[논문]구스 아스팔트의 열 영향 해석을 위한 열원방정식에 관한 연구

박현웅; 이완훈

doi:10.11112/jksmi.2019.23.3.96

구스 아스팔트의 열 영향 해석을 위한 열원방정식에 관한 연구
A Study on the Heat Source Equation for the Thermal Effect Analysis of Guss Asphalt Pavement 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.3, 2019년, pp.96 - 102

박현웅 (청운대학교 토목환경공학과) , 이완훈 (청운대학교 토목환경공학과)

초록
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강바닥판 교량의 교면 포장에 $240^{\circ}C$ 이상의 온도에서 포설 되는 구스 아스팔트 가 적용되는 경우, 구조물에 발생하는 열 영향의 검토를 수행하지만, 수치해석에 적용 가능한 열원 데이터에 대한 연구는 미흡하여 단순화된 온도 하중을 절점 하중으로 사용하고 있다. 이에 본 연구에서는 구스 아스팔트 포장 시 계측된 온도 데이터를 이용하여 비록 제한적이지만 평판요소에 직접 재하 가능한 열원 방정식을 구성하여 제시하였으며 간략한 수치해석을 통해 그 타당성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The study of thermal effect on the structure is carried out in the case of Guss asphalt which is paved at the temperature of $240^{\circ}C$ or higher in the bridge pavement of the steel deck bridges. However, studies on the heat source data applicable to numerical analysis are insufficient, the temperature load is used as a joint load. In this study, the heat source equations that can be directly loaded on the plate elements, although limited, are presented using the measured temperature data in the Guss asphalt pavement and its validity is confirmed by a brief numerical analysis.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Construction Performance of Steel Bridge
그림 Fig. 2 Construction Performance of Concrete Bridge
그림 Fig. 3 Heat Transfer Model by Pavement Material
그림 Fig. 4 Temperature Variation According to Convection and Conductivity Effects
그림 Fig. 5 Measuring Point
그림 Fig. 6 Temperature Increase by Gauges(side lanes)
그림 Fig. 7 Temperature Increase by Gauges(center lane)
그림 Fig. 8 Experimental Temperature Data(CH18)
그림 Fig. 9 Heat Source of Experimental Temperature Data
그림 Fig. 10 Heat Source Curve Graphs
그림 Fig. 11 Error Comparison Graphs of The Equations
그림 Fig. 12 Equivalent Heat Source Comparison Graphs
그림 Fig. 13 Numerical Analysis of Heat Source Equation
표 Table 1 Values of Coefficients
그림 Fig. 14 Temperature Comparison Graphs
표 Table 2 Material Properties

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 구스 아스팔트 포장 시 계측된 온도데이터를 이용하여 비록 제한적이지만 평판요소에 직접 재하가능한 열원을 방정식으로 제안한다.

가설 설정

5에서 CH18 온도게이지가 부착된 12 mm를 적용하였으며, 모델의 복부판은 계측 게이지가 부착 되었던 교량의 종방향 복부판 두께인 10 mm를 적용하였다. 그리고 열전달해석을 수행함에 있어서 강바닥판의 윗면은 포장체로 덮여있고 아랫면은 도장 및 기온상승 등의 영향으로 대류현상이 발생하지 않는 것으로 가정하였으며 강바닥판에 접해있는 복부판에는 주변 온도의 상승 등을 고려하여 대류계수로 2.5 W/m³℃를 사용하였다.

제안 방법

그러나 평판요소를 사용하여 구성되는 3D 수치해석 교량 모델의 강바닥판에 적용 가능한 열원 데이터에 대한 연구는 미흡한 상태이므로 지금까지 단순화된 온도 하중을 절점에 부여하는 방법으로 열 영향을 검토하고 있다. 이에 본 연구에서는 구스 아스팔트 포장 시 계측된 온도 데이터를 이용하여 비록 제한적이지만 평판요소에 직접 재하 가능한 포장체열원 데이터를 최소제곱법을 이용하여 다항 방정식의 형태로제시하고 그 사용 가능성을 간략한 수치해석 모델을 통해 확인하였다. 추후 연구에서는 복사 및 풍속 등 보다 다양한 현장의 조건에 적용 가능한 범용 열원 방정식에 대한 연구가 진행될 예정이다.

대상 데이터

본 연구에서는 열원 방정식을 산정하기 위하여 Fig. 5에 나타낸 형태의 보강형 단면을 갖는 교량에서 계측된 온도 상승량 데이터를 사용하였다. 교면 포장은 보강형의 횡방향 변위를 최소화하기 위하여 3개의 교면 포설 레인 중에서 양측 3.
수치해석에 모델에서 포장체가 접하는 강바닥판의 두께는 Fig. 5에서 CH18 온도게이지가 부착된 12 mm를 적용하였으며, 모델의 복부판은 계측 게이지가 부착 되었던 교량의 종방향 복부판 두께인 10 mm를 적용하였다. 그리고 열전달해석을 수행함에 있어서 강바닥판의 윗면은 포장체로 덮여있고 아랫면은 도장 및 기온상승 등의 영향으로 대류현상이 발생하지 않는 것으로 가정하였으며 강바닥판에 접해있는 복부판에는 주변 온도의 상승 등을 고려하여 대류계수로 2.

