초록 ▼

□ 연구의 목적 및 내용
○ 철도교량 하부구조에 많이 채택되는 구형(사각형) 중공단면 RC 교각은 내진설계시 단면제원이 커지는 탄성설계 방법으로만 적용되고 있는데 이를 소성설계 방법으로 적용할 경우 단면의 축소 및 교각공사비 절감 요인이 있음에도 현행 철도설계기준(노반편)에 소성설계를 실시할 규정이 없어 적용되지 못하고 있음. 구형 중공단면 교각의 내진 성능에 대한 규모 있는 실험 평가 연구를 실시하고, 그 결과에 근거하여 소성설계규정을 마련하여 철도설계기준(노반편)을 개정한다면 향후 신설될 철도교량 구형 중공단면교각의 공사비

□ 연구의 목적 및 내용
○ 철도교량 하부구조에 많이 채택되는 구형(사각형) 중공단면 RC 교각은 내진설계시 단면제원이 커지는 탄성설계 방법으로만 적용되고 있는데 이를 소성설계 방법으로 적용할 경우 단면의 축소 및 교각공사비 절감 요인이 있음에도 현행 철도설계기준(노반편)에 소성설계를 실시할 규정이 없어 적용되지 못하고 있음. 구형 중공단면 교각의 내진 성능에 대한 규모 있는 실험 평가 연구를 실시하고, 그 결과에 근거하여 소성설계규정을 마련하여 철도설계기준(노반편)을 개정한다면 향후 신설될 철도교량 구형 중공단면교각의 공사비 절감

○ 현재 철도교량의 상부구조에 대부분 적용되고 있는 PSC 박스거더와 PSC-I 거더는 대부분 독일, 일본 등에서 개발된 형식을 일부 변경/향상시킨 형식이며, 도로교를 목표로 개발된 단면을 키워 철도교에 적용하여 왔음. 관행적으로 적용해온 교량 상부구조 단면은 그동안 일부 최적화 노력에도 불구하고 해외 철도교량의 단면들과 비교할 때 아직 좀 더 경제적인 설계의 여지가 남아있고 표준열차하중, 시제동하중, PSC 인장응력 등 관련 설계요소가 변화하였으므로 이를 종합적으로 고려하여 상부구조 단면 최적화

□ 연구개발성과
○ 철도교량 구형(사각형) 중공단면 교각의 내진성능 평가에 대한 실증적 실험 연구를 실시하고 이를 근거로 소성설계기준을 마련하여 기존에 탄성설계만 적용하던 구형 중공단면에 대해 소성설계가 가능하도록 함. 그리고 일반철도와 고속철도의 대표적 상부구조 형식인 PSC 박스거더와 PSC-I 거더에 대해 개정된 철도설계기준의 설계요소를 반영하여 최적화된 표준 단면을 도출하기 위해 연차별 중간성과를 다음과 같이 달성하였음.

○ 1차년도 중간성과
- 철도교량 상하부구조 현황분석 및 개선방안 검토
- 중공 구형단면 교각의 현황 및 설계기술 분석
- 중공 구형단면 교각의 내진성능 영향 인자 분석을 위한 부분 요소 실험 예비 실험
- PSC 박스거더, PSC-I형 거더의 국내외 설계사례 수집 및 철도교량 사례조사·분석

○ 2차년도 중간성과
- 철도교량 상하부구조 단면 개선을 위한 설계변수 집중 분석
- 중공비 변화에 따른 내진성능 평가를 위한 모형 교각의 실증실험
- 중공비 변화에 따른 교각 단면의 내진 상세 분석
- 축방향 철근과 횡방향 철근의 배치 영향 분석
- 소성힌지구역에서의 심부구속 횡방향 철근향 및 상세의 영향 분석
- 기존의 설계된 철도교량 중 PSC 박스거더 및 PSC-I형 거더 교량을 대상교량으로 산정하여 교량 구조계 확인 및 물량검토
- 개정 설계기준의 설계요소를 고려한 대상교량의 단면최적화 연구
- 대상 교량의 구조계산
- 동해석을 통한 안정성 검토

