R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202121CTAP-C151831-03 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 건축물과 인프라 시설을 위한 내진 내풍 통합 성능기반 설계법 및 UHPC 복합구조 시스템 개발 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-05 ~ 2021-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 강현구 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
11명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 202,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 202,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 535,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 535,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 서울대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
○ 연구의 필요성 ● 2002년 태풍 루사(최대순간풍속 56.7 m/s), 2003년 태풍 매미(최대순간풍속 60 m/s), 2018년 태풍 제비(최대순간풍속 60 m/s) 등 한국 주변에서 슈퍼태풍으로 외장재와 지붕 손상, 구조물 피해 발생 ● 최근 기후변화로 태풍의 강도는 커지고 있으며, 2100년까지 태풍 최대풍속은 2~11% 증가할 것으로 예상1), 평균태풍강도는 약 14% 증가할 것으로 예상2)→ 현재 기준은 기존의 관측 데이터를 기반으로 통계적 해석을 통해 100년 재현주기 하중을 산정하나 이는 기후변화에 따른 슈퍼태풍 발생 증가를 반영하지 못함 ● 보통 수명이 30년인 일반 구조물과 달리 중요 인프라 시설의 경우 그 중요도로 인해 높은 안전성, 50~100년의 긴 수명 등이 요구되나 현재의 건축구조기준(KBC 2016)에서는 이를 제대로 반영하지 못함→ 교량, 고층건물 등 중요 인프라 시설에 대한 생애주기 신뢰성 확보 필요 ● 내진설계의 경우 다양한 연구와 가이드라인 개발을 통해 기존 코드 기반 설계법에서 비탄성해석을 통한 성능기반내진설계로 패러다임이 전환되었으나, 풍하중 설계는 여전히 등가정적하중의 탄성설계 수행→ 기후변화에 대응하기 위해 100년 재현주기 풍하중에 대한 탄성설계를 벗어나 다양한 재현주기에 대한 비탄성설계, 즉 성능기반 내풍설계 필요 ● 성능기반 내진설계를 통해 건물의 효율적인 연성 구조시스템 설계가 가능해졌지만, 내풍설계에서 탄성설계를 수행하여 구조물 전체의 연성능력 저하가 발생→ 성능기반 내진-내풍 통합 설계로 건물의 연성 측면에서 효율적인 설계 기법 개발 필요 ● 일본에서는 태풍 제비(2018)에 의해 선박 충돌로 교량 손상으로 교량 및 공항 폐쇄 등 구조물 손상에 따른 사회기반시설 마비로 2차 피해 발생→ 현행 건축구조기준에서는 태풍에 의한 비산물, 태풍과 동반된 너울성 파도에 의한 부표물 및 선박 등 충돌에 대한 설계 기준 부재 ● 태풍에 의한 비산물 및 부유물에 대응하기 위해 내충돌성·내충격성이 우수한 구조시스템 개발 필요→ Ultra High Performance Concrete (UHPC)를 활용한 인프라 시설 구조시스템 개발 필요 ● 교량, 초고층 건물 등 인프라 시설의 대형화, 고층화, 비정형화에 따라 초고강도 콘크리트의 수요 증가→ UHPC를 적용한 구조물의 성능 연구 및 설계 기준 필요 ● 국내의 시공기술에 비해, 구조설계 및 시스템은 외국 설계 업체에 의존하고 있으며, 해외 초고층 건물 시장에서 점유율과 수익률이 하락하고 있음→ UHPC의 특성을 고려하여 이를 적용한 교량, 초고층 건물 시스템 개발로 구조 기술의 자립화, 세계 시장 개척 필요 ● UHPC가 적용된 복합구조물에 대한 시장이 개척되고 있으며, 이에 따라 UHPC 복합구조물에 대한 성능 확인 필요 ● 주요 인프라 시설의 빠른 손상 복구 및 장기간 안정성 확보를 위해 UHPC를 적용한 보수·보강 방법 개발 필요 ● UHPC의 극한하중 거동 연구를 통해 장기간 생애주기에 대한 신뢰성 극대화 및 검증 연구 필요 (a) 태풍 매미 피해 - 부산 (b) 태풍 제비 피해 - 일본 (c) 태풍 차바 피해 ？ 부산 (d) 한국 역대 태풍의 최대풍속3) (e) 기후변화에 따른 태풍 풍속 기압 변화 예상4) 그림 1.1 태풍에 의한 피해 및 기후 변화에 따른 슈퍼태풍 추이 ○ 연구개발의 중요성 ● 자연재해에 의한 피해는 주거시설, 교량, 사회기반 시설 등에서 피해가 크게 발생하며, 국내의 경우 자연재해 피해가 태풍에 집중되어 있음 ● 인프라 시설 피해는 시설물 손상과 수명감소 유발, 사회 경제적 손실과 함께 국민 안전에 위협이 될 수 있으며, 보수·보강 기간동안 사용할 수 없어 2차 피해 유발 ● 구조물 설계 시 슈퍼태풍에 대한 고려를 통해 생애주기 동안 유지관리 경제성을 확보하고 구조적 안정성 확보 가능 ● 전세계적으로 구조물의 대형화, 고층화로 UHPC 시장이 크게 증가하고 있으며, 구조 실험 데이터 기반의 구조 시스템 개발로 세계 시장 선도 가능 그림 1.2 최근 10년간 원인별 자연재해 피해액 (기상청) 그림 1.3 미국 UHPC 시장 규모 예상 (https://www.grandviewresearch.com) [최종목표] ○ 최종목표 ● 기후변화에 따른 슈퍼태풍에 대응하는 성능기반 내진-내풍 설계법 개발 ● UHPC 복합구조를 적용한 교량 및 초고층건물 시스템 개발 ● 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 검증 및 극대화 연구 ○ 세부목표 ● 기후변화에 따른 슈퍼태풍 하중 예측을 통한 다양한 재현주기 