선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 박스형 암거 상부의 콘크리트 슬래브에 발생하는 인장응력을 최소화하기 위해 줄눈의 위치와 암거의 크기를 변화시키며 유한요소 해석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 한국도로공사 시험도로에 위치한 박스형 통로 암거 상부 콘크리트 슬래브의 파손을 조사하고 고속도로 건설공사 표준도(한국도로공사, 2009)를 참고로 현장의 상황을 모사하는 유한요소 모형을 제작하였다. 줄눈의 위치와 박스 암거의 크기를 변화시키며 해석하여 최적의 줄눈 위치를 찾았다.
- 위 박스형 통로 암거 4개 위치의 상행선과 하행선 양쪽에서 수준측량으로 토피고를 측정하여 토피고에 따른 슬래브 균열 여부를 표 1과 같이 얻었다. 본 연구에서는 길어깨 끝단과 암거 입구 상단 간의 높이 차이를 토피고라고 칭하기로 하였다.
가설 설정
- 표 3은 해석에 사용된 각재료의 성질을 나타낸 것이다. 간단한 해석을 위해 콘크리트 재료의 시간 의존적 특성을 배제하고 노상토는 압밀이 완료된 상태로 가정하였다.
제안 방법
- 고속도로 건설공사 표준도(한국도로공사, 2009)를 참고하여 박스형 암거와 보강 슬래브 사이는 D25×L500의 다웰바로, 콘크리트 슬래브 간은 D32×L500의 다웰바로 각각 연결 하고, 보강슬래브가 얹히는 브라켓의 내민 길이는 30cm로 모형화하였다.
- 다음으로 자중과 음의 온도구배가 고려된 상태에서 윤하중이 재하된 경우를 해석하였다. 음의 최대온도구배 -0.
- 두 번째로 자중이 고려되고 양의 온도구배가 발생한 상태에서 윤하중이 재하된 경우를 해석하였다. 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 두께 30cm 콘크리트 슬래브의 양의 최대온도구배인 +0.
- 박스형 암거 상부의 콘크리트 슬래브에 응력을 최소로 발생시키는 줄눈 위치를 결정하기 위하여, 암거 중앙 바로 위에 길이 6m 슬래브의 중앙을 위치시킨 CASE 1 부터 암거 중앙 바로 위에 줄눈이 위치한 CASE 7까지, 슬래브의 위치를 우측으로 0.5m씩 이동시키며 7개의 유한요소 모형을 제작하여 각각의 최대인장응력을 비교 하였다. 암거의 크기는 시험도로에 시공된 것과 동일한 4.
- 박스형 암거를 포함하는 콘크리트 포장 구간을 유한 요소 방법으로 해석하였다. 콘크리트 포장의 자중을 고려한 후 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 콘크리트 슬래브의 양과 음의 최대 온도구배를 온도하중으로 적용하고 윤하중을 재하하였다.
- 범용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS(2007)의 2차원 4절점 plain strain 요소인 CPE4R를 사용하여 그림 3 및 표 2와 같이 포장체를 콘크리트 슬래브, 린콘크리트 보조기층, 박스형 암거, 보강 슬래브, 터파기 구간, 노상으로 구분하고 모형화하였다. 고속도로 건설공사 표준도(한국도로공사, 2009)를 참고하여 박스형 암거와 보강 슬래브 사이는 D25×L500의 다웰바로, 콘크리트 슬래브 간은 D32×L500의 다웰바로 각각 연결 하고, 보강슬래브가 얹히는 브라켓의 내민 길이는 30cm로 모형화하였다.
- 본 논문의 3가지 하중조건 중 먼저 포장체의 자중이 작용할 때 부등침하와 함께 콘크리트 슬래브에 발생되는 최대인장응력을 계산하였다. 그 결과 7개 CASE 모두에서 암거 측면 바로 위 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생되었다.
- 암거와 접촉하는 흙은 암거에 완전히 부착되지 않고 마찰거동을 하지만 깊은 곳에서는 흙이 마찰거동하려는 힘에 비해 토압이 압도적으로 크므로 접촉면에서의 마찰은 고려하지 않아도 된다고 알려져 있다(Kim 등, 2002). 본 연구의 박스 암거는 린콘크리트 보조기층 바로 아래의 얕은 곳에 위치하므로 암거와의 경계면에서 노상의 흙이 마찰거동하도록 Contact 방법으로 모형화하였다. 이와 마찬가지로 린콘크리트와 노상 사이도 Contact 방법으로 모형화하였다.
