[논문]UHPC-거더 사장보도교의 설계

이치동; 김우종; 조경식; 김종화

doi:10.22636/mkci.2011.23.5.38

문제 정의

본 교량은 UHPC를 적용한 실험적 성격이 강한 교량으로 UHPC의 적용구간 설정은 프리캐스트 시공을 전제로 교량계획을 수행하였다. 이것은 콘크리트가 고강도화됨에 의해 인양중량을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이며, 본 교량이 성공적으로 완공된 후 차후 도로교 및 철도교에 적용시 거더와 바닥판을 일체로 공장에서 생산하여 높은 품질 확보와 신속한 시공을 통해 공기단축이 가능한 시공법을 개발하기 위함이다. 적용된 콘크리트 강도는 <표 5> 및 <그림 7>과 같다.
UHPC-거더 사장보도교는 향후 예상되는 장대교량을 독창적이고 경제적으로 순수 국내 기술로 건설하기 위한 연구과정 중 실제교량에 적용한 사례이다. 초고성능 콘크리트를 사용하여 세계 최고 수준의 저비용 장수명 하이브리드 사장교 시스템을 개발하여 국제 경쟁력을 확보하고 이를 통해 해외 장대교량의 건설수주 확대에 활용할 수 있는 성과물 확보가 연구목표이다.

제안 방법

2) UHPC를 이용한 케이블 교량에 대한 설계, 제작 및 시공 기술을 향상 시킬 수 있는 교량 형식을 선정한다.
3면 Fan Type, 2면 Semi-Fan Type, 2면 Fan Type, 2면 하프형 등을 적용하여 앞서 설정한 교량형상과 조합하여 각 형상별로 적정안을 선정하였다.
구조검토 결과, 바닥판 두께 70 mm에는 보강 섬유만으로도 허용응력 및 휨강도를 모두 만족하는 것으로 검토되었으나 국내 최초 초고성능 콘크리트 사장교임을 고려하여 단면 중앙에 직경 5.8 mm의 이형 와이어메쉬를 250 mm 간격으로 배치하였다.
둘째, 프리캐스트 부재간의 연결은 Match cast로 제작 연결하였다. 현장에서 에폭시를 도포하고 가설용 강봉으로 압축력을 도입 후 강선을 긴장하는 통상적인 프리캐스트 세그멘탈 공법의 시공법을 적용하였다.
바닥판은 UHPC(180 MPa)를 사용하여 제작장에서 엣지 거더(edge girder)와 일체로 프리캐스트로 제작되며, 보강 철근없이 단면에 혼입된 강섬유 만으로 바닥판에 발생하는 부재력에 저항하도록 단면두께를 70 mm로 계획하였다. 바닥판의 안전성은 허용응력 조합에 대하여 균열이 발생하지 않도록 하였으며, 강도조합에 대하여 인장연단에서의 변형률은 1%를 초과하지 않도록 하였다.
바닥판은 UHPC(180 MPa)를 사용하여 제작장에서 엣지 거더(edge girder)와 일체로 프리캐스트로 제작되며, 보강 철근없이 단면에 혼입된 강섬유 만으로 바닥판에 발생하는 부재력에 저항하도록 단면두께를 70 mm로 계획하였다. 바닥판의 안전성은 허용응력 조합에 대하여 균열이 발생하지 않도록 하였으며, 강도조합에 대하여 인장연단에서의 변형률은 1%를 초과하지 않도록 하였다.
보도교 설치의 주목적인 기존에 사용중인 본관과 신축 연구동의 연결 기능에 중점을 둔 교량형상안, 한국건설기술연구원의 상징성에 중점을 둔 C.I. 특화안, 케이블 형상의 디자인에 변화를 준 케이블 특화안, 기존 건물에 밀착시킨 건물 근접안 등 총 6개 형상으로 연구하여 적용성을 검토하였다.
보도교의 기능성과 UHPC-거더의 시험 시공시 거동분석의 명확성을 위해 단순한 거더형상인 의 기능성 특화안을 선정하여 설계하였다.
본 교량은 UHPC를 적용한 실험적 성격이 강한 교량으로 UHPC의 적용구간 설정은 프리캐스트 시공을 전제로 교량계획을 수행하였다. 이것은 콘크리트가 고강도화됨에 의해 인양중량을 획기적으로 줄일 수 있기 때문이며, 본 교량이 성공적으로 완공된 후 차후 도로교 및 철도교에 적용시 거더와 바닥판을 일체로 공장에서 생산하여 높은 품질 확보와 신속한 시공을 통해 공기단축이 가능한 시공법을 개발하기 위함이다.
본 설계 및 시공은 이러한 목표를 달성하기 위한 일환으로 수행하였고, 기존에 주로 적용된 일반강도 콘크리트 교량에 대응하여 압축강도 180 MPa의 초고성능 콘크리트(이하 UHPC;Ultra High Performance Concrete)를 활용한 보도교 구조 형식을 제안하여 설계하였다. 이 성과는 신축이 예정되어 있던 한국건설기술연구원 신축 연구동 연결통로에 적용 및 시공하여 초고성능 콘크리트 교량의 설계와 시공에 있어서 필요한 기술을 파악하였다.
셋째, 프리캐스트 부재와 건물의 연결은 기사용 중인 건물로써 교량의 추가하중이 재하되면 건물에 유해한 영향을 줄 수 있기 때문에 FRP 발판만 설치하고 구조적으로 독립으로 계획하였다.
하지만 시간에 따른 변위응답은 발산하지 않아 구조 안전에는 이상이 없는 것으로 판단되었다. 완공 후 불쾌감 저감을 위해 최종적으로 교량 단부에 TMD를 설치하여 진동의 응답을 제어하였다.
본 설계 및 시공은 이러한 목표를 달성하기 위한 일환으로 수행하였고, 기존에 주로 적용된 일반강도 콘크리트 교량에 대응하여 압축강도 180 MPa의 초고성능 콘크리트(이하 UHPC;Ultra High Performance Concrete)를 활용한 보도교 구조 형식을 제안하여 설계하였다. 이 성과는 신축이 예정되어 있던 한국건설기술연구원 신축 연구동 연결통로에 적용 및 시공하여 초고성능 콘크리트 교량의 설계와 시공에 있어서 필요한 기술을 파악하였다. 또한 기존 사용 중인 본관동과 신축연구동을 보도교로 연결함으로써 연구소 내의 보행자 이동을 단축하여 편익을 증대하는 기본기능도 달성하였다<사진 1>.
첫째, 현장타설 구간과의 연결은 주두부와 프리캐스트 부재의 연결로서 프리캐스트 부재를 철근을 돌출시켜 제작하고 현장에 설치된 가시설위에 거치시킨 후 주두부의 현장타설 콘크리트를 타설하는 것으로 계획하였다. 이것은 프리캐스트 부재간의 연결과 서로 비교하여 연결 시공법을 검증하기 위한 것이다.
프리캐스트 부재의 연결은 현장타설 구간과의 연결, 프리캐스트부재간의 연결 그리고 단부인 건물과의 연결로 3가지 연결형식으로 계획하였다.
둘째, 프리캐스트 부재간의 연결은 Match cast로 제작 연결하였다. 현장에서 에폭시를 도포하고 가설용 강봉으로 압축력을 도입 후 강선을 긴장하는 통상적인 프리캐스트 세그멘탈 공법의 시공법을 적용하였다. 이때 철근은 시공 이음면에서 서로 연속되지 않는 것으로 계획하였다.

