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문제 정의
- 또한 방재의 기능성과 아치구조의 경제성을 겸비한 새로이 시도되는 신개념 장대 지하차도 단면형식이 유사 도시 내에 건설되는 개착식 장대 지하차도의 훌륭한 예시가 되어 타 과업에서도 다수 적용되길 바라며, 끝으로, 국도1호선 우회도로 건설공사(2공구)의 세종지하차도 기본설계(T/K)에 동참하여 노고를 아끼지 않은 참여기술자분들께도 심심한 사의를 표하는 바이다.
- 지하차도의 장기적 구조적 안전성 확보를 위해 내구연한 100년을 목표로 하여 정량적 내구성 평가를 검토하였다.
제안 방법
- 따라서 기본설계에서의 환기 및 방재방식은 평상시는 제트팬에 의한 종류환기방식과 화재시는 화재지점의 연기를 집중배연 가능한 횡류방식을 조합함으로써 종류식의 경제성과, 횡류식의 방재기능성을 겸비한 신개념의 단면을 개발하였다. 그 단면형상은 기본계획단면의 장점인 주행자 개방감양호와 편도3차선 대단면 구조의 경제성 등을고려하여 2-Arch 단면을 기본형상으로 하였으며, 또한 2-Arch 단면 상단 오목부에 환기덕트 슬래브를 설치 방재기능성 부여 및 2-Arch 단면의 단점인 아치 오목부 배수 문제를 근본적으로 해결하였다<그림 2, 3,표 1 참조>.
- 각 안을 검토한 결과 비교1안은 화재시 연기제어가 곤란하여 방재측면에서 불리하나 경제적인 측면에서는 우수한 형식이며, 비교2안과 비교4안은 환기 및 방재측면에서는 양호하나 상부덕트 설치로 인한 폐쇄감 유발과 고가의 공사비 및 기계설비에 대한 유지관리비 부담이 큰 것으로 분석되었다. 따라서 환기 및 방재측면에서 우수하고 개방감 확보로 차량 주행성이 양호하며 비교3, 4안보다 경제적인 기본설계안(duct arch 제트팬+집중배연덕트식) 적용하였다<;그림 4, 표 2, 3>.
- 그 단면형상은 기본계획단면의 장점인 주행자 개방감양호와 편도3차선 대단면 구조의 경제성 등을고려하여 2-Arch 단면을 기본형상으로 하였으며, 또한 2-Arch 단면 상단 오목부에 환기덕트 슬래브를 설치 방재기능성 부여 및 2-Arch 단면의 단점인 아치 오목부 배수 문제를 근본적으로 해결하였다<그림 2, 3,표 1 참조>. 또한 기본계획의 종방향 단면계획이 시종점부는 박스단면, 중앙부는 2-Arch 단면 등의 부등단면을 적용하였으나, 이를 개선하여 시종점부를 중앙부와 동일단면으로 계획함으로써 환기효율성 증대 및 주행성, 개방감 등을 확보하였다.
- 본 구조물에 적용된 콘크리트 설계기준강도 30 MPa, 플라이애쉬 시멘트(OPC + FA25%)를 적용하였으며, 또한 콘크리트 단열온도 상승시험을 수행하여 본 설계에 적용된 시멘트의 실질적인 온도특성을 고려하였다.
- 설계상의 방안은 구조물의 형식, 부재 단면, 각종 이음의 위치 및 구조, 온도 철근의 배근, 콘크리트의 설계 기준 강도 등의 제어를 의미하며, 시공 상의 방안으로는 대상 구조물의 신축 이음 간격을 조정함으로써 대상 콘크리트구조물에 발생하는 응력을 낮추는 방법을 들 수 있다. 본 설계에서는 경제성과 시공성 등을 고려하여 신축이음으로 온도변화에 대한 균열제어방안을 채택하였으며, 해석방법으로는 범용유한요소구조해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 온도 및 응력 해석을 수행하였다.
- 본선 2-arch 구조물의 부재두께가 1,100~1,300 mm의 매시브(massive) 구조물로 콘크리트 타설시 발생될 수화열을 저감할 수 있는 방안을 검토한 결과 재료 및 배합상의 방안으로 플라이애쉬 등의 혼합재 첨가를 통한 단위시멘트량 저감 방법을 채택하였다.
- 수화열 해석방법으로는 범용 구조 해석 프로그램인 DIANA를 이용하여 수화열 해석을 수행하였고, 시공단계별 수화열 해석을 수행하여 온도균열지수 1.2를 넘지 않도록 적절한 타설높이 및 간격을 도출, 시공성 및 공기 단축을 기하였다.
- 신축이음간격을 검토한 결과 온도변화에 의한 신축이음량은 미소한 것으로 분석되었으며, 온도변화에 따른 콘크리트 응력이 허용응력을 초과하지 않는 범위에서 신축이음간격을 본선 아치부45 m, U-type 옹벽부 3 0m 이내로 계획하였다<;표 8>.
- 유사 최적단면형상을 검토한 결과 경제성, 시공성, 주행성 등을 고려할 때 기본설계안을 적용하였다<;표 4>.
- 장대지하차도의 경우 자동차 배기가스로 인한 탄산화에 대한 내구성 검토가 필요할 것으로 판단되어 피복두께와 플라이애쉬(F/A) 치환율 등을 고려한 물-결합재비(W/B)에 따른 탄산화해석을 수행하였다.
- 지하차도 내부의 화재 발생시 3시간 화열지속시간에 따른 구조물 강도 저하 등을 검토하였으며 구조물 내화성능에 대한 안전성 등을 「미국 ACl 216R-2002」와 「독일 RABT」규정을 적용하였다.
