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과제기본정보

토피가 큰 지중아치 구조물의 최적화 시스템 구축을 위한 신개념 Embedded Trench Installation (ETI) 적용 기술 개발2년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 국토교통기술촉진연구사업 과제번호 18CTAP-C132629-02
국가과학표준분류 1순위 건설 교통 | 시설물 설계 해석기술 | 교량 적용분야 건설업
2순위 건설 교통 | 건설시공 재료 | 토목시공기술 실용화대상여부 실용화
3순위 건설 교통 | 시설물 설계 해석기술 | 지반구조 터널 과제유형 응용
과제명 토피가 큰 지중아치 구조물의 최적화 시스템 구축을 위한 신개념 Embedded Trench Installation (ETI) 적용 기술 개발
주관연구기관 상명대학교 천안산학협력단
총괄연구 책임자 성명 박종섭
소속 상명대학교 천안산학협력단 직위 교수
전화번호 041-623-0364 FAX 041-550-5012
총 연구기간 2017-06-30 ~ 2018-12-31
당해연도 연구기간 2018-01-01 ~ 2018-12-31

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금 계
현금 현물 소계
2차년도 192,000,000 0 0 0 192,000,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 본 연구과제를 통한 성과인 “비선형토질모델 및 지반구조상호작용을 고려한 ETI적용 장폭아치구조물의 해석기법 개발” 및 ITI (Imperfect Trench Installatin)효과를 극대화한 “ETI (Embedded Trench Installation)의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계 가이드라인 개발” 은

■ 도시재생, 친환경생태공원, 지하공간에대한 기하급수적 수요증가에대한 근본적인 문제점을 해결하는 기초 원천기술이며

■ 지중 깊이 매설된 지중구조물에 재하되는 큰 토압을 구조물 전체를 둘러싸는 고압축성 물질 (가칭 Embedded Trench)을 이용하여 최대 80%까지 경감시킬수 있는 획기적인 기술로서 실증실험을 통한 검증이 완료되면 지하대공간 건설에 획기적인 비용절감과 안정성 증대를 가져올 것으로 기대된다.

■ 본 연구과제에서 목표로 하는 “비선형토질모델 및 지반구조상호작용을 고려한 지중매설 장폭아치구조물의 해석기법 개발”의 1차년도 기술개발 성숙도는 기술적 개념 및 아이디어 정립으로서 기초연구 단계인 TRL 2단계에 해당되며, 현장 실증을 통해 실험적 증명단계인 TRL 3단계 수준까지 완료할 계획이다.

■ 2차년도에는 1차년도에 개발한 지중매설 장폭아치구조물 해석기법을 활용하여“새로운 ETI의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계 가이드라인 개발”을 달성하게 될 것이며, 이는 1차년도에서 도출된 결과를 활용하여 최적화된 ETI설계법을 제안하는 것으로 기술개발 성숙도를 응용연구 단계인 TRL 4단계 수준까지 완료할 계획이다.
최종목표 ■ 본 연구는 비선형토질모델 및 지반구조상호작용을 고려한 ETI(Embedded Trench Installation)적용 장폭아치구조물의 해석기법 개발” 및 “새로운 ETI의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계 가이드라인 개발을 최종 목표로 함.

■ 본 연구는 도시내 심층 지하공간의 재창출을 위한 대규모 지중아치구조물을 개발 기초연구를 목표로 함. 이를 위해 지반구조 상호작용을 고려한 구조해석으로 아치구조물의 정확한 거동특성을 파악하고, 과거 매설구조물에 부과되는 하중을 고압축성물질을 활용하여 경감시키는 방법인 Imperfect Trench Installation(ITI)의 효과를 극대화할 수 있는 새로운 Embedded Trench Installation (ETI)를 적용하여 아치구조물을 지중깊이 매설할 경우에 최대 80%까지 응력감소 효과가 있기에 아치구조물의 경량화, 최적화 및 안정성에 기여하고자 함.
연구내용 및 범위 본 연구는 “1차년도 : 비선형토질모델 및 지반구조상호작용을 고려한 ETI적용 장폭아치구조물의 해석기법 개발”, “2차년도 : 새로운 ETI의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계 가이드라인 개발”로 구분되며 연구목표에 대한 주요 연구내용은 다음과 같다.

