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과제기본정보

차세대 이중합성 강박스거더 교량의 구조시스템 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 건설기술연구사업 과제번호 07CCTI-C043449-02
국가과학표준분류 1순위 건설·교통 | 건설계획·설계기술 | 토목시설물 계획·설계 기술 적용분야 -
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 차세대 이중합성 강박스거더 교량의 구조시스템 개발
주관연구기관 (주)서영엔지니어링
총괄연구 책임자 성명 서석구
소속 (주)서린브릿지텍 직위 대표이사
기관 대표번호 031-714-8870 FAX 031-714-8872
총 연구기간 2006-12-20 ~ 2009-12-16
당해연도 연구기간 2007-08-17 ~ 2008-06-16

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
2차년도 163,000,000 9,600,000 44,900,000 54,500,000 217,500,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 1. 이중합성 강박스거더의 장점 :
이중합성 강박스거더 구조시스템은 부모멘트를 받는 연속교의 내측지점 구간에서 하부압축플랜지 위에 콘크리트를 타설하는 형식으로, 최근 유럽에서 연속교의 중앙경간장 100m 내외인 경우에 이중합성 구조를 사용한 강박스거더 교량의 건설이 증가 추세에 있다. 이중합성 강박스거더 교량은 다음과 같은 측면에서 많은 장점을 지니고 있다:

o구조성능 : 부모멘트가 발생하는 연속교의 내측지점 부에서 하부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 강재와 합성시키기 때문에 휨강도와 휨강성을 대폭 향상시킬 수 있다.
o경제성 : 강재보다 훨씬 저렴한 콘크리트를 타설하여 휨강도를 증가시키기 때문에 하부 압축플랜지 두께 및 거더높이를 대폭 감소시킬 수 있으며, 강박스거더 교량의 지간장을 대폭 늘릴 수 있어 하부구조의 건설에 드는 비용을 크게 절감할 수 있다.
o시공성 : 거더 높이가 낮을 뿐만 아니라 종방향으로 균일한 높이를 유지하도록 설계할 수 있기 때문에 공장에서의 제작 및 현장 시공성이 향상되고 압출공법 등 효율적인 시공법 적용이 용이하다.
o사용성 : 콘크리트 타설로 강성이 증대되어 처짐 및 진동이 감소하며, 내측지점부에서 거더 높이 감소로 거더 하부 공간 확보에 유리하다.
o조형미 : 내측지점 부 거더 높이가 현저히 감소되어 수려한 장경간 구조가 가능하다.

2. 기존 이중합성 교량에서 개선이 필요한 사항 :
o신개념 전단연결재 개발을 통한 압축플랜지 설계의 합리화:
기존 이중합성 강박스거더의 압축플랜지는, 이중합성이 아닌 일반적인 강박스거더교량과 마찬가지로 하부 압축플랜지의 국부좌굴 강도를 증가시키기 위하여 종방향보강재와 횡방향보강재를 설치하고 있는 것으로 분석되었다. 최근 본 연구진이 수행한 연구결과에 따르면, 하부콘크리트에 완벽하게 부착되어 있는 전단연결재가 적절히 배치된다면 전단연결재가 종방향 및 횡방향 보강재의 단순지지역할을 수행할 수 있는 것으로 나타났다. 이를 위해서는 전단연결재가 콘크리트에 완벽하게 부착되어 국부좌굴 시 뽑힘 현상이 방지되어야만 한다. 이처럼 부착력을 극대화함으로써 단순지지조건을 만족할 수 있는 신개념 전단연결재가 개발된다면, 강박스거더 제작비 측면에서 매우 큰 비중을 차지하는 종방향보강재 및 횡방향보강재를 생략할 수 있어 건설비용을 획기적으로 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

o이중합성 강박스거더 하부슬래브 설계기술 개발:
이중합성 강박스거더의 하부슬래브는 전단연결재를 매개로 하여 하부플랜지와 합성되며, 단면의 중립축을 밑으로 떨어뜨려 압축력을 분담함과 동시에 압축플랜지의 응력수준을 낮추는 중요한 역할을 수행한다. 하부슬래브의 두께와 그 타설범위는 교량의 거동에 중요한 영향인자이며, 가설공법의 선정 및 공사비에까지도 영향을 미친다. 그러나 이에 대한 체계적인 연구실적은 국내외적으로 미비한 실정으로 이중합성 강박스거더의 보급확대를 위해서는 이에 대한 연구가 필연적으로 요구된다.

