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문제 정의
- 본 연구의 해석대상 교량은 시공이 완료된 교량으로 시공 중 발생한 응력과 처짐을 비롯하여 설계에 사용된 하중조합 등을 반영하기 어려운 한계가 있었다. 따라서 교면포장의 자중과 차량하중에 의하여 교량에 발생한 응력과 처짐을 비교, 분석하는 것으로 본 연구의 범위를 한정하였다.
- 본 연구에서는 에폭시 계열의 폴리머 콘크리트를 사용한 박막 교면포장의 사용에 따른 교량구조물의 거동을 살펴보기 위해 FEM 해석을 수행하였다. SMA 교면포장에 대해서도 동일한 조건으로 FEM 해석을 수행하여 SMA 대신 폴리머 콘크리트를 교면포장으로 사용 시 교량구조물에 발생한 응력과 처짐의 증감률을 분석하였다.
- 에폭시 재료를 활용한 교면포장 공법의 일종인 폴리머 콘크리트 박막 교면포장은 다른 일반적인 교면포장의 두께가 80mm 내외인 것에 비해 12mm 이내의 얇은 두께로 시공된다(Nelson, 2005). 본 연구에서는 이러한 얇은 포장두께를 가지는 폴리머 콘크리트 박막 교면포장을 사용한 교량의 거동을 파악하기 위하여 유한요소해석을 수행하고, 교면포장으로 널리 사용되고 있는 아스팔트 계열 교면포장 공법의 일종인 SMA(Stone Mastic Asphalt) 교면포장을 사용한 교량의 거동과 비교, 분석하여 국내에 시공사례가 없는 폴리머 콘크리트 박막 교면포장의 현장 사용성을 평가한다.
가설 설정
- 213m를 갖는 편도 3차로 교량의 벽체, 슬래브 및 교면포장을 3차원 Solid element로 모델링하였다. 기초와 말뚝은 해석결과에 큰 영향을 미치지 못하므로 벽체하단을 고정단으로 가정하고 해석하였다.
- 여기서, P는 차륜의 중량(kN)이다. 해석에 사용된 접지면적과 접지압력은 표 2와 같으며 접지압력은 접지면 전체에 균등하게 분포하는 것으로 가정하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 에폭시 계열의 폴리머 콘크리트를 사용한 박막 교면포장의 사용에 따른 교량구조물의 거동을 살펴보기 위해 FEM 해석을 수행하였다. SMA 교면포장에 대해서도 동일한 조건으로 FEM 해석을 수행하여 SMA 대신 폴리머 콘크리트를 교면포장으로 사용 시 교량구조물에 발생한 응력과 처짐의 증감률을 분석하였다. 분석결과를 요약하면 다음과 같다.
- SMA와 폴리머 콘크리트를 교면포장으로 사용하였을 때 포장의 자중과 차량하중에 의하여 교량에 발생한 응력과 처짐을 교량형식별로 비교, 분석하였다. 온도에 따라 변화하는 SMA와 폴리머 콘크리트의 재료적 특성을 고려하였다.
- 구조해석을 위하여 표 4와 같이 서울-춘천고속도로 3공구 구간 내에 실제 시공된 4가지 형식의 교량을 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS CIVIL 2006을 사용하여 해석하였다. 각각의 교량은 서울방향을 기준으로 하였으며 서울-춘천고속도로내의 차산교, 서종대교, 월문4교와 고속국도 46호선 내의 창현육교에 대해서 구조해석을 실시하였다. 모든 대상 교량의 구조해석시 SMA 교면포장의 두께는 80mm, 폴리머 콘크리트 박막 교면포장은 Nelson(2005)이 제안한 두께 12mm를 적용하였다.
- 56m의 편도 3차로 교량이다. 교량의 세로보와 가로보는 Shell element로, 바닥 슬래브와 교면포장은 3차원 Solid element로 모델링하였다.
- 이는 바닥판과 포장의 접착에 의한 휨강성 증가와 포장의 두께에 의한 하중분산의 영향으로 나누어 생각할 수 있다. 교면포장의 유형이 교량의 거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 범용 구조해석 프로그램을 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 폴리머 콘크리트를 이용한 박막 교면포장과 SMA 교면포장에 대해 동일한 교량 및 하중조건 하에서 구조해석하고 비교, 분석하였다.
- 구조해석을 위하여 표 4와 같이 서울-춘천고속도로 3공구 구간 내에 실제 시공된 4가지 형식의 교량을 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS CIVIL 2006을 사용하여 해석하였다. 각각의 교량은 서울방향을 기준으로 하였으며 서울-춘천고속도로내의 차산교, 서종대교, 월문4교와 고속국도 46호선 내의 창현육교에 대해서 구조해석을 실시하였다.
