강합성 생태아치구조물의 성능평가를 위한 수치해석 및 모형실험연구 = A Numerical and Experimental Study on Structural Performance of Composite Eco-Arch Bridge

국문 초록 (Abstract)

최근 급속한 도시화 및 고속화된 산업발달로 인해 도로 및 철도와 같은 사회간접자본의 확충이 필연적으로 중요시되고 있다. 이에 따라 도심지역 및 우수 생태계지역이 도로 및 철도로 단절되어 주변지역에 소음, 분진, 열섬 등의 문제가 발생하며 대절토에서 발생하는 야생동물의 로드킬(Road Kill)과 산사태 등이 발생하다. 이러한 문제점을 개선하고 친환경적인 생태라인을 복원하고자 아치 혹은 라멘형식을 이용한 육교형 생태통로 또는 상부 덮개공원화 공법이 추진되고 있다.
본 연구는 개착식 대단면 강합성 아치교량 구조물을 연구대상으로 하고 있으며, 4차로 이상의 고속도로나 국도를 아치지간중간에 교각이나 기둥을 설치하지 않고 횡단하는 장경간 강-프리캐스트 콘크리트(PC)합성 아치구조물이다. 강재거더와 프리캐스트패널의 합성효과를 이용하여 30∼50m를 가지는 장대폭원의 아치구조물이 가능하며 교각을 설치하지 않으므로 운전자의 시야확보와 차량충돌사고를 예방할 수 있다. 또한 주형 및 프리캐스트 콘크리트 패널을 사전 제작하여 공사기간을 단축하고, 강재 거더가 동바리거푸집 역할을 수행하여 공사기간 중 도로교통 통제를 최소화할 수 있다. 합성아치구조 형식상 지반아칭효과(Arching effect)로 인하여 토피에 따른 재하하중의 경감으로 경제적이고 조형미가 우수하며 개방감이 양호한 장점이 있다.
본 논문에서는 연구대상구조물인 생태아치교량 개발을 위하여 다음과 같은 세부적인 연구과정을 수행하였다. 첫째, 생태아치교량을 활용한 도심지 육교형 공원의 우수한 조형미와 운전자의 심미성과 쾌적성을 확보하기 위하여 강재거더의 단면을 교체하여 단면의 조형미와 강성을 확보하는 신형식단면을 개발했다. 또한 유한요소해석을 통하여 대칭하중을 받는 신형식단면 원형아치의 기하비선형과 재료비선형이 모두 고려된 비탄성-비선형해석을 수행하여 신형식단면의 구조적 특성과 거동을 분석하고 면내좌굴강도를 평가하였다. 이에 기존의 연구결과들과 비교 신형식단면 원형아치에 적용가능한 새로운 좌굴계수를 제안하고 이를 활용한 표를 만들어 설계에 간편하게 적용할 수 있도록 제안하였다. 둘째, 강-프리캐스트 콘크리트 비합성․합성형 생태아치교량의 구조적 안전성과 성능평가를 위하여 비합성․합성아치 유한요소해석을 실시하고 해석결과를 기존연구와 비교․검토하였다. 합성형 생태아치교량의 거동특성 및 종국강도를 평가하기 위하여 모형실험체를 제작하여 정적파괴실험을 실시하여 이 결과를 유한요소해석결과와 비교․분석하여 실제 생태아치교량의 시공과 적용에서 발생할 수 있는 극한의 상황을 평가해보았다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론
• 1.1. 연구배경
• 1.1.1. 연구개발의 개요
• 1.1.2. 연구개발의 중요성
• 1.1.2.1. 기술적 측면
• 1.1.2.2. 경제・산업적 측면
• 1.1.2.3. 사회・문화적 측면
• 1.2. 연구 내용 및 범위
• 1.3. 연구의 목적
• 1.3.1. 신형식 단면의 연구개발 및 목적
• 1.3.2. 생태아치 모형실험의 연구 필요성과 목적
• 제 2 장 이론적 배경
• 2.1. 신형식단면 원형아치의 이론적 배경
• 2.1.1. 원형부재의 구조적 특성
• 2.1.2. 아치 좌굴에 대한 이론적 기존 연구 고찰
• 2.1.3. 기존 보-기둥이론과 등가계수
• 2.2. 강합성 생태아치구조물의 이론적 배경
• 2.2.1. 강합성 생태아치구조물의 장점
• 2.2.2. 아치 좌굴에 대한 실험적 기존 연구 고찰
• 제 3 장 신형식단면원형아치에 대한 수치해석
• 3.1. 비탄성-비선형 유한요소해석
• 3.1.1. 신형식단면의 적합성 평가
• 3.1.2. 유한요소해석 기법과 신뢰성 검증
• 3.1.3. 유한오소해석모델링의 조건
• 3.1.3.1. 유한요소해석의 기본조건
• 3.1.3.2. 재료비선형
• 3.1.3.3. 기하비선형
• 3.1.4. 유한요소해서 모델링
• 3.1.5. 유한요소해석결과와 보-기둥이론의 비교
• 3.2. 해석결과분석 및 신형식단면 원형아치의 좌굴계수
• 3.2.1. 등분포하중을 받는 원형아치의 좌굴계수
• 3.2.2. 집중하중을 받는 원형아치의 좌굴계수
• 3.3. 소 결
• 제 4 장 생태아치구조물의 성능평가
• 4.1. 생태아치구조물의 유한요소해석
• 4.1.1. 유한요소해석기법과 검증
• 4.1.1.1. 비합성 아치의 유한요소해석기법 검증
• 4.1.1.2. 비선형 유한요소해석의 조건
• 4.1.2. 유한요소해석 모델링 및 해석결과
• 4.1.2.1. 비합성아치의 유한요소해석 결과
• 4.1.2.2. 합성아치의 유한요소해석 결과
• 4.1.2.3. 비합성・합성아치의 유한요소해석결과 비교
• 4.2. 모형실험체 제작과정
• 4.2.1. 모형실험계획
• 4.2.2. 실험방법
• 4.2.3. 모형실험체 설계 및 제작과정
• 4.2.3.1. 모형실험체 설계단면
• 4.2.3.2. 실험체 제작과정 및 실험준비과정
• 4.3. 3거더 합성아치 실험결과 및 분석
• 4.3.1. 3거더 합성아치 실험
• 4.3.2. 실험결과와 해석결과 분석
• 4.4. 소 결
• 제 5 장 결 론
• 참 고 문 헌
• ABSTRACT
• 감사의 글