2024-3조

프로젝트 개요

기술개발 과제

국문 : 환경적 요인을 고려한 자가 발전 선회교 디자인 및 에너지 요구량 분석.

영문 : Design of Self-Powered Swing Bridge Considering Environmental Factors and Energy Demand Analysis..

과제 팀명

그린교조(3조)

지도교수

박도원 교수님

개발기간

2024년 9월 ~ 2024년 12월 (총 4개월)

구성원 소개

서울시립대학교 토목공학과 2021860006 김유민(팀장)

서울시립대학교 토목공학과 2021860042 김민서

서울시립대학교 토목공학과 2021860046 윤누리

서울시립대학교 토목공학과 2021860038 진채연

서울시립대학교 토목공학과 2021860049 최우택

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

◇ 관광 자원으로써 좋은 가치를 가지고 있는 가동교를 설계

◇ 가동교에 에너지 발전기를 설치하여 자가발전으로 에너지를 얻는 그린 가동교 프로젝트 진행

◇ 교량 가동 및 시설 유지에 필요한 에너지 계산

◇ 선회교 설계 시 필요한 다리 수치 계산

◇ 설계한 선회교 모델링

◇ Midas Civil 프로그램 이용해 응력 컨투어링맵 제작 및 상부구조물 안전성 검토

개발 과제의 배경

◇교량의 본래 목적과 역할

교량은 도로, 철도, 수로 등의 운송로 상에 장애가 되는 하천, 강, 해안 등을 건너 도시의 여러 부 분의 연결성을 향상해 사람 및 차량의 이동을 촉진하는 목적으로 건설되었다. 이는 도시 간 연결 성을 향상시키고 경제적, 사회적 교류를 증진시킨다. 그러나 현대 도시 환경이 빠르게 발전함에 따 라 교량은 단순히 기능적 구조물을 넘어 도시의 상징적인 요소로 자리 잡고 있다.

◇미학적 요소와 에너지 문제

최근 도시환경의 발전이 이루어짐에 따라 미학적 기능도 하고 있다. 도시 활동 시간이 야간으로 확장되면서 도시 공간도 주야 구분이 없는 24시간 사회로 변화하며 아름다움과 쾌적성이 동시에 요구되고 있다. 따라서 많은 교량에는 경관조명이 설치되었으나 대부분의 조명은 LED 조명이 활성 화되기 이전에 설치되었기 때문에 전력소비가 큰 광원이 이용되어 에너지 소비가 매우 높다. 또한, 선회교는 선박이 지나가기 위해 상부 구조물을 회전시키는데 쓰이는 에너지 또한 무시할 수 없다. 이와 같이 교량의 미학적 기능과 가동 기능에는 에너지 소모가 필수적이지만 지속 가능하게 개선할 필요성이 대두되고 있다.

◇기대효과

이번 프로젝트로 그린에너지 생산을 증가시켜 선회교에 설치된 가로등과 같은 조명기구에 필요한 전원을 자가발전을 통해 공급가능할 것으로 기대된다. 또한 선회교의 상판을 회전시키는데 필요한 전력을 자가발전 통해 공급하여 탄소배출을 저감해 지속가능한 인프라가 될 것이다.

개발 과제의 목표 및 내용

◇프로젝트의 주요 목표는 자가발전 시스템을 갖춘 친환경 가동교(선회교)를 설계하고, 이를 유지관리 및 경관조명에 필요한 전력을 교량 스스로 공급할 수 있도록 구현하는것이다. 이를 위해 적합한 설치 장소를 선정하고 다양한 환경적, 기술적 요인을 고려하여 구체적인 스펙 설계와 시뮬레이션을 수행한다.

◇자료 조사를 기반으로 잠재 설치 장소를 선정하고 현장 답사를 통해 설치 가능성을 최종적으로 평가한다. 설치 장소의 수심, 선박의 크기, 교통량 등을 조사하여 교량의 길이, clearance below와 가동 구간을 정한다. 국내외 해상교량과 가동교의 사례를 조사해 자가 발전에 필요한 부대 시설물의 배치와 환경적 요소를 고려하여 교량의 형상을 수치적 근거에 따라 계산한다. 또한 도로교 설계 지침서 및 교량 설계 지침서를 참고하여 고정하중, 이동하중을 계산하고 이를 통해 자가발전에 필요한 에너지를 계산한다. 국외 그린교에 부착된 발전기의 종류에 대해 조사하여 이번 프로젝트에 설치할 발전기를 결정하고 효율적인 설치 방안을 마련한다.

◇기술 선도

전 세계적으로 연구개발이 부족한 해상교량과 그린에너지 융합 기술 분야에서 기술적 우위를 선점할 수 있다.

그린 해상교량 프로젝트의 융복합 기술을 건설 기술 전반으로 보급함으로써 신개념 미래 건설기술 확보가 기대된다.

