. 이때 비점오염물질이 함유된 초기 유출수는 비점 오염저감장치로 처리하고, 깨끗한 과잉수는 수평 배수관을 통해 이송할 수 있도록 하였고, 강우 시 초과 우수는 경제성을 감안하여 하천이나 우수관망을 통해 방류할 수 있도록 기술을 개발하였다. 또한, 신기술에 대한 효과를 정량적으로 검토하기 위해 시제품을 제작하여 현장실험과 SolidWorks Flow Simulation, XP-SWMM 등의 전산 수치해석 모형을 활용한 수치해석을 수행하여 시공 편리성, 경제성, 배수 효율 등 수리적 검토를 포함한 다양한 개선 효과를 분석하였다. 본 연구에서 개발된 고효율 집수구는 기존 집수구 대비 고유량 상태에서 약 27% 수준 이상 배수효율이 증대되었다. 또한 집수구와 연결되는 수직관에 공기를 균일하게 공급하는 공기공급기(aerator)의 기능을 수행하여, 기존 집수구 대비 압력 분포가 균일한 상태를 유지할 수 있다. 또한 모닝글로리 형상의 집수구 선형을 채택하여 저유량 시 관벽을 따라 흐르는 부착수맥을 형성하여 수평배수관 내의 침전물 자정작용을 촉진시키는 것으로 분석되었다. 본 연구에서 개발한 교량 배수시스템은 수평배수관 내 균일한 압력 분포를 형성하여 흐름이 안정되며, 토사 등의 침전물 퇴적에 취약한 저유량 상태에서 기존 교량 배수시설 대비 20~53% 수준의 유속 증가와 2~5배 수준으로 전단응력이 증가한다. 또한 과잉수 처리장치는 기존 용량 초과수 월류관 대비 시공 편리성은 확보하면서 동일한 수리적 효과를 얻을 수 있을 것으로 분석되었다. 이러한 개선 효과에 따라 침전물 퇴적 저감 및 자정기능으로 교량의 배수성능 유지관리 크게 기여할 것으로 기대된다. In this study, a high efficiency bridge drainage inlet, a bridge drainage pipe system with self-purification function and excess rainwater treatment apparatuses were investigated and then developed. The developed bridge drainage inlet showed 27% increase of discharge efficiency compared with the existing bridge drainage inlet on flooding condition simulation. The high efficiency bridge drainage inlet also contributed to far less negative pressure area and more uniform distribution of pressure in the bridge drainage pipe system as it worked as an efficient aerator using disks and baffles. And it is expected that this improved pressure distribution would stabilize flow and reduce noise, vibration or cavitation in the drainage pipe system. The morning glory type inlet helped formation of a clinging nappe along the vertical drainage pipe, which reduced loss of kinematic energy of rainwater, then increased self-purification potential of sediments in the drainage pipe. The developed bridge drainage system including inlets, bends and pipes showed stable flow with far less negative pressure area and more uniform distribution of pressure in the bridge drainage pipe system compared with the existing bridge drainage system. On low flow condition simulation which is prone to sedimentation, the developed bridge drainage system showed 20~53% increase of velocity and 2~5 fold increase of shear stress, which is expected to reduce sediments and increase self-purification potential of sediments in the drainage pipe. And this is expected to contribute to maintain high drainage efficiency of the bridge drainage system. The developed excess water treatment apparatuses revealed superior cost-effectiveness showing similar level of hydraulic function with lesser resource requirement compared with the existing excess water treatment pipe system. Meanwhile, continuous improvement of the developed bridge drainage system would be desirable based on the feedback from the on-site monitoring of the system.

지진보호장치 교량의 지진 해석기법에 따른 지진거동 특성

강태훈 울산대학교 일반대학원 2023 국내석사

지진보호장치 교량의 지진 해석기법에 따른 지진 거동 특성 울산대학교 대학원 건설환경공학과 강 태 훈 최근 전 세계적으로 대규모 지진이 발생하여 인적, 물적인 피해가 심각해지고 있다. 또한, 국내에서는 2016년부터 규모 3.0 이상의 지진 횟수가 급격히 증가하고 있다. 이러한 상황에 서 재해 시 인적, 물적 자원을 수송하는 교량과 같은 국가적 주요 구조물의 내진성능 확보 가 필요하다. 신설 교량 경우 지진․화산재해대책법에 의거하여 1992년부터 내진설계를 실시 하고 있지만 내진설계가 되어있지 않은 기존 교량은 내진성능평가를 수행하여 내진성능을 확인한 후 필요 시 내진보강설계와 내진보강공사를 하여 내진성능을 확보해야 한다. 기존 구조물(교량)에 대한 내진성능평가를 할 때에는 가장 보수적인 해석방법이라고 평가받는 일 반적인 응답이력해석을 사용하지만 신설 구조물(교량)을 내진 설계할 때에는 지반과 구조물 의 상호작용을 고려한 부지특성 응답이력해석을 사용하기도 한다. 본 연구에서는 많은 내진보강 방안 중 지진보호장치를 설치한 보강방안으로 전단키 및 댐 퍼를 설치한 교량에 대해 각각 일반 응답이력해석, 부지특성 응답이력해석, 부지특성 다지 점가진해석 3가지 기법에 따른 지진거동특성을 분석한다. 전단키는 상부구조의 온도변화에 따른 변위를 수용하기 위하여 적정한 갭(gap)을 두고 가동단 교각에 설치하여 고정단 교각 에 집중되는 지진력을 가동단 교각으로 분산하는 장치이며 지진해석 시에는 갭에 따른 비선 형 지진해석이 필요하다. 댐퍼도 마찬가지로 가동단 교각에 설치하여 고정단 교각에 집중되 는 가동단 교각으로 지진력을 분산하고, 또한 댐퍼의 감쇠에 의한 지진력 감소도 함께 도모 하는 장치이다. 댐퍼의 감쇠효과는 상부구조의 응답속도에 의존하므로 전단키와 마찬가지로 비선형 이력해석이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 지진보호장치(전단키, 댐퍼)가 설치된 교량을 현재 내진성능평가 시 사용하는 일반적인 응답이력해석을 포함하여, 부지특성 응답이력해석, 부지특성 다지점가진 응답이력해석까지 총 3가지 지진해석기법으로 해석 후 교량의 지진거동특성을 분석하였다.