■ [1차년도] 비선형토질모델 및 지반구조상호작용을 고려한 ETI적용 장폭아치구조물의 해석기법 개발

비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 장폭 아치구조물의 해석모델 개발

① 장폭아치구조물 해석모델개발을 위한 비선형토질 모델 및 주요변수 파악
- 흙을 상재하중으로 만 고려하는 아치구조물의 해석모델 적용 사례조사 및 거동분석
- 흙과 아치구조물의 상호거동을 고려한 범용해석프로그램 조사 분석
- 비선형토질 모델 적용을 위한 해석기법 조사 및 분석
- 비선형토질 모델을 활용한 지중아치구조물 해석 주요변수 파악

② 비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 장폭 아치구조물의 해석모델 개발
- 선형토질모델과 선형아치구조물 해석 사례조사 및 거동분석
- 선형토질모델과 비선형아치구조물 해석연구 및 결과분석
- 비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 해석연구
- Soil-Structural Interaction Analysis를 통한 지중구조물 강성, 연성거동 분석연구

③ 실증실험을 위한 사전조사 및 예비 실험 실시
- 낮은 깊이에 매설되는 지중관거의 거동특성 조사 및 분석
- 저심도 지중관거의 거동특성 실험 실시
- 2차년도 현장실험을 위한 사전조사 및 적용방법 분석


새로운 ETI적용 장폭아치구조물의 3D 해석모델 개발

① ETI적용 장폭아치구조물 해석모델 개발을 위한 주요변수 연구
- 대심도 및 저심도 지중구조물에 ITI (Imperfect Trench Installation)적용을 통한 지중아치구조물 하중경감 효과 분석
- 대심도 및 저심도 지중구조물에 새로운 ETI (Embedded Trench Installation)적용을 통한 지중아치구조물 거동특성 분석
- ETI적용 지중 장폭아지구조물 해석을 위한 모델링 확립 및 주요변수 연구

② ETI적용 장폭아치구조물의 3D 해석모델 개발
- ETI적용 장폭아치구조물 2D, 3D 해석모델 개발
- 범용해석프로그램을 활용한 해석기법과 3D해석결과 상호비교 분석연구
- 최적화된 지중아치구조물 모델 및 해석기법 정립
- 2차년도 실증실험을 위한 예비 3D해석 실시


■ [2차년도] 새로운 ETI의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계가이드라인 개발

ETI를 적용한 지중 장폭아치구조물의 해석모델 검증을 위한 실증실험

① ETI 실증실험을 위한 실증실험 시편제작 및 실험
- 실증실험 사이트 적용을 위한 테스트 시편제작
- 실증실험 사이트 환경을 고려한 해석결과 분석 및 계측 포인트 결정
- 새로운 ETI (Embedded Trench Installation)적용을 통한 지중아치구조물 특성 분석

② ETI 실증실험 데이터 분석을 통한 해석모델 검증
- ETI 실증실험 테이터를 통한 해석모델별 비교분석
- 해석모델 보완 및 추가 변수별 해석연구 실시
- ETI 적용 표준단면 및 적용예제 작성

검증모델을 이용한 최적의 소프트죤 (Soft Material Zone)제안 및 설계가이드라인 개발

① ETI실증실험 결과를 이용한 ETI Soft Zone Geometry 최적화
- ETI Soft Zone 최적 재료 선정 및 비교분석
- ETI Soft Zone Geometry 설치위치 및 방법에 따른 거동특성 실험과 해석결과 비교
- 실증실험결과를 토대로 심도에 따른 ETI (Embedded Trench Installation)적용성 평가

② 검증된 ETI 해석모델을 이용한 최적화된 설계 가이드라인 마련
- 검증된 ETI 해석모델을 활용한 다양한 변수해석 실시
- 하중조건, 심도, 아치구조물 형상 변수를 고려한 최적설계단면 제안
- ETI 적용을 위한 최적화된 설계 가이드라인 작성
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
2차년도 ■ 본 연구과제의 2차년도 개발 목표는 새로운 ETI의 장폭아치구조물 적용 타당성 검증을 위한 실증실험 및 ETI 설계 가이드라인 개발
① ETI를 적용한 지중 장폭아치구조물의 해석모델 검증을 위한 실증실험분석
② 검증모델을 이용한 최적의 소프트죤 (Soft Material Zone)제안 및 설계가이드라인 개발
 ■ 비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 장폭 아치구조물의 해석모델 개발

① 장폭아치구조물 해석모델개발을 위한 비선형토질 모델 및 주요변수 파악
- 흙을 상재하중으로 만 고려하는 아치구조물의 해석모델 적용 사례조사 및 거동분석
- 흙과 아치구조물의 상호거동을 고려한 범용해석프로그램 조사 분석
- 비선형토질 모델 적용을 위한 해석기법 조사 및 분석
- 비선형토질 모델을 활용한 지중아치구조물 해석 주요변수 파악

② 비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 장폭 아치구조물의 해석모델 개발
- 선형토질모델과 선형아치구조물 해석 사례조사 및 거동분석
- 선형토질모델과 비선형아치구조물 해석연구 및 결과분석
- 비선형토질모델과 기하 및 재료비선형을 고려한 해석연구
- Soil-Structural Interaction Analysis를 통한 지중구조물 강성, 연성거동 분석연구

