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문제 정의
- 7 mm, fpu =1,860 MPa)의 하프형으로 구성되어 있으며, 경인아라뱃길 운전 일정에 차질이 없도록 2011년 7월에 개통하였다. 본 기사에서는 전호대교의 설계와 시공 및 형상관리의 과정을 소개하고자 한다.
가설 설정
- 앞서 언급한 바와 같이 전호대교의 가설은 교량 전 구간에 걸쳐 가설벤트를 설치하고 보강거더와 주탑이 동시에 가설하도록 계획하였다<;사진 1>. 가설벤트의 평균높이는 시점측이 약 13m, 종점측이 약 7m이고, 총 29개소의 벤트모듈로 구성되어 있으며 지간은 평균 14m로 적용되었다.
제안 방법
- 전호대교의 가설공법은 동바리 공법(full staging method)으로써 일반적으로 동바리 공법으로 가설되는 교량의 경우 상세한 가설단계해석을 수행하지 않는다. 그러나 본 교량의 경우, 공사 관리의 기준치를 제시하고 교량의 목표형 상이 오차범위 이내에서 구현될 수 있도록 하기 위해 총 26단계의 상세 가설단계해석을 수행하였다. 이때 콘크리 트의 시간적 특성과 가설단계 변화에 따른 구조적 영향을 정확히 모사하기 위해 가설 동바리 강성, 보강거더 및 주탑의 콘크리트 타설 시기, 케이블의 긴장 시기 등은 최대한 현장여건과 일치시켜 적용하였다.
- 그러나 본 교량의 경우, 공사 관리의 기준치를 제시하고 교량의 목표형 상이 오차범위 이내에서 구현될 수 있도록 하기 위해 총 26단계의 상세 가설단계해석을 수행하였다. 이때 콘크리 트의 시간적 특성과 가설단계 변화에 따른 구조적 영향을 정확히 모사하기 위해 가설 동바리 강성, 보강거더 및 주탑의 콘크리트 타설 시기, 케이블의 긴장 시기 등은 최대한 현장여건과 일치시켜 적용하였다.
- 전호대교의 횡방향 해석은 2차원 골조 모델을 기초로 하여 수행되었으나 곡선선형의 영향, 광폭 일면 케이블 지지 구조형식의 영향 등에 의해 횡방향 비틀림 효과가 타 교량에 비해 클 것으로 예상되었고, 횡방향 비틀림 효과를 확인하기 위해 별도의 3차원 입체모델을 구성하였다. 3차원 입체모델을 해석하여 구조물의 횡방향 거동 특성 및 비틀림 규모를 파악하고 이를 2차원 골조모델에 적용함으로써 보강거더의 비틀림 강성을 확보하였다.
- 전호대교의 횡방향 해석은 2차원 골조 모델을 기초로 하여 수행되었으나 곡선선형의 영향, 광폭 일면 케이블 지지 구조형식의 영향 등에 의해 횡방향 비틀림 효과가 타 교량에 비해 클 것으로 예상되었고, 횡방향 비틀림 효과를 확인하기 위해 별도의 3차원 입체모델을 구성하였다. 3차원 입체모델을 해석하여 구조물의 횡방향 거동 특성 및 비틀림 규모를 파악하고 이를 2차원 골조모델에 적용함으로써 보강거더의 비틀림 강성을 확보하였다. 3차원 입체모델 해석 결과, 보강거더에는 각 구간별(중앙일반부, 측경간일반부, 케이블연결부, 주두부)로 서로 다른 횡방향 상대 처짐이 발생함을 확인할 수 있었고 각 복부의 서로 다른 상대 처짐은 상부 슬래브의 휨을 야기하므로 3차원 입체모델 해석을 통해 산출된 보강거더의 처짐을 2차원 모델의 각 복부에 재하하는 방법으로 횡방향 비틀림 효과를 고려하였다.
- 전호대교는 광폭 일면지지의 구조특성 상 보강거더에는 상대적으로 큰 규모의 비틀림력이 작용하게 된다. 따라서 두께 300mm인 충복식 격벽을 교축방향 5.5m 간격으로 보강거더 케이블 정착 위치마다 설치하여 비틀림 강성을 증가시켰다. 또한 설치된 격벽에는 <그림 3>과 같이 횡방향 강선을 추가적으로 배치·긴장하여 다이아프램의 횡분배 기능을 향상시키는 동시에 구조물 거동의 균형을 유도하고 구조 안정성을 증대시켰다.
- 주탑의 형상은 교량의 조형미와 상징성에 중요한 부분을 차지한다. 본 교량의 경우 원형의 강재 거푸집을 영구적으로 사용하도록 계획함으로써 마치 강주탑과 같은 독창적 조형미를 연출하였고, 주탑고를 증가시킴으로써 주탑의 상징성을 극대화시켰다. 주탑의 단면은 <그림 4>와 같은 아령형으로 주탑 하단부는 6.
