| 연구개발개요 |
PSC 박스 교량은 콘크리트, 철근과 텐던으로 구성된 구조물로 재료의 비선형성 거동 특성 및 콘크리트의 시간 의존적 특성을 가지고 있는 복합 구조물로서 시공도중의 설계검토가 필수적으로 요구되고 있다. 시공중 텐던 긴장력은 탄성수축, 마찰, 앵커슬립등에 의한 즉각손실과 크리프, 수축 및 릴랙세이션등의 시간의존 손실이 발생한다. 콘크리트의 인장 균열, 철근의 비선형 거동과 같은 재료의 비선형 거동 특성을 고려하기 위하여 현재 PSC 박스 교량은 뼈대요소(프레임 요소)를 이용한 시공단계의 설계를 수행하고 있다. 이 요소에 의한 설계는 교량 전체 구조를 단순한 뼈대 요소로 가정하여 해석하는 계산이다. 그러나 PSC 박스 교량 중 곡선 램프교 같은 경우는 교량의 외측 및 내측의 변위 및 응력 값이 현저히 다르다. 따라서 PSC 박스 교량의 텐던량 역시 다르게 산정되어야 함에도 불구하고 현실적으로는 계산이 불가능하여 동일한 양의 텐던 또는 긴장력을 사용하고 있다. 또한 정확한 부 반력 계산이 불가능하여 시공 후 유지관리 단계에서 교좌장치와 상부구조와의 이탈이 발생하는 등 예측이 불가능한 현상이 발생한다. 곡률이 있는 PSC 박스 곡선교는 강교 등 다른 형식의 교량에 비하여 경제성이 뛰어나나 이러한 문제들로 인하여 토목 기술자들이 회피하고 있으므로 PSC박스 곡선교를 비롯한 임의 형상의 3차원 PSC구조물에 모두 적용할 수 있는 설계 및 시공기법의 개발이 필요하다.
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| 최종목표 |
PSC박스 교량의 기술적이고 경제적인 문제를 근본적으로 해결하기 위해서는 쉘 요소에 의하여 3차원 해석을 수행하는 것이 한 대안으로 고려되고 있다. 그러나 쉘 요소에 의한 3차원 해석 기법은 방대한 데이터 준비가 필요하므로 우수한 그래픽 시스템에 의한 데이터의 자동생성이 필연적으로 수반되어야 하고 또한 쉘 요소에 의한 복잡한 알고리즘 개발이 되어야 하므로 아직 실용화되지 않고 있다. 따라서, 아래와 같은 목표로 연구를 진행하고자 한다.- 임의형상의 3차원 PSC 구조물 해석을 위한 실용적이고 범용적인 4절점 PSC 쉘 요소 개발- PSC 곡선교의 3차원 해석 및 설계기술 개발- PSC 곡선교의 시공단계별 해석 및 시공기법 개발 본 연구를 통해 국내 설계 및 시공기술의 향상을 도모하고 해외수출을 통해 부가가치를 창출할 수 있을 것이다.
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| 연구내용 및 범위 |
컴퓨터의 눈부신 성능발전으로 기존의 프레임 요소가 아닌 3차원 쉘 요소에 의한 PSC 교량의 해석이 가능하게 되었다. 연구내용은 다음과 같다. 1차년도- 실제 구조물의 거동을 정확하게 예측할 수 있는 범용적인 PSC 쉘 요소를 개발한다. 개발된 요소는 임의의 형상에서도 정확한 값을 계산할 수 있는 결점이 없는 4절점 PSC 쉘 요소(Defect Free Shell Element) 이며 요소 절점에서의 정확한 응력을 계산할 수 있다. - 텐던의 릴랙세이션과 비선형성을 고려한 모델을 개발한다. 2차년도- PSC 박스교의 시공중 해석시 필수적인 콘크리트의 크리프, 건조수축 등 비선형 거동을 포함한 쉘 요소를 개발하고 ACI, CEB/FIP 및 국내 시방서 기준을 적용한다.- PSC 쉘 요소와 텐던요소의 자동 메쉬 생성에 의한 데이터 생성 기법과 텐던의 즉각 및 시간 의존적 긴장력 손실을 계산할 수 있는 알고리즘을 개발한다. - 임의 형태의 3차원 구조물의 형상을 쉽게 모델링 할 수 있는 새로운 그래픽 기술을 개발한다. 또한 스페인의 CIMNE(국제수치 연산센터)에서 개발된 프리&포스트 프로세서 이용으로 강력한 Visualization 기술을 통해 텐던 형상 모델링을 수행할 수 있도록 한다.- 3차원 시공단계별 해석기법을 개발한다. 완성계 해석뿐만 아니라 시공단계에서 발생하는 추가하중과 발생되는 응력을 정확하게 해석하여 시공상 발생하는 오차를 제어할 수 있도록 블록의 가설과 해체공법, 트레블러 크레인 설치 및 이동공법등 단계별 해석기술을 개발한다.- PSC 곡선교의 정적하중재하실험을 통하여 개발된 요소의 유효성 검토를 실시한다. 3차원 쉘 요소를 이용한 PSC 박스 곡선교 해석결과를 검증하고 교량의 장기거동과 곡률별 거동 특성을 비교하여 긴장재 배치와 긴장력 조절에 관한 시공공법을 제시한다. - 실험체는 PSC 곡선교의 설계 및 시공 경향에 따라 연속교로 제작되며 경간수는 3경간으로 한다. 실험 대상의 실제 교량은 총 경간이 105.0m, 교폭이 11.6m이며 실험체의 제작 규모와 작업성을 고려하여 1/4 축소 규모의 실험체를 제작한다. 3차년도- 3차원 시공단계별 해석기법을 완성한다. 시공단계에서 발생하는 추가하중과 발생되는 응력을 정확하게 해석하여 시공상 발생하는 오차를 제어할 수 있도록 케이블 설치 및 긴장력 도입공법, 그리고 하중의 재하, 제거 공법 등 단계별 해석기술을 개발한다.- 곡률을 달리한 PSC 곡선교의 하중재하실험을 통하여 유효성 검토를 실시한다. 실험체에 대하여 정적하중재하실험을 실시하고 크리프, 건조수축 등의 장기 거동을 관측 후 개발된 요소 및 설계기술의 유효성을 검토한다.- 미래 지향형 3차원 해석 기술에 의하여 임의 형상의 3차원 PSC 구조물 해석 기법 및 PSC 곡선교의 경제적 설계기법을 개발하고 곡선교 설계 지침서를 제안한다.- 개발된 설계기법과 실험 결과를 통한 PSC 곡선교의 경제적인 시공 기법 개발한다. - 기술적으로 우수한 해당 항목에 대하여 신기술, 신공법과 특허를 출원한다.
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