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보고서 요약서
요약문
목차
제1장 연구개발과제의 개요 19
제1절 고품질 시공을 위한 프리캐스트 콘크리트 슬래브 궤도 19
제2절 FRP보강근의 적용 필요성 20
제3절 섬유보강 콘크리트의 적용 필요성 21
제4절 신호교란 없는 프리캐스트 슬래브 궤도 개발 22
제2장 연구수행내용 및 성과 24
제1절 신호교란 문제 해결을 위한 설계개념 수립 24
가. 철도 궤도 신호교란 현황 24
나. 현행 궤도설계기준 및 시공체계상의 신호교란 제어방법 분석 25
다. 고속철도용 슬래브 궤도의 신호교란 매커니즘 26
라. 신호교란에 의한 궤도회로 수신전압 저하현상 방지를 위한 설계개념 정의 35
제2절 신호교란 문제해결을 위한 단위기술 : FRP 보강근 보강 기술 42
가. FRP 보강근의 재료 평가 및 적용 기술 42
나. FRP 보강근의 내구성능 평가 63
다. 구조부재 성능 실험 및 검증 72
제3절 신호교란 문제해결을 위한 단위기술 : 섬유보강콘크리트 기술 95
가. 섬유보강콘크리트 배합 선정 95
나. 섬유보강콘크리트의 구조 및 절연성능 평가 112
다. 구조부재 성능 실험 및 검증 119
제4절 신호교란 문제해결을 위한 단위기술 : 설계기술 139
가. FRP 보강근 활용 설계기준 분석 139
나. FRP 보강근 활용 설계법 제시 139
다. 섬유보강콘크리트 설계기준 분석 152
라. 섬유보강콘크리트 활용 설계법 제시 158
제5절 시제품개발과 사업화계획 164
가. 신호교란 없는 프리캐스트 슬래브 궤도 시제품 설계(성과목표 3-2-1, 3-3-1, 6-2-1, 7-1-1, 7-1-2, 7-1-3) 164
나. 시제품의 구조성능 평가 시험(성과목표 3-1-1, 9-1-1) 168
다. 시제품의 절연성능 평가 시험(성능목표 8-3-2, 9-2-1) 173
라. 사업화 계획 178
제3장 목표 달성도 및 관련 분야 기여도 191
제1절 연구목표 달성도 191
가. 총괄 목표 기준표 191
나. 목표달성도 194
다. 양적성과 달성 196
라. 목표달성 자체평가서 197
제4장 연구개발성과의 활용 계획 등 200
제1절 추가연구 필요성 200
가. 프리캐스트 콘크리트 슬래브 궤도의 충전층 안정화에 대한 연구 200
나. 진동 저항성능 향상한 고내구성의 신호교란 없는 프리캐스트 슬래브 궤도 개발 200
다. 사업화를 위한 추가 연구 201
제2절 활용계획 201
가. 섬유보강 콘크리트 사용성 확대를 위한 기반자료 201
나. 철도 운송 시스템의 신뢰성 확보 201
제5장 연구개발과제의 대표적 연구 실적 202
제6장 참고문헌 205
표 2.1.1. 궤도회로 및 축소모델 제원 29
표 2.2.2. FRP 종류별 특징 43
표 2.2.3. 국내 프리캐스트 슬래브 궤도 개발 연구 동향 44
표 2.2.4. FRP보강근의 종류에 따른 역학적 특성 46
표 2.2.5. CSA 그림의 최소길이 47
표 2.2.6. 기존 보강근의 연결 및 이음 공법 50
표 2.2.7. GFRP보강근의 연결 및 이음 기법 적용에 따른 분석 51
표 2.2.8. GFRP 및 BFRP의 인장성능(성적서) 55
표 2.2.9. FRP 및 철근 보강근의 경제성 비교 55
표 2.2.10. GFRP 및 BFRP보강근의 인장성능 실험결과 56
표 2.2.11. FRP 보강근의 부착 시험 변수 60
