[논문]PSC 교량의 저형고 장경간화에 대한 연구 개발

이형준; 전세진; 김영진

doi:10.22636/mkci.2008.20.3.14

[국내논문] PSC 교량의 저형고 장경간화에 대한 연구 개발
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문제 정의

교량 에서 설계 가능한 최대 경간길이는 교량 형식 선정시 가장 먼저 고려해야 하는 항목으로 경제성, 시공성, 형고 제한 등을 종합적 으로 반영하여 결정해야 한다. I형 단면의 PSC 거더교의 경우 도로교에는 25～35 m 경간에, 철도교에는 20～25 m 경간에 널리 적용되고 있으며, PSC 박스거더 단면의 경우 그 이상의 경간도 가능하지만 여기에서는 I형 단면 또는 그와 유사한 단면에 국한하여 논하고자 한다.

가설 설정

이 연구에서는 콘크리트 강도 증가에 따른 콘크리트 제조비용의 증가를 과 같이 가정하여, 거더 간격을 6.0 m, 4.0 m, 3.0 m로 하였을 때 콘크리트 압축강도와 거더 높이 및 경간길이의 상관관계를 보여주고 있다.

대상 데이터

여기에는 bulb-tee 단면이 주로 사용되며, 최근에는 PSC 거더의 강도 또한 증가시키는 추세이다. 교량길이가 305 m이고주 경간길이가 66.6 m인 Shelby Creek 교량에는 설계기준강 도가 55 MPa(실제강도는 78 MPa)인 콘크리트를 사용하여 높이가 2.6 m이고 간격이 3.8 m인 PSC 거더를 적용하였다¹¹⁾. 한편, 플로리다 주에서는 교량길이 196 m(60 m+76 m+60 m) 인 Highland View 교량을 거더 높이 3 m(교각부) 및 1.
미국 텍사스 주에서는 <그림 3>과 같은 U형 단면을 개발하여 장경간 교량에 적용하고 있다. 이 단면은 복부두께가 150 mm, 상부에서의 거더 폭이 2.4 m, 높이가 1.37 m이며 설계기준강도가 60 MPa(실제 56일 압축강도는 69～90 MPa)인 고강도콘크 리트를 사용하였다. 적용 예로 경간이 각각 37.
35 m)에 대해 경간길이와 거더 간격의 관계를 분석한 것으로 bulb-tee형 거더(NU1350)가 경간길이 측면에서 더욱 효율적임을 보여주고 있다¹⁾. 이 때 분석 대상 교량은 거더는 단순지지된 상태에서 바닥판을 연속철근에 의해 연속화한 교량이었다.
0 m인 경우에 대해 경제성을 고려하여 콘크리트 강도에 따른 경간길이를 제시하고 있는데 경간길이가 36 m 인 경우 압축강도 40 MPa, 45 m인 경우 60 MPa, 52 m인 경우 80 MPa가 적절한 것으로 나타났다. 이 연구에 사용된 PSC 거더의 단면은 CPCI(Canadian Prestressed Concrete Institute)의 표준단면으로 거더 높이가 1.4 m 이하인 경우 I형 단면, 거더 높이가 1.6 m 이상인 경우 bulb-tee형 단면을 적용한다.
37 m이며 설계기준강도가 60 MPa(실제 56일 압축강도는 69～90 MPa)인 고강도콘크 리트를 사용하였다. 적용 예로 경간이 각각 37.0 m, 40.8 m, 41.4 m인 3경간의 Louetta Road Overpass 교량을 1994년에 건설하여 1995년부터 공용중에 있다²⁾. 이 교량은 고성능/고 강도콘크리트를 콘크리트 교량 거더에 적용하려는 텍사스 주 프로젝트의 일환으로 건설되었으며, 설계기준강도가 55 MPa일 때 AASHTO IV형 단면(높이 1.

