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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.2 pp.58-63
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.2.058

Development of Innovative Application Technology of Geofoam for Sustainable Design of Eco-bridges under Deep Soil Cover

Yeon-Wook Jeong1, Zheong-Zun Yi2, Sung-Jun Cho3, Hwan-Gi Im4, Jong-Sup Park5, Jun-Suk Kang6
1Undergraduate, Department of Landscape Architecture and Rural System Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
2Graduate, Department of Landscape Architecture and Rural System Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
3Research Assistant, Department of Landscape Architecture and Rural System Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
4Graduate, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan-si, Chungnam 330-720, Republic of Korea
5Professor, Department of Civil Engineering, Sangmyung University, Cheonan-si, Chungnam 330-720, Republic of Korea
6Professor, Department of Landscape Architecture and Rural System Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea
Corresponding author: Kang, Junsuk Department of Landscape Architecture and Rural Systems Engineering, Seoul National University, Seoul 08826, Republic of Korea Tel: +82-2-880-2227, Fax: +-82-2-873-5113, E-mail: junkang@snu.ac.kr
May 18, 2018 June 19, 2018 June 21, 2018

Abstract


The objective of this study is to develop the innovative application methodology of Geofoam for sustainable design of eco-bridges under deep soil cover. Traditionally, the soft maerial zone has been located on the top or above the buried conduit to reduce the earth pressures, which is called imperfect trench installation (ITI). There, however have been no previous studies for the application of ITI on buried arch structures. This study investigated the structural effects of Geofoam surrouding buried arch bridges, which was named as embedded trench installation (ETI). Various shapes and locations of Geofoam have been investigated for both ETI and ITI. The findings from this study showed that ETI could effectively increase the stability and sustainability of deeply buried eco-bridges.



토피고가 큰 생태교량 (Eco-Bridge)의 지속가능설계를 위한 지오폼 (Geofoam)의 적용기술 개발

정 연욱1, 이 정준2, 조 성준3, 임 환기4, 박 종섭5, 강 준석6
1서울대학교 조경지역시스템공학부 학사과정
2서울대학교 조경지역시스템공학부 석사과정
3서울대학교 조경지역시스템공학부 연구원
4상명대학교 건설시스템공학과 석사과정
5상명대학교 건설시스템공학과 교수
6서울대학교 조경지역시스템공학부 조교수

초록


    1 서 론

    그동안 급격한 도시개발로 인해 생태계 파괴가 지속적 으로 발생하였다. 최근에는 이러한 생태계 파괴의 심 각성을 인지하며 또한 지속 가능 개발에 대한 논의가 이어짐에 따라 생태계를 유지하면서 개발할 수 있는 방법에 대한 논의가 이어져왔다. 이 중 하나로 개발 구역 간의 동식물들의 이동 및 교류에 영향을 주지 않 기 위한 생태교량을 만들어 줌으로써 생태계의 파괴를 최소화하는 방안이 생겨났고 시행되었다. 하지만 이러 한 생태교량의 중요성은 아직 많이 인식되어 지지 못 하고 있으며 단순한 생태계 연결로써의 기능만을 강조 한 나머지 단순히 이것의 기능적인 측면에 대해서만 연구가 주로 이루어지고 있다. 반면, 생태 교량의 지속 가능성에 대해서는 논의가 잘 이루어지지 않고 있다. 본 연구는 생태교량의 지속가능성을 높일 수 있는 방 법에 대해서 알아보려 하였다. 이때 지속가능성을 높 일 수 있는 방법으로 교량의 보강재로 지오폼 (Geofoam)을 사용하는 것을 고려해 보았다. 지오폼은 발포성 폴리스티렌(Expanded Polystyrene)으로써 연 약지반상에 축조되는 구조물에 의한 응력증가를 감소 시켜서 침하를 방지하는 기능을 한다. 또한 지오폼은 교대나 옹벽의 보강재로 사용할 경우 저중량 고압축성 으로 인하여 횡토압을 감소시킨다. 따라서 본 연구의 목적은 지오폼을 토피고가 큰 생태교량의 보강재로 사 용하였을 때 교량이 받는 토압 및 하단지지부의 반력 의 변화를 분석하여 지속가능성의 측면에서 이것이 얼 마나 유용한지를 정량적으로 보여주는 것이다.

    2 연구배경

    기존 연구들은 생태교량의 생태학적 가치 및 문제점 을 살펴보기도 하였으며(Choi et al., 2007) 생태교량 의 구조에 따른 안전성을 분석하여 보기도 하였 다.(Kim et al., 2010) 하지만 보강재를 활용하여 생태 교량에 대한 안전성을 분석하는 것은 없었다.