o지점부 다이아프램의 효율적인 설계:
기존 이중합성 강박스거더의 지점부 다이아프램은 거더 상부플랜지만 합성된 경우와 동일한 형식의 충복식 다이아프램을 상하부 플랜지와 양 복부판에 용접하여 설치하고 있는 것으로 분석되었다. 그러나 연구개발하고자 하는 차세대 이중합성 강박스거더는 지점부에서 하부플랜지 위에 타설하는 콘크리트 두께가 상대적으로 두꺼워서 받침판을 통해서 전달되는 지점반력을 효율적으로 분산시킬 수 있다. 이와 같은 하중전달 특성을 최대한 반영하여 제작이 용이하고 피로강도 측면에서도 유리한 단순한 구조를 갖는 지점부 다이아프램 설계 기술의 개발이 절실한 실정이다.

o경제적 가설공법 개발:
이중합성 구조시스템을 적용하면 내측 지점부의 거더 높이를 대폭 낮추어 전 지간에 걸쳐 거더 높이를 일정하게 유지할 수 있기 때문에, PS 콘크리트박스 교량의 가설에 자주 적용되는 연속압출공법(ILM)과 유사한 개념의 효율적인 가설방법의 적용이 가능해 진다. 따라서 가설기간 및 비용 측면에서 지간장이 길고 강거더 가설용 벤트의 설치가 곤란한 지형에서 용이하게 적용할 수 있는 이중합성 강박스거더 교량에 적합한 새로운 가설공법의 개발이 필요하다.
최종목표 본 연구개발의 최종 목표는 제작비를 절감하고 시공에 유리한 경간장 100m 내외인 이중합성 강박스거더 교량의 건설을 위한 다음과 같은 요소기술을 개발하는 것이다:

1. 강박스거더 압축플랜지의 보강구조 개선 및 신개념 전단연결재 개발
전단연결재가 단순지지역할을 동시에 수행하기 위해서는 콘크리트에 완벽하게 부착되어 하부플랜지의 국부좌굴 시 뽑힘 현상이 방지되어야만 한다. 여기서는 콘크리트와의 부착력을 극대화할 수 있는 전단연결재의 최적형상을 개발하고 압축플랜지의 제원에 따른 횡방향 및 종방향 최적 배치방안을 도출하고 압축플랜지의 보강재를 최소화하는 방안을 제시한다.

2. 이중합성 강박스거더 하부슬래브 설계기술개발
이중합성 강박스거더 교량의 경간장 및 거더 높이에 대한 매개변수 연구를 통해 하부슬래브의 적정두께 및 타설범위 등에 대한 상관관계를 규명한 후 설계에 대한 가이드라인을 제시하고, 콘크리트의 크리프와 건조수축 등의 장기거동분석에 기초한 합리적인 설계기법을 개발하며 이를 토대로 실무 설계자가 쉽게 접근할 수 있는 설계예제집 및 표준도면을 작성하고자 한다. 이로써 이중합성 강박스거더 하부슬래브 설계를 합리화하여 이중합성 강박스거더 교량기술의 개발 및 보급에 기여한다.

3. 지점부 다이아프램의 효율적인 설계기술 개발
차세대 이중합성 강박스거더는 지점부 바로 위에서 하부플랜지 위에 타설해야 하는 콘크리트 두께가 상대적으로 두껍기 때문에 받침판(Bearing Plate)을 통해서 전달되는 지점반력을 효율적으로 분산시킬 수 있다는 장점이 있다. 이와 같은 하중전달 특성을 최대한 반영한 지점부 다이아프램의 형식 및 배치 방안을 도출하고 이를 바탕으로 상세 설계기술을 개발한다.

4. 경제적 가설공법 개발
지간장이 길고, 강거더 가설용 벤트의 설치가 곤란한 지형에서 거더 높이가 일정한 이중합성 강박스거더 교량의 가설에 용이하게 적용할 수 있는 새로운 가설공법을 개발한다.
연구내용 및 범위 1. 강박스거더 압축플랜지의 보강구조 개선 및 신개념 전단연결재 개발
강박스거더 제작비에서 많은 부분을 차지하는 종방향보강재 및 횡방향보강재의 생략을 통한 보강상세를 간략화하기 위해서는, 압축플랜지의 국부좌굴시 뽑힘 현상이 일어나지 않는 부착성능이 우수한 전단연결재의 개발이 요구된다. 본 연구에서는 부착성능을 극대화할 수 있는 전단연결재의 최적형상을 개발하고, 개발된 전단연결재의 최적배치방안에 대한 연구를 수행하며, 소규모 실험체 및 실물크기의 시험체를 제작하고 실험하여 부착성능을 검증한다.

