차량 충돌하중을 받는 프리캐스트 조립식교각의 구조성능 평가

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 다양한 충돌조건에 대한 교각의 거동을 분석하기 위해 필요한 수치해석 기법에 대하여 제안하였다.
충돌하중-시간함수의 도출을 위해 LS-DYNA를 사용한 충돌시뮬레이션 변수연구를 수행하였다. 그 결과, 5점 근사법을 사용한 경우에 3점 근사법을 사용한 경우보다 정확한 해석이 가능하며, 특히 충돌 초기의 응답에서 정확성이 향상되는 효과를 확인하였다.
이 연구를 통하여 제시된 선형화 충돌하중-시간함수는 향후 차량충돌의 우려가 있는 교각의 설계시 동적 입력하중으로 활용하여 보다 효율적인 동적해석의 수행에 기여할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안된 차량하중에 의한 충돌하중-시간함수를 적용하여 동일 조건에서 설계된 현장타설 RC 교각과 조립식 교각에 대한 차량 충돌하중에 의한 재료 비선형 해석을 수행하였다.
해석결과 RC 교각과 조립식 교각에서 발생하는 변위 및 콘크리트의 응력특성에서 RC 교각에 비해서 조립식교각의 고주파응답 성분이 감소되는 경향을 나타냈으며, 이는 조립식 교각의 접합부에서의 에너지 흡수능력에 의한 것으로 판단되었다.
주요 설계기준에 규정된 차량충돌에 의한 정적 설계하중과 발생변위를 비교한 결과, 현장타설 RC 교각과 조립식 교각에 60 km/hr 속도로 충돌하는 트럭하중에 의한 등가정적하중(ESF)은 주요 설계기준에서 규정하는 정적 설계하중보다는 작은 수준으로 평가되었다. 차량충돌로 인해 발생되는 최대변위는 기둥의 직경 감소로 인해 조립식 교각에서 상대적으로 크게 발생되었으나, KBDC와 AASHTO-LRFD에서 규정하는 정적 설계하중에 의한 변위 보다는 작은 수준을 나타냈다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In this study, numerical analysis method was proposed to analyze the behavior of bridge columns about various impact conditions.
Parametric study of impact simulation was performed using the LS-DYNA to determine impact load-time functions. Between the two proposed approximation scheme such as the five-point and the three-point approximation scheme, more accurate results was achieved when the five-point approximation scheme was applied. Particularly, the accuracy of the beginning part of the impact response was improved.
The linearized impact load-time function of vehicle crashes presented in this study can contribute to increase the efficiency of dynamic impact analysis when utilized as dynamic input loads in column design. Therefore, the proposed loading function was applied to the material nonlinear FE analyses of the two different types of bridge piers, such as cast-in-place RC bridge columns and prefabricated bridge columns, which were designed under the same conditions.
The results of analyses showed that the level of high-frequency response of prefabricated bridge columns is lower than that of the RC bridge columns in displacement and concrete stress. The result was due to the energy absorption capability at the segmental joints of prefabricated bridge columns.
The static design load and displacement due to vehicle crashes regulated by the major design criteria were compared with the numerical analyses results. As a result, the equivalent static force(ESF) determined from a truck impact load with 60km/hr speed collision to the RC and prefabricated bridge columns was less than the static design load of the major design criteria. The maximum displacement due to vehicle crash was relatively larger in the prefabricated bridge columns because of their reduced diameter. However, the displacement was less than that of the static design load regulated by KBDC and AASHTO-LRFD.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 1
• 1.3. 연구내용 및 범위 3
• Ⅱ. 충돌 조건 및 대상 구조물 4
• Ⅲ. 차량 충돌에 의한 충돌하중-시간함수 도출 7
• 3.1 교각 및 차량하중의 수치모델 8
• 3.2 충돌하중-시간함수 도출 10
• 3.2.1 충돌시뮬레이션을 통한 충돌하중-시간이력 산출 10
• 3.2.2 선형화 하중함수의 도출 12
• 3.3 충돌속도에 따른 교각의 변위응답 17
• 3.3.1 시간영역의 변위응답 분석 17
• 3.3.2 주파수영역의 변위응답 분석 18
• 3.3.3 정적 설계하중 평가 20
• Ⅳ. 조립식 교각 접합부의 유한요소모델 21
• 4.1 차량 충돌하중-시간함수 21
• 4.2 유한요소모델 21
• 4.3. 충돌해석결과 25
• 4.3.1 세그먼트 기둥 블록간 접합부를 고려하지 않는 경우 26
• 4.3.2 접합부 모델 고려시(수평방향 강성 고려, 수직방향 강성 미 고려시) 27
• 4.3.3 접합부 모델 고려시(수평 및 수직 방향 강성 고려) 28
• Ⅳ. 재료 비선형 충돌해석을 통한 구조거동 평가 30
• 5.1. 차량 충돌조건 30
• 5.2. 재료모델 34
• 5.3 해석결과 35
• 5.3.1 변형 특성 35
• 5.3.2 강재의 응력 특성 41
• 5.3.3 콘크리트의 응력 특성 42
• 5.4 설계규정과의 비교 46
• Ⅵ. 결 론 47
• 참고문헌 48
• 영문요약 51