○ 3차년도 중간성과
- 중공 구형단면 교각 소성설계기준(안) 도출 및 상부구조 최적 표준단면 도출
- 축방향 철근과 횡방향 철근의 배치 기준 도출
- 소성힌지구역에서의 심부구속 횡방향 철근량 및 상세에 대한 기준 도출
- 중공 구형단면 철근 콘크리트 교각의 소성설계기준(안) 작성
- 중공 구형단면 철근 콘크리트 교각의 소성설계기준(안) 적용을 위한 지침, 편람 마련
- 일반철도 및 고속철도 대표적 상부구조 형식인 PSC-I 거더 및 PSC 박스거더에 대한 최적 슬림 표준 단면 제시 및 성과물 작성
- 설계예제를 통한 경제성 분석 보고서 작성
- 최종성과 보고서 작성

○ 최종성과
1) 중공 구형단면 RC교각 소성설계에 대한 철도설계기준(노반편), 지침, 편람
2) 철도교량 PSC 박스 거더의 최적 표준 단면
3) 철도교량 PSC-I형 거더의 최적 표준 단면

□ 연구개발성과의 활용계획(기대효과)
○ 활용계획:
- 연구결과 도출단계에서 시행중 또는 시행 예정 사업에 최적단면 및 하부구조 소성설계에 따른 단면도출 결과를 설계변경을 통해 현장에 즉시 반영
- 상부구조 단면 최적화 결과는 향후 고속철도노선 건설사업을 위한 표준단면 제정에 활용하며, 하부구조 소성설계 기준은 철도설계 관련 국가 기준 제정에 반영하여 국제기준에 부합하는 기준 정비에 활용
- 도로교에 비해 상대적으로 큰 하중을 고려하고 높은 안전성이 요구되는 철도교 설계기술 연구과정에서 습득한 교량 단면 최적화 기술과 하부구조 소성거동을 고려한 설계기술은 도로교 설계분야로 확장될 수 있으며, 국내 교량구조물 전반의 설계기술 향상 및 기준 합리화로 활용영역 확대
- 현재 국가주도로 성능중심의 건설기준 표준화 연구가 추진되고 있으며, 본 연구를 통해 도출되는 하부구조 단면 형상별 소성설계기준은 현재 적용되고 있는 철도설계기준의 개정에 즉시 반영하고, 연구결과를 바탕으로 향후 성능중심 구조설계법 연구에 활용하여 후속연구 추진
- 타 세부과제(콘크리트궤도 설계법 개발, 궤도-교량 상호작용력 저감 기술개발 등)의 연구결과와 연계하여 성능 및 안정성 향상, 경제성 확보, 구조 합리화를 도모하는 선로구축물 시스템의 구축이 가능하며, 향후 속도대역 증가 및 고속화 차량개발에 대응하는 교량구조물 설계∙시공 기술 도출에 활용

○ 기술적 기대성과:
- 본 연구에서 달성한 구형 중공단면 소성설계 기술은 중약진 지역인 국내 실정에 맞는 기술로서 국외에는 사례가 거의 없는 세계선도형 기술이며, 본 과제에서 함께 제시할 최적화된 상부구조 단면과 함께 국내시장에서의 철도건설비 절감에 도움을 주고, 향후 우리나라와 유사한 지진환경인 국가에 철도교량기술 진출시 경쟁력 제고에 도움이 되는 기술임

○ 사회·경제적 파급효과:
- 철도용 교각으로 많이 채택되는 중공 구형 단면은 내진설계시에 소성설계 필요성 제기에도 불구하고 소성설계 지침이 없어 기존에는 탄성설계가 적용되어 단면이 더 크게 설계되어 왔음
- 본 연구의 결과로 소성설계를 실시할 수 있는 지침이 마련되면 중공 구형 단면의 물량이 탄성설계시 보다 줄어 공사비 절감효과가 기대됨
- 우리나라와 유사한 중약진 지역 해외시장 진출 시 원천기술 확보로 인한 기술료 수입 증대
- 철도 기술력에 대한 대국민 신뢰 제고
- 교각 단면이 기존의 탄성설계에 비해서 조금 더 날렵해지므로 교량 하부 공간 측면이나 미관적인 측면의 개선이 기대됨

(출처 : 국문요약문 6p)

Abstract ▼

□ Objectives and Contents of Research
○ The rectangular hollow RC pier generally adopted for the substructure of railway bridges sees its dimensions enlarged because of the unilateral application of the elastic design method in the seismic design. Despite of the possibility to reduce these dimens