2. 이중합성 강박스거더 하부슬래브 설계기술개발
이중합성 강박스거더교에 대한 국내?외 설계 시공자료를 수집하고 각종기준과 문헌을 조사하여 하부슬래브의 두께와 타설범위, 경간장 및 거더높이 등의 자료를 분석, 정리한다. 이중합성 강박스거더 교량의 경간장 및 거더 높이에 대한 매개변수 연구를 통해 하부슬래브의 적정두께 및 타설범위 등에 대한 상관관계를 규명한 후 설계에 대한 가이드라인을 제시한다. 크리프 및 건조수축에 대해서는 1차 및 2차모멘트와 축력의 분포 및 영향을 분석하여 이중합성단면의 크리프 및 건조수축에 의한 1차 및 2차 영향을 쉽게 검토할 수 있는 설계기법을 제시한다. 마지막으로 연구 및 실험결과를 바탕으로 예제교량을 선정하여 표준적인 설계흐름에 따른 설계예제집을 작성하고 이중합성 강박스거더교의 주요 구조를 이해할 수 있는 표준도면을 작성한다.

3. 지점부 다이아프램의 효율적인 설계기술 개발
지점반력을 넓게 분산시킬 수 있는 이중합성 구조시스템의 특성을 최대한 반영할 수 있는 다양한 지점부 다이아프램 구조시스템 모델을 제안하고, 상세부 구조강도 및 좌굴에 대한 정밀 유한요소 구조해석을 통하여 각 모델의 하중전달 특성을 분석한 후 최적모델을 선정한다. 소규모 국부 시험체 및 실물크기의 시험체를 제작하고 정적 구조실험을 수행하여 선정된 모델의 타당성을 검증하고 설계안을 제안한다.

4. 경제적 가설공법 개발
기존 연속교량에 사용된 각종 가설공법들을 비교 검토하고 장단점을 분석하고 거더 높이가 일정한 이중합성 강박스거더 교량에 용이하게 적용할 수 있는 새로운 가설공법을 개발한다. 개발된 가설공법의 적용을 위한 공정표를 작성하고, 개발된 가설공법을 적용할 때 필요한 특수한 장비가 있다면 이에 대한 개념설계를 실시한다.
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 o개발된 전단연결재의 성능검증 o하부슬래브의 적정두께 및 타설범위에 대한 접근방향 제시 o축소시험체 구조실험을 통한 지점부 다이아프램 개념설계안 검증 o이중합성 강박스거더 교량에 적합한 가설공법 개발 -개발된 전단연결재의 시작품을 제작하고, 소규모 국부실험을 수행하여 개발된 전단연결재의 부착성능을 검증한다. -이중합성 강박스거더 교량의 경간장 및 거더 높이에 대한 매개변수 연구를 통해 하부슬래브의 적정두께 및 타설범위 등에 대한 상관관계를 규명한 후 설계에 대한 가이드라인을 제시한다. -소규모 시험체를 제작하여 개발된 지점부 다이아프램 구조시스템의 타당성 및 우수성을 검증한다. -기존 가설공법의 비교검토 결과를 토대로 거더 높이가 일정한 이중합성 강박스거더 교량에 적합한 가설공법을 개발한다
연구성과 기술적 기대성과 연속교 내부 지점부 휨강성과 휨강도의 증가로 중앙지간장 100m 내외 교량의 강력한 대안이 될 전망이며, 경간장의 증대에 따라 하부 교각수를 대폭 감소시킬 수 있을 것이고 다음과 같은 요소기술 개발에 따른 성과가 기대된다.

o신개념 전단연결재 개발 : 전단연결재와 콘크리트와의 부착력을 극대화시켜 압축플랜지의 국부좌굴 시 단순지지조건을 충족시킬 수 있는 신개념 전단연결재를 개발함으로써, 강박스거더 제작비에서 큰 비중을 차지하는 종방향 및 횡방향보강재를 생략할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 개발한 전단연결재와 관련하여 국제저명 학술지(SCI급)에 2~3편의 논문을 게재할 수 있을 것으로 예상된다, 그리고 전단연결재 형상과 관련하여 국내 및 국외 기술특허 획득이 가능하며, 본 전단연결재를 사용한 설계법과 관련된 신기술 획득이 기대되기 때문에 강교량 설계기술 선진화에 크게 기여할 것이다.