- 해석대상 교량 중 PSC 거더교는 경간장 35m의 단경간 교량이며 서울방향을 대상으로 하였다. 그림 2와 같이 교폭 12.625m를 갖는 편도 3차로 교량의 거더, 바닥판, 가로보 및 교면포장을 3차원 Solid element로 모델링하였다.
- PSC 박스 거더교는 경간장 50m의 단경간이며 서울방향을 대상으로 하였다. 그림 3과 같이 교폭 12.77m를 갖는 편도 3차로 교량의 격벽 및 박스 거더를 3차원 Solid element로모델링하였다.
- 경간장 10m의 RC 라멘교는 서울방향의 교량을 해석대상으로 하였다. 그림 5와 같이 교폭 16.213m를 갖는 편도 3차로 교량의 벽체, 슬래브 및 교면포장을 3차원 Solid element로 모델링하였다. 기초와 말뚝은 해석결과에 큰 영향을 미치지 못하므로 벽체하단을 고정단으로 가정하고 해석하였다.
- 각각의 교량은 서울방향을 기준으로 하였으며 서울-춘천고속도로내의 차산교, 서종대교, 월문4교와 고속국도 46호선 내의 창현육교에 대해서 구조해석을 실시하였다. 모든 대상 교량의 구조해석시 SMA 교면포장의 두께는 80mm, 폴리머 콘크리트 박막 교면포장은 Nelson(2005)이 제안한 두께 12mm를 적용하였다.
- SMA와 폴리머 콘크리트를 교면포장으로 사용하였을 때 포장의 자중과 차량하중에 의하여 교량에 발생한 응력과 처짐을 교량형식별로 비교, 분석하였다. 온도에 따라 변화하는 SMA와 폴리머 콘크리트의 재료적 특성을 고려하였다. 결과분석에 사용된 응력과 처짐의 증감률은 SMA를 사용한 교량의 응력과 처짐에 대한 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 응력과 처짐의 증가와 감소 비율을 나타낸다.
- 2005)를 입력하여 프로그램 내에서 자동으로 계산되었다. 이동하중 해석을 선행하여 교량의 주부재에 최대 단면력을 발생시키는 차량하중 재하위치를 찾고, 이 위치에 도로교설계기준(2008)에서 제시하는 DB24의 차륜 하중을 압력의 형태로 변환하여 재하하였다. 이때 각 차륜은 접지면적이
- 최적으로 설계된 실제 교량의 SMA 교면포장을 폴리머 콘크리트 박막 교면포장으로 변경할 경우의 응력과 처짐 저감 효과를 교량 형식별로 비교해 보았다. 그림 14와 그림 15는교면포장 자중과 차량하중이 동시에 작용하였을 때 교량 상부와 하부에서의 응력 증감률과 경간 중앙에서의 처짐 증감률을 교량형식별로 나타낸 것으로 교량 상부의 경우 바닥판 상단의 응력 값을 나타낸다.
- 교면포장의 유형이 교량의 거동에 미치는 영향을 분석하기 위하여 범용 구조해석 프로그램을 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 폴리머 콘크리트를 이용한 박막 교면포장과 SMA 교면포장에 대해 동일한 교량 및 하중조건 하에서 구조해석하고 비교, 분석하였다. 본 연구의 해석대상 교량은 시공이 완료된 교량으로 시공 중 발생한 응력과 처짐을 비롯하여 설계에 사용된 하중조합 등을 반영하기 어려운 한계가 있었다.
대상 데이터
- PSC 박스 거더교는 경간장 50m의 단경간이며 서울방향을 대상으로 하였다. 그림 3과 같이 교폭 12.
- 경간장 10m의 RC 라멘교는 서울방향의 교량을 해석대상으로 하였다. 그림 5와 같이 교폭 16.
- 경간장 45m을 갖는 단경간의 강박스 거더교는 서울방향을 해석대상으로 하며, 그림 4와 같이 교폭 11.56m의 편도 3차로 교량이다. 교량의 세로보와 가로보는 Shell element로, 바닥 슬래브와 교면포장은 3차원 Solid element로 모델링하였다.
- 해석대상 교량 중 PSC 거더교는 경간장 35m의 단경간 교량이며 서울방향을 대상으로 하였다. 그림 2와 같이 교폭 12.
이론/모형
- 구조해석에 사용된 교면포장의 온도별 탄성계수는 표 3과 같다. SMA의 탄성계수는 National Cooperative Highway Research Program(NCHRP, 2004)이 제시한 모형으로 계산되었으며, 폴리머 콘크리트의 탄성계수는 Poplar Street 교량 건설 당시의 실내시험 결과(Gopalaratnam 외, 1999)를 참고하여 결정하였다.