□ Objectives and Contents of Research
○ The rectangular hollow RC pier generally adopted for the substructure of railway bridges sees its dimensions enlarged because of the unilateral application of the elastic design method in the seismic design. Despite of the possibility to reduce these dimensions by means of the plastic design method and subsequently drop the construction cost, plastic design is not applied due to the absence of relevant regulations in the current Railway Design Criteria (Road bed). Accordingly, this research performs large-scale experimental evaluation on the seismic performance of the rectangular hollow RC pier to prepare plastic design regulations for reducing the construction cost of the rectangular hollow RC pier in future new constructions after the revision of the Railway Design Criteria (Road bed).

○ A very large portion of the PSC box girders and PSC-I girders applied in most of the superstructures of current rail-bridges originates from the modification or improvement of the girders that were developed in Germany and Japan. These girders originally developed for road-bridges were applied to rail-bridges by enlarging their cross-section. There is still room for achieving more economic design of the cross-section applied routinely for the rail-bridge superstructure despite of the efforts made to achieve optimization. This research optimizes the cross-section of the superstructure considering comprehensively the changes in the design parameters like standard train loads, acceleration/braking loads, PSC tensile stress, etc.

□ Research Achievements
○ Execution of actual experimental study for the evaluation of the seismic performance of the rectangular hollow pier of rail-bridge.
Preparation of plastic design criteria based on the experimental results so as to promote the application of plastic design instead of the previous elastic design.
The following interim results per year of research were achieved to derive the optimized standard cross-section reflecting the design parameters of the revised Railway Design Criteria for the PSC box girder and PSC-I girder as the representative types of superstructure of road and rail-bridges.

○ Interim achievements of Year 1
- Inventory of rail-bridges’ superstructures and examination of improvement alternatives
- Analysis of status of rectangular hollow pier and design technology
- Preliminary test on selected parameters for the analysis of the effect on the seismic performance of the rectangular hollow pier
- Gathering of design examples of PSC box girder and PSC-I girder in Korea, survey and analysis of rail-bridges

○ Interim achievements of Year 2
- In-depth analysis of design parameters for the improvement of the cross-section of the rail-bridge superstructure
- Test on prototype piers for the evaluation of seismic performance according to hollow ratio
- Detailed seismic analysis of pier cross-section according to hollow ratio
- Analysis of the effects of longitudinal and transverse reinforcements
- Analysis of the effects of the amount and details of confining transverse reinforcement in plastic hinge region
- Selection of typical bridge among previously designed PSC box girder and PSC-I girder rail-bridges, and check of structure calculation and BOQ of the bridge
- Optimization of cross-section of considered bridge considering the design parameters of the revised Railway Design Criteria
- Structure calculation of considered bridge
- Stability evaluation by dynamic analysis

○ Interim achievements of Year 3
- Derivation of provisional plastic design criteria for rectangular hollow pier and derivation of optimized standard cross-section of superstructure
- Derivation of criteria for the arrangement of longitudinal and transverse reinforcements
- Derivation of criteria for the amount and details of confining transverse reinforcement in plastic hinge region
- Preparation of provisional plastic design criteria for rectangular hollow RC pier
- Preparation of guidelines and manual for the application of the provisional plastic design criteria for rectangular hollow RC pier
- Proposal of optimal slim standard cross-section for the PSC box girder and PSC-I girder as the representative types of superstructure of rail and high-speed railway bridges, and preparation of achievement
- Preparation of report on the economic efficiency using design example
- Preparation of final achievement report

○ Final achievements
1) Railway Design Criteria (Road bed), Guidelines and Manual for the plastic design of rectangular hollow RC pier
2) Optimized standard cross-section of PSC box girder of rail-bridge
3) Optimized standard cross-section of PSC-I girder of rail-bridge