    Kang et al (2007, 2009, 2013a, 2013b)은 지오폼 을 보강재로 활용하여 지오폼이 매설관의 일부만 감 싸는 경우(Imperfection Trench Installation, ITI)와 매설관 전체를 감싸는 경우(Embedded Trench Installation, ETI)를 설정하여 다양한 지오폼 형상이 지중 매설 관에 미치는 구조적 영향을 분석하였다 (Fig. 1).

    이 연구를 통해 파이프 형태로 이루어진 모든 물 질에 대해서 Figure 1(b)와 같은 형상의 지오폼을 보 강재로 사용할 경우 안전성을 극대화할 수 있음을 보 였었다. 하지만 아치의 구조물에 있어서는 지오폼이 보강재로써 어떠한 역할을 할 수 있는 지에 대한 연 구가 이루어져 있지 않았기 때문에 본 연구를 통해 아치형 구조물에 있어 지오폼의 적용 가능성과 그 영 향의 정도를 분석해보고자 한다.

    3 본 론

    3.1 연구방법

    본 연구는 유한요소법을 통해 이루어졌다. 유한요소법 은 엔지니어가 외적 조건(하중, 온도 등)에 대한 도메 인(구조, 유체 등)의 물리적 반응을 계량화할 수 있는 방법이다. 이때, 도메인은 몇 개의 서브 도메인으로 나눠지고 유한요소라고 불리는 이산영역의 어셈블리 로 모델링 된다. 유한요소 해석은 구조물의 취약도나 안전성을 분석하는데 매우 널리 이용되고 있다.(Kim et al., 2017) 이 유한요소법을 활용하여, 생태교량이 교량을 덮고 있는 흙의 높은 하중으로부터 교량이 받 는 압력 및 반력에 대해서 알아보며, 흙과 교량 사이 의 보강재 지오폼을 활용할 경우, 교량이 받는 힘이 어떻게 변하는 지에 대해서 알아보았다.

    우선 교량은 관경이 13,740㎜이며, 하부에서 5,410 ㎜를 절단하여 원형 아치형상을 구현하여 길이 13,740 ㎜, 높이 8,330㎜ 두께 300㎜로 하였으며 Rise Ratio 는 0.85로 설정하였다(Fig 2).

    본 연구에서는 유한요소법을 적용하기 위해 Abaqus 프로그램을 이용하였다. 또한 분석을 위해서 지오폼과 교량의 재료 및 교량을 덮고 있는 흙의 물 성에 대해서 조사를 하였으며 지오폼의 경우에는 EPS12를 선택하여 이 물성을 반영하였다(Table 1). 흙과 지오폼은 비선형재료모델을 사용하였고, 교량은 선형물성치를 사용하였다. 흙과 지오폼의 유한요소해 석모델은 Plane Strain요소를 사용하였다.

    이를 바탕으로 Abaqus 프로그램을 통해 흙이 교 량을 덮고 있는 이차원 모델을 구현하였으며, 교량은 대칭구조를 이루고 있기 때문에 교량을 등분하여 한 쪽만을 모델로 만들었다(Fig.3). 이때 교량은 Beam요 소를 사용하였다. Beam 요소의 단면은 직사각형 (0.3m×1.0m)이다. 또한 교량과 흙의 바닥은 좌우나 위아래로 움직일 수 없게 고정시키며 동시에 교량과 보강재는 떨어질 수 없도록 하였으며 교량이 등분되 는 지점에서는 좌우로 움직이거나 회전이 일어날 수 없도록 설정하였다. 또한 지중 아치구조물의 구조거동 에 미치는 영향을 고려하여 토양의 연속체 성질에 따 라 아치 높이의 3배만큼 통양을 모델링하였다. 또한 이때 지반의 전체 크기가 경계조건의 영향과 서로 간 섭하지 않는다고 가정하였다.

    우선적으로 지오폼을 보강재로 사용하지 않았을 경우와의 비교를 위하여 보강재가 없는 교량 모델을 만들었다. 다음으로는 보강재가 교량을 완전히 감싸는 경우(ETI)와 일부만을 감싸는 경우(ITI)에 대한 우선 적인 비교를 위해 지오폼이 교량의 상부만을 덮고 있 는 모델과 교량 전체를 감싸는 모델을 각각 만들었다 (Fig. 4).

