1. 서 론
국내 교량 중 도로 종류 및 상부구조 형식별 현황을 분석한 결과, 프리스트레스드 콘크리트(Prestressed Concrete, PSC)교량은 강(Steel) 교량에 비해 공사비가 저렴하고 유지관리의 편리성 때문에 그 수요가 계속 증가하고 있는 추세이다(2021년 12월 기준 9,643개소, 약 26% 차지, MOLIT, 2022a). 교량의 상부구조 형식 별로는 라멘, 슬래브 상부 구조형식의 점유율이 약 24% 정도로 높고, PSC I형 거더는 약 22% 전후의 점유율을 보이고 있다(MOLIT, 2022a). 이중 PSC I형 거더교 형식은 지난 10년 동안 개량형 PSC I형 등의 개발 등 점진적으로 시장 점유율이 증가하고 있다. PSC I형 거더의 경우 복잡한 구조, 설계기준의 모호성, 단면 형상으로 인한 전도 발생 등의 시공 어려움, 자재 가격 상승으로 인한 낮은 경제성 등의 단점이 있다(Koo et al., 2005; Shin, 2005; Kim and Yang, 2009; Bae et al., 2017; Kim et al., 2017).
국내에서 대표적인 U형 단면 적용 교량은 한강 개발사업의 일환으로 강변북로와 올림픽대로에 적용되었고 고속도로의 경우 고창~담양간 고속도로에 최초 적용되었다. 2000년 중반까지 이러한 PSC 박스형 단면은 경간장이 길고 반복되는 대형 교량 공사에 적용되었으나 PSC I-형 거더의 시장성 확대에 따라 박스형 단면의 장점을 부각시키면서 단위 거더의 자중을 줄이는 중소 규모 교량에 적합한 U형 단면 거더가 Fig. 1과 같이 개발되었다(Park et al., 2022).
구조물에 긴장력을 도입하는 방식은 공장 등에서 한번의 긴장으로 다수의 구조물에 긴장력을 도입할 수 있는 프리텐션방식과 현장에서 목적 구조물의 콘크리트 타설, 경화 후에 긴장력을 도입하는 포스트텐션방식이 있다. 프리텐션방식은 일반적으로 주차장, 발전시설, 등 건축구조물 등에 적용성이 높고 포스트텐션방식은 대규모 현장 공사인 토목구조물에 사용성이 우수하다. 국내 PSC I형 거더 교량은 거의 모든 개량된 기술이 포스트텐션방식을 적용하고 있다(Koo et al., 2005; Shin, 2005; Kim and Yang, 2009; Bae et al., 2017). 포스트텐션방식은 쉬스관에 의해 긴장재의 배치 형상이 결정되므로 이상적인 포물선 배치가 가능하고 목적 구조물 자체가 반력대임과 동시에 긴장력이 도입되므로 현장에 적합한 긴장력 도입방식이지만, 쉬스관, 정착장치 등이 필연적인 재료로 사용되고 긴장재 보호를 위해 그라우팅 공정이 필수적이므로 공사비 절감에는 한계가 있다. 이와 같은 단점을 극복하기 위하여 지난 몇 년 간 현장에서 대규모 반력대를 설치하여 프리텐션방식을 적용한 사례가 있다(Koo et al., 2005; Shin, 2005; Kim and Yang, 2009; Bae et al., 2017; Kim et al., 2017).
공장제작하여 현장에서 조립하는 방식은 고품질 부재 제작에서 출발하여 구조물의 내구성 확보에 이르기까지 내구연한 동안 구조물의 구조적 거동 신뢰성이 매우 높은 방식이다. 또한, 대량 공장생산에 따라 경제성이 우수하여 대규모 건축구조물에 적용성이 매우 높아 1980년 부터 아파트를 비롯하여 현재는 대형 물류창고에 이르기까지 다양하게 활용되고 있다. 그러나, 부재 운반에 따라 단위 부재의 크기에 제한이 있고 규격화된 제품에 따라 구조물 성형성에 제약이 있어 설계 계획에 많은 시간과 노력 등이 소요되며, 부재 대량생산을 위한 초기 설비가 대규모로 구성되어야 한다. 구조물 측면에서는 부재 간 연결 방법이 물리적인 방법 외에는 대안이 없으므로 제작된 프리캐스트 구조물 이상의 재료적 성능 발휘에 한계가 있다.