- 콘크리트구조물의 온도 변화와 이에 따른 온도 응력의 발생이 구조물에 균열을 발생시켜 구조물의 내구성뿐만 아니라 구조적인 안정을 저해하는 요인이 된다. 특히 본 지하차도 구조물과 같이 종방향으로 긴 구조물에 대해서는 외부 온도 변화에 따른 구조체의 온도 변화에 의해 콘크리트구조물에 응력이 발생하게 되므로, 이를 고려하여 대상 구조물의 신축이음 간격을 결정하였다.
대상 데이터
- 본 구조물이 건설되는 충남연기군의 기상자료(연평균 상대습도 : 67.2%, 연평균온도 : 13.1℃)를 토대로 환경지수를 산정하였으며 재료, 시공, 설계분야에서의 내구지수향상에 기여할 수 있는 인자를 고려하여 설계에 반영하였다.
- 본 사업의 목적은 행정중심복합도시 예정지역 중심부를 관통하는 국도1호선을 도시서측으로 이설, 도시환경 개선 및 환상형 외부순환도로를 구축하기 위함으로, 한국토지공사가 ‘07.08에 턴키설계 발주하여 ’07.11.6일에 최종 사업자 선정을 마쳤다.
- 실리카퓸과 친수성 PVA섬유를 혼입한 고성능콘크리트(high performance concrete)를 사용한 교면포장을 지하차도 전 구간에 반영하였다. 일반적으로 지하차도의 경우 아스팔트 포장을사용할 경우, 화재 발생시 유독가스 발생으로 인한 인명피해가 예상되는 관계로 콘크리트계 교면포장을 사용하였다.
성능/효과
- 각 안을 검토한 결과 비교1안은 화재시 연기제어가 곤란하여 방재측면에서 불리하나 경제적인 측면에서는 우수한 형식이며, 비교2안과 비교4안은 환기 및 방재측면에서는 양호하나 상부덕트 설치로 인한 폐쇄감 유발과 고가의 공사비 및 기계설비에 대한 유지관리비 부담이 큰 것으로 분석되었다. 따라서 환기 및 방재측면에서 우수하고 개방감 확보로 차량 주행성이 양호하며 비교3, 4안보다 경제적인 기본설계안(duct arch 제트팬+집중배연덕트식) 적용하였다<그림 4, 표 2, 3>.
- 본 공법의 특징으로는 실리카퓸 등 무기계 혼화재료 사용에 따른 내구성능 증대와 친수성 섬유 사용에 따른 균열 저감으로 장수명, 저비용 교면포장공법으로 표면 박리용 고압 워터젯(water -jet)을 이용한 바닥판 콘크리트 표면처리 기술의 사용으로 부착력 증가에 따른 구조적 안전성 증대되고 슬러지 정화장치를 개발하여 분진발생 최소화 및 친환경 시공이 가능하다. 또한 구조체역할을 하는 하부슬래브를 화재로부터 보호하기 위해 고성능콘크리트(HPC) 포장의 내화특성을 실험적으로 평가하였으며, 3시간 가열의 ISO곡선을 이용한 HPC 포장 내화실험 결과, 포장체에 폭열이 미발생 하였으며 하부 슬래브 주철근 위치에서 최대온도 200℃ 미만으로 화재 발생시 구조적 안전성을 확보하였다.
- 미국 「ACI 216R-2002」와 독일 「RABT」 규정에 의한 3시간지속가열에 의한 콘크리트 내부온도를 비교 검토한 결과, ACI Code에 의한 내부온도가 더 높은 것으로 나타났으며, 이에 따라 ACI 온도결과를 토대로 내화설계를 수행, 화재발생에 따른 구조적 안전성을 확보하였다<;표 11>.
- 본 공법의 특징으로는 실리카퓸 등 무기계 혼화재료 사용에 따른 내구성능 증대와 친수성 섬유 사용에 따른 균열 저감으로 장수명, 저비용 교면포장공법으로 표면 박리용 고압 워터젯(water -jet)을 이용한 바닥판 콘크리트 표면처리 기술의 사용으로 부착력 증가에 따른 구조적 안전성 증대되고 슬러지 정화장치를 개발하여 분진발생 최소화 및 친환경 시공이 가능하다. 또한 구조체역할을 하는 하부슬래브를 화재로부터 보호하기 위해 고성능콘크리트(HPC) 포장의 내화특성을 실험적으로 평가하였으며, 3시간 가열의 ISO곡선을 이용한 HPC 포장 내화실험 결과, 포장체에 폭열이 미발생 하였으며 하부 슬래브 주철근 위치에서 최대온도 200℃ 미만으로 화재 발생시 구조적 안전성을 확보하였다.
- 수화열 해석 결과 저발열배합 적용과 분할타설계획을 수립을 통하여 타설후 초기에 표면부의 온도가 먼저 하강하면서 수축하려는 현상을 내부가 구속하므로 표면부에 인장응력이 발생하였으나, 봄·가을 및 여름철, 겨울철의 경우 균열지수가 각각1.22~1.61로 1.2이상 균열에 대한 안전성을 확보하였다.
- 자동차 배기가스로 인한 지하차도 구조물의 최대 탄산화 깊이는 W/B 44%에서 25 mm로 나타났으며, 지하차도 구조물은 외측 100 mm, W/B 44%, F/A 25% 내측피복 80 mm의 사용으로 100년 이상 내구성 확보가 가능 하였다.
후속연구
- 국내 최장대 개착식 지하차도의 설계 및 적용에 있어 유해균열의 방지와 100년 내구성 확보를 위한 다양한 검토 등을 수행, 설계단계에서 충분한 품질을 확보하고 유지 할 수 있도록 하였으며, 추후 공사시행에 있어서도 안전하고 쾌적한 지하차도 건설이될 수 있도록 최선의 노력을 다할 것이다.
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