- 이상과 같이 모형을 구성하고 콘크리트 슬래브, 린콘크리트 보조기층, 박스형 암거, 노상의 자중을 고려한 후 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 두께 30cm 콘크리트 슬래브의 최대 양과 음의 온도구배를 한국형 포장설계법의 온도예측 프로그램(국토해양부, 2011)으로 구하여 온도하중으로 재하하였다. 설계에 일반적으로 사용되는 윤하중 40kN을 0.5m 간격으로 진행시키면서 콘크리트 슬래브에 발생되는 최대인장응력의 위치와 크기를 찾고 포장의 거동을 분석하였다.
- 시험도로에 횡방향 균열이 발생된 곳들과 유사하게 암거 좌측면에서 우측으로 1.5m 떨어진 곳에 슬래브의 줄눈을 위치하도록 하여 유한요소 해석을 수행하였다. 그 결과, 노상의 흙이 마찰저항하며 암거로부터 미끄러져 암거 측면과 보강슬래브 하단에 공동이 발생하였고, 노상과 암거 측면이 최대 0.
- 46km(충주-105)에 위치한 수로 암거는 토피고가 크고 육안으로 관찰이 어려워 조사대상에서 제외하였다. 위 박스형 통로 암거 4개 위치의 상행선과 하행선 양쪽에서 수준측량으로 토피고를 측정하여 토피고에 따른 슬래브 균열 여부를 표 1과 같이 얻었다. 본 연구에서는 길어깨 끝단과 암거 입구 상단 간의 높이 차이를 토피고라고 칭하기로 하였다.
- 다음으로 자중과 음의 온도구배가 고려된 상태에서 윤하중이 재하된 경우를 해석하였다. 음의 최대온도구배 -0.57℃/cm를 온도하중으로 재하하여 상향컬링을 모사한 후 앞과 동일한 방법으로 윤하중을 재하하고 포장거동을 분석하였다. 그 결과, 그림 7(b)와 같이 7개 CASE 모두 암거 측면에서 어느 정도 떨어진 위치에 윤하중이 재하될 때 암거 측면 바로 위 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생되었다.
- 이상과 같이 모형을 구성하고 콘크리트 슬래브, 린콘크리트 보조기층, 박스형 암거, 노상의 자중을 고려한 후 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 두께 30cm 콘크리트 슬래브의 최대 양과 음의 온도구배를 한국형 포장설계법의 온도예측 프로그램(국토해양부, 2011)으로 구하여 온도하중으로 재하하였다. 설계에 일반적으로 사용되는 윤하중 40kN을 0.
- 17℃/cm를 온도하중으로 재하하여 하향컬링을 모사하였다. 이어서, 0.5m 간격으로 윤하중 40kN을 진행시키면서 슬래브에 발생되는 최대인장응력의 위치 및 크기와 이때의 하중 위치를 찾고 포장거동을 분석하였다. 그 결과, 그림 7(a)와 같이 암거 측면으로부터 멀리 떨어진 슬래브 좌측에 윤하중이 재하될 때 그 근처의 슬래브 하부에서 최대인장응력이 발생되었다.
- 본 연구의 박스 암거는 린콘크리트 보조기층 바로 아래의 얕은 곳에 위치하므로 암거와의 경계면에서 노상의 흙이 마찰거동하도록 Contact 방법으로 모형화하였다. 이와 마찬가지로 린콘크리트와 노상 사이도 Contact 방법으로 모형화하였다. 콘크리트 슬래브와 린콘크리트 보조기층 사이는 0.
- 일반형 암거 위에 놓인 콘크리트 슬래브의 길이를 4m 에서 7m까지 증가시키며 해석을 수행하였다. 하향컬링 시에는 그림 8(b)와 같이 슬래브 길이에 따른 최대인장 응력의 변화가 매우 작았다.
- 최대인장응력이 가장 작게 계산된 CASE 1과 같이 이들 3가지 박스형 암거의 중앙이 콘크리트 슬래브의 중앙에 연직방향으로 일치하도록 맞춘 후 콘크리트 슬래브의 길이를 변화시키며 유한요소해석을 수행하였다. 자중, 양의 온도구배, 윤하중을 재하하는 방법과 자중, 음의 온도구배, 윤하중을 재하하는 방법의 2가지로 하중을 재하하였다.
- 79MPa의 최대인장응력이 발생하였다. 자중과 환경하중을 재하한 후 포장설계에 일반적으로 사용되는 윤하중 40kN의 위치를 0.5m 간격으로 바꿔가며 재하하여 포장체의 응답을 구하였다. 양의 최대온도구배 +0.