U타입 콘크리트 거더교는 지금까지 미국에서 가장 많이 사용된 I형 멀티거더교의 단점을 극복하기 위해 개발되었으며, U타입 거더는 기존 멀티 거더의 비틀림에 대한 구조적 단점을 보완하고 곡교가 가능(곡교: 포스트텐션, 직교: 프리텐션에 적합)하며 프리캐스트 제작 공정이 I거더에 비교하여 더 효율적이며 빠르다. 또한, 기존 공법대비 빠른 공기, I-형 거더 대비 긴 경간장, 하부구조(교각)와 연결 가능 등의 장점이 있다. 약 10년 전부터 U타입 단면을 활용한 프리텐션 거더 개발되고 있다. 일반적으로 프리텐션 거더는 I형, T형 그리고 박스형의 단면을 가진다. 그러나 상면이 오픈된 U의 단면은 위 단면들보다 매우 안정적이며, 높은 형고를 이용하여 장경간이 가능하다(Park et al., 2022).
2. 프리텐션 적용 U형 거더 제작
본 연구에서 개발 중인 PSC U형 거더의 성능 검증을 위하여 실대형 실험체(L = 40 m, h = 1.8 m)를 제작하였다. 실대형 실험체는 Fig. 2와 같이 3개로 분절된 거더로 제작하였다. Fig. 2(a)는 첫번째, 세번째 세그먼트로서 완벽한 대칭을 이루는 구조체로 제작하였고, Fig. 2(b)는 거더 실험체의 중앙부 세그먼트로 프리텐션 긴장방식으로 제작하였다. 거더 실험체의 시점부와 종점부에 설치한 정착구를 이용하여 Fig. 2(c)에서 나타낸 바와 같이 외부 긴장재를 배치하며, 긴장력 도입으로 각 세그먼트 간 결합을 실시함으로서 거더 실험체 제작을 완료하였다.
중앙부 세그먼트와 양측 세그먼트 등 3개로 분절된 단위거더로 구분되어 있다. 거더 제작 공정은 Fig. 3과 같이 하면거푸집을 배치하여 제작용 바닥 정지작업을 대체하고, 프리캐스트로 제작된 내부격벽 배치 및 거더 철근 설치와 프리텐션용 긴장재를 배치하며, 측면거푸집을 설치하여 콘크리트 타설 직전 공정을 마무리하였다. 콘크리트 타설 및 양생의 3단계와 제작된 3개의 분절거더를 연결, 접합하고 긴장력 도입하여 거더를 제작하였다.
제작된 실대형 실험체 거더부의 상측에 실제 슬래브를 모사한 유효폭 제원의 슬래브를 제작 합성하여 거더-슬래브 합성단면의 실대형 실험체를 제작하였다. 거더 및 바닥판 제작을 위한 사용재료 및 단면 제원은 Tables 1 and 2와 같다. 콘크리트 탄성계수는 국내설계기준 도로교설계기준(MOLIT, 2016)을 기준으로 적용하였다.
Table 1.
Specimen material properties
3. 프리텐션 적용 U형 거더 성능 검증 실험 및 결과
3.1 정적 하중 실험
실대형 실험체의 구조 성능 검증을 위한 정적 및 동적 성능 실험을 수행하였다. 정적 실험의 경우 거더와 슬래브 합성단면을 구성하여 Fig. 4와 같이 4점 하중재하 실험을 수행하였다. 사용하중, 균열하중, 극한하중 등 단계별 하중을 재하하였고, 중앙부 처짐 및 시점부, 종점부 회전량을 측정하였다. 중앙부 단면 높이별 변형율 측정하여 중립축 검토, 슬래브 거더 합성 검토를 수행하였다.
사용하중상태 평가는 교량 횡단면을 기준으로 교량 설계를 수행하면 Table 3과 같이 거더 중앙부 단면에 작용하는 단면력이 산정되었다. 하중단계 별 단면력은 하중계수가 고려되지 않은 사용하중이다.
Table 3.
Design and coefficient section force
거더 자중, 슬래브 하중은 고정하중으로 실험체 제작에서 이미 작용하는 하중이며, 사용하중은 다음과 같이 산정된다.
• 사용하중 산정
+ + = , 5,716.31 + 5,215.30 + = 17,084.07
= 6,152.46 =
가력하중 = 6,152.46 / 15.0 = 410.16 kN
균열하중상태 평가는 자중과 슬래브 하중에 의하여 작용하는 중앙부 하연의 단면응력과 4점 재하하중에 의한 단면응력의 합산이 콘크리트 평균인장강도 보다 큰 값이 발생되도록 계산한다.
• 콘크리트 평균인장강도(도로교설계기준(한계상태설계법) 5.5.1)
= 0.30 = 0.30 × 49.5 (2/3) = 4.04 MPa
교량 횡단면을 기준으로 하는 교량의 구조계산서에 따라 하중단계별 응력을 요약하면 Table 4와 같다.
Table 4.
