| 연구개발개요 |
○ 강박스거더교 시장규모는 약 3,000억/년(‘19.교량현황조서) 수준으로 최근 10년 간 전체 교량 대비 약 20~35%의 점유율을(’10~‘18) 유지하고 있다. 국내에는 다양한 형식의 교량이 건설되고 있고, 현재 약 200개에 가까운 특허공법이 있지만 50m 초과 지간장에서 활용되고 있는 교량공법은 DCB,PUS, HD Box, SBarch 등 10여개 내외이다.○ 강박스 교량은 지간장이 길거나, 도심지 고가 등 특수 영역에서 주로 적용되고 있으며, 최근 강박스 교량거더를 개선하는 다양한 공법이 개발되고 있다. 대표적인 공법으로 부모멘트 하부 플랜지에 콘크리트를 타설하여 거더의 이중합성을 하거나, 추가로 부모멘트부 상단을 PS 강연선으로 긴장하여 단면의 효율성을 높이고자 하는 공법이 있다.○ 개선형 강박스 교량은 강박스 대비 강재중량을 절감하고자 하는 목표를 달성하기는 했지만 현장에서 거더를 거치 후 고소작업으로 거더 내에 콘크리트를 타설하거나 PS 강연선을 긴장해야하는 과정을 거쳐야 한다. ○ 이는 공장에서의 작업 이외에 현장에서의 추가적인 공정으로 강중저감 효과를 반감시킬 뿐만 아니라 현장타설 콘크리트의 크리프나 건조수축에 의해 이중합성의 강성증대 효과가 미미해지는 문제점이 있다. 교각 위 고소작업으로 이뤄지는 박스거더 내 지점부분에 대한 콘크리트 현장타설은 시공품질을 확보하는 데 제약요소이기도 하다.○ 시공품질 문제로 콘크리트에 문제가 발생할 경우 콘크리트와 강재가 접하는 하면에서는 육안계측이 어렵다는 단점 또한 있어 이에 대한 불확실성을 내포하고 있다.○ 또한, 강박스 거더는 도장이 되어있기는 하지만 다량의 물과 화학물질을 포함하는 콘크리트 타설시 콘크리트와 강재면 사이에 물고임이 발생하여 부식을 촉진시킬 수 있다는 우려를 낳기도 한다.○ 부모멘트부 강도확보를 위해 바닥판 하면에서 PS 강연선을 긴장하는 공법은 가설된 교량 내부가 협소하여 작업성이 현저히 저하될 뿐만 아니라 PS 강연선은 덕트 내 유입되는 수분에 의해 부식되어 파손되는 사례가 정릉천 고가교에서 발견되기도 하였다.○ 현장타설되는 바닥판, 이중합성 콘크리트와 강박스가 합성이 이뤄진 후 도입되는 PS강연선에 의한 프리스트레스 하중은 콘크리트 크리프, 건조수축의 영향으로 큰 응력손실을 유발하는데 PS강연선에서 이 손실을 측정하거나 보정하는 데에는 한계가 있다.→ 이러한 요소들은 기존의 이중합성 강박스 교량의 장기 내구성과 유지관리 측면에서 불리한 요소로 작용될 것이다.→ 따라서, 강박스 교량거더의 구조효율성을 향상하면서 내구성 및 시공성 확보가 가능한 공법의 개발이 요구된다. ○ 최근 청년들의 학력수준이 높아지고, work-life-balance를 추구하는 사회 문화의 영향으로 건설노무자들의 인력공급이 급격히 줄어들고 있는 추세에 있다. 아래 그림 5는 노동부가 2015년 발간한 “제3차 건설근로자 고용개선 기본계획”에서 발췌한 것으로 숙년 건설근로자의 공급이 수요대비 부족해져 건설 시설물의 품질 또는 내구성 저하와 나아가 건설산업 경쟁력의 저하로 연결될 수 있음을 시사하고 있다. ○ 2020년1월21일 건설업계와 고용노동부 등에 따르면 오는 2024년까지 건설기능인력 부족이 더 심해질 것이라는 관측이 나왔다. 고용부는 최근 ‘제4차 건설근로자 건설근로자 고용개선 기본계획(2020∼2024)’의 기초 자료로 정부가 국내 건설업계의 숙련인력 부족이 갈수록 심화될 것으로 내다봤다.이를 해결하기 위해서 구조 부품의 모듈화, 구조의 효율화, 유지관리의 단순화가 가능한 기술개발이 요구된다. (1) 이 연구에서는 프리스트레스를 도입하는 구조부재로 압축 효율성이 가장 높은 CFT를 선택하여 구조의 효율성과 더불어 강박스 거더 내 콘크리트 타설을 배제하였다. (2) 나아가 CFT 모듈을 공장에서 제작하고 부모멘트부 박스 거더에 부착한 상태로 현장에 반입하여 현장에서의 추가적인 작업을 배제하였다. (3) 프리스트레스 부재의 부식 등 손상을 직접 눈으로 계측할 수 있게 설치하고, 상시 전원 연결된 변형률계(strain gage) 없이도 CFT 표면에서 언제든 도입된 하중을 측정할 수 있는 프리스트레스 측정시스템을 개발하여 안전한 시설물 건설과 건설 경쟁력 강화에 기여하고자 한다.
