초록 ▼

연구의 목적 및 내용

○ 본 연구의 최종 목표는 초고성능 콘크리트(Utra High Performance Concrete, 이하 UHPC)로 제작된 UHPC 거더에 대하여 새로운 한계상태를 정립하고, 이에 대한 강도 산정 방안에 대하여 연구한다. 연구 성과를 달성하기 위하여 아래의 세부 연구 목표를 추진하였다.
- 고강도 재료인 UHPC 거더에 대한 플랜지 좌굴, 횡비틀림, 전단한계상태별 연구를 수행하여 새로운 강도 한계 상태를 제시한다.
- 세장한 플랜지 및 거더에 대한 실험 연구를 통하여 좌굴 한계 상태와

연구의 목적 및 내용

○ 본 연구의 최종 목표는 초고성능 콘크리트(Utra High Performance Concrete, 이하 UHPC)로 제작된 UHPC 거더에 대하여 새로운 한계상태를 정립하고, 이에 대한 강도 산정 방안에 대하여 연구한다. 연구 성과를 달성하기 위하여 아래의 세부 연구 목표를 추진하였다.
- 고강도 재료인 UHPC 거더에 대한 플랜지 좌굴, 횡비틀림, 전단한계상태별 연구를 수행하여 새로운 강도 한계 상태를 제시한다.
- 세장한 플랜지 및 거더에 대한 실험 연구를 통하여 좌굴 한계 상태와 좌굴 거동을 증명한다.
- 거더와 바닥판에서 발생할 수 있는 좌굴 한계 상태에 대한 강도 산정 방안을 제시한다.
- 해석 및 실험 연구를 통하여 연구 결과의 타당성 및 적합성을 입증한다.

① 압축 플랜지 및 압축 바닥판의 좌굴
- UHPC는 높은 압축강도를 지니기 때문에 구조 단면의 세장화가 가능하나, 단면의 세장화는 좌굴 문제가 발생시킬 수 있다. 거더의 플랜지나 교량의 바닥판은 매우 얇은 판부재로 제작이 가능하므로, 국부 좌굴 문제에 대한 검토가 필수적이다.
- 본 연구에서는 UHPC 바닥판 및 압축 플랜지의 국부좌굴 문제에 대하여 실험적, 해석적으로 그 거동을 검증한다.
- 연구 결과를 바탕으로, 플랜지의 국부좌굴에 대한 강도 산정 방안을 제시하여 경제적이고 합리적인 UHPC 판 부재 설계 기반을 구축한다.

② 횡비틀림 좌굴
- I형 거더의 상부(하부)플랜지가 휨모멘트에 의해 압축력을 받으면, 세장한 플랜지는 좌굴을 일으킬 수 있지만, 복부판에 의해 연속 지지되어 있어 강축방향으로 횡방향 변위를 일으키게 된다. 결론적으로 거더는 횡방향, 회전방향 변위를 보이며 극한상태에 이르는 횡-비틀림 좌굴 거동을 보이는데, 일반적으로 강재 거더에서 고려되었던 이러한 한계 상태는 세장한 부재인 UHPC거더에서도 필수적으로 검토하여야할 항목이라 할 수 있다.
- 본 연구에서는 비지지 길이별 한계상태에 대하여 실험적, 해석적 연구를 수행하고, 이를 기반으로 강도 산정 방안을 제시한다.

③ 복부판 전단 강도
- UHPC거더가 휨모멘트 및 전단력을 지지할 경우 복부판 요소는 압축과 인장을 동시에 받는 상태가 될 수 있으며, 세장한 복부판은 압축 응력에 의해 좌굴을 일으킬 가능성이 있다.
- 인장 강도가 매우 작은 UHPC는 압축에 의한 좌굴 이전에 인장에 의한 균열로 파괴에 이를 수 있지만, 인장 부분에 대한 보강이 적절히 이루어 진다면, 복부판의 파괴를 지배하는 거동은 압축강도에 의해 지배 될 가능성이 있다.
- 따라서 본 연구에서는 실험적 해석적 연구를 통하여 복부판의 전단강도와, 이를 보강할 수 있는 방안, 그리고 종합적인 분석을 통하여 전단좌굴 발생가능성에 대하여 연구한다.

연구개발성과

○ UHPC 거더의 좌굴 한계상태 입증
- 고강도 재료로서 UHPC거더의 판, 거더 부재에 대한 좌굴 거동을 실험과 해석 연구를 수행하여 입증하였다. 이를 통하여 고강도 재료의 설계에 있어 반드시 고려하여야 할 좌굴 한계 상태에 대한 인식을 고취시킨다.

○ 새로운 한계 상태에 대한 강도 산정 방안 제시
- UHPC 판부재의 좌굴과 I거더에 대한 횡비틀림 좌굴 한계 상태를 정의하였고, 각각의 좌굴 한계 상태에 대한 강도 산정방안을 제시하였다.
- 이를 통하여 UHPC거더의 설계/제작/시공에 있어 보다 세장하고 효율적인 단면 설계가 가능하도록 하였고, 세장한 부재에 대한 설계 가이드 라인을 제시를 통하여 더욱 경제적인 구조 부재의 설계가 가능하도록 하였다.