    다음으로는 지오폼이 교량을 감싸는 형태에 따른 교량의 안전성에 미치는 영향을 비교하기 위해서 교 량을 감싸는 지오폼의 형태를 원형, 직사각형 그리고 정사각형으로 총 세가지로 만들어 보았다(Figure 5). 이때 지오폼의 형태는 원형(교량의 중심을 기준으로 반지름 10m)과 사각형의 형태는 직사각형(교량의 중 심점을 기준으로10m×8m)과 정사각형(교량의 중심점 을 기준으로 9m×9m)으로 두 가지로 만들어 보았으며 지오폼의 두께는 교량의 높이의 10%를 넘지 않도록 하였으며 그 주변을 흙을 덮고 있도록 모델을 만들었 다.(Fig. 6) 또한 위 모든 모델은 Abaqus 프로그램 내의 Mesh 기능을 이용하여 작은 조각들로 모델을 나누어 각 부분에서 갖는 정량적인 값들을 분석할 수 있도록 하였다(Fig. 7).

    이때 세 모델에서 이용되는 지오폼의 양은 같게 설정하여 같은 양을 이용하였을 경우 무엇이 가장 효 율적이며 경제적인지 알아보고자 하였다. 따라서 지오 폼의 부피에 따라 본 실험의 결과는 바뀔 수 있지만 세 가지 모델의 부피를 같게 함으로써 형태에 안전성 분석 및 비교가 가능하도록 하였다.

    또한 교량을 21개의 지점으로 나누어 각각의 노드 (Node)를 설정하여 단순히 교량이 받는 전체적인 영 향을 보는 것이 아니라 교량의 부분별로 보강재가 어 떻게 영향을 주는 지는 자세히 알 수 있도록 하여 분 석의 신뢰도를 높였다. (Fig. 8).

    교량에 가해지는 하중은 교량자중과 흙의 자중으 로 주었으며, 그 외의 차량하중등은 토피고가 큰 경우 이기에 고려되지 않았다.

    지반구조 상호작용 연구에서 흙의 모델링은 가장 중요한 부분 중의 하나이다. 본 연구에서는 지중매설 관의 거동특성 파악에 널리 사용되는 비선형 토질모 델인 Duncan and Selig soil model (Duncan and Chang 2007, Selig 1988)을 사용하였다. 흙의 탄성계 수와 포아송비는 식 (1)과 (2)를 통해 계산되었다.

    E t = [ 1 R f ( 1 sin ϕ ) ( σ 1 σ 3 ) 2 cos ϕ + 2 σ 3 sin ϕ ] 2 K P a ( σ 3 P a ) n
    식(1)

    B = B 1 [ + σ m ( B i ε u ) ] 2
    식(2)

    1. E t = tangent elastic modulus

    2. ϕ = angle of internal friction

    3. c = cohesion

    4. R f = failure ratio

    5. K = elastic modulus constant

    6. P a = atmospheric pressure

    7. n = elastic modulus exponent

    8. B i = initial bulk modulus

    9. ε u = ultimate volumetric strain

    10. σ m = mean stress

    3.2 연구결과

    지오폼을 교량의 상부에만 보강재로 이용할 경우 (ITI), 교량이 받는 평균압력이 감소하였지만 일부의 지점들은 그 압력이 감소하지 않음을 확인할 수 있었 다. 반면에 지오폼이 교량을 감싸는 경우(ETI), 교량 이 받는 평균압력의 감소뿐만 아니라 교량의 모든 지 점에서 압력의 감소가 있었으며, 일정한 압력변화를 보였다. 따라서 ITI에 비해 ETI가 교량의 지속가능성 을 높여줄 수 있음을 확인하였다(Fig. 9).

    이를 통해 지오폼이 교량을 감싸는 형태 분석에 있어 교량을 완전히 감싸는 것이 타당함을 추론할 수 있었다. 즉 ITI 기법은 교량의 상부 토압은 확연하게 저감시켜주지만 측면과 하부의 토압에 저감효과는 보 이지 않았다. 반면에 ETI 기법의 적용 시 아치교량 상단에서는 ITI 기법과 유사한 토압 저감효과가 나타 났으나 교량의 상부, 측면 및 하부 전체적인 부분에서 토압 저감효과가 두드러지는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 10).