◇경제적 효과

LCC관점에서 해상교량 운영 및 유지관리에 필요한 에너지를 자력으로 공급, 저장, 분배함으로써 관련 비용을 크게 절감할 수 있다.

전반적인 건설 시장 감소 추세에도 불구하고 신흥국 교통망 확충으로 교량 건설 수요가 지속될 것으로 보인다. 또한 미국, 일본과 같은 선진국에서는 교량 교체 및 유지관리 시장이 활성화될 전망이다. 이를 통해 관련 산업의 설치, 유지보수, 관리 분야에서 새로운 일자리 창출이 가능하며 지역 경제에 긍정적인 영향을 미칠 것으로 기대된다.

◇사회적 효과 지역 주민과 관광객들에게 지속 가능성과 환경 보호에 대한 인식을 높이고 교육의 기회를 제공할 수 있다. 이를 통해 친환경 기술이 적용된 선회교는 지역 사회의 환경 보호 의식을 강화하며 지속가능한 모델로 자리 잡을 수 있다.

친환경 에너지와 지속 가능성을 접목한 선회교는 다른 지역이나 프로젝트에 유사한 모델을 제공해모범 사례를 제공한다.

친환경 기술이 적용된 선회교는 지역 관광자원으로 활용되며, 경제적 파급 효과와 더불어 환경 친화적인 도시 이미지를 구축할 수 있다.

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

구성원은 1주에 한번 2~3명으로 조를 짜 각자의 파트를 담당하여 과제를 진행하였다.

마감기한 후 서로의 과제를 공유하여 새 계획을 세우는 방식으로 진행되었다.

설계

설계사양

제품의 요구사항

설치 장소 적합성 : 관광, 경제적인 요소에서 적합한가?, 교통에 불편을 끼치지 않는가?

에너지 발전 지속성 : 에너지 발전이 지속 가능한가?, 현실적으로 다리에 적용 가능한 에너지 형태인가?, 다리에 적합한 발전기가 존재하는가?

개념설계안

가. 교량 설계 장소 선정

1). 인천항 갑문

인천항의 갑문은 역사적인 가치를 인정받아 토목 문화유산으로 선정되었지만 이용률이 낮아 문화 관광 거점으로 재개발 절차를 밟고 있는 중이다. 재개발의 영향으로 현재는 연안에서 월미도를 갈 수 있는 방법이 없어서 돌아가야 한다. 따라서 인천항 갑문을 문화유산으로 유지하고 관광적인 요소로 사용하되 연안과 월미도를 잇는 도개교를 설치하여 교통을 원활하게 한다. 그리고 교량에서 발생된 전기는 저장했다가 관광적 우수자원인 월미도에 사용하는 방식으로 가동교를 조성한다. 인천항은 조수간만의 차가 10m 이상으로 세계적으로 가장 큰 지역 중 하나이다. 따라서 조력발전을 위주로 다리 디자인을 진행한다.

2). 광양항 묘도대교

물동량 신규 창출이라는 과제를 안은 광양항 컨테이너 부두의 물동량 증대를 위한 방안으로 광양항~부산항 연안항로 개설 주장이 제기되고있다. 운송이 다시 시작될 경우 여수 화주사들이 이용하는원양항로 등을 통한 부산항 이용 수요 40만~50만 TEU 창출이 가능하다고 예측된다. 이러한 점을 이용해 사천만에 도개교를 건설하면 선박이 지나감과 동시에 광양항, 여수 및 통영 등으로의 접근성도 향상시키며, 경제적 이익을 가져올 것이라고 예측된다. 또한 비토섬, 대포마을 그리고 다양한 해안레저시설 등 해안지역이라는 특성을 이용한 관광요소가 잘되어있기 때문에 추가로 가동교를 건설하면 지역의 랜드마크로 발전할 수 있다. 광양항은 조류의 흐름이 2m/s 이상이고, 조류흐름의 특징이 분명하다. 따라서 조류발전, 파력발전을 위주로 진행한다. 기존 묘도대교 위치인 목도-묘도선착장에 도개교를 새로 짓는다. 광양항의 항로를 노란색처럼 직선항로로 바꾸는 프로젝트가 허가되었으며 진행중이다. 항로가 바뀔 시 묘도대교 아래로 배가 지나야하기 때문에 도개교 효과가 극대화될 것이다.

3). 울산대교

기존 울산대교를 가동교화시킨다.

울산대교의 주변에는 항구가 매우 많으며 울산은 대한민국 주요 조선업과 해양산업의 중심이다. 이와 같은 산업들은 대형선박들의 출입이 빈번하게 발생하기에 울산대교를 도개교로 변경한다면 대형화물선이나 유조선들이 원활하게 통과할 수 있을 것으로 예상된다. 울산대교는 동해안에 위치해있어 조력, 조류 발전은 서해안보다 어렵기 때문에 교량 상판에 태양광 패널을 설치하거나 소형 풍력 터빈을 설치하는 등 태양광, 풍력발전 위주로 진행한다.