연구개발성과의 활용계획(기대효과)

○ 활용계획
- 본 연구과제에서는 UHPC 거더의 새로운 한계상태와 각 한계상태별 강도 산정방안에 초점을 둔다. 이에 대한 결과는 활발한 기술 홍보를 통하여 국내외 기술자의 이목을 집중시키고, 안전한 설계 및 시공에 대한 요점을 고취시킬 수 있도록 할 것이다.
- 나아가 초고성능 콘크리트 설계지침에 본 연구과제의 결과를 반영할 수 있는 기회를 만들 수 있도록 노력할 것이다.

○ 기대효과
[기술적 기대성과]
- 본 연구 UHPC의 활용 가능성에 대한 새로운 지표를 마련하는 한편, 비균일 고강도 재료의 새로운 한계 상태에 대한 접근 방안을 제시한다. 이는 아직까지 전 세계적으로 연구가 진척되지 않은 분야로, 비단 UHPC뿐 아니라 다른 부재에 대한 활용 가능성을 증진 시킬 수 있는 효과를 가져올 것으로 판단된다.
- 이러한 관점에서 본 연구는 UHPC거더의 강도 뿐 아니라, 고강도 재료의 거동 특성을 명확히하여, 교량이나 건축 구조물 뿐 아니라 해양, 항공, 터널 등 타 분야에 쓰일 수 있는 여러 가지 고강도 재료들의 강도를 산정할 수 있는 방안에 대한 초석을 마련 할 수 있을 것으로 기대 된다.
- 요컨대, 본 연구는 차세대 건설 재료인 UHPC의 활용 가능성을 증진시킴과 동시에, 요즈음 이슈되고 있는 고강도 재료에 관한 새로운 시각을 마련할 수 있는 계기가 될수 있을 것으로 판단된다.

[사회・경제적 파급효과]
- UHPC는 고강도 재료로서, 동일 강도를 갖는 구조를 설계할 때에 일반 콘크리트보다 적은 재료를 사용할 수 있으며, 이에 따라 자중이 감소하여 내진 설계에도 유리한 특징을 갖는다. 또한 재료의 감소는 이산화탄소 배출량 감소를 의미하므로, 지구 온난화등 환경 문제에 대한 문제점을 해결할 수 있는 대안으로 여길 수 있다.
- 현재 전세계적으로 강재와 콘크리트 이외의 건설재료에 대한 관심이 높아져 가고 있다. 차세대 건축 재료는 대부분 고강도, 고연성을 갖는데, 사실상 이러한 연구는 재료 개발의 단계에 머물고 있다.
- 향후 개발될 미래 건축 소재는 고강도화로 인하여 좌굴 문제에 대한 연구가 필수적일 것이며, 본 연구는 그러한 흐름의 초석을 마련 할 수 있을 것으로 판단된다.
- 결론적으로, 필수적이지만 아직까지 이루어지지 않은 본 주제에 대한 연구가 수행 되었을 시, 세계적인 관심속에서 토목 분야의 기술 경쟁력을 갖추어, 기술 수출력 강화를 통한 경제적 이득을 취할수 있는 방안이 될 것이라 기대할 수 있다.

(출처: 국문요약문 4p)

Abstract ▼

Purpose & Contents

○ The final goal of this study is to establish a new limit state of Ultra-high performance concrete (hereafter called UHPC) in girder and strength calculation method. In order to achieve the research achievement, we pursued the following detailed research goals.
- The ne

Purpose & Contents

○ The final goal of this study is to establish a new limit state of Ultra-high performance concrete (hereafter called UHPC) in girder and strength calculation method. In order to achieve the research achievement, we pursued the following detailed research goals.
- The new strength limit states were proposed by performing studys on flange buckling, lateral torsional buckling, and shear strength for UHPC girder which is high strength material.
- The buckling limit and the buckling behavior were verified through experimental study on the slender flanges and girders.
- This paper presents a method for estimating the strength of buckling limit in girder and deck plating.
- Through the analysis and experimental study, the validity and suitability of the study results are verified.

① Local buckling of compression flange and compression deck
- Since UHPC has high compressive strength, it is possible to construct the slender section, but the cross section of the UHPC can cause buckling problem.
- Since the deck and flange of the girder can be made of a very thin plate member, it is necessary to examine the local buckling problem.
- In this study, the behavior of local buckling problem of UHPC deck and compression flange is verified experimentally and analytically.
- This study proposed a method for calculating the strength of the flange against local buckling and build a reasonable and economical basis for UHPC plate member design.

② Lateral-Torsional Buckling
- If upper flange of I-girder is subjected to compression by bending moment, buckling is possible to be occurred in slender flange, but lateral displacement occurs in major axis due to web under continuously flange support. In conclusion, lateral and rotation displacement cause lateral-torsional buckling limit state in the girder. Generally, lateral-torsional limit state is considered in steel material. However, it is necessary to consider lateral-torsional limit state in UHPC because UHPC material section is more slender than normal concrete.
- In this study, experimental and analytical studies are carried out on the limit state of unbraced lengths and a method of calculating the strength is presented.