대상 데이터

본 과업의 교량은 본관동 후면에서 기사용 중인 본관동과 신축실험동을 연결하는 보도 교량이다. 교량 가설 위치의 주요 지장물은 본관동의 지하층 및 휴게공간과 실험 1동과 인접하여 위치한 우수관로 및 오수관로로 교량의 기초 위치는 이러한 기존의 지장물과 간섭되지 않도록 위치를 선정하였다<;그림 6>.

성능/효과

본 교량은 건물에 하중을 전달하지 않기 위해 주탑만 지지되고 거더가 일체 지지되지 않은 형식으로서 진동발생이 우려되어 교량 상부에 70 kg/m²의 하중에 2 Hz의 강제 주기력에 대하여 시간이력 해석을 수행한 결과 교량 단부에서 최대 가속도는 1.494 m/sec²으로 가속도 응답 상한치인 0.981 m/sec²을 상회하여 보행자에게 불쾌감을 유발하는 것으로 검토되었다. 하지만 시간에 따른 변위응답은 발산하지 않아 구조 안전에는 이상이 없는 것으로 판단되었다.

후속연구

UHPC를 적용한 사장교의 사례를 조사결과 거더교 및 아치교의 사례는 발견되나 사장교에 적용은 조사되지 않아 본 보도교가 세계최초의 설계 및 시공일 것으로 생각된다<;표 2, 3>.
본 교량은 UHPC를 사용한 세계최초의 사장보도교로서 실교량의 준공으로 기술적 완성도가 제고되었다고 생각한다. 향후 고강도 재료특성을 활용한 경량화로 초장대교의 도전과 국내 토목기술의 국제 경쟁력강화를 기대한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	UHPC-거더 사장보도교는 어떠한 사례인가?	UHPC-거더 사장보도교는 향후 예상되는 장대교량을 독창적이고 경제적으로 순수 국내 기술로 건설하기 위한 연구과정 중 실제교량에 적용한 사례이다. 초고성능 콘크리트를 사용하여 세계 최고 수준의 저비용 장수명 하이브리드 사장교 시스템을 개발하여 국제 경쟁력을 확보하고 이를 통해 해외 장대교량의 건설수주 확대에 활용할 수 있는 성과물 확보가 연구목표이다.
	UHPC란?	UHPC는 설계기준 압축강도 값이 150 MPa 이상, 설계기준쪼갬인장강도 값이 5 MPa 이상인 섬유보강 시멘트 복합체이다. UHPC는 보통 포틀랜드 시멘트, 실리카 퓸 또는 고로슬래그 미분말로 구성되어 있는 포졸란계 혼화재, 입경 0.
	UHPC의 재료적 특징은?	1) 굵은 골재 배제, 균일한 재료적 특성과 양호한 입자분포로 인한 초고강도 발현 2) 고온증기 양생에 의한 우수한 미세구조 형성 3) 강섬유 첨가로 인한 인성 증가

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