Cross-sectional applied stress for each external girder load stage
• 거더 중앙부 단면 하연에 균열 발생을 위한 단면력 및 균열하중 산정
(++) + = (-10.56 + 26.89 + -9.63) +
= (6.70) + > -4.04
< (-4.04 - 6.70) = (-4.04 - 6.70) = 8,308.90 kN-m
= < 8,308.90 kN-m
가력하중 < 8,308.90 / 15.0 = 640.32 kN
극한하중상태 평가는 강도설계법에서 재료의 항복상태를 기준으로하는 공칭모멘트강도를 계산하고, 상기 공칭모멘트강도를 유발하는 집중하중 즉, 극한하중을 산정하며, 이때의 하중-처짐, 하중-변형률 관계의 거동 평가를 수행하였다.
• 거더 중앙부 단면의 단면저항모멘트는 다음과 같다.
= 33,158.80 kN-m
• 극한하중 산정
7,145.39 + 6,519.13 + < 33,158.80
< 19,494.28 kN-m =
가력하중 = 19,494.28 / 15.0 = 1,322.03 kN
정적 거동 실험을 위하여 설계하중, 균열하중, 극한하중을 적용하였으며, 순수 휨 모멘트 도출을 위하여 Fig. 5와 같이 4점 하중 실험을 수행하였다. 정적 거동 실험은 액추에이터의 용량 및 균열 하중 이상에서 안전 문제가 있을 수 있어 사용하중 내에서 하중을 재하하였다. 실험 결과 탄성구간 내에서 Fig. 6과 같이 설계하중과 유사하게 거동함을 확인하였다.
3.2 동적 하중 실험
실대형 실험체 동적 성능 평가는 U형 콘크리트 거더와 슬래브 합성단면 실대형 실험체의 동적 거동 특성은 인력 가진하여 구조물 고유진동수 측정하고 수치해석 모델과 비교 검증하였다 평가하였다. 전단지배위치인 거더 단부에서 2.0 m 위치는 콘크리트 전단변형율 계측을 위하여 0°, 45°, 90° 콘크리트 게이지를 거더 하연에서 일정간격 구간으로 배치하였다. 단위거더 1번, 2번의 현장접합부를 기준으로 전후 250 mm 위치 및 거더 중앙부 단면에 거더 하연으로부터 일정간격으로 철근변형율 게이지를 부착하여 휨거동에 의한 변형율을 측정하고자 하였다. 단위거더 1번, 2번의 현장접합부를 기준으로 전후 250 mm 위치 및 거더 중앙부 단면 하연에 가력하중에 대응하는 처짐을 계측하고자 처짐계를 설치하였다.
거더 중앙부 단면에서 횡방향 변형을 측정하기 위하여 처짐계를 부착하였다. 거더 각 단부 상단에 휨거동에 의한 회전발생에 따른 길이방향 변형을 측정하기 위하여 처짐계를 부착하였다. 단위거더 1번, 2번과 2번 3번의 현장접합부를 기준으로 전후 250 mm 위치 및 거더 중앙부 단면에 실험체의 고유진동수를 측정하기 위하여 가속도계를 설치하였다.
동적 거동 평가를 위하여 수치해석법에 의한 고유진동수 및 모드형상 분석을 수행하였다. 수치해석 평가는 Midas Civil을 활용하여 수행하였고, 그 결과는 Table 5와 같다.
Table 5.
Dynamic behavior results of numerical analysis model
실재 실험체의 고유진동수 평가를 위하여 임팩트 해머에 의한 충격 실험을 Fig. 7과 같이 수행하였고, 그 결과는 Fig. 8과 같다. 거더 설계에서 가장 중요한 1차 모드 고유 진동수는 해석 모델 2.415 Hz, 임팩트 해머 실험 결과 2.66 Hz로 약 10% 차이로 설계에 문제 없음을 확인하였다.
4. 결 론
본 연구에서는 현장 프리텐션 긴장 방식을 적용한 PSC 거더 제작 방식을 제시하였고, 40 m급 실대형 실험체를 제작하여 정적 및 동적 구조 성능을 검증하였고, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
(1) 별도의 반력대 없이 프리텐션이 가능한 U-형 단면의 PSC 거더 제작 방식이 제시하였고, 그 제작 유효성이 확인되었다.
(2) 35 m 이상 장경간 거더 제작을 위한 분절형 제작 방식이 적용된 최대 경간장 60 m의 거더 제작 기술 검증을 위하여 실대형 실험체를 제작하고 정적 및 동적 성능이 검증되었다.
(3) 정적 및 동적 성능 실험 결과 도로교설계기준에 기반한 유한요소해석 모델과 유사한 결과를 얻어 실교량으로 적용되는데 문제가 없음이 확인되었다.
(4) 본 연구에서 제시한 현장 프리텐션 기반 U형 거더가 실재 현장에 적용될 경우 기존 I형 거더 대비 시공 안전성 향상을 통한 전도 위험을 최소화 할 수 있을 것으로 기대된다.