풍하중에 대한 설계 방법 개발 ● 슈퍼태풍과 같은 극한의 하중에 대한 비탄성 변형을 고려한 성능기반 내풍설계 방법 개발 ● 풍동실험을 통한 데이터베이스 구축 ● CFD 해석을 통한 슈퍼태풍 발생 시 구조물의 거동 시뮬레이션 수행 ● 슈퍼태풍에 의한 비산물/부유물 충돌 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 보의 휨/전단 극한하중 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 기둥의 휨/압축 극한하중 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 슬래브의 뚫림 전단 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 패널의 내충격 실험 및 해석 연구 ● UHPC를 적용한 기존 구조물의 보수·보강 방법 개발 ● 성능기반설계 및 UHPC를 통한 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 극대화 연구 ● 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 검증 방법 개발 [연구내용 및 범위] ● 기후변화에 따른 슈퍼태풍 하중 예측을 통한 다양한 재현주기 풍하중에 대한 설계 방법 개발 ● 슈퍼태풍과 같은 극한의 하중에 대한 비탄성 변형을 고려한 성능기반 내풍설계 방법 개발 ● 소형 풍동실험을 통한 구조물 설계변수의 영향 연구 ● 대형 풍동실험을 통한 슈퍼태풍 발생 시 비탄성 거동 연구 ● 전산유체역학 (CFD) 해석을 통한 슈퍼태풍 발생 시 구조물의 거동 시뮬레이션 수행 ● 슈퍼태풍에 의한 비산물/부유물 충돌 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 보와 기둥의 휨/압축 극한하중 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 슬래브의 뚫림 전단 실험 및 해석 연구 ● UHPC 복합구조 패널의 내충격 실험 및 해석 연구 ● UHPC를 적용한 기존 구조물의 보수·보강 방법 개발 ● 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 검증 방법 개발 ● 성능기반설계 및 UHPC를 통한 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 극대화 연구 ● 구조물의 중요도에 따른 슈퍼태풍 하중 산정 방법 제시 ● 비탄성 거동을 고려한 성능기반 내진-내풍 통합 설계 가이드라인 제시 ● UHPC를 적용한 교량 및 빌딩 시스템 개발 ● 중요 인프라 시설의 생애주기 신뢰성 검증 방법 및 극대화 가이드라인 제시 ● Development of design methods for various return period wind loads by predictions of super-typhoons ● Development of inelastic performance-based seismic-wind integrated design under ultimate loads ● Research on the influence of design parameters by small scale wind tunnel test ● Research on the inelastic behavior under super-typhoons by large scale aero-elastic wind tunnel test ● Simulation of structural behavior under super-typhoons using CFD analysis ● Experiment and analysis on debris impact loads by super-typhoons ● Experiment and analysis on impact resistance of UHPC panel ● Experiment and analysis on flexural/compression failure behavior of UHPC composite beams and columns ● Research on punching shear behavior of UHPC composite slab ● Development of rehabilitation and strengthening methods for structures using UHPC ● Development of life-cycle reliability verification method for infrastructure ● Maximization of life-cycle reliability with performance-based design and UHPC composite systems ● Super-typhoon wind loads calculation method according to the importance of the structures ● Performance-based seismic-wind integrated design guideline considering inelastic behavior ● Bridge and high-rise building system with UHPC composite members ● Guideline on life-cycle reliability verification and maximization of infrastructures |
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| 색인어 | 한글 | 슈퍼태풍 | 초고성능 콘크리트 | 성능기반 내풍설계 | 비산물 충격 | 생애주기 신뢰성 |
| 영문 | Super-typhoon | UHPC | Performance-Based Wind Design | Debris Impact | Life-Cycle Reliability | |
| 최종보고서 | 2. 최종보고서 (보완본) [서울대].pdf | |||||