Asphalt Plug Joint의 신축성능 평가를 위한 FEM 해석

Abstract

매설형 신축이음장치의 거동을 보다 실제에 가깝게 모사할 수 있는 재료모델과 유한요소해석모형을 확립하기 위해 기존 연구결과를 분석하고 유한요소해석을 수행한 결과로부터 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다. 1. 기존의 유한요소해석은 재료모형과 유한요소모형을 단순화하므로 해석결과의 신뢰성이 많이 떨어졌으나 본 논문에서는 기존의 재료실험결과를 근거로 하여 점성재료모형을 제안하고, 시간과 점성을 고려한 유한요소모형을 사용함으로 보다 실제에 가까운 해석결과를 얻을 수 있었다. 2. 시간독립해석으로 재료물성에 대해 검토한 결과, 매설형 신축이음장치의 변형률경화는 이동성경화(Kinematic hardening)의 양상을 나타내며, 포아송 비는 해석결과에 큰 영향을 미치지는 않으나 비압축성 재료임을 고려하여 0.48이 보다 합리적인 것으로 판단된다. 3. FEM해석 조건에 대해 검토한 결과, 신축이음장치의 변형이 매우 크므로 대변형에 대한 영향은 반드시 고려되어야 한다. 4. 신축이음장치의 경계조건은 응력 및 변형률의 집중을 지배하는 요인으로 확인되었으며, Qian et al.의 연구결과에서는 도로포장과의 경계면 상단이 최대응력 발생 위치였으나 바닥판을 고려했을 때 바닥판의 끝에 더욱 큰 응력집중이 발생하였다. 따라서 응력의 분포 및 집중도를 지배하는 경계조건 및 바닥판의 구속조건이 APJ 해석에 주요인자가 될 것으로 판단된다. 5. 점소성 재료모형을 재료시험편에 적용하여 시간의존해석을 수행한 결과, 응력-변형률 곡선이 재료실험결과와 비슷한 양상을 나타내므로 본 연구에서 결정한 재료 모형이 실제 매설형 신축이음장치를 잘 반영하고 있다고 판단된다. 6. 시간독립해석은 변형량의 대부분을 소성변형이 감당하므로 5cycle 후 매우 큰 영구변형을 나타내었으나, 시간의존해석에서는 점성흐름이 변형의 대부분을 담당하므로 영구 변형량의 크기가 매우 작게 나타났다. 7. 시간독립해석 및 시간의존해석 결과를 실험결과와 비교한 결과, 1cycle에서는 두 해석 모두 실험결과와 잘 일치하였으나 cycle이 증가함에 따라 다소 차이를 나타내었다. 시간의존해석은 실험결과와 비슷한 양상을 나타냈으나 변형률 값에서 다소 차이를 보였으나 시간독립해석은 변형률 분포에서 다른 양상을 나타내었다. 따라서 시간의존해석이 시간독립해석보다 실제에 가까운 해석결과를 나타내었다.

Asphalt Plug Joint is a new type of an expansion joint that application cases are increased in USA as well as several European countries. APJ has a type using bituminous mix normally consisted of 20% bitumen and 80% aggregates and filling into the expansion joint between pavements, and advantages in cheap construction and maintenance costs, and simple construction and securing of excellent flatness. However, APJ has designed life of 6～7 years, but its usability is hindered because it showed a problem that premature failure occurred in 6 months. Research for solving this problem has been progressed, and FEm analysis among existing researches was peformed. However, since material showing complicated behavior of APJ was oversimplified and analyzed, behavior of the expansion joint was insufficiently analyzed because reliability of the analysis was much low. Accordingly, a material model was proposed and its effectiveness was confirmed by comparing it with actual behavior in order to improve retainability of this FEM analysis in this thesis. An elasto-plastic model and a viscous-plastic model as a material model of APJ were suggested on the base of experiment results about APJ material performed by Bramel et al. The elasto-plastic model was defined by time-independent analysis since it didn't reflect time and strain rate, and the viscous-plastic model was defined by time-dependent analysis since it considered time and strain rate. ABAQUS v6.7 was used for FEM analysis, and influence of various elements affecting behavior of APJ was investigated through the time-independent analysis in this study. The weakest portion of APJ is an bonded surface between APJ and packing material, and an end part of a bottom plate. Also, deformation pattern was very sensitive to boundary conditions, and strain hardening showed shape of kinematic hardening under periodical load. As a result of the time-dependent analysis by considering material viscosity, it showed similar behavior as material test results of Bramel et al. When test results were compared with analysis results, the time-independent analysis showed a little difference, but the time-independent analysis showed similar shape. Accordingly, it was confirmed that the time-dependent analysis showed actual behavior better than the time-independent analysis.