성능/효과
- 1. 폴리머 콘크리트의 단위중량이 SMA보다 작고 포장의 두께 또한 얇으므로, 폴리머 콘크리트의 자중에 의해 교량에 발생하는 응력과 처짐은 SMA를 사용한 교량에 비하여 작게 나타났다.
- 2. 차량하중만 고려하는 경우, 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 응력과 처짐은 SMA를 사용한 교량에 비해 크게 나타났다. 이는 교면포장이 교량과 완전 부착된다는 가정 하에서 상대적으로 얇은 두께의 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 단면이차모멘트가 SMA를 사용한 경우보다 작았기 때문이다.
- 3. 차량하중만 고려하는 경우, 바닥판 또는 교량 상부에서 크게 발생한 응력 증가율은 교량 하부로 갈수록 감소하였다. 이로 인하여 두 교량의 하부에서는 결국 유사한 크기의 인장응력이 발생하여 폴리머 콘크리트 박막 교면포장의 하중전달 능력이 SMA에 크게 뒤지지 않는다고 판단되었다.
- 4. 교면포장의 자중과 차량하중을 동시에 고려한 경우, 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 응력과 처짐은 SMA를 사용한 교량에 비하여 전체적으로 작게 나타났다. 이는 교면 포장 자중에 의한 응력과 처짐의 감소가 차량하중에 의한 증가보다 크기 때문이다.
- 5. 교량형식별로 비교한 결과, 교면포장 자중과 차량하중이 동시에 작용하는 경우의 응력과 처짐의 감소는 PSC 박스 거더교에서 가장 컸고 RC 라멘교에서 가장 작았다. 이는 경간장에 기인한 것으로 경간이 긴 교량일수록 자중에 의한 영향을 더 많이 받기 때문이다.
- 온도에 따라 변화하는 SMA와 폴리머 콘크리트의 재료적 특성을 고려하였다. 결과분석에 사용된 응력과 처짐의 증감률은 SMA를 사용한 교량의 응력과 처짐에 대한 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 응력과 처짐의 증가와 감소 비율을 나타낸다. 즉, SMA 대신 폴리머 콘크리트를 사용했을 때의 응력과 처짐의 상대적 감소 또는 증가 정도를 백분율로 나타낸 것이다.
- 모든 교량형식에서 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 하부에서 SMA를 사용한 교량보다 작은 인장응력이 발생하여 그림 14에서 보듯이 인장응력 감소를 나타냈다. PSC 거더교와 RC 라멘교는 PSC 박스 거더교와 강박스 거더교에 비해 인장응력 감소 효과가 상대적으로 작았는데 이는 경간장이 35m와 10m로 다른 형식의 교량에 비해 상대적으로 짧고 단면의 형태가 크게 달라 교면포장 자중에 의한 인장응력 감소 효과는 작고 차량하중에 의한 인장응력의 증가는 크기 때문으로 판단된다.
- 그림 10(c)는 교면포장의 자중과 차량하중이 동시에 작용하였을 때의 응력 증감률을 나타낸 것이다. 바닥판 상부와 상부 플랜지에서는 각각 17.5~22.6%, -1.7~25.2%의 압축응력 감소율을 보였으며, 하부 플랜지에서는 24.4~26.5%의 인장응력 감소율을 보였다. 정도에는 차이는 있지만 앞서 서술한 다른 형식의 교량과 마찬가지로 온도의 상승에 따라 응력 감소율이 커졌다.
- 그림 10(a)는 교면포장의 자중에 의한 강박스 거더교의 위치별 응력 증감률을 나타낸 것이다. 바닥판 상부와 상부 플랜지에서는 각각 92.3~93.1%, 90.6~93.1%의 압축응력 감소율을 보였으며, 하부 플랜지에서는 92.9~93.1%의 인장응력 감소율을 보였다. 그리고 온도 상승에 따라 응력 감소율은 커지는 경향을 나타냈다.
- 그림 7은 처짐 증감률을 보인 것이며, 온도변화에 민감한 응력 증감률과는 달리 온도 상승에 따른 처짐 증감률의 변화는 상대적으로 작게 나타났다. 차량하중만 작용하였을 때에는 폴리머 콘크리트를 사용한 경우의 처짐이 SMA를 사용했을 때보다 0.4~9.8% 더 커서 불리했으나 교면포장 자중과 차량하중이 동시에 작용했을 때의 처짐은 12.2~19.3% 더 작은 것으로 나타나 유리해졌다. 차량하중만 작용했을 때 폴리머 콘크리트를 사용한 교량의 처짐이 SMA를 사용했을 때보다 증가하는 이유는 상대적으로 얇은 포장 두께로 인하여 단면이차모멘트가 작았기 때문이다.