성능/효과

0 m로 하였을 경우 상부구조의 비용을 최소로 하는 경간길이에 따른 거더 높이, 콘크리트의 압축강도를 보여주고 있다. 경간이 40 m이고 거더 간격이 3.0 m인 경우에 대해서, 거더 높이가 2.3 m일 때 압축강도 50 MPa, 거더 높이 1.9 m일 때 압축강도 65 MPa, 거더 높이 1.6 m일 때 압축강도 80 MPa 로 하면 재료 효율성이 높은 것으로 나타났다. 또한, 거더 높이 2.
Bulb-tee 단면을 가지고 경간이 24 ～43 m인 교량에 대해 PSC 거더 및 바닥판 콘크리트의 강도에 따른 비용효율 해석을 수행한 FHWA의 보고서⁸⁾에 의하면 거더 콘크리트의 강도가 42 MPa인 경우에 바닥판에 고강도콘크리트 (41, 55, 69 MPa)를 사용할 경우 바닥판의 두께나 횡방향 철근의 양이 줄지는 않으나, 활하중 작용시 처짐을 감소시키고 경간길이를 소폭 증대시키는 것으로 나타났다. 그러나 PSC 거더가 60 MPa 이상으로 고강도화 될 경우에는 바닥판 콘크리트의 강도가 증가되는 것이 바람직하며 최소한 거더 콘크리트 강도의 60% 이상이 되어야 효율적인 것으로 나타났다.
6 m일 때 압축강도 80 MPa 로 하면 재료 효율성이 높은 것으로 나타났다. 또한, 거더 높이 2.3 m, 거더 간격 3.0 m인 경우에 대해 경제성을 고려하여 콘크리트 강도에 따른 경간길이를 제시하고 있는데 경간길이가 36 m 인 경우 압축강도 40 MPa, 45 m인 경우 60 MPa, 52 m인 경우 80 MPa가 적절한 것으로 나타났다. 이 연구에 사용된 PSC 거더의 단면은 CPCI(Canadian Prestressed Concrete Institute)의 표준단면으로 거더 높이가 1.
4 m인 3경간의 Louetta Road Overpass 교량을 1994년에 건설하여 1995년부터 공용중에 있다²⁾. 이 교량은 고성능/고 강도콘크리트를 콘크리트 교량 거더에 적용하려는 텍사스 주 프로젝트의 일환으로 건설되었으며, 설계기준강도가 55 MPa일 때 AASHTO IV형 단면(높이 1.37 m) 거더가 7개 소요되는 것을 고강도 콘크리트를 사용하여 U형 단면(높이 1.37 m) 거더 4개로 거더 개수를 대폭 절감하여 구조적 효율성을 높였으며, 또한 유선형의 외관을 갖고 있으므로 미적 요인을 크게 향상시켰다. <그림 4>는 같은 교량에 AASHTO IV 거더와 U54 거더를 적용 했을 때 교량 단면도를 비교하여 보여주고 있다.
그러한 기법들의 예로서 거더 단면의 최적화, 구조재료의 고강도화, 새로운 시공 (가설)방법의 개발, 연속화 등 구조 시스템의 변화, 시공 단계를 고려한 단계별 프리스트레스 힘의 도입, 강재 또는 FRP(Fiber Reinforced Polymer)와의 합성 및 복합구조 등 다양한 방법들이 시도되고 있다. 이를 통해 최근 국내에서 기존 PSC 거더의 25～35 m 경간을 50 m까지 확장하여 시공하였으며, 해외의 경우에는 분절거더 기법을 중심으로 기존 PSC 박스거더 교량이나강 박스거더 교량의 주 영역이었던 50～70 m 경간 또는 그 이상까지 확장하는 것도 실현되었다.
8 m인 교량을 건설할 때 콘크리트의 압축강도가 48 MPa인 경우와 69 MPa인 경우를 비교하여 경제성을 분석하였다. 이에 의하면 PSC 거더에 사용되는 콘크리트의 강도를 크게 함으로써 거더 간격을 75% 증가시켜서 거더 개수를 줄일 수 있으며, 비록 각 거더의 강선량은 증가하나 교량 전체적으로는 강선량이 10% 정도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 제작비, 운반비 및 가설비를 고려하면 고강도콘크리트를 사용하는 경우가 더 경제적인 것으로 나타났다.