표 2.2.12. 앵커부 제작을 위한 강관의 제원 64
표 2.2.13. FRP 보강근의 노출환경 변수 64
표 2.2.14. 선형 회귀분석 방정식 결과 70
표 2.2.15. BFRP 정적 시험 데이터 75
표 2.2.16. GFRP 정적 시험 데이터 76
표 2.2.17. 참고문헌상이 슬래브 제원 및 보강량 82
표 2.2.18. 해석 대상 시험체 상세 85
표 2.2.19. 철근 및 GFRP 보강근의 재료거동특성치 89
표 2.2.20. 콘크리트의 재료거동특성치 90
표 2.2.21. GFRP 보강근의 응력 및 변형률 93
표 2.3.1. 강섬유 함유율에 따른 최대하중 범위 97
표 2.3.2. 강섬유콘크리트 배합 사용재료 97
표 2.3.3. 강섬유콘크리트 배합 98
표 2.3.4. 강섬유콘크리트 배합 압축강도 결과 99
표 2.3.5. 강섬유콘크리트 배합 시험변수 100
표 2.3.6. 강섬유콘크리트 배합설계 101
표 2.3.7. 강섬유콘크리트 압축강도 시험결과 101
표 2.3.8. 강섬유콘크리트의 설계등가인장강도 104
표 2.3.9. 초기 FRC 배합표 105
표 2.3.10. 개선 FRC 배합표 105
표 2.3.11. Flow 시험 결과 106
표 2.3.12. 시험변수 106
표 2.3.13. FRC 압축강도 시험결과 107
표 2.3.14. FRC 배합의 적정성 평가 110
표 2.3.15. 강섬유콘크리트 배합 사용재료 111
표 2.3.16. 강섬유콘크리트의 분산도 평가결과 113
표 2.3.17. 노치보 단면의 섬유 수 114
표 2.3.18. 강섬유콘크리트 분산도 평가 115
표 2.3.19. 내충격성 시험결과 116
표 2.3.20. 설계인장모델 116
표 2.3.21. 절연성능 평가 변수 118
표 2.3.22. 표면저항결과 118
표 2.3.23. 횡 및 종방향 슬래브 트랙의 소요성능(설계휨강도) 120
표 2.3.24. 시험체 요약 120
표 2.3.25. 구조성능 평가 결과 123
표 2.3.26. 사용한계상태 및 극한한계상태의 거동성능 분석 124
표 2.3.27. Criteria for crack width 130
표 2.3.28. Exposure classes 130
표 2.3.29. 특성치 계산결과 132
표 2.3.30. 영역별 결과 136
표 2.3.31. 축력의 총합과 모멘트의 총합의 계산결과 138
표 2.4.1. 축중 이동에 따른 하중조건 141
표 2.4.2. 축중 이동에 따른 체결구 지지점 반력 142
표 2.4.3. 발생응력 결과 143
표 2.4.4. 슬래브 종방향 및 횡방향의 작용응력 및 설계응력 143
표 2.4.5. 허용응력 검토 145
표 2.4.6. SFRC 등급분류 체계 156
표 2.4.7. 인장 모델 적용된 상세 파라미터 161
표 2.5.1. LCC 분석 비용 입력 자료 182
표 2.5.2. LCC 분석 비용 입력 자료(계속) 183
표 2.5.3. 확정적 LCC 분석결과 184
표 2.5.4. 확률적 LCC 분석결과 187
그림 1.1.1. 궤도 기술발전 동향 19
그림 1.1.2. 프리캐스트 시공성에 따른 공기단축 및 LCC 분석 20
그림 1.2.1. 궤도의 회로장치 및 철근 절연작업 및 추가보수작업 20
그림 1.2.2. Fiber Reinforced Polymer(FRP)의 종류 21
그림 1.3.1. 철근 콘크리트 슬래브 궤도에 발생한 균열과 부식으로 인한 손상 21