- 본 논문에서는 한국도로공사 시험도로에 위치한 박스형 통로 암거 상부 콘크리트 슬래브의 파손을 조사하고 고속도로 건설공사 표준도(한국도로공사, 2009)를 참고로 현장의 상황을 모사하는 유한요소 모형을 제작하였다. 줄눈의 위치와 박스 암거의 크기를 변화시키며 해석하여 최적의 줄눈 위치를 찾았다.
- 6m)의 3가지로 정하고 있다. 최대인장응력이 가장 작게 계산된 CASE 1과 같이 이들 3가지 박스형 암거의 중앙이 콘크리트 슬래브의 중앙에 연직방향으로 일치하도록 맞춘 후 콘크리트 슬래브의 길이를 변화시키며 유한요소해석을 수행하였다. 자중, 양의 온도구배, 윤하중을 재하하는 방법과 자중, 음의 온도구배, 윤하중을 재하하는 방법의 2가지로 하중을 재하하였다.
- 콘크리트 슬래브와 린콘크리트 보조기층 사이는 분리막을 사용하여 미끄러짐을 허용하므로 Contact 방법으로 모형화하였다. 암거와 접촉하는 흙은 암거에 완전히 부착되지 않고 마찰거동을 하지만 깊은 곳에서는 흙이 마찰거동하려는 힘에 비해 토압이 압도적으로 크므로 접촉면에서의 마찰은 고려하지 않아도 된다고 알려져 있다(Kim 등, 2002).
- 5m)의 암거를 기준으로 전체 모형의 폭을 66m로 정하였다. 토피고가 작은 위치에서 균열이 많이 발생된 시험도로를 참고하여 암거가 린콘크리트 보조기층 하단 면에 접하여 위치하는 토피고가 없는 경우를 모형화하였다.
대상 데이터
- 두 번째로 자중이 고려되고 양의 온도구배가 발생한 상태에서 윤하중이 재하된 경우를 해석하였다. 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 두께 30cm 콘크리트 슬래브의 양의 최대온도구배인 +0.17℃/cm를 온도하중으로 재하하여 하향컬링을 모사하였다. 이어서, 0.
- 중부내륙고속도로 상행선에 위치한 2차로의 한국도 로공사 시험도로에서 지중구조물 상부 콘크리트 포장 슬래브의 파손 현황을 조사하였다. 위치는 그림 1과 같이 내부의 크기가 4.
- 지중구조물 상부에 위치한 콘크리트 포장 슬래브의 파손현황을 파악하기 위해 중부내륙고속도로의 한국도로공사 시험도로에서 현장조사를 실시하였다. 토피고가 작은 상행선에서는 박스형 암거가 위치한 4곳 중 3곳에서 횡방향 균열이 발견된 반면, 토피고가 큰 하행선에서는 발견되지 않았다.
- 이와 마찬가지로 린콘크리트와 노상 사이도 Contact 방법으로 모형화하였다. 콘크리트 슬래브와 린콘크리트 보조기층 사이는 0.1의 작은 마찰계수를 사용하였으며, 린콘크리트 보조기층과 노상 사이는 0.45, 노상과 암거 사이는 0.4의 마찰계수를 사용하였다(한국지반공학회, 2009). 노상과 뒷채움 재료는 Mohr Culomb Plasticity 특성을 적용하여 비선형으로 모형화하고 정양규(2004)와 Pimentel 등(2009) 이 제시한 물성을 사용하였다.
- 박스형 암거를 포함하는 콘크리트 포장 구간을 유한 요소 방법으로 해석하였다. 콘크리트 포장의 자중을 고려한 후 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 콘크리트 슬래브의 양과 음의 최대 온도구배를 온도하중으로 적용하고 윤하중을 재하하였다. 포장체의 자중만 작용했을 때에는 부등침하가 생기면서 암거 측면 바로 위의 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생했고, 자중, 음의 온도구배, 윤하중이 재하된 경우에도 동일한 위치에서 최대인장응력이 발생했다.
이론/모형
- 4의 마찰계수를 사용하였다(한국지반공학회, 2009). 노상과 뒷채움 재료는 Mohr Culomb Plasticity 특성을 적용하여 비선형으로 모형화하고 정양규(2004)와 Pimentel 등(2009) 이 제시한 물성을 사용하였다. 표 3은 해석에 사용된 각재료의 성질을 나타낸 것이다.