4). 평가 기준

◇설치 장소 적합성 : 관광, 경제적인 요소에서 적합한가?, 교통에 불편을 끼치지 않는가?

◇에너지 발전 지속성 : 에너지 발전이 지속 가능한가?, 현실적으로 다리에 적용 가능한 에너지 형태인가?, 다리에 적합한 발전기가 존재하는가?

5). 평가 내용

◇인천항 갑문 도개교

설치 장소 적합성 :　관광적 가치가 높은 갑문과 이어 좋은 시너지를 낼 수 있다.

이동시간을 단축시켜 교통을 원활하게 한다.

에너지 발전 지속성 :　조수간만의 차를 이용한 조력발전은 보통 물막이댐을 활용하는데, 터빈발전기를 이용한 소규모 발전이 원활하게 이뤄질지 여부 파악 필요하다.

◇광양항 묘도대교

설치 장소 적합성 : 광양항~부산항 연안항로 개설될 시 신규 도개교가 경제적으로 큰 이익을 가져올 것이라 보인다. 하지만 관광지와의 거리가 존재하여 관광적 요소가 부족할 수 있다.

에너지 발전 지속성 : 조류, 파력을 이용한 발전은 소규모로 많이 진행되기 때문에 다리에 쉽게 설치 가능하다. 또한 시간에 관계없이 발전 가능하다.

◇울산대교 도개교화

설치 장소 적합성 : 울산대교는 항구가 매우 많으며 울산은 대한민국 주요 조선업과 해양산업의 중심이기 때문에 경제성이 좋다. 하지만 새로 얻는 경제적 이익은 거의 없으며, 주변에 관광적 요소로 이을만한 점이 많이 없어 관광 경쟁력이 떨어진다.

에너지 발전 지속성 : 태양광, 풍력발전은 날마다 발전량이 격차가 크게 발생하며 풍력발전의 경우 소규모 발전이 어렵다.

6). 최종 선정 결과

5점 만점으로 계산하여 평가를 했다. 따라서 인천항 갑문으로 선정했다.

나. 교량 세부 수치 결정 및 계산

설치 장소에 맞는 교량 수치를 결정하기 위해서는 전 세계적으로 설치되어 있는 다양한 도개교와 선회교의 다리 스펙을 조사하여 비교해볼 필요가 있다. 전 세계 도개교, 선회교 및 해안교량을 리스트업 한 후 교량의 설치 길이, 차선수를 고려하여 비슷한 요소를 가지고 있는 교량만 따로 분류한다.이후 설치 장소의 수심과 같은 환경요소, 가동 시 지나다니는 배 크기와 같은 요소를 고려하여 최종 교량의 스펙을 결정한다.

이처럼 설계하고자하는 교량과 비슷한 스펙의 국내 교량 37개, 국내외 도개교 28개, 선회교 10개를 조사하였다.

다. 교량 가동 및 시설 유지에 필요한 에너지 계산

필요한 발전기의 개수와 용량을 선정하기 위해서는, 교량 설비에 필요한 전력량(에너지량) 선정이 요구된다. 우선 교량 가동을 위한 에너지를 결정해야 하는데, 후보 가동교인 도개교, 선회교 2가지의 특징에 맞는 구동장치를 고려하여 에너지를 계산한다.

우선 도개교는 영동대교와 마찬가지로 모터를 이용하기 때문에 설계 하중을 고려한 도개 시 모터 에너지량을 구한다. 그리고 선회교는 중앙베어링을 이용하여 선회를 하기 때문에 중앙베어링 사용 시 에너지량을 계산하는 방식으로 진행된다. 또한, 관광자원으로 활용하기 위해 가로등, 경관 조명을 설치 예정이며 교량의 결빙 방지를 위한 히 트펌프 방식의 열순환 결빙방지장치를 설치할 예쩡이다. 이에 맞는 에너지량을 계산한다. 이후, 전세계의 조력발전 교량 사례를 조사한 후 사용 발전기를 리스트업한다. 설치 장소인 인천만의 상황과 비슷하면서도 효율적으로 사용 가능한 발전기를 최종 사용 발전기로 선정한다.

이론적 계산 및 시뮬레이션

가. 도개교 세부 수치 결정 및 계산

1). clearance below

인천항 갑문시설은 주로 1만톤, 5만톤급 선박이 통과한다. 1만 톤급 선박의 경우 일반적으로 최대 높이가 15~20m로 알려져있어 도개 기능을 사용하지 않고도 교량 아래를 통과할 수 있도록 설계했다. 반면, 5만 톤급 이상의 대형 선박이 통과할 때는 도개 기능을 사용하여 충분한 통과 공간을 확보할 수 있도록 했다. 이에 따라 교량의 수면과 상판 간의 수직 거리(Clearance Below)를 20m로 설정하였다.