그림 1.3.2. 섬유보강콘크리트의 균열저항성 및 휨 인성 22
그림 1.4.1. 기술 융합에 의한 고성능 신호교란 없는 프리캐스트 슬래브 개발 23
그림 2.1.1. 철도 건설 기준 체계도 25
그림 2.1.2. 열차 유무에 따른 궤도회로 변화의 예 26
그림 2.1.3. 궤도회로 물리적 모델 28
그림 2.1.4. 전기적 모델 28
그림 2.1.5. 예비실험 환경(실내) 29
그림 2.1.6. 예비실험 환경(야외) 29
그림 2.1.7. 철망 유무에 따른 전압레벨 차이 확인 30
그림 2.1.8. 전계 시뮬레이션 결과(short) 30
그림 2.1.9. 필드분포 시뮬레이션결과(전계) 30
그림 2.1.10. 궤도회로 해석을 위한 표준모델(사시도) 31
그림 2.1.11. 궤도회로 해석을 위한 표준모델(상면도) 31
그림 2.1.12. 궤도회로 해석을 위한 표준모델(정면도) 31
그림 2.1.13. 레일만 존재하는 경우, 거리에 따른 전류 변화 32
그림 2.1.14. 레일 하단부에 콘크리트가 존재하는 경우, 거리에 따른 전류 변화 32
그림 2.1.15. 철근 존재하는 경우, 거리에 따른 전류 변화 33
그림 2.1.16. 철근접점에 절연체가 존재하는 경우의 시뮬레이션 모델 확대도 33
그림 2.1.17. 철근 접점에 절연체가 존재하는 경우, 거리에 따른 전류 변화 33
그림 2.1.18. 철근을 5×8 형태로 배치 34
그림 2.1.19. 철근을 3×5 형태로 배치 34
그림 2.1.20. 횡방향 철근(16개)만 배근 35
그림 2.1.21. 종방향 철근(19개)만 배근 35
그림 2.1.22. 종횡방향 모두 철근으로 보강된 슬래브 궤도 배근도 36
그림 2.1.23. 종횡방향 모두 철근으로 보강된 슬래브 궤도의 거리에 따른 신호강도 변화 36
그림 2.1.24. GFRP로 횡방향 보강된 슬래브 궤도 배근도 37
그림 2.1.25. GFRP로 횡방향 보강된 슬래브 궤도의 거리에 따른 신호강도 변화 37
그림 2.1.26. GFRP로 횡방향 보강되고, 동시에 강섬유로 보강된 슬래브 궤도 배근도 38
그팀 2.1.27. 횡방향이 GFRP로 보강되고, 동시에 강섬유로 보강된 슬래브 궤도의 거리에... 38
그림 2.1.28. GFRP로 종횡방향 보강된 슬래브 궤도 배근도 39
그림 2.1.29. GFRP로 종횡방향 보강된 슬래브 궤도의 거리에 따른 신호강도 변화 39
그림 2.1.30. 체결장치가 고려된 해석 모델 40
그팀 2.1.31. 체결장치 영향을 고려한 GFRP로 횡방향 보강된 슬래브 궤도의 거리에 따른... 40
그림 2.1.32. 기존 콘크리트 패널 배근도 41
그림 2.1.33. 기존 콘크리트 패널의 거리에 따른 신호강도 변화 41
그림 2.2.1. FRP 재료에 따른 인장강도 범위 43
그팀 2.2.2. 그립(Grip)종류 선정을 위한 FRP보강근 형상 46
그림 2.2.3. 각 규준에 따른 FRP보강근의 그립부 47
그림 2.2.4. CSA(Canadian Standard Association)의 상세도 47
그림 2.2.5. ASTM(American Standard for Testing and Materials)의 상세도 48
그림 2.2.6. 쐐기형 그립의 상세도 48
그팀 2.2.7. ACI 기준의 FRP 종류에 따른 인장강도 49
그림 2.2.8. ASTM 기준의 FRP 종류에 따른 인장강도 49
그림 2.2.9. 모래분사형 GFRP보강근의 시험법에 따른 응력-변형률 52
