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pp.18-30
본 연구는 해양 환경에 설치되는 도교 구조물의 강재 부재의 부식 문제를 해결하고자 내부식성 재료인 FRP 제품으로 대체하 는 연구 과제의 일환으로써, 대체 구조물 설계 및 구조적 건전성 검증과 FRP 거더(GFRP, CFRP) 적용 시의 타당성을 검증하기 위해 수치해석적 연구를 수행하였다. 대체 구조물의 경우, 인천항 갑문 인근의 리딩피어 연결도교의 제원을 기반으로 각종 KDS 기준에 근거하여 설계되었으며, ABAQUS를 이용한 3차원 유한요소해석 모델을 통해 재료 변화에 따른 구조 거동을 비교⋅분석하였다. 하중 조건은 보도교 설계기준에 따라 0.0035 MPa의 등분포 활하중 등을 고려하였으며, 두 가지 하중 조합(극한한계상태, Case 1 및 사용 한계상태 Case 2)에 대해 검토하였다. 해석 결과, 사용성 측면에서 모든 하중 조합에 대해 허용 처짐(22.22 mm)을 만족하였다. GFRP 는 낮은 강성으로 강재 대비 처짐이 약 23.4% 증가했으나, CFRP는 강재 대비 약 0.3% 감소하여 강재와 유사한 거동을 보였다. 동적 특성 분석 결과, 모든 재료가 보행자 유발 공진 가능성이 낮은 것으로 확인되었으며, 내구성 측면에서 또한 마찬가지로 모든 재료가 휨, 전단, 축 하중에 대해 충분한 구조적 안정성을 확보하였다. GFRP 적용 시, 낮은 강성으로 인해 하중이 난간으로 재분배되는 현상 이 관찰되었으며, 이로 인해 난간의 축 압축 Damage가 강재 대비 약 24.9% 증가하였다. CFRP는 강재와 유사한 거동 특성을 보였으 나, 전단력 Damage에서 강재 대비 약 209.2% 및 GFRP 대비 약 110.2% 높게 산정되어 휨 성능 대비 전단 성능이 내구성 검토 시 더 불리하게 작용할 수 있음을 확인하였다. 본 연구는 FRP 거더, 특히 CFRP가 강재의 부식 문제를 해결할 수 있는 효과적인 대체재 로 작용할 수 있음을 정량적으로 검증하였다. 다만, 제시된 해석 모델은 Beam 요소를 이용한 단순화된 모델로써, 재료의 이방성 및 접합부 국부 거동을 상세히 규명하는 데에는 한계가 명확하다. 따라서 후속 연구로써 상세 해석을 통한 최적 설계 검토가 필요할 것으 로 판단된다.
To address steel corrosion in marine gangways, this study numerically evaluated the feasibility of using FRP (GFRP and CFRP) girders as replacements. A structural model, based on an existing KDS-compliant bridge, was developed using ABAQUS 3D FEM. Structural behavior under standard pedestrian loads (0.0035 MPa) was analyzed for two limit states: the Ultimate Limit State) (Case 1) and the Serviceability Limit State (Case 2). These results confirmed that, in terms of serviceability, the structure satisfied the allowable deflection criterion (<22.22 mm) under all load combinations. Owing to its lower stiffness, the GFRP girder showed a ~23.4% increase in deflection compared to steel, whereas the CFRP girder behaved similar to steel, with only a 0.3% reduction in deflection. Dynamic analysis indicated that all materials had a low probability of pedestrian-induced resonance. Similarly, in terms of durability, all materials demonstrated sufficient structural stability against bending, shear, and axial loads. However, when GFRP was applied, load redistribution to the handrails was observed owing to its low stiffness, resulting in a ~24.9% increase in axial compression damage to the handrail compared to the steel model. The CFRP girder showed behavior similar to steel; however, its shear damage was significantly higher, approximately 209.2% compared to steel and 110.2% compared to GFRP, indicating that shear performance, relative to its bending performance, may be a more critical factor in durability assessments. This study quantitatively verified that FRP girders, particularly CFRP, can serve as an effective replacement to mitigate steel corrosion. However, the analytical model used here was simplified, employing beam elements, which limits the representation of material anisotropy and the local behavior of connections. Therefore, a follow-up study involving detailed analysis is necessary to determine an optimal design.
1. 서 론
1.1 연구 배경 및 필요성
1.2 국내외 연구 동향 분석
1.3 연구의 목적 및 방법
2. 대상 구조물 선정 및 대체 구조물 설계
2.1 대상 구조물 선정 및 제원
2.2 대체 구조물 설계
3. 수치해석 모델링
3.1 유한요소모델
3.2 재료 물성
3.3 강도 특성 산정
3.4 하중 조건
4. 해석 결과 및 고찰
4.1 사용성 검토
4.2 내구성 검토
5. 결 론
ACKNOWLEDGMENT
REFERENCES
국문초록