2). 교량 길이

소월미도 교량 시작 좌표:(37.464307, 126.596146), 월미도 교량 시작 좌표:(37.469663,41026.597929) 좌표 간 거리를 구하면 총 625m가 나온다. 따라서 총 길이는 625m로 결정했다.

3). 상부구조물 폭

건설하고자하는 교량의 위치에는 왕복 1차선으로 구성된 2차선 도로가 존재한다. 또한 이번 교량은 섬과 섬을 연결하여 주민들의 교통권을 보장하고 관광 자원으로 발전시키는 것이 목적이다. 그렇기 때문에 보행자 도로를 2차선으로 정했다.

2차선 도로는 소로로 분류되며, 고속도로가 아닌 일반 도로로 구분되어 설계속도는 60km/h로 설정했다. 차로 폭은 3.5m, 보행자 통행로 폭은 2m, 중앙분리대와 울타리 폭을 약 2m로 설정하여 교량 전체 폭이 13m가 되게 설계했다.

4). 도개위치

도개 위치는 교량 시작지점을 기준으로 시작지점에서 220m 떨어진 곳으로 도개 지점을 설정하였다. 보통의 도개교들은 일반 도로와 교량이 연결되는 0m 지점부터 도개를 시작하는 곳이 많은데 내륙 근처에는 수심이 1m 미만이고 간조때는 뻘이 존재해 선박이 지나다니지 못해 도개지점을 중앙과 가깝게 옮겼다. 추가로 선박이 인천항에서 나와 교량 지점을 통과할 때 직선 거리에 있어 이동하기 편하기 때문에 이와 같은 위치로 잡았다.

5). 교각 설치 간격

본 설계에서 진행하는 교량은 부담해야 할 하중이 크다. 도개교라는 가동적 특성을 포함해 에너지 발전기를 달 예정이기 때문에 같은 길이의 교량과 비교했을 때 하중이 증가할 수밖에 없다. 국내외 약 600m 가량의 2차선 교량&도개교의 사례를 조사하여 50m가 좋을거같다는 데이터 분석이 있었지만 발전기를 달고 상판에 에너지 발전기를 부착할 수도 있는 상황을 고려하여 44m로 결정했다.

또한, 220m 지점부터 도개를 하기 때문에 220m 구간에는 일반적인 교각을 설치할 수 없다. 도개를 시작하는 지점에는 도개를 할 수 있는 장치가 들어있는 교각을 설치해야한다.

6). 상판 두께

우리나라의 유일한 도개교 영도대교를 예시로 들면, 영도대교의 상판 두께는 약 1.1m~1.2m이다. 영도대교의 총 길이는 214m로 비교적 짧은 중소형 교량에 해당한다. 이와 비교하여 비슷한 길이와 폭을 갖고있는 우리나라의 교량 상판 두께를 살펴보면 큰 변화가 없었다. 그래서 이번 디자인에는 총 길이가 600m인 교량들의 사례를 조사해 이와 비슷한 폭으로 설정했다

7). 도개 각도

90도까지 도개를 하는 도개교 사례가 많고 보통 75도 이상으로는 다 도개를 하기때문에 최대 도개 각도를 80도로 정했다. 특히 우리나라의 영도대교는 75도를 도개한다.

8). 도개교 최종 스펙

9). 2D,3D 시각화

◇도개 전

◇도개 후

나. 선회형 사장교 세부 수치 결정 및 계산

clearance below와 교량의 상부구조물 길이, 상부구조물의 폭은 도개교와 동일하게 했다.

1). 선회 위치

선회 위치는 252.5m~372.5m로 정했을 때 교량이 선회하며 생기는 선박의 통로가 5만톤급 갑문의 일직선 상에 존재한다. 기존 도개교 스펙 정할 때와 비교하면 220m일때의 수심과 252.5m의 수심에는 차이가 없기 때문에 항로 편리 상 정하게 됐다.

2). 선회 구간 길이

선회 구간 가운데에 교각을 설치해 양쪽으로 배가 지나다닐 수 있게 했다. 선회부분의 교각은 다른 교각에 비해 더욱 굵은 것으로 확인했다. 따라서 안전성을 위해 굵게 설정을 했으므로 교각의 지름만큼 선회길이를 늘렸다.

위의 표는 인천항 갑문 입출거 예상 시간표에 있는 선박의 제원을 조사한 것이다.

이처럼 최대 선박의 폭이 32.3m를 넘는 선박의 폭이 존재하지 않으므로 52.5m씩 양쪽으로 총 120m(교각의 지름 포함)로 정했다.