그림 2.2.10. 인장시험법의 앵커부 상세 53
그림 2.2.11. 인장시험법의 강관 및 FRP보강근의 상세 54
그림 2.2.12. GFRP 및 BFRP보강근 및 리브의 형태 55
그림 2.2.13. FRP보강근의 인장실험 56
그림 2.2.14. 인발부착강도 시험 구성 상세도 58
그림 2.2.15. FRP의 직경에 따른 수직부착시험체의 모식도 59
그림 2.2.16. BFRP의 부착실험 결과 61
그림 2.2.17. GFRP의 부착실험 결과 62
그림 2.2.18. FRP 실험체 상세도 63
그팀 2.2.19. 알칼리 환경노출 65
그림 2.2.20. 환경조건하에서 BFRP 보강근의 하중-변위 관계 66
그림 2.2.21. 환경조건하에서 GFRP 보강근의 하중-변위 관계 67
그림 2.2.22. 동결융해를 받은 FRP 보강근의 인장강도와 탄성계수 변화 68
그림 2.2.23. 염해조건에서 FRP 보강근의 탄성계수 변화 69
그팀 2.2.24. 알칼리 50일 노출된 GFRP 보강근의 온도에 따른 강도특성 및 회귀분석 결과 70
그림 2.2.25. 알칼리 50일 노출된 BFRP 보강근의 온도에 따른 강도특성 및 회귀분석 결과 71
그림 2.2.26. 알칼리 100일 노출된 GFRP 보강근의 온도에 따른 강도특성 및 회귀분석 결과 71
그림 2.2.27. 알칼리 100일 노출된 BFRP 보강근의 온도에 따른 강도특성 및 회귀분석 결과 71
그림 2.2.28. 프리캐스트 궤도 슬래브 시험체 상세 72
그림 2.2.29. 프리캐스트 궤도 슬래브 시험체 제작 72
그팀 2.2.30. 프리캐스트 궤도 슬래브 시험체 상세 73
그림 2.2.31. 시험체 스트레인 게이지 부착위치 74
그림 2.2.32. BFRP 하중 변위 곡선 및 응력 변형률 곡선 75
그림 2.2.33. GFRP 하중 변위 곡선 및 응력 변형률 곡선 76
그림 2.2.34. BFRP 및 GFRP 정직 시험 파괴 형상 77
그림 2.2.35. 한계상태의 변형률곡선 78
그림 2.2.36. 한계상태의 균열곡선 78
그림 2.2.37. 해석방법별 하중-변위 관계(GFRP) 81
그림 2.2.38. 해석방법별 하중-변위 관계(BFRP) 81
그림 2.2.39. Abdalla(2002)의 실험결과와 이론적 하중-변위관계 82
그림 2.2.40. Acciai et al.(2016)의 실험결과와 이론적 하중-변위관계 83
그림 2.2.41. ABAQUS의 해석 흐름도 84
그팀 2.2.42. 해석대상 시험체 단면상세 85
그림 2.2.43. 유한요소 모델 86
그림 2.2.44. 콘크리트의 압축응력-변형률 선도 87
그림 2.2.45. 콘크리트의 인장응력-변형율선도 88
그림 2.2.46. 콘크리트의 파괴면 88
그팀 2.2.47. 철근의 인장응력-변형율선도 89
그림 2.2.48. GFRP 보강근의 인장응력-변형율선도 89
그림 2.2.49. G2-10 하중-처짐곡선 비교 91
그림 2.2.50. G4-10 하중-처짐곡선 비교 91
그림 2.2.51. G2-10 응력도(S11) 92
그팀 2.2.52. G2-10 응력 그래프(중앙단면) 92
그림 2.2.53. G4-10 응력도(S11) 93
그림 2.2.54. G4-10 응력 그래프(중앙단면) 93
그림 2.3.1. 후크 강섬유 종류와 성능비교 95
그림 2.3.2. 후크 수에 따른 강도의 변화 95