후속연구

장경간 및 저형고 PSC 거더가 실용화되기 위해서는 경제성과 시공효율성이 필수적으로 뒷받침되어야 하므로 한 가지 기법에만 의존하기 보다는 재료, 설계, 긴장 기법, 시공(가설)방법 등을 효과적으로 조합하는 것이 바람직하며 실제로 해외에서 PSC 거더의 획기적인 장경간화가 가능했던 이유도 분절거더 기법과 단면 최적화 기법을 적절히 병용한 결과로 생각된다. 또한, FRP와 같은 새로운 구조재료나 고강도콘크리트 및 고강도 강선을 실제 장경간 교량의 설계에 적용하기 위해서는 이들의 적용 효과를 저해하지 않고 극대화할 수 있도록 필요시 기존 교량관련 설계지침을 수정하여 정립해나가려는 노력이 필요한 시점이라고 생각된다.
여기에서는 해외 사례를 중심으로 거더 단면의 최적화, 콘크리트의 고강도화, PSC 거더의 분절시공이 PSC 거더의 장경간화에 기여했던 사항들을 정리해 보았으며 관련 연구를 수행하는데 참조가 되었으면 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

포스트텐션을 이용한 PSC 박스거더 교량이 생기면서 무엇이 건설되기 시작하였나?

1900년대 초에 철근콘크리트(RC) 개념이 도입되면서 경간길 이가 15 m 정도인 슬래브 및 T형보 콘크리트 교량이 건설되어 왔으며, 2차 세계대전 이후 프리스트레싱의 개념이 콘크리트 교량에 적용되면서 경간길이가 2배 가까이 증가될 수 있었다. 특히, 1950년대 들어 포스트텐션을 이용한 PSC 박스거더 교량이 등장하여 경간길이가 50 m 이상인 콘크리트 교량이 건설되기 시작하였으며, 최근에는 새로운 시공법의 개발과 콘크리트 강도의 고강도화 등 새로운 개념을 도입하여 경간길이가 150 m 이상인 PSC 박스거더 교량이 건설되기에 이르렀다.

교량 형식 선정시 가장 먼저 고려해야 하는 항목은?

국내에는 1960년대에 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 거더교 량이 도입되어 경간길이가 35 m 이내인 교량이 오늘날까지 널리 건설되고 있고, PSC 박스거더 교량의 경우 1980년대 이후 다양한 형식의 시공법에 의해 경간길이가 50 m 이상인 교량이 건설 되었으며, 근래에 들어서는 경간길이가 100 m를 초과하는 서해 대교를 비롯해 다수의 PSC 박스거더 교량이 건설되었다. 교량 에서 설계 가능한 최대 경간길이는 교량 형식 선정시 가장 먼저 고려해야 하는 항목으로 경제성, 시공성, 형고 제한 등을 종합적 으로 반영하여 결정해야 한다. I형 단면의 PSC 거더교의 경우 도로교에는 25～35 m 경간에, 철도교에는 20～25 m 경간에 널리 적용되고 있으며, PSC 박스거더 단면의 경우 그 이상의 경간도 가능하지만 여기에서는 I형 단면 또는 그와 유사한 단면에 국한하여 논하고자 한다.

콘크리트 교량을 장경간화 및 저형고화하기 위한 노력으로 어떤 방법들이 시도 되었는가?

최근 10여년 간 국내에서도 콘크리트 교량을 장경간화 및 저형고화하려는 노력이 활발히 이루어지고 있다. 그러한 기법들의 예로서 거더 단면의 최적화, 구조재료의 고강도화, 새로운 시공 (가설)방법의 개발, 연속화 등 구조 시스템의 변화, 시공 단계를 고려한 단계별 프리스트레스 힘의 도입, 강재 또는 FRP(Fiber Reinforced Polymer)와의 합성 및 복합구조 등 다양한 방법들이 시도되고 있다. 이를 통해 최근 국내에서 기존 PSC 거더의 25～35 m 경간을 50 m까지 확장하여 시공하였으며, 해외의 경우에는 분절거더 기법을 중심으로 기존 PSC 박스거더 교량이나강 박스거더 교량의 주 영역이었던 50～70 m 경간 또는 그 이상까지 확장하는 것도 실현되었다.

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