성능/효과
- 본 논문의 3가지 하중조건 중 먼저 포장체의 자중이 작용할 때 부등침하와 함께 콘크리트 슬래브에 발생되는 최대인장응력을 계산하였다. 그 결과 7개 CASE 모두에서 암거 측면 바로 위 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생되었다. 그림 6(a)에서 보듯이 암거 중앙 바로 위에 길이 6m 슬래브의 중앙을 위치시켜 암거 브라켓의 측면 상부에 줄눈이 위치한 CASE 1의 최대인장응력이 가장 작았고 줄눈이 암거 위에 위치한 CASE 3부터 CASE 7까지 크게 나타냈다.
- 5m 떨어진 곳에 슬래브의 줄눈을 위치하도록 하여 유한요소 해석을 수행하였다. 그 결과, 노상의 흙이 마찰저항하며 암거로부터 미끄러져 암거 측면과 보강슬래브 하단에 공동이 발생하였고, 노상과 암거 측면이 최대 0.5mm까지 벌어졌다. 포장체 전체에 자중이 작용할 때 주위의 흙은 그림 4(a)와 같이 항복되어 지지력에 취약해졌고, 그림 4(b)와 같이 부등 침하가 발생하면서 암거 좌측면 끝단 위의 콘크리트 슬래브 상부에 1.
- 포장체의 자중만 작용했을 때에는 부등침하가 생기면서 암거 측면 바로 위의 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생했고, 자중, 음의 온도구배, 윤하중이 재하된 경우에도 동일한 위치에서 최대인장응력이 발생했다. 또한 보강 슬래브와 암거 측면이 만나는 위치에서 노상이 항복하고 공동이 발생하는 것으로 해석되어 암거 측면에서 슬래브가 가장 취약할 수 있다는 사실을 확인하였다. 이에 따라 슬래브의 줄눈을 암거 측면 가까이 설치하는 방법으로 횡방향 균열을 최소화할 수 있다고 판단되었다.
- 토피고가 작은 상행선에서는 박스형 암거가 위치한 4곳 중 3곳에서 횡방향 균열이 발견된 반면, 토피고가 큰 하행선에서는 발견되지 않았다. 암거의 측면을 따라 바로 위에서 슬래브에 균열이 발생한 것으로 보아 강성인 암거와 연성인 지반의 지지력 차이로 인해 균열이 발생하였고 토피고가 작을수록 그 영향이 큰 것으로 판단되었다.
- 09MPa의 최대인장 응력이 발생하였다. 이상의 결과를 종합할 때 암거 측면 바로 위의 슬래브 상부가 구조적으로 가장 취약한 것으로 판단되었으며, 이 위치에서 횡방향 균열이 발생한 시험도로의 조사결과와 일치하였다.
- 그림 6(c)에서 보듯이 암거 측면 바로 위에 줄눈이 위치한 CASE 1의 최대인장 응력이 가장 작았으나 점점 커져서 줄눈이 박스 암거 위에 위치한 CASE 4부터 CASE 7까지 비슷한 정도로 가장 커졌다. 자중만 고려한 경우나 자중과 양의 온도차이를 고려한 경우보다 최대인장응력이 훨씬 커서 CASE 4부터 CASE 7까지는 콘크리트 슬래브의 설계 휨강도 4.5MPa을 초과하였으나 이는 실제를 재현하지 못하는 유한요소 해석의 한계로써 본 연구의 결론 도출에는 영향을 미치지는 않았다.
- 이에 따라 슬래브의 줄눈을 암거 측면 가까이 설치하는 방법으로 횡방향 균열을 최소화할 수 있다고 판단되었다. 크기가 다른 박스 암거들에 대한 유한요소 해석에서도 슬래브의 크기를 암거에 맞게 조절하여 암거 양 측면에 줄눈을 위치하는 것이 가장 적합한 것으로 나타났다.
- 콘크리트 포장의 자중을 고려한 후 시험도로가 위치한 경기도 여주 지역 콘크리트 슬래브의 양과 음의 최대 온도구배를 온도하중으로 적용하고 윤하중을 재하하였다. 포장체의 자중만 작용했을 때에는 부등침하가 생기면서 암거 측면 바로 위의 슬래브 상부에서 최대인장응력이 발생했고, 자중, 음의 온도구배, 윤하중이 재하된 경우에도 동일한 위치에서 최대인장응력이 발생했다. 또한 보강 슬래브와 암거 측면이 만나는 위치에서 노상이 항복하고 공동이 발생하는 것으로 해석되어 암거 측면에서 슬래브가 가장 취약할 수 있다는 사실을 확인하였다.
후속연구
- 향후에는 3차원 유한요소 해석 등을 통하여 토피고가 변하는 경우와 암거가 도로에 사각으로 설치된 경우 등현장의 변수를 고려하는 포장 파손 저감 방안을 제시할 계획이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.