    다음으로 지오폼이 교량을 감싸는 형태에 관한 분 석에서는 우선, 교량이 받는 평균압력은 보강재를 이 용하지 않았을 때의 약 1/10 정도로 떨어졌다. 이때 보강재를 이용하여 교량을 감싸는 형태에 따라서는 원형의 경우 약 91.5%, 직사각형의 경우 약 90.5%, 정사각형의 경우 약 88%의 평균압력의 감소를 보였 다. 따라서 보강재를 이용하여 교량을 감싸는 경우, 원형으로 감싸는 경우가 평균압력을 가장 많이 줄여 주었으며 직사각형의 경우 일부 지점에서는 압력을 원형보다 줄여주기도 하였지만 전반적으로는 원형이 더욱 고른 압력 감소를 보였다. 또한 세로의 높이를 더욱 높게 한 직사각형의 지오폼 형태가 정사각형의 형태보다 더욱 압력을 감소 시켰으며 직사각형의 경 우가 정사각형의 경우에 비해 더욱 고른 압력 감소를 보였다(Fig. 11-12).

    또한 교량의 지점부 반력에 대해서 살펴보았는데 이는 지점부 반력 또한 교량의 지속가능성에 영향을 줄 수 있기 때문이다. 이를 위해 교량 바닥의 반력을 알아보았다. 그 결과, 교량 바닥의 수직방향으로 작용 하는 힘이 원형의 경우 약 84.15%, 직사각형의 경우 약 83.65%, 정사각형의 경우 약 78.38%의 감소를 보 였다. 따라서 교량을 토압으로부터 지탱하는 데 있어 서도 지오폼을 이용하여 원형으로 교량을 감까는 것 이 더욱 안전성을 높여주는 것을 확인할 수 있었다 (Fig. 13).

    4 결 론

    본 연구에서는 유한요소 해석 프로그램인 Abaqus를 이용해서 생태교량에 있어 지오폼을 보강재로 이용하 였을 때 그 형태에 따른 교량이 받는 압력과 반력에 대해서 살펴보았다. 그 결과, 지오폼을 보강재로 이용 할 경우 교량이 받는 압력과 반력이 크게 감소하는 것을 확인하였으며 이때 지오폼을 교량의 일부만을 감싸는 것이 아닌 교량 전체를 감싸는 것이 더욱 교 량 전체의 안전성을 높여주는 것을 확인하였다. 이를 통해 지오폼을 보강재로 이용하는 것이 교량의 지속 가능성을 높여 줄 수 있음을 확인하였다.

    또한 지오폼을 이용하여 교량을 감싸는 경우, 그 형태가 원형일 경우가 가장 교량의 안전성을 높여줌 을 함께 확인할 수 있었다. 하지만 보강재를 원형으로 감싸는 것은 기술적인 문제와 비용적인 문제가 발생 할 수 있기 때문에 그러한 경우에는 사각형으로 교량 을 감싸게 될 수밖에 없는데, 이때 정사각형의 모양으 로 교량을 감싸기 보단 직사각형의 모양으로 감싸는 경우가 더욱 적합하다는 결론을 유도할 수 있었다. 이 러한 지오폼의 형태를 비교함을 통해서 교량의 안전 성을 더욱 높여줄 수 있는 방안에 대해 탐구해보았고 이는 나아가 교량의 지속가능성을 높여주는 방안을 찾아본 것이라 할 수 있다.

    본 연구를 통해서 생태계를 위한 생태교량의 지속 가능성을 높여줄 수 방법을 알아보며 그 영향을 구체 적인 수치로 살펴보았다. 그 결과 지오폼이 유용한 보 강재가 될 수 있음을 확인하였으며 이것은 생태계를 위한 생태교량이 한층 더 생태계를 위한 방법이 되는 방안이 될 수 있다. 또한 본 연구는 앞으로의 교량의 안전성분석 및 경제적 효율성을 높이는 방안을 논의 하는데 있어 매우 유용한 자료가 될 수 있을 것이라 생각한다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술촉진연구사업 (17TCAP-C132629-01, 17TCAP-C132633-01)의 지 원에 의해 수행되었으며 이에 감사드립니다.

    Figure

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    Noation for ITI and geometries of soft zone: (a) noation, (b) ETI(Embedded Trench Installation), and (c) ITI(Imperfection Trench Installation).

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    The specification of bridge (unit: m)

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    Basic model of Soil and Bridge

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    Scheme of ETI and ITI

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    models in Abaqus

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    Scheme of each model

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    Meshed model of circle in Abaqus

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    Node number of the Bridge

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    Comparing Contact Pressure between ITI and ETI

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    Scheme of the Pressure of ITI and ETI

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    Contact Pressure of each model

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    Difference of Contact Pressure according to shape

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    Reaction Force of each model

    Table

    Material properties

    Reference

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