□ Exploitation of Research Achievements(Expected spillover)
○ Exploitation plan:
- Immediate field application of derived research achievements involving optimal superstructure cross-section and plastic-designed substructure to projects under construction or to be executed through design modification
- Exploitation of optimized superstructure cross-section as standard cross-section for future high-speed railway construction projects; exploitation of plastic design criteria for substructure for the revision of national railway criteria agreeing to global standards
- Extension of design technology considering the plastic behavior of the substructure and the optimization of the superstructure section for railway bridge to the design of road bridges; extension of research results to the rationalization of codes and the improvement of design technology of bridge structures in Korea
- Immediate application of the plastic design criteria per shape of substructure to the revision of the Railway Design Criteria in agreement with the standardization of performance-based specifications led by the Government; Preparation of subsequent research project related to performance-based structural design
- Contribution to the improvement of performance and stability, the economic efficiency and the structural rationalization of track system by link with the results of other projects (development of concrete railway track design, R&D on the reduction of track-bridge interaction, etc.); Exploitation for the derivation of design and construction technology of bridge structure adapted to future increase of train speed

○ Technological contribution:
- World-leading technology fitted to low-to-moderate seismic regions in the field of plastic design of rectangular hollow sections
- Contribution the optimized superstructure to the trimming of railway construction costs invested in Korea
- Securing of technological competitiveness for railway construction project in countries with low-to-moderate seismic activity

○ Socioeconomic spillover:
- Realization of economic seismic design by providing plastic design guidelines for the efficient design of rectangular hollow piers in rail-bridges
- Trimming of construction costs through the reduction of the amount of materials involved in the plastic-designed rectangular hollow section
- Increase of royalties income through the acquisition of world-leading technology fitted to low-to-moderate seismic regions
- Enhancement of public confidence on railway technological level
- Improvement of aesthetics and spatial arrangement by the creation of slender substructure

(출처 : SUMMARY 9p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 3
• 보고서 요약서 ... 5
• 국문 요약문 ... 6
• Summary ... 9
• 목차 ... 12
• Table of Contents ... 14
• 제 1 장 연구개발과제의 개요 ... 17
• 1.1 연구개발 기술의 정의 및 필요성 ... 17
• 1.2 연구개발 목표 및 내용 ... 28
• 1.2.1 연구개발의 최종목표 ... 28
• 1.2.2 연차별 연구목표 및 연구내용 ... 28
• 제 2 장 국내외 기술개발 현황 ... 31
• 2.1 국내 기술 및 산업 동향 ... 31
• 2.2 국외 기술 및 산업 동향 ... 42
• 2.3 특허동향 ... 48
• 2.4 정부지원정책 현황 ... 54
• 2.5 종합결론 ... 56
• 제 3 장 연구수행 내용 및 결과 ... 58
• 3.1 구형 내진상세 개발 및 소성설계기준 개발 ... 58
• 3.1.1 중공 사각형단면 요소단면의 단조증가 압축실험 ... 58
• 3.1.2 중공 사각형단면 철근콘크리트 교각 내진성능 실험 ... 73
• 3.1.3 철도설계기준(노반편), 지침 개정(안) ... 105
• 3.2 철도교량 PSC 박스거더 최적단면 개발 ... 117
• 2.2.1 PSC 박스거더의 현황 분석 ... 117
• 2.2.2 설계 기준 개정 내용 ... 138
• 3.2.3 단면 최적화 연구 ... 145
• 3.2.4 최적단면 선정 ... 171
• 3.2.5 최적단면의 경제성 분석 ... 175
• 3.2.6 PSC 박스거더 단면 비교 결과 ... 178
• 3.3 철도교량 PSC-I 거더 최적단면 개발 ... 180
• 3.3.1 PSC I 거더교 적용 사례분석을 통한 최적화 경간장 선정 ... 180
• 3.3.2 기존 PSC I 거더교 분석 ... 183
• 3.3.3 PSC-I 거더 최적화를 위한 단면 비교 ... 192
• 3.3.4 PSC-I 거더 4주형 구조 검토 ... 201
• 3.3.5 개선 4주형 PSC-I 거더 동적안전성 검토 ... 236
• 3.3.6 구형(사각형) 중공교각 검토 ... 246
• 3.4 결론 ... 257
• 제 4 장 목표달성도 및 관련분야에의 기여도 ... 259
• 4.1 연구목표 달성도 ... 259
• 4.1.1 연차별 성과지표 달성도 ... 259
• 4.1.2 기대성과 및 파급효과 ... 262
• 제 5 장 연구개발과제의 대표적 연구실적 ... 264
• 제 6 장 참고문헌 ... 265
• 부록 I ... 267
• 끝페이지 ... 386