교량 동적 특성데이터를 활용한 베이지안 최적화된 DNN 기반 FEM 업데이팅 기법 개발

송민규 인하대학교 대학원 2024 국내석사

국내 교량의 노후화가 급격하게 진행되고 있다. 2023년 현재 공용년수 30년 이상의 교량은 전체의 약 17%를 차지하며, 향후 10년 내에 공용년수 30년 이상의 교량이 전체의 약 48%로 증가할 것으로 예상된다. 노후된 교량의 증가에 따라 효과적인 교량 유지관리 방안이 필요하며, 유한요소법(Finite Element Method, FEM) 기반 수치해석이 중요하게 사용되고 있다. 수치해석 기법은 교량의 거동과 현재 상태를 분석하는 데 유용하지만, 설계 기반 수치해석 모델은 교량의 시공 후 상황을 완벽하게 반영하지 못하여 실제 공용 중인 교량과 거동의 차이가 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 수치해석 모델을 실제 모델과 유사하게 개선하는 수치해석 모델업데이팅 기법들이 활발하게 연구되고 있으며 본 논문에서는 베이지안 최적화(Bayesian optimization)된 깊은신경망(Deep Neural Network, DNN) 기반 FEM 업데이팅 기법을 새롭게 제안하였다. 개발한 모델업데이팅 방식은 다양한 모델에서의 적용을 위해 상용 FEM 프로그램과 연동하였으며 대상 모델에 최적화된 DNN 탐색 과정에 베이지안 최적화(Bayesian optimization) 기법을 적용하였다. 개발한 모델업데이팅 기법은 시뮬레이션을 통해 신뢰성 검증하였으며, 실측 데이터에 기반한 모델업데이팅을 성공적으로 수행하였다. 개발한 모델업데이팅 기법을 검증을 위한 시뮬레이션 모델로 PSC-Box 교량과 I-Girder 교량을 선정하였다. 검증을 위해 시뮬레이션 모델 부재 손상 시나리오를 설계하여 교량 동적 특성을 추출하였다. 손상된 시뮬레이션 모델의 교량 동적 특성을 사용한 모델업데이팅 수행을 통해 업데이팅된 모델을 도출하였다. 업데이팅된 수치해석 모델의 부재 강성과 손상된 시뮬레이션 모델의 부재 강성과의 비교를 통해 업데이팅된 수치해석 모델의 신뢰성을 검증하였다. 실제 교량 모델업데이팅을 위해 공용 중인 철도교량에서 가속도 데이터를 수집하였다. 수집한 가속도 데이터를 통하여 교량 동적 특성을 분석하였고 개발한 모델업데이팅 기법을 사용하여 모델업데이팅 실시하였다. 초기 수치해석 모델과 업데이팅된 수치해석모델에 KTX 하중 시나리오를 모델링하여 업데이팅된 수치해석 모델의 동적 수직변위가 실 계측 수직 변위와 유사하게 개선되는 것을 검증하였다. Domestic bridges are aging rapidly. As of 2023, bridges with a service life of 30 years or more accounted for about 17% of the total, and the number of bridges with a service life of 30 years or more is expected to increase to about 48% in the next 10 years. As the number of aging bridges increases, effective bridge maintenance measures are needed, and numerical analysis based on the Finite Element Method(FEM) is increasingly being used. Numerical analysis are useful for analyzing the behavior and current condition of bridges, but design-based numerical analysis models do not fully reflect the post-construction condition of the bridge, resulting in differences in behavior from the actual bridge in use. To solve this problem, numerical model updating techniques that improve the numerical model to be similar to the real model have been actively researched, and in this paper, a Bayesian optimized Deep Neural Network(DNN) based FEM updating technique is proposed. The developed model updating method was linked with a commercial FEM program for application in various models, and Bayesian optimization technique was applied to the DNN search process optimized for the target model. The reliability of the developed model updating method was verified through simulation, and model updating based on real data was successfully performed. A PSC-Box bridge and an I-Girder bridge were selected as simulation models to verify the developed model updating technique. For validation, a simulation model member damage scenario was designed to extract the bridge dynamic characteristics. An updated model was derived through model updating performed using the dynamic characteristics of the damaged simulation model of the bridge. The reliability of the updated numerical model was verified by comparing the member stiffness of the updated numerical model with the member stiffness of the damaged simulation model. To update the actual bridge model, acceleration data was collected from railroad bridge currently in use. The collected acceleration data was used to analyze the dynamic characteristics of the bridge, and the model was updated using the developed model updating technique. The KTX loading scenario was modeled on the initial and updated numerical model to verify that the dynamic vertical displacement of the updated numerical model improved similarly to the actual measured vertical displacement.