3). 교각

이번 프로젝트에서 설계하고자하는 비슷한 스펙의 해안교량을 찾아 교각 설치 간격을 40m로 설계하였다. 따라서 선회하는 구간의 기둥을 받치는 교각 1개와 거더 교각 양쪽으로 7개씩 14개, 총 15개를 설치한다. 또한, 양쪽 교량의 시작점에서 첫 교각까지의 거리는 12.5m로 선정했다. 기존 도로와 잇는 교량이기 때문에 0m부터 시작하지않아도 구조적 안전성이 확보된다. 이를 뒷받침하기 위해 여러 거더교 확인결과 교량 도입부에서 첫 교각까지 30m이상인 교량을 알아냈다.

선회하는 교각은 가동장치가 들어있기 때문에 다른 교각에 비해 두꺼워야한다.

4). 구동방식

선회교는 개폐 시 모든 고정하중이 교각의 중심에 있는 베어링에 의해서 지지될 수 있는 중앙 베어링 교량이다. 또한, 교량의 하중은 최종적으로 하부에 있는 교각으로 전달되는데, 일반적으로 선회교의 교각 면적은 매우 크다. 중앙 베어링 선회교는 넓은 면적을 가진 교각 위에 교량을 회전시키는 베어링이 모든 고정하중을 지지한다. 따라서 베어링의 형태는 구형의 넓은 면이다. 교량의 지점 면적이 비록 넓다고 하더라도 한 점에 의해서 지지되는 형태는 활하중및 풍하중등에 의해 균형을 이루지 못할 경우가 발생하는데 이를 대비하여 베어링 주위‘밸런스 휠’이라는 원형의 바퀴를 둔다. 밸런스 휠은 교량이 균형을 유지하고 있을 때 약 5mm 떠있는데 활하중및 풍하중에 의하여 교량이 기울 경우 교각에 닿아 하중을 보조한다.

5). 상부구조물 두께

이번 프로젝트에서 가장 많이 참고한 교량은 송한교이다. 콘크리트로 만들어졌지만 상부구조물의 두께가 얇은 송한교의 형식을 참고하여 프리캐스트 콘크리트로 선정하고 보의 구조에 따라 0.045L = 1.32m로 두께를 선정했다.

6). 주탑 재료

현재 우리나라 사장교와 현수교의 장대교량에서 주탑은 콘크리트가 66.7%, 강재가 33.3% 정도로 콘크리트 주탑다수를 차지하고있기에 콘크리트 주탑으로 선정했다.

7). 케이블 내부 재료

국내 사장교 조사 결과 대부분 109가닥이 포함된 케이블을 사용하기 때문에 PWS케이블로 선정했다.

PWS케이블은 아연도금된 5mm 또는 7mm 소선의 묶음을 4도 이하로 꼬아 Filament Tape로 감싸고 그 위에 5~10mm 정도 두께의 HDPE(High Density Polyethylene)로 피복한 케이블이다. 고강도 와이어, 와이어의 보호막으로 사용되는 필라멘트 테이프 및 이중보호층(내부HDPE+외부HDPE)으로 구성되어있다. PWS 케이블에는 내부 HDPE와 외부 HDPE 사이에 격리층을 두어 외부온도에 의한 내-외부 HDPE의 응력 차로 인해 발생되는 HDPE의 균열을 억제시키는 소재가 포함되어있다.

8). 엣지 거더

엣지거더는 일반적인 하로교의 장점과 프리캐스트의 장점을 모두 갖고있는 교량이다. 주거더를 측면에 배치하여 다리 밑 공간확보가 매우 우수한 공법이다. 주로 다리밑의 공간이 부족하거나 교량가설장비의 붕괴 등 유사한 형태의 교량 관련 사고가 발생한다. 하지만 Edge Girder를 사용하게되면 거더 하면에서 계획고까지 높이가 낮아 다리밑 공간 확보가 우수해 그러한 사고를 방지할 수 있다.

Edge Girder는 종단선형계획의 제약이 적고 홍수여유고 및 시설한계 확보가 유리해 소형 선박 통과에 유리하다. 또한 거더 자체의 조형리를 가지고 동바리가 불필요하여 시공성과 유지관리가 우수하다.

이번 프로젝트에서 설계할 다리는 경간이 52m이므로 위의 표를 참고해 거더 형고는 평균값인 2.5m, 바닥판까지의 높이는 0.6m로 한다. 바닥판은 프리캐스트 콘크리트로 하고 나머지 경간은 인천대교를 참고해 PSC박스거더로 한다.

9). 선회교의 최종 스펙

10). 3D 시각화

◇선회 전

◇선회 후

다. 교량에 부착하는 조력발전기 선정

교량에 설치하기 위한 발전기를 리스트업하기 위해 전세계적으로 진행하고 있는 조력발전 교량 프로젝트를 조사, 리스트업 하였다. 리스트는 다음과 같다.