그팀 2.3.3. 후크수에 따른 강도의 변화 96
그림 2.3.4. 강섬유(3D) 보강콘크리트의 인장강도 검증결과 96
그림 2.3.5. 사용 믹서 및 강섬유콘크리트 배합 97
그림 2.3.6. 강섬유 형상 98
그림 2.3.7. 슬래브의 정적휨강도 시험 99
그림 2.3.8. 강섬유콘크리트 배합별 플로우 실험 전경 100
그림 2.3.9. 강섬유 혼입율에 따른 압축강도 결과 101
그림 2.3.10. 강섬유콘크리트 하중-CMOD 결과 102
그림 2.3.11. 강섬유 종류별 균열강도 및 균열 후 잔존강도 변화 103
그림 2.3.12. CMOD 0.5mm일 때 잔존 인장/균열강도 결과 103
그림 2.3.13. 최적강섬유 혼입율 분석 104
그림 2.3.14. RC 섬유혼입률에 따른 압축강도 결과 107
그팀 2.3.15. FRC 하중-CMOD 결과 108
그림 2.3.16. 섬유 종류별 균열강도 및 균열 후 잔존강도 변화 109
그림 2.3.17. 잔존 인장강도/균열강도 결과 109
그림 2.3.18. 강섬유콘크리트 하중-CMOD 결과 111
그림 2.3.19. 강섬유콘크리트의 직접인장강도 결과 112
그팀 2.3.20. 섬유분산도 평가 방법 112
그림 2.3.21. 섬유분산도 평가 방법 113
그림 2.3.22. 충격성 시험방법 115
그림 2.3.23. 표면전기저항시험 개요 117
그림 2.3.24. 저항 측정방법 117
그팀 2.3.25. 시험체 모식도 118
그림 2.3.26. 전기저항시험 측정결과 119
그림 2.3.27. 슬래브의 정적휨강도 시험 120
그림 2.3.28. 시험체 제작 전경 121
그림 2.3.29. 시험체 가력준비 121
그팀 2.3.30. 횡방향 시험체 휨균열과 파괴 모습 122
그림 2.3.31. 횡방향 시험체 하중-변위 곡선 122
그림 2.3.32. 종방향 시험체 휨균열과 파괴 모습 123
그림 2.3.33. 종방향 시험체 하중-변위 곡선 123
그림 2.3.34. 사용한계 및 극한한계상태의 거동성능 평가 방법 124
그림 2.3.35. 영향분석 결과 125
그림 2.3.36. 강섬유 혼입량, 섬유종류와 모델에 따른 영향분석 결과 125
그림 2.3.37. 보 시험체의 단면치수 126
그림 2.3.38. 하중-CMOD 그래프 127
그림 2.3.39. 응력선도 128
그림 2.3.40. 변형률선도 128
그림 2.3.41. 응력선도 상세도 131
그팀 2.3.42. 응력선도의 A구간 133
그림 2.3.43. 응력선도의 B구간 133
그림 2.3.44. 응력선도의 C구간 134
그림 2.3.45. 응력선도의 D구간 135
그림 2.3.46. 응력선도의 E구간 135
그팀 2.3.47. 응력선도의 축력 및 모멘트 137
그림 2.3.48. full SFRC의 P-M상관도 138
그림 2.4.1. FRP 보강 콘크리트 휨설계 예제의 예 139
그림 2.4.2. 하중재하 모델 140
그림 2.4.3. 축중 이동에 따른 체결구 지지점 반력 141
그림 2.4.4. LC1의 경우, 종방향 응력 분포도(변형 500배 확대) 142
그림 2.4.5. LC1의 경우, 횡방향 응력 분포도(변형 500배 확대) 142
그림 2.4.6. LC4의 경우, 종방향 응력 분포도(변형 500배 확대) 143
그림 2.4.7. LC4의 경우, 횡방향 응력 분포도(변형 500배 확대) 143
그림 2.4.8. 온도변화에 의한 초기응력을 고려한 허용응력/힘강도 비 144
