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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 尹餐渶
- 발행연도
- 2018
- 저작권
- 강릉원주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수2
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우리나라의 북동부에 위치한 강원지역은 총면적의 90%가 고도 100m 이상의 산지로 이루어져 있어, 고도가 높아질수록 기온이 낮아지는 특성상 겨울철 기온이 영하로 떨어지는 날이 많은 한랭지역이다. 이에 강원지역에서 운영 중인 도로터널은 다른 지역의 도로터널들 보다 낮은 외기온도에 노출되어 있어 동결피해에 취약한 특징이 있으며, 실제로 겨울철 강원지역의 도로터널에서는 동결피해 발생 사례가 지속적으로 발생함에 따라 유지관리상 많은 문제점이 발생하고 있다.
국외의 경우, 일본 북해도 지역의 도로터널에서도 유사한 동결피해 발생 사례가 보고되고 있다. 이에 북해도 지역에서는 도로터널의 동결피해를 방지하기 위해 표고, 동절기간 등을 고려하여 단열재를 설계하도록 규정하고 있으며, 경제성을 비교하여 단열에 필요한 두께를 결정하게 되어있다. 또한, 단열재 두께를 산정하기 위한 적용조건도 추가로 제시하고 있다. 노르웨이에서는 단열재 중에서 PE폼 45mm의 사용을 권고하고 있다. 하지만 우리나라의 터널설계기준에서는 동결피해를 저감시키기 위해 일부 지역에서 단열공법의 필요성을 제시하고 있지만, 세부적인 단열공법의 적용 기준은 제시되어 있지 않은 실정이다. 또한, 국내의 연구 동향은 도로의 동상방지층이나 터널의 화재에 의한 단열 등의 연구가 주를 이루고 있을 뿐, 터널 라이닝 부의 동결피해를 저감시키기 위한 국내 환경에 부합하는 단열재의 두께와 재료의 특성인 열전도율에 따라 단열 효과 등을 분석하고 기후특성을 고려하여 이를 설계에 반영할 수 있는 연구는 전무하다.
따라서 본 연구에서는 한랭지역인 강원지역의 기후특성 및 지반특성과 도로터널의 구조적 특성을 고려한 수치해석을 수행하여 도로터널의 라이닝 배면 지반에 대한 단열재의 동결저감 효과 분석하였다. 그 결과 단열재의 종류에 따라서 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 온도 범위는 상이한 것으로 나타났으며. 열전도율이 가장 낮은 단열재를 사용하는 것이 동결저감 효과가 큰 것으로 나타났다. 라이닝 부의 콘크리트와 숏크리트의 두께 변화는 동결저감 효과에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 반면에 배면 지반의 열전도율과 외기온도의 지속시간은 동결저감 효과에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 단열재 설계 시 지반의 열전도율과 외기온도 변화 및 지속시간 등을 고려한다면 효율적으로 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 강원지역에서 가장 추운 대관령지역의 온도분포를 바탕으로 단열재의 동결저감 효과를 분석한 결과, 20mm 두께의 단열재만 적용하여도 겨울철 동안 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 것으로 나타났다.
결과적으로 강원지역 도로터널 라이닝 배면 지반의 동결을 저감할 수 있는 효율적인 단열재의 두께는 20mm인 것으로 판단된다.
국외의 경우, 일본 북해도 지역의 도로터널에서도 유사한 동결피해 발생 사례가 보고되고 있다. 이에 북해도 지역에서는 도로터널의 동결피해를 방지하기 위해 표고, 동절기간 등을 고려하여 단열재를 설계하도록 규정하고 있으며, 경제성을 비교하여 단열에 필요한 두께를 결정하게 되어있다. 또한, 단열재 두께를 산정하기 위한 적용조건도 추가로 제시하고 있다. 노르웨이에서는 단열재 중에서 PE폼 45mm의 사용을 권고하고 있다. 하지만 우리나라의 터널설계기준에서는 동결피해를 저감시키기 위해 일부 지역에서 단열공법의 필요성을 제시하고 있지만, 세부적인 단열공법의 적용 기준은 제시되어 있지 않은 실정이다. 또한, 국내의 연구 동향은 도로의 동상방지층이나 터널의 화재에 의한 단열 등의 연구가 주를 이루고 있을 뿐, 터널 라이닝 부의 동결피해를 저감시키기 위한 국내 환경에 부합하는 단열재의 두께와 재료의 특성인 열전도율에 따라 단열 효과 등을 분석하고 기후특성을 고려하여 이를 설계에 반영할 수 있는 연구는 전무하다.
따라서 본 연구에서는 한랭지역인 강원지역의 기후특성 및 지반특성과 도로터널의 구조적 특성을 고려한 수치해석을 수행하여 도로터널의 라이닝 배면 지반에 대한 단열재의 동결저감 효과 분석하였다. 그 결과 단열재의 종류에 따라서 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 온도 범위는 상이한 것으로 나타났으며. 열전도율이 가장 낮은 단열재를 사용하는 것이 동결저감 효과가 큰 것으로 나타났다. 라이닝 부의 콘크리트와 숏크리트의 두께 변화는 동결저감 효과에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다. 반면에 배면 지반의 열전도율과 외기온도의 지속시간은 동결저감 효과에 큰 영향을 주는 것으로 나타났다. 따라서 단열재 설계 시 지반의 열전도율과 외기온도 변화 및 지속시간 등을 고려한다면 효율적으로 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, 강원지역에서 가장 추운 대관령지역의 온도분포를 바탕으로 단열재의 동결저감 효과를 분석한 결과, 20mm 두께의 단열재만 적용하여도 겨울철 동안 배면 지반의 동결을 방지할 수 있는 것으로 나타났다.
결과적으로 강원지역 도로터널 라이닝 배면 지반의 동결을 저감할 수 있는 효율적인 단열재의 두께는 20mm인 것으로 판단된다.
목차
차 례국문요약 ⅰ영문요약 iii차 례 vi표 차 례 viii그림차례 ix제 1 장 서 론 11.1 연구배경 및 목적 11.2 연구내용 및 방법 6제 2 장 문헌조사 92.1 한랭지역인 강원지역의 도로터널 현황 92.2 도로터널의 동결피해 112.2.1 동결피해 유형 및 원인 112.2.2 동결피해 발생 사례 132.2.3 동결피해 대책공법 20제 3 장 수치해석 조건 253.1 유한요소망 및 경계조건 253.2 온도 조건 결정 273.2.1 외기온도 조건 273.2.2 지중온도 조건 283.3 강도정수 및 열 특성 31제 4 장 수치해석을 통한 단열재의 동결저감 효과 분석 344.1 초기조건 결정 344.2 도로터널 라이닝 배면 지반의 동결 범위 변화 384.2.1 단열재 재료별 384.2.2 콘크리트 두께별 414.2.3 숏크리트 두께별 444.2.4 배면 지반의 열전도율별 474.2.5 외기온도 지속시간별 514.2.6 외기온도 변화 패턴별 54제 5 장 결론 58참고 문헌 61
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