이 중에서 Tidal range가 인천만과 가장 비슷하며, 다리 길이가 가장 비슷한 Larantuka의 사례를 많이 참고하였으며, 발전기 용량 효율이 가장 좋은 Fish Flow Tidal Power turbines을 해당 프로젝트에서 사용하기로 결정했다. 다른 발전기는 발전기 용량이 매우 적으며, 8km의 매우 긴 교량에 설치하기 때문에 해당 프로젝트와는 적합하지 않다고 판단했다.

라. 하중계산

1). 고정하중

위의 표를 참고하여 상부구조물의 고정하중을 계산한다.

위의 그림은 피타고라스 계산식을 이용해 케이블 한 쪽 무게는 11,833.13kg으로 정했다.

위의 표와 같이 고정하중의 총합은 266783.36kN이다.

2). 이동하중

◇ 차량 이동하중

차량 이동하중은 위와 같은 설계서를 따른다.

◇ 보도하중

보도하중은 위와 같은 설계서를 따른다.

◇ 풍하중 설계기준풍속 : 일반 중소지간 교량의 설계기준풍속은 40m/s 조금 더 정확한 값을 위해 지표조도구분에 따른 풍속을 구하고자 한다.

노풍도 : A~D등급 존재한다. 교량은 광활지에 짓기에 D등급으로 한다. 설계풍압 =

가스트계수 = 노풍도 D일 때 주로 1.6

형상계수 = 사각형이니 주로 2

◇ 지진하중

인천 지역은 지진구역1에 속한다. 따라서 지진계수 Z = 0.11

유효지반가속도 S = Z * I = 0.11 * 2 = 0.22 (I=위험도계수, 재현주기 2400년으로 가정)

2400년이라는 긴 재현주기를 설정해 극단적 경우에도 안전성을 확보했다.

설계지진가속도

응답계수 R = 2 (비보강 콘크리트 건물은 주로 응답계수 2 사용)

◇ 하중조합

이번 보고서에서 구한 하중값은 D(고정하중), W(풍하중), L(활화중), E(지진하중)이다.

따라서 4가지의 조합이 나온다.

(1). 1.3D + 2.12L

(2). 1.3D + 1.3W

(3) 1.3D + 1.3L + 1.3*0.5W

(4) 1.0(D+E)

아래의 표와 같이 이동하중은 다음과 같다.

따라서, 하중조합 4가지에 변수들을 넣으면 다음과 같은 하중조합이 완성된다.

따라서 가장 최대값인 2번 조합, 즉 390142.53kN으로 설계하중을 정한다.

마. 필요 에너지량 계산

1). 가동 시 필요전력량

2). 가로등 전력량

가로등 개당 소비전력은 평균 125W이다. 가로등은 LED 조명 가로등으로 선정한다. 현재 서울시를 비롯한 많은 도시에서 노후화된 가로등을 신규 LED 가로등으로 바꾸는 사업 진행중. 소비전력이 1/2배로 감소한다.

조명율= 차도측의도로폭/등주높이+ OVER HANG/등주높이= 0.2877

등주간격 = (배열계수*광속*조명율*보수율)/(평균조도환산계수*차도폭*기준휘도)

한달소모량 = 1800KWH

연간소모량 = 40개*125W*12h*365일 = 21.9MWH

3). 경관조명 전력량

led 조명을 설치하기 위해서는 국내에 이미 설치된 조명과 같은 스펙을 사용할 가능성이 높기 때문에 국내 교량 중 길이와 형태가 비슷한 교량을 선정하였다. 교량의 길이에 영향을 미치는 난간 LINE LED는 설계하려는 교량과 비슷한 스펙을 가진 영광대교의 케이스를 가져와 계산했다. 주탑, 케이블에 설치하는 LED는 여러 사장교(삼천포대교, 김시민대교 등)의 경관조명 사업 계획서 참고하여 계산했다.

120m(사장 케이블 구간): 포인트조명: 62W(1m) R.G.B LED 16개, 라인조명: 다리 수평방향의 난간 LINE LED 18W급 74개, 주탑 첨탑부 580W급 LED 조명(30m) 4개

나머지 500m: 다리 수평방향의 난간 LINE LED 18W급 312개

전체 부분 교각(20m): 투광조명 LED 256W급 15개

전체 사용량 = 14100W = 14.1KW 한달 사용량 = 2076KWH 연간 소모량 14100W*12h*365일 = 62MWH

4). 발열 전력량

그린 도개교 정부 문서에서 에너지 소비량이 많아질 것이라는 전망 자체가 발열 설비 설치 때문으로 나와있기 때문에 포함시켰다.

히트펌프 방식의 열순환 결빙방지장치 융설에 필요한 이론적 전력은 약 220 W/㎡이다.

제안공법을 사용할 경우 시간당 소모 전력량 100 Wh/㎡이다.