③ Shear strength of web
- If UHPC girder is subjected to bending moment and shear, compression and tension occur in the web at the same time. It is possible that buckling occur in slender web by compression, Generally, failure by tension crack is easy to occur in the UHPC girder before buckling by compression due to low tensile strength of UHPC material. However, buckling failure can be dominant for web failure if there is appropriate reinforcement for tension failure.
- In this study, the shear strength of the web is analyzed through experimental analytical studies. In addition, it was analyzed the possibility of reinforcement of the girder against shear failure and investigated possibility of the shear buckling.

Results

○ Prove limit state of UHPC‘s buckling
- As an high strength material, UHPC girder should be known for its failure mode accordance with specific element. Through this, in the design of high strength material, design of limit state must be considered.
○ Propose method of strength estimation about limit state of UHPC
- The buckling strength limits state were defined for UHPC plate and I girders and estimating each strength limits state were presented.
- Through this, it is possible to design a more effective and efficient sectional design for UHPC girder considering design / construction / construction. And it is possible to design more economical structural members by introducing design guideline for slender members.

Expected Contribution

○ Utilization plan
- This research focuses on the new limit state and each strength under limit state calculation method of the UHPC girders. Through active technology promotion, following Results make possible to promote and focus the attention of national and international technicians and it can inspire the essential point about the safe design and construction.
- Moreover, it will try to create an opportunity to reflect the results of this research in ultra high performance concrete design guidelines.

○ Expectation effectiveness
[Technical performance expectations]
- This study can provide the new index for the availability of UHPC, it proposes a new approach for the state of non-uniform strength material at the same time. Because this field of study is not in progress yet, it is expected to bring the promoting effect of utilization possibilities in UHPC and other materials.
- In view of this study, through clarifying behavior of the strength of the UHPC girder and high strength materials, it is expected to be laid the groundwork about the ways to estimate the strength of a number of high-strength material in any fields not only bridges and building structures but also other fields such as ocean, aviation, tunnels.
- In summary, the study of UHPC promotes availability of the next generation of construction material, and it can be an opportunity to provide a new perspective on high strength materials.

[Social and economic expectations]
- As a high strength material, it needs less amount of UHPC than normal concrete for designing a structure, which requires same strength. Therefore, UHPC can reduce weight that is an advantage in seismic design. Moreover, in term of global warming, it can reduce carbon dioxide emission that is another advantage of using UPHC.
- Beside steel and concrete, interesting in other construction materials is gradually increasing. The next generation of construction’s trend is to use high strength, high ductility of construction material and this study is staying of the stage of material development.
- This study is expected to provide an essential understanding of buckling, which is easily occur due to the increase in strength.
- Even though it is an essential study, it has not been performed by other researcher yet. Researching on this subject, we expect to obtain advantage on this study through technological competitiveness of civil sector and enhancement of economic benefits output.

(출처 : Summary 6p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 2
• 보고서 요약서 ... 3
• 국문요약문 ... 4
• SUMMARY ... 6
• Contents ... 9
• 목차 ... 10
• 제1장 연구개발과제의 개요 ... 11
• 제1절 연구개발 목적 ... 11
• 제2절 연구개발의 필요성 ... 13
• 제3절 연구개발 범위 ... 15
• 제2장 국내외 기술 개발 현황 ... 17
• 1. 국내·외의 관련 분야의 환경 ... 17
• 2. 국내·외의 환경 변화 ... 17
• 제3장 연구 수행 내용 및 성과 ... 18
• 제1절 플랜지 및 바닥판 국부좌굴 한계 ... 18
• 제2절 횡비틀림 좌굴 한계 ... 45
• 제3절 복부판 전단 한계 ... 70
• 제4절 UHPC 거더 교량의 단면 검토 ... 96
• 제4장 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 ... 104
• 1. 목표 달성도 ... 104
• 2. 관련 분야 기여도 ... 104
• 제5장 연구개발성과의 활용계획 ... 106
• 1. 연구결과의 활용방안 ... 106
• 2. 기대성과 및 파급효과 ... 106
• 제6장 연구 과정에서 수집한 해외 과학기술 정보 ... 107
• 1. 플랜지 및 바닥판 국부좌굴 한계 ... 107
• 2. 횡비틀림 좌굴 한계 ... 107
• 3. 복부판 전단 한계 ... 109
• 제7장 연구개발성과의 보안등급 ... 111
• 제8장 국가과학기술종합정보시스템에 등록한 연구시설·장비 현황 ... 111
• 제9장 연구개발과제 수행에 따른 연구실 등의 안전 조치 이행 실적 ... 111
• 제10장 연구개발과제의 대표적 연구 실적 ... 112
• 제11장 기타 사항 ... 112
• 제12장 참고 문헌 ... 113
• 부록: 일반 vs UHPC PSC 교량 설계 자료 ... 117
• 끝페이지 ... 168