- 본 교량의 경우 활하중에 의해 케이블에 발생하는 피로응력은 59 MPa이고, Extradosed교의 허용 피로응력인 70 MPa 이하로 발생하여 피로안정성을 확보하였고 케이블의 연직분담율은 약 24%이다. 따라서 본 교량은 Extradosed교로 구분되어지며 케이블의 발생응력이 케이블 극한응력의 60%를 이내에 들도록 설계하였다. 교량이 준공된 후 케이블에 발생하는 최대장력은 <그림 5>와 같이 허용장력의 약 75% 수준이므로 케이블의 안정성은 적정하게 확보된 것으로 판단된다.
- 가설벤트의 평균높이는 시점측이 약 13m, 종점측이 약 7m이고, 총 29개소의 벤트모듈로 구성되어 있으며 지간은 평균 14m로 적용되었다. 보강거더는 키세그먼트를 제외하고 총 12개의 블록으로 구분하여 타설 관리하였으며, 주두부 구간 블록이 시공 완료된 후 주탑을 가설하는 것으로 계획하였다.
- 4 m의 절반으로 계획하였으며, 2개소의 강재 거푸집을 설치한 후콘크리트를 타설하는 과정으로 주탑이 시공되었다. 주탑 강재 거푸집은 공장에서 제작한 후 현장으로 운송되고 크롤러 크레인을 이용하여 일괄 설치하였다. 주탑 거푸집 세그먼트의 이음면은 현장에서 맞대기(t = 10 mm) 용접으로 처리하였다.
- 이러한 일련의 과정들을 통하여 교량 형상은 목표형상에 도달하게 되며 교량 종단 선형은 계획고와 일치하게 된다. 전호대교의 관리 목표형상은 준공 후 1만일 경과 시 종단선형이 계획고에 도달하는 것으로 계획하고 보강거더의 처짐과 케이블의 장력을 위주로 전호대교의 형상관리를 수행하였다.
- 전호대교의 케이블 가설은 케이블 전문업체에서 수행하였으며, 키세그먼트를 제외한 모든 구간의 보강거더가 가설 완료된 후 주탑 내측 케이블에서 외측 케이블 방향으로 순차적으로 진행하였다. 이때 케이블의 장력관리는 케이블의 도입장력 및 발생장력이 시공단계해석에 의해 산출된 장력과 ±5%의 오차범위 이내가 되도록 계획하였고, 케이블의 도입장력 모니터링 결과 모든 케이블의 장력은 해석 결과와 허용오차범위 이내로 발생하였다.
- 경인아라뱃길을 횡단하는 광폭 일면케이블 Extradosed 형식의 전호대교는 케이블의 하중분담율을 증가시켜 경제적인 단면계획을 수립하고 적절한 격벽 배치 및 복부 계획을 수립함으로써 일면케이블 지지 구조 시스템의 기능을 향상시킨 교량이다. 한강변의 랜드마크 효과를 극대화하기 위해 하프타입의 일면케이블을 배치하였고, 효율적인 케이블 배치를 통해 주행자의 시야를 확보하고 곡선선형에 의한 케이블 간섭효과를 배제하였다.
- 본 교량은 광폭 일면케이블 지지 구조물의 거동 특성을 고려하여 합리적이고 세부적인 설계를 진행하였으며, 주탑에 강재 거푸집을 영구적으로 사용하도록 제안하여 시공성을 향상시켰다. 또한 일반적인 Extradosed교에서는 잘 적용하지 않는 Set Back을 실시함으로써 구조 안정성을 증대시켰다.
- 또한 일반적인 Extradosed교에서는 잘 적용하지 않는 Set Back을 실시함으로써 구조 안정성을 증대시켰다. 교량의 형상관리에 있어서는 면밀하게 현장여건을 반영하여 구조해석을 수행함으로써 정확한 보강거더 캠버와 시공단계별 처짐을 제시하였다. 그 결과, 보강거더의 선형이 목표 선형에 근접하였으며 구조해석에 의해 제시된 케이블 장력이 현장 도입 장력과 오차범위 이내로 확인되어 성공적으로 형상관리가 마무리되었다.
대상 데이터
- 케이블은 MS타입(Parallel Strand Cable, 7연선 Φ15.7 mm, fpu =1,860 MPa)의 하프형으로 구성되어 있으며, 경인아라뱃길 운전 일정에 차질이 없도록 2011년 7월에 개통하였다.
- 전호대교는 김포 한강로(경인운하 구간) 개설공사 노선 중 경인아라뱃길을 횡단하는 교량으로써 김포시의 장기종합개발계획에 부합되고 상징적이면서 주변 경관과 조화를 이루는 Extradosed교로 계획되었다<;그림 1>. 교량 총연장은 650m이고, Extradosed교 구간의 연장은 350m이며, 교폭은 28.