데이터처리

선정된 열원 곡선 방정식의 적용 타당성을 검토하기 위하여 범용 수치해석프로그램인 STRAND7을 이용하여 열전달해석을 수행하고 그 결과를 계측 데이터와 비교하였다. 모델의 형상은 Fig.
열원 데이터를 적절한 곡선방정식으로 구현하기 위하여 0~2 분 구간에는 직선으로 정의하고, 2분 이후 초기에 나타나는 열원 데이터 값의 급격한 변화와 후반부에서 일정 값에 수렴하는 형태를 만족시킬 수 있는 기본 곡선식으로 식 (3)의 다항식을 일련의 과정을 통해 선정 한 후 최소제곱법을 적용하여 계수를 결정하였다. 기본 곡선식의 계수 결정을 위한 행렬식은 식 (4)와 같다.

이론/모형

Fig. 9의 열원 데이터에 적합한 곡선 방정식을 정의하는 방법에는 다양한 방법이 있을 수 있지만 본 연구에서는 1809년 독일의 카를 프리드리히 가우스(Karl Friderich Gauss, 1777~1855)에 의해 소개된 최소제곱법을 활용하였다.

성능/효과

따라서 Fig. 11에 나타낸바와 같이 방정식의 항이 간략함에도 불구하고 다수의 항을 포함한 방정식과 유사한 오차를 가진 것으로 판단되는 Fig. 10(d)의 곡선 방정식을 열원 곡선방정식으로 선정하였으며 Fig. 12에 나타낸바와 같이 열원 데이터와 잘부합하는 것으로 판단되었다.

후속연구

그러나 제안된 열원 방정식을 사용하는 경우에 강바닥판 및 인접 부위의 강재에 발생하는 최대 온도 및 시간에 따른 변화량은 계측 값과 유사하기 때문에 포설 시공부에 인접한 부재의 열 영향을 고려한 시간에 따른 교량 구조물의 거동 검토에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
이에 본 연구에서는 구스 아스팔트 포장 시 계측된 온도 데이터를 이용하여 비록 제한적이지만 평판요소에 직접 재하 가능한 포장체열원 데이터를 최소제곱법을 이용하여 다항 방정식의 형태로제시하고 그 사용 가능성을 간략한 수치해석 모델을 통해 확인하였다. 추후 연구에서는 복사 및 풍속 등 보다 다양한 현장의 조건에 적용 가능한 범용 열원 방정식에 대한 연구가 진행될 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내에서 적용되고 있는 아스팔트 콘크리트 포장 재료는 무엇인가?	강바닥판 교면 포장의 재료가 갖추어 야 하는 구비조건에는 강바닥판과의 부착성, 균열에 대한 저항성, 안정성, 내구성, 미끄러짐에 대한 저항성, 그리고 경량성 등이 있다. 강바닥판 교량에 타당성을 인정받아 국내에 적용되고 있는 아스팔트 콘크리트 포장 재료에는 개질 아스팔트, 구스 아스팔트, 에폭시 아스팔트, 매스틱 아스팔트 등이 있다. 특히, 독일 및 일본 등에서 시공되던 구스 아스팔트 포장 기법은 1990년대 말부터 청담대교, 영종대교, 가양대교, 광안대교 등의 교면 포장에 도입되었다(Lee et al.
	강바닥판 교량은 무엇인가?	국내의 강재 교량은 철강 산업이 본격화되고 강재의 가격이 비교적 저렴했던 1990년부터 시공실적이 급증하였으며,2000년대에 사장교나 현수교 및 특수교량의 형식으로 경제성 및 미관을 고려하여 건설되었다. 특히, 강바닥판 교량은 콘크리트 교량에 비하여 중량이 가볍고, 시공이 간편하며, 보수보강 및 유지관리 측면 등에서 다양한 장점을 가지고 있어 설계시 선호되는 교량 형식이다(Song et al., 2017).
	강바닥판 교량에서 교면 포장의 재료가 갖추어야 하는 구비조건은 무엇인가?	아스팔트 콘크리트 교면 포장은일반적으로 얇은 두 개의 층으로 구성되며 총 80 mm 정도 내외의 두께로 시공된다. 강바닥판 교면 포장의 재료가 갖추어 야 하는 구비조건에는 강바닥판과의 부착성, 균열에 대한 저항성, 안정성, 내구성, 미끄러짐에 대한 저항성, 그리고 경량성 등이 있다. 강바닥판 교량에 타당성을 인정받아 국내에 적용되고 있는 아스팔트 콘크리트 포장 재료에는 개질 아스팔트, 구스 아스팔트, 에폭시 아스팔트, 매스틱 아스팔트 등이 있다.

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