시간당 소모 전력량: 100 Wh × 적용면적 1920 ㎡/ 1,000 = 192KWh

한달소모량(겨울철의 경우) → 138MWH

연간소모량 → 192 kWh * 24h * 90일(겨울철 3개월) = 약 415 MWh

5). 월미공원 사용 전력량

월미공원 담당자와 직접 통화한 결과 월미공원의 연간 전력 소모량은 546MWH이다.

6). 발전기 개수

위와 같은 모든 에너지 전력량을 합산하면 연간 188MWH이다.

앞서 선정한 발전기 Fish Flow Tidal Power Turbins의 발전기 용량은 940KW이다.

조력 발전설비의 실질 가동률 23.6과 하루 두차례 밀물 때(10시간) 이용한다고 하면 한달동안 조력 발전설비 전력 생산량 = 300h*940*0.236 = 66552KWH이다.

발전기 터빈 4개를 설치했을 시 전력 생산량이 3.7MWH이므로 4개를 설치하기로 설계했다.

개발 과제 평가

1). 이론적 안전율 검토

해양콘크리트는 염으로 인해 일반 콘크리트보다 설계기준강도가 높아야한다. 따라서, 위의 연도별 콘크리트의 최저 설계기준강도에서 PSC I주형 – 표준도의 값 40MPa보다 값을 높게 선정해야한다. 따라서 설계기준강도는 50MPa로 한다.

허용응력설계법을 이용한다.

안전계수 = 1.5

허용 강도 = 50/1.5 = 33.33MPa

A = 13*1.32=17.16m^2

작용 응력

안전율 SF =

따라서 A등급으로 안전율 만족한다.

2). 모델링 결과

설계 교량의 시각 효과를 위하여 Blender 프로그램을 통해 3D 교량 모델링을 진행하였다.

해당 모델링을 이용하여 unity를 이용해 선회 영상을 제작하였고, twinmotion을 이용하여 교량 렌더링을 진행하였다. 결과물은 다음과 같다.

Unity를 이용하여 선회 영상을 제작한 결과물이다. 20f의 속도로 90도까지 회전하는 스크립트를 작성하여 교량 선회 구간에 부여하였다.

Twinmotion을 이용하여 교량의 텍스쳐링 및 렌더링을 진행하였다. 해상교량이라는 특성과 설치되어있는 발전기를 강조하는 형식으로 구현했다.

3). MIDAS CIVIL 응력 컨투어링맵 결과

구조해석 프로그램인 Midas civil 프로그램을 이용하여 구조해석을 진행하였다.

1d beam 해석 방식을 사용하였으며, 해당 프로그램을 통해 응력분포를 보여주는 응력 컨투어링맵을 작성하였다. 컨투어링맵 결과는 다음과 같다.

아래는 선회 구간의 응력 컨투어링맵만 따로 크롭한 결과이다.

이론적 안전율을 구하는 과정에서 설정한 허용응력 값보다 작은 값을 가지고 있어서해당 설계가 안전하다는 결과로 해석된다.

4). 최종 평가 항목

개발과제 관련 향후 전망/고찰

◇ 그린교 프로젝트는 국토교통부의 장기과제 프로젝트인 그린 해상교량 기술개발과 큰 연관성을 가지고 있다. 따라서 해당 프로젝트는 그린 해상교량 기술개발 연구 과제에서 하나의 그린 해상교량 설계 예시로 제공 가능하며, 신규 개발 기술 설치 고려 장소로도 제안 가능하다. 또한, 지속 가능한 에너지와 친환경 인프라의 교차점에 위치하며, 성공적으로 구현된다면 스마트 시티 인프라의 핵심 요소로 자리잡을 가능성이 높다. 그리고 지역사회와의 연계를 통해 교량 설계가 단순한 물리적 연결이 아닌 경제적, 환경적, 사회적 지속 가능성을 아우르는 모델로 발전할 수 있다.

◇ 그린교 프로젝트의 지역 활성화 및 관광 관점에서의 전망을 서술하자면, 프로젝트 그린교는 지역 랜드마크로 자리잡아 관광객을 대규모로 유치할 잠재력이 크다. 또한 미학적 디자인과 친환경 기술을 결합하여 지역을 대표하는 상징적 구조물로 자리잡을 가능성이 크다. LED 조명과 경관 설계는 야간에도 관광객을 유인하며, 야경 명소로 활용될 수 있다. 이는 지역 경제 활성화와 상권의 발전을 촉진할 수 있다. 인천항 갑문이라는 역사적 유산과 현대적 친환경 기술을 결합하여 지역의 정체성을 강화하였기 때문에 관광객들에게 독특한 이야기를 전달할 수 있는 문화 유산 관광지로 발전할 수 있다.

참고문헌

1. 국토교통부 국토교통과학기술진흥원. 2022. 그린 해상교량 기술개발 기획 최종보고서.