③ 실증실험을 위한 사전조사 및 예비 실험 실시
- 낮은 깊이에 매설되는 지중관거의 거동특성 조사 및 분석
- 저심도 지중관거의 거동특성 실험 실시
- 2차년도 현장실험을 위한 사전조사 및 적용방법 분석


■ 새로운 ETI적용 장폭아치구조물의 3D 해석모델 개발

① ETI적용 장폭아치구조물 해석모델 개발을 위한 주요변수 연구
- 대심도 및 저심도 지중구조물에 ITI (Imperfect Trench Installation)적용을 통한 지중아치구조물 하중경감 효과 분석
- 대심도 및 저심도 지중구조물에 새로운 ETI (Embedded Trench Installation)적용을 통한 지중아치구조물 거동특성 분석
- ETI적용 지중 장폭아지구조물 해석을 위한 모델링 확립 및 주요변수 연구

② ETI적용 장폭아치구조물의 3D 해석모델 개발
- ETI적용 장폭아치구조물 2D, 3D 해석모델 개발
- 범용해석프로그램을 활용한 해석기법과 3D해석결과 상호비교 분석연구
- 최적화된 지중아치구조물 모델 및 해석기법 정립
- 2차년도 실증실험을 위한 예비 3D해석 실시
연구성과 기술적 기대성과 - 본 연구의 우수성은 구조물 전체에 걸리는 하중을 대폭 감소시킬 수 있는 획기적인 방법으로서 이는 지중에 매설된 관거와 구조물의 경량화 및 안정성 증대에 크게 기여

- 지중구조물의 지반-구조물 상호작용에 있어서 연성거동, 강성거동에 대한 이론적 정립을 강화하고 강성구조물의 연성 거동을 유도하여 고차원 구조물 거동 연구의 기초 연구로 활용

- EPS Geofoam을 우수한 에너지 흡수능력으로 지중구조물에 발생되는 지진에 대한 내진 성능 향상

- 지중구조물의 전 폭에 Sofe Material Zone 설치를 위한 가이드라인 제시로 한반도 지반 및 지진특성에 부합하는 지중구조물 설계 및 시공 가능

- 심층매설 지중구조물의 환경변화에 대한 대응력을 효율적으로 증대시켜 중장기적 유지관리 대응 전략 수립 가능
사회 경제적 파급효과 - 본 개발기술을 이용하여 지중구조물 최적화를 실현하여 효율적인 지하 대공간의 시공 및 유지관리 비용을 절감 효과 기대

- 국가적 차원의 지하구조물 최적화 예산 분배 의사결정을 지원함으로써 적정비용 산출 기여

- 건설분야와 최신 이론 및 IT 계측분야의 융복합 기술력을 바탕으로 지중구조물 성능평가 기술의 질적 성과 효과를 기대

- 지중구조물 효율성 극대화를 통해 지속가능한 국가 이미지를 제고하기 위한 기술력 바탕으로 대외적 홍보 가능

- 설계 및 시공단계에서 최적화를 통하여 과다한 비용을 방지하고 경제적인 지중 시설물 설계 및 관리에 대한 미래지향적 건설경제 기틀마련 가능

- 기존 지중구조물의 성능평가의 어려움 및 중요도를 고려하여 설계 및 시공기술의 개발로 사회적 비용 감소
활용방안 - ETI 적용으로 장폭아치구조물의 심층 매설시 특수설계 없는 경량화, 최적화 시공 및 안정성증대가 가능하며 향후 지하대공간의 시장수요가 증대될 것으로 예상되기에 활용의 폭이 크다.

- EPS Geofoam의 우수한 에너지 흡수능력으로 지중구조물의 내진성능 향상에 크게 기여할 것이다. 최근 한반도에 잦은 지진에 노출됨에 따라 지중구조물의 내진설계에 대한 획기적인 아이디어와 가이드라인을 제공하는 데 이 연구는 크게 활용될 수 있다.

- EPS Geofoam으로 극한환경하에서 단열효화로 동결융해 시에 구조물의 손상을 최소화 할 수 있다. 또한 지중구조물과 상재토와의 Soft Material Zone 설치를 통하여 소음, 진동 등의 사용성 증진

- 지중 시설물 설계, 시공, 성능평가 및 유지관리 등의 종합적인 중장기 계획에 있어서 지중 시설물의 경제적인 안전성을 확보하는 원천기술로 기대가 되며 본 기술을 통하여 국내 내수 시장의 활성화 및 국제 경쟁력 강화

- 지중 시설물의 경제적 건설과 유지관리를 통하여 확보된 비용 절감은 지중 상부의 조경, 생태공원 조성의 예산으로 확대되어 주변지역의 삶의 질 향상에 기여
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 지하공간 지중구조물 생태통로 지반-구조물 아치교량
영문 Underground Space Buried Structure Eco-pathway Soil-Structure Interaction Arch Bridge
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