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연구과제명 풍하중 및 유수압 저감을 위한 사회기반 시설의 슬림화기술 
성명 김승억  소속 세종대학교 
E-mail sekim@sejong.ac.kr 
연구실명 교량 및 강구조연구실  연구실홈페이지 http://steel.sejong.ac.kr/ 
구분 제 2 총괄  3 세부 

연구의 당위성 및 필요성

  • 기후변화에 따른 태풍, 홍수 등의 강도가 커지기 때문에 사회기반시설에 가해지는 풍하중 및 유수압이 증대되어 사회기반시설의 구조부재가 커지는 문제가 발생함. 따라서 구조물에 작용하는 풍하중 및 유수압 저감을 위한 사회기반시설의 슬림화 기술이 필요함.

     
  • 슬림화 방법으로 해석 시 구조시스템의 비선형비탄성 거동을 직접 고려함으로써 비탄성 모멘트 재분배 효과에 의한 부재크기를 감소시킬 수 있음.

  • ABAQUS 및 ADINA 등의 상용프로그램을 사용하여 비선형비탄성해석을 할 수 있으나 부재단면의 세분화작업에 의한 요소의 수의 증가로 인해, 비경제성과 비실용적임.

  • 본 연구에서 개발할 기술은 사회기반시설의 구조부재를 한 개 혹은 두 개의 요소로 이상화하면서 재료적 비탄성 및 기하학적 비선형 효과를 동시에 고려할 수 있는 실용적인 슬림화 설계기술임.

  • 슬림화 기술을 설계실무에 사용할 경우 구조해석 후 개별구조의 강도검토가 필요하지 않기 때문에 설계시간을 현격히 단축할 수 있음.

  • 또한 구조물의 거동을 정확히 예측할 수 있으므로, 구조물의 안전확보와 비탄성 모멘트 재분배로 인한 단면 절감 등의 장점이 있음.

  • 선진국에서는 슬림화 설계기술을 ASD, LRFD 및 USD를 대체할 수 있는 설계기술로 집중 연구 육성하고 있으므로, 국내 설계기술 개발이 시급한 실정임.

국내외 연구현황 및 한계점

  • ASD, USD, LRFD 구조설계 시 선형탄성 해석을 사용하므로써 구조물의 실제 거동을 정확히 반영하지 못하며 설계결과의 신뢰성이 떨어짐.

  • 국외의 경우 설계 시 구조물의 거동을 보다 더 실제에 가깝게 반영하기 위해 비선형비탄성 구조설계 기술에 관한 연구가 미국 및 유럽 등에서 활발히 진행되고 있음.

  • 1994년 Northridge 지진과 1995년 한신대지진을 계기로 비선형비탄성 동적설계에 대한 연구가 활발함.

  • ABAQUS, ADINA 등의 상용프로그램을 사용하여 비선형비탄성 해석을 수행할 수 있으나 모델링의 까다로움과 긴 해석시간으로 인해 실무적용에 어려움이 있음.

  • 본 연구진이 개발한 강조구물에 대한 비선형비탄성 해석기술은 세계최고 수준에 도달했다고 표현할 수 있으나 화이버 모델을 이용한 사회기반시설의 해석기술에 관한 연구는 기초연구단계에 있음. 몇몇 연구자에 의해 부재 단위의 비선형비탄성 해석기술이 연구되고 있으나 전체 구조시스템을 대상으로 한 연구는 매우 미진함.

차별성

  • 안정함수를 도입함으로써 부재당 1개의 요소만을 사용하여 기하학적 비선형을 고려

  • 비선형비탄성 해석기술을 활용하여 구조물의 거동을 정확하게 반영한 비선형비탄성 설계기술

  • 전체 구조시스템 수준에서 극한내하력을 평가할 수 있어 한차원 발전된 설계시스템 구축

  • 선형탄성 해석에서 구한 부재력과 응답수정계수를 사용하는 근사적인 종래 동적설계방법의 문제점을 극복한 차세대 설계방법인 비선형비탄성 동적설계법 개발

연구과제 추진방법 및 추진체계

  • 연구개발을 효율적으로 추진하기 위한 연구방법의 추진전략은 다음과 같음.

    • 본 연구진의 선행연구결과 및 노하우 활용 
      • 선행연구를 통하여 개발된 강구조물의 3차원 비선형비탄성 해석 연구 성과를 적극 활용 
      • 선행연구 성과물인 소프트웨어 “3D-PAAP”을 기반으로 연구 확장

    • 비선형비탄성 해석 방법 
      • 종래 소성힌지 모델의 경우 강구조에만 적용가능 
      • 화이버힌지(Fiber hinge) 모델을 활용하여 철근 콘크리트 및 강-콘크리트 합성 부재 등 사회기반시설 전반에 대한 해석기술 개발 
      • 비선형비탄성 해석 수렴성이 우수한 GDC(Generalized Displacement Control) 알고리즘을 사용

    • 설계 방법 
      • 비선형비탄성 해석방법을 사용하여 해석 후 개별 부재의 강도검토가 필요 없는 직접설계법 개발 
      • 설계자가 용이하게 사용할 수 있도록 설계지침서 개발


                                                 <연구추진체계 (제 2 총괄 4 세부)>


기대효과

  • 교량 (거더교, 라멘교, 트러스교, 아치교 및 사장교), 항만 구조물, 초고층 건축물, 플랜트 구조물 및 가시설 등 각종 토목/건축 구조물 설계에 활용
  • 기존 구조물의 안정성 평가를 통한 유지 관리에 활용
  • 해외 건설시장에 대한 경쟁력 확보에 활용
  • 사회기반시설에 대한 비선형비탄성 해석기술 개발
  • 비선형비탄성 거동을 정확히 반영하지 못하는 문제점을 제거하여 경제적이고 합리적인 슬림화 구조설계 기술 개발
  • 본 연구를 통하여 개발될 해석시스템을 사용하면 요소의 수를 현격하게 줄일 수 있을 뿐 만 아니라 모델링을 용이하게 할 수 있어 구조설계의 실용성이 크게 증대
  • 슬림화 구조설계 기술을 적용함으로써 부재력을 비탄성적으로 재분배하고 부재단면을 효율적으로 사용하여 공사비의 약 10% 절감 가능
  • 해석 후 부재의 강도계산을 필요로 하지 않기 때문에 시간과 노력을 현격히 절약할 수 있어서 설계비가 절감됨.
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