- 그림 13은 처짐 증감률로서 앞서 서술한 다른 형식의 교량들과 마찬가지로 온도 상승에 따른 처짐 증감률의 변화는 상대적으로 작게 나타났다. 차량하중만 작용하였을 때에는 폴리머 콘크리트를 사용한 경우의 처짐이 SMA를 사용했을 때보다 0.5~12.1% 더 커서 불리했으나 교면포장 자중과 차량하중이 동시에 작용했을 때에는 2.4~12.5% 더 작아 유리해졌다.
- 그림 9는 처짐 증감률을 보인 것으로 PSC 거더교의 경우와 마찬가지로 온도 상승에 따른 처짐 증감률의 변화는 상대적으로 작았다. 차량하중만 작용한 경우에는 폴리머 콘크리트를 사용했을 때의 처짐이 SMA를 사용했을 때보다 0.4~9.9% 더 커서 불리했으나 교면포장 자중과 차량하중이 동시에 작용했을 때의 처짐은 24.9~31.1% 더 작은 것으로 나타나 유리해졌다.
- 그림 10(b)는 차량하중만 작용한 때의 응력 증감률로서 온도 상승에 따라 응력 증가율은 작아지는 경향을 보였다. 폴리머 콘크리트를 사용한 경우 바닥판 상부와 상부 플랜지에서는 각각 2.1~7.3%, 1.2~37.9%의 압축응력 증가율을 보였으며, 하부 플랜지에서는 SMA를 사용했을 때보다 0.1~3.0% 더 큰 인장응력 증가율을 보였다. 표 7을 보면 폴리머 콘크 리트를 사용한 경우 바닥판 상부의 압축응력이 포장의 물성과 두께의 차이에 의해 SMA를 사용했을 때보다 최대 0.
- 0% 더 큰 인장응력을 나타냈다. 표 5를 보면 폴리머 콘크리트를 사용한 경우 바닥판 상부의 압축응력이 포장의 물성과 두께의 차이에 의해 SMA를 사용했을 때 보다 최대 0.351MPa 더 컸지만 하부로 갈수록 그 차이가 줄어들어 주거더 하부에서는 비슷한 크기의 인장응력이 나타났다. 발생된 인장응력의 차이로 미루어 폴리머 콘크리트를 SMA 대신 사용해도 교량자체의 구조적으로는 큰 문제가 되지 않는다고 판단된다.
- 2%의 인장응력 증가율을 보였으며, 온도가 상승함에 따라 응력 증가율은 작아지는 경향을 나타냈다. 표 6을 보면 폴리머 콘크리트를 사용한 경우 상부 슬래브의 압축응력이 포장의 물성과 두께 차이에 의해 SMA를 사용했을 때보다 최대 0.083MPa 더 컸지만 PSC 거더교와 마찬가지로 하부로 갈수록 그 차이가 줄어들어 하부 슬래브에서는 비슷한 크기의 인장응력이 발생하는 것으로 나타났다. 하부 슬래브에서의 인장응력의 차이가 작으므로 폴리머 콘크리트를 SMA 대신 사용해도 구조적으로는 문제가 되지 않는다고 판단된다.
- 세 가지 온도에서 SMA와 폴리머 콘크리트를 교면포장으로 사용하였을 경우 교면포장의 자중과 차량하중에 의하여 강박스 거더교의 바닥판 상부, 상부 플랜지 및 하부 플랜지에 발생한 응력과 경간 중앙에서의 처짐을 표 7에 정리하였다. 해석 결과, 바닥판 상부와 상부 플랜지에서는 압축응력이, 하부 플랜지에서는 인장응력이 발생하였다.
후속연구
- 이는 경간장에 기인한 것으로 경간이 긴 교량일수록 자중에 의한 영향을 더 많이 받기 때문이다. 따라서 경간이 긴 교량에 폴리머 콘크리트 박막 교면포장을 사용하여 응력과 처짐 감소효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
- 폴리머 콘크리트를 이용한 박막 교면포장과 SMA 교면포장에 대해 동일한 교량 및 하중조건 하에서 구조해석하고 비교, 분석하였다. 본 연구의 해석대상 교량은 시공이 완료된 교량으로 시공 중 발생한 응력과 처짐을 비롯하여 설계에 사용된 하중조합 등을 반영하기 어려운 한계가 있었다. 따라서 교면포장의 자중과 차량하중에 의하여 교량에 발생한 응력과 처짐을 비교, 분석하는 것으로 본 연구의 범위를 한정하였다.
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