그팀 2.4.9. FRP 보강비에 따른 강도감소계수 148
그림 2.4.10. 강섬유 보강콘크리트 인장모델 153
그림 2.4.11. 강섬유 보강콘크리트 실험 및 단면해석(예측설계)결과 비교 153
그림 2.4.12. 강섬유 보강콘크리트 전단실험 및 예측비교 154
그림 2.4.13. SFRC 인장강도 평가시험(BS-EN14651) 155
그림 2.4.14. SFRC의 등급 분류 157
그림 2.4.15. 철근대체를 위한 소요인장성능 기준 157
그림 2.4.16. SFRC 구조거동 소요기준 158
그림 2.4.17. 휨 시험 방법(RILEM TC 162-TDF) 159
그림 2.4.18. 등가휨강도 계산 방법 160
그림 2.4.19. 섬유 보강 콘크리트의 압축/인장 재료 모델(RILEM TC 162-TDF) 160
그림 2.4.20. 강섬유 보강 콘크리트의 인장모델 161
그팀 2.4.21. 강섬유 보강 콘크리트의 단면해석 절차 162
그림 2.4.22. 강섬유 보강 콘크리트의 단면해석 상세 162
그림 2.4.23. 강섬유 보강 철근 콘크리트 보의 모멘트 vs. 곡률 곡선 163
그림 2.5.1. 설계관련 전문가 자문 결과 164
그림 2.5.2. 구조설계서 KCI 자문의견서(1) 165
그팀 2.5.3. 구조설계서 KCI 자문의견서(2) 166
그림 2.5.4. 구조설계서 KCI 자문의견서(3) 167
그림 2.5.5. 슬래브 시험체 제작 168
그림 2.5.6. 횡방향 시험 장치도 168
그림 2.5.7. 종방향 시험 장치도 168
그팀 2.5.8. 정적하중시험 하중조건 169
그림 2.5.9. 횡방향 시험 결과: 변위 vs. 하중(균열폭 0.5mm 발생이후) 170
그림 2.5.10. 종방향 시험 결과: 변위 vs. 하중(균열폭 0.5mm 발생이후) 171
그림 2.5.11. 피로하중시험 하중조건 171
그림 2.5.12. 횡방향 시험 결과: 변위 vs. 하중(200만회 피로이후) 172
그림 2.5.13. 종방향 시험 결과: 변위 vs. 하중(200만회 피로이후) 173
그림 2.5.14. 전기저항 시험장치 및 측정회로 구성 173
그림 2.5.15. 시편제작 및 시험 174
그림 2.5.16. 시편제작 및 시험 174
그림 2.5.17. Vossloh 사의 system-300 체결장치가 사용된... 175
그림 2.5.18. KR형 체결장치가 사용된 궤도의 전기저항성능... 175
그림 2.5.19. Vossloh 사의 system-300 체결장치가 사용된 궤도의 전기저항성능 공인성적서 176
그림 2.5.20. KR형 체결장치가 사용된 궤도의 전기저항성능 공인성적서 177
그림 2.5.21. 항목별 발생비용(Level 1 분석) 185
그림 2.5.22. 누적발생비용(Level 1 분석) 185
그팀 2.5.23. 분석시간에 따른 민감도분석 186
그림 2.5.24. 할인율에 따른 민감도분석 186
그림 2.5.25. 항목별 발생비용(Level 2 분석) 187
그림 2.5.26. 누적 발생비용(Level 2 분석) 187
그림 2.5.27. 확률밀도함수(PDF) 188
그팀 2.5.28. 누적확률밀도함수(CDF) 188
그림 2.5.29. 개발된 FRP FRC 슬래브궤도와 차별성 189
그림 2.5.30. 기업의 기술이전을 통한 FRP FRC 슬래브궤도의 사업화 계획 190
그림 4.2.1. 충전층 파손으로 인한 균열 200