- 전호대교는 김포 한강로(경인운하 구간) 개설공사 노선 중 경인아라뱃길을 횡단하는 교량으로써 김포시의 장기종합개발계획에 부합되고 상징적이면서 주변 경관과 조화를 이루는 Extradosed교로 계획되었다<그림 1>. 교량 총연장은 650m이고, Extradosed교 구간의 연장은 350m이며, 교폭은 28.9 m ~ 31.9 m, 주탑의 총 높이는 30m이다. 케이블은 MS타입(Parallel Strand Cable, 7연선 Φ15.
- 전호대교의 또 다른 주요 공정 중 하나로 보강거더 중앙부의 키세그먼트 폐합 공정을 꼽을 수 있다. 본 교량의 주탑 교각은 교량의 상부구조와 하부구조를 일체로 연결하는 라멘 형식으로 적용되었으며, 교각기둥은 2개의 레그로 구성된 단면을 채택하였다. 따라서 상부 구조계의 변화는 하부구조에 상당한 영향을 미치게 된다.
- 본 교량의 캠버는 중앙경간이 최대 30 mm, 측경간이 최소 -13 mm이며, Extradosed교 전구간에 걸쳐 적용된 캠버는 아래 과 같다.
성능/효과
- 또한 설치된 격벽에는 과 같이 횡방향 강선을 추가적으로 배치·긴장하여 다이아프램의 횡분배 기능을 향상시키는 동시에 구조물 거동의 균형을 유도하고 구조 안정성을 증대시켰다.
- 3차원 입체모델을 해석하여 구조물의 횡방향 거동 특성 및 비틀림 규모를 파악하고 이를 2차원 골조모델에 적용함으로써 보강거더의 비틀림 강성을 확보하였다. 3차원 입체모델 해석 결과, 보강거더에는 각 구간별(중앙일반부, 측경간일반부, 케이블연결부, 주두부)로 서로 다른 횡방향 상대 처짐이 발생함을 확인할 수 있었고 각 복부의 서로 다른 상대 처짐은 상부 슬래브의 휨을 야기하므로 3차원 입체모델 해석을 통해 산출된 보강거더의 처짐을 2차원 모델의 각 복부에 재하하는 방법으로 횡방향 비틀림 효과를 고려하였다. <그림 2>는 3차원 입체모델 해석을 통해 산출된 고정하중 상태에서의 보강거더 상대 처짐이며 중앙일반부 구간에서 캔틸레버 끝단의 상대 처짐은 최대 13mm로 발생하였다.
- Extradosed교로 구분되어질 경우 케이블의 허용응력은 극한응력의 60%로 이내로 제한하고 사장교로 구분되어질 경우 케이블의 허용응력은 극한응력의 45%로 제한한다. 본 교량의 경우 활하중에 의해 케이블에 발생하는 피로응력은 59 MPa이고, Extradosed교의 허용 피로응력인 70 MPa 이하로 발생하여 피로안정성을 확보하였고 케이블의 연직분담율은 약 24%이다. 따라서 본 교량은 Extradosed교로 구분되어지며 케이블의 발생응력이 케이블 극한응력의 60%를 이내에 들도록 설계하였다.
- 이때 케이블의 장력관리는 케이블의 도입장력 및 발생장력이 시공단계해석에 의해 산출된 장력과 ±5%의 오차범위 이내가 되도록 계획하였고, 케이블의 도입장력 모니터링 결과 모든 케이블의 장력은 해석 결과와 허용오차범위 이내로 발생하였다.
- 본 교량의 준공시의 처짐관리 결과는 <그림 7>과 같으며, 주요 시공단계 및 준공시의 보강거더 수직처짐은 모두 허용오차(중앙경간 : ±75 mm, 측경간 : ±50 mm) 이내에서 발생하였다. 따라서 전호대교 보강거더의 처짐 관리는 추가적인 조정과정 없이 마무리되었으며, 최종 목표형상에 도달할 수 있을 것으로 예상되었다
- 교량의 형상관리에 있어서는 면밀하게 현장여건을 반영하여 구조해석을 수행함으로써 정확한 보강거더 캠버와 시공단계별 처짐을 제시하였다. 그 결과, 보강거더의 선형이 목표 선형에 근접하였으며 구조해석에 의해 제시된 케이블 장력이 현장 도입 장력과 오차범위 이내로 확인되어 성공적으로 형상관리가 마무리되었다.
후속연구
- 전호대교의 공사는 2009년에 착공하여 모든 공사가 안전하게 시공 완료되어 2011년 7월에 개통, 많은 교량 이용자들에게 안전하고 쾌적하며 편리한 교통 서비스를 제공해 주고 있다<사진 3>. 전호대교의 설계 및 시공과정이 국내 Extradosed 교량의 기술능력 발전에 일조하였기를 기대하며, 본 교량의 설계 경험이 향후 Extradosed 교량의 설계기준 및 상세 시방기준을 확립하는데 도움이 되었으면 하는 바람이다.
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