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| 연구내용 및 범위 |
주관연구 개발기관(서울과학기술대학교 산학협력단)1차년도 목표 : CFT 이용 프리스트레스 손실특성 평가1) 설계변수별 CFT 압축강도 산정 및 강재비, 재료강도 고려 프리스트레스 손실 평가계획 수립 · 콘크리트 및 강관 강도, 강관 두께에 따른 압축강도 산정 · 설계변수별 프리스트레스 가능범위 안 도출 · CFT 프리스트레스 손실평가 시험체 설계 · CFT 프리스트레스 손실 계측계획 수립 2) 크리프 특성 고려 CFT의 설계변수에 따른 프리스트레스 손실 특성 분석· AEMM (age-adjusted effective modulus) 기반 크리프에 의한 CFT 손실량 계산 프로세스 정립 · 강재비에 따른 프리스트레스 손실량 변화 분석3) CFT의 프리스트레스 손실평가 시험체 제작 및 장기 모니터링 · 설계변수 (강재비, 프리스트레스 도입력) 고려 시험체 제작· CFT의 프리스트레스 손실량 주기적 계측 : 콘크리트 유무 비교 시험체를 통해 크리프 영향 정량화2차년도 목표 : CFT 프리스트레스 손실 설계적용 방안도출1) 설계변수별 CFT의 프리스트레스 손실평가 장기 모니터링 결과분석· CFT의 프리스트레스 손실량 주기적 계측 (계속) · AEMM 크리프 계산결과와 계측결과 비교 · 실험결과 시험변수에 따른 크리프 특성 분석2) 크리프 특성 고려 CFT의 프리스트레스 손실 설계적용 방안도출 · 크리프 손실에 대한 국내외 설계식 비교 · 실험결과 기반 CFT 프리스트레스 부재 콘크리트에 대한 크리프 계수안 결정 · CFT 프리스트레스 부재 손실평가 프로세스 정립3) 목업 시험체에 대한 프리스트레스 손실량 평가· CFT의 프리스트레스 손실량 주기적 계측 · CFT의 프리스트레스 손실평가식과 계측량 비교 분석4) Test Bed 추진을 위한 설계예제 및 도면 작성· 콘크리트 충전 강관(CFT)이용 프리스트레스 강박스 거더 설계가이드 작성 · 설계예제 작성을 위한 목표 지간장 및 설계조건 결정· Test Bed 후보에 대한 설계예제 및 도면 작성 공동연구 개발기관 ((주)택한)1차년도 목표 : CFT 프리스트레스 도입 시스템 개발1) CFT 프리스트레스 도입을 위한 CFT 마감상세 개발· 강박스거더 하부플랜지 상세 고려 CFT 단부 형상 도출· 유압잭 가력 후 CFT 부재 고정용 상세 도출· 해석 및 실험 결과 반영 마감상세 개선2) CFT 프리스트레스 도입 유압잭 제작3) 프리스트레스 재긴장을 위한 CFT-강박스 연결상세 개발 2차년도 목표 : CFT 프리스트레스 도입 시스템 성능검증 1) CFT 프리스트레스 도입 강박스 목업 설계· 목업용 강박스거더(연속교용) 규모 설정 · 강박스거더 부모멘트부 사용 중 응력수준 검토 · 손실량 고려 목표 프리스트레스 산정 · 목업용 강박스거더 도면 작성2) CFT 프리스트레스 도입 강박스 목업 제작· 강박스거더 목업 부지 선정 및 관련 기관 협의 · 강박스거더 목업 중 계측 계획 수립· 강박스거더 목업 절차서 작성· 강박스거더 목업 수행 및 개선점 도출3) CFT 프리스트레스 도입 및 응력분포 계측/분석· 프리스트레스 도입-해체-재도입 프로세스 도출· 프리스스레스 도입량, 손실량, 재도입량 모니터링· 목업용 강박스거더 계측 위치 설정 및 센서 설치· 프리스트레스 도입 및 손실에 따른 박스거더 거동변화 분석공동연구 개발기관 (경상국립대학교 산학협력단)1차년도 목표 : CFT이용 프리스트레스 도입을 위한 강박스 구조상세안 도출 1) 모듈형 CFT 사양별 강박스 프리스트레스 도입 효과 시뮬레이션· 모듈형 CFT 사양별 강박스 구조해석 모델링 구축· CFT 모듈에 의한 강박스부재의 프리스트레싱 도입 및 프리스트레싱 효과의 정량적 분석2) CFT-강박스 연결부 상세해석 및 구조보강방안 수립· 구조해석을 통한 CFT-강박스 연결부 상세해석 및 성능평가· CFT-강박스 연결부 상세해석을 통한 강박스 부재의 보강 및 성능 확보 방안 마련2차년도 목표 : CFT 프리스트레스 적용 강박스거더 성능평가1) CFT 프리스트레스 도입 강박스 목업 제작단계별 FEM 해석· 강박스 제작 및 프리스트레싱 도입 프로세스 검토 및 개선안 마련· 강박스 목업 제작 프로세스를 고려한 구조해석 해석 및 적용방안 마련2) CFT 프리스트레스 도입 강박스 거더 극한하중 해석· 프리스트레싱 도입 강박스 부재의 극한하중 검토 및 구조해석을 Test Bed 후보 교량 성능평가3) FEM 해석을 통한 강박스 목업 시험체의 시험 결과 검증· 목업용 강박스 거더 시험 결과를 반영한 구조해석· 목업용 강박스 거더 시험 결과 해석적 검증
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