2. 송호성. 교량 풍력 발전. 2013 대한토목학회 정기학술대회.

3. 동아일보, (2022.06.09). “코로나로 중단된 영도대교 도개, 2년 만에 다시 열린다” https://www.donga.com/news/article/all/20220609/113860749/1. (접속일 : 2024.09.26.).

4. 김예림. 2023. SNS 텍스트마이닝을 통한 부산 영도의 관광객 핫플레이스 도출 및 유형분석. 한국지역개발학회지.

5. Florido-Benítez. 2023. Bridges: a tourist attraction and iconic element at urban cities’ tourism promotion websites. International Journal of Tourism Cities.

6. 조선근. 2023. 해상풍력 발전단지 산업 시스템 연구 및 경제성 분석. 인하대학교.

7. 강성호. 2019. 해상풍력발전 에너지 생산량 실증 연구. 경상대학교.

8. 조은진. 2014. 우리나라 항만의 신재생에너지 도입과 발전방안에 관한 연구. 성균관대학교.

9. 김가영,서동우. 2018. 사장교 케이블 손상 시나리오에 따른 구조 안전수준 평가. 한국건설기술연구원.

10. 그린 해상교량 기술개발 기획 최종보고서. 2022. 국토교통부 국토교통과학기술진흥원.

11. 황태연. 2016. 한강교량의 야간경관조명에 관한 주관적 평가 - 거더교와 사장교를 중심으로. pp. 243~252. 조선대학교.

12. Maclane Keohane et al. 2020. The Living Bridge Project: Measurements of Estuarine Environmental Parameters University of New Hampshire, Durham.

13. Hayden Hicks et al. 2014. Memorial Bridge Hydrokinetic Power Generation. University of New Hampshire.

14. 조력발전 시스템 성능향상 기술개발. 2012. 한국해양과학기술원.

15. Wikipedia. Puente de la Mujer: A Turning Bridge in Buenos Aires. https://en.wikipedia.org/wiki/Puente_de_la_Mujer

16. Calatrava Official Site. Design and Motion in Puente de la Mujer. https://calatrava.com/motion/puente-de-la-mujer-buenos-aires.html

17. 해상풍력 발전 정책 추진 현황. https://www.korea.kr/briefing/pressReleaseView.do?newsId=156629753

18. Structurae. Bilbao Cable-Stayed Swing Bridge Overview. https://structurae.net/en/structures/bilbao-cable-stayed-swing-bridge

19. 대형 교량의 설계와 시공 사례. https://sunroad.pe.kr/259

20. 한국건설기술연구원. "콘크리트 장대교량 구조해석 기법". https://scienceon.kisti.re.kr/commons/util/orgDocDown.do?url=/soc_img/society/kci/CCRTB@/1996/v8n5/CCRTB@_1996_v8n5_25.pdf&ex=pdf&filename=콘크리트장대교량의구조해석기법강합성사장교의구조해석&cn=JAKO199611920492643

21. 부산일보. "부산항을 중심으로 한 항만 도시의 발전 방향". http://www.kookje.co.kr/news2011/asp/newsbody.asp?code=0300&key=20131130.22002215153

22. 교량 기술 연구소. "교량 에지거더 설계와 활용". http://www.bridge-t.co.kr/contents/pdf/EdgeGirder.pdf

23. 콘크리트공사 표준시방서 KCS 14 20 00 17장 해양 콘크리트.

24. 이성열. 2020. 공용중인 도로교의 콘크리트 설계기준강도 조사 분석. 한국구조물진단학회.

25. 도로교설계기준(한계상태설계법). 2016.

26. 개정안 KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준

27. 개정안 KDS 14 20 01 콘크리트구조 설계(강도설계법) 일반사항

28. 최찬명. 2005. Plate Girder교의 내풍안정성에 관한 실험적 연구. 경일대학교.

29. 교량시설물 안전관리 및 안전성평가 기준 및 절차. 2003. 한국시설안전기술공단.

2024-3조

목차

프로젝트 개요

기술개발 과제

과제 팀명

지도교수

개발기간

구성원 소개

서론

개발 과제의 개요

개발 과제 요약

개발 과제의 배경

개발 과제의 목표 및 내용

관련 기술의 현황

관련 기술의 현황 및 분석(State of art)

시장상황에 대한 분석

개발과제의 기대효과

기술적 기대효과

경제적, 사회적 기대 및 파급효과

기술개발 일정 및 추진체계

개발 일정

구성원 및 추진체계

설계

설계사양

제품의 요구사항

개념설계안

이론적 계산 및 시뮬레이션

개발 과제 평가

개발과제 관련 향후 전망/고찰

참고문헌

둘러보기 메뉴

개인 도구

이름공간

변수

보기

더 보기

검색

둘러보기

도구