o지점부 다이아프램 및 하부슬래브 최적설계 : 전통적으로 설계되는 복잡한 지점부 다이아프램 구조의 획기적인 개선과 고성능 콘크리트 사용 및 설계합리화를 통한 하부슬래브의 최적설계는 이중합성 강박스거더 교량 구조시스템이 보다 큰 경쟁력을 갖추는 데 크게 기여할 것이다. 본 연구결과를 2편 이상의 국제저명 학술지논문에 발표할 수 있을 것으로 예상되며, 2가지 이상의 신기술 획득이 기대된다.

o경제적 가설공법 개발 : 본 연구에서 개발된 가설공법을 적용한다면, 지간장이 길고 여건상 강거더 가설용 벤트의 설치가 불가능한 지형에서도 거더 높이가 일정한 이중합성 강박스거더 교량을 보다 적은 비용으로 안전하고 신속하게 가설할 수 있을 것으로 기대된다. 본 연구에서 개발된 가설공법과 관련된 2가지 이상의 신기술 획득이 가능할 것으로 예상된다.
사회 경제적 파급효과 본 연구에서 개발하고자 하는 차세대 이중합성 강박스거더 교량의 구조시스템은 여러 가지 사회적 경제적 파급효과를 가져올 것으로 기대된다.

o친환경적이며 미관이 수려한 교량의 건설 : 원자재 공급 과정에서 환경적 피해가 거의 없고 재활용이 용이하다는 측면에서 볼 때 강재는 매우 친환경적인 구조재료이다. 또한 강재는 강도가 크기 때문에 날씬하고 수려한 미관을 지닌 교량의 건설에 매우 적합하다. 그럼에도 불구하고 강교량의 제작비용 절감이나 내구성 및 시공성의 향상을 위한 국내외 연구가 콘크리트 교량에 비하여 상대적으로 미흡하여, 강교량의 선호도가 점점 낮아지고 있다. 본 연구가 성공적으로 수행된다면, 보다 친환경적이며 미관이 수려한 교량의 건설에 크게 기여할 것이다.

o교량 건설기간의 단축 : 이중합성 강박스거더 교량을 위한 가설공법이 개발된다면 교량의 가설기간을 대폭 단축할 수 있어 교통난의 신속한 해소라는 측면에서 사회적 파급효과가 클 것으로 기대된다.

o경제적인 교량의 건설 : 본 연구가 성공적으로 수행된다면 제작비용의 획기적인 절감이 가능하며, 강박스거더 교량의 지간장을 대폭 늘릴 수 있어 하부구조의 건설에 드는 비용을 크게 절감할 수 있을 뿐 아니라, 가설비용을 크게 낮출 수 있기 때문에 경제성 측면에 그 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다.
활용방안 o시험 적용 : 본 과제의 참여기업인 서영엔지니어링과 효명이씨에스는 그동안 다양한 교량설계를 통해서 풍부한 경험을 축적해왔다. 본 과제의 종료 후 참여기업의 교량 설계프로젝트에 반영하고 시험시공하여 본 연구에서 개발된 기술의 우수성을 확인할 예정이다.

현재 계획된 내용으로는 본 연구에서 제시한 기술을 향후 설계 프로젝트에 반영하여 기존 강박스거더 교량과의 차별점을 가시화시키기 위해 다음과 같은 근간 설계 예정인 프로젝트에 적용할 예정이다.

- 동탄-병점간 도로건설사업 확장공사 (2차년도 예정)
- 별내지구내 특수구조물 교량 설계 (3차년도 예정)

o기술보급 및 국내 교량건설에 반영 : 연구논문 발표 및 기술강습회를 통해서 국내 교량설계 기술자들에게 기술을 보급하고 발주처에 본 연구결과의 우수성을 널리 알린다면, 앞으로 건설될 교량에 적극 반영될 수 있을 것으로 예측된다.

o국제특허 획득 및 기술수출 : 본 과제에서 개발한 신개념 전단연결재 관련 국제특허를 획득 및 이를 통한 기술수출이 충분히 가능할 것으로 판단된다.

o타 부재에 적용 : 최근 들어 강재 및 콘크리트의 구조적 장점을 살리면서 단점을 서로 보완하기 위한 목적으로 기둥과 같은 부재에도 합성구조가 적용되고 있다. 콘크리트충진 강관기둥 (Concrete-filled tube column)에서도 본 과제에서 개발한 신개념 전단연결재를 사용한다면 강관내부에 복잡하게 설치하는 각종 보강재를 생략할 수 있다. 이처럼 신개념 전단연결재가 다른 합성부재의 제작에도 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 예상된다.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 강박스거더 이중합성 전단연결재 압축플랜지 지점부 다이아프램
영문 Steel Box Girder Double Composite Shear Stud Compression Flange Load-bearing Diaphragm
최종보고서
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