[논문]저형고, 저중량, 저비용 BH(Bulb-T&Half Slab) 거더 공법

신명규; 박성민; 윤석민

doi:10.22636/mkci.2012.24.5.36

저형고, 저중량, 저비용 BH(Bulb-T&Half Slab) 거더 공법
Low Height, Low Weight, Low Cost BH Girder 원문보기

신명규 (GS건설 기술연구소) , 박성민 (토웅건설 기술연구소) , 윤석민 (토웅건설)

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문제 정의

이러한 이유로 단일지간 60m 이상이고, 일체형 방식을 유지하며 시공성과 안전성을 개선한 개량형 PSC 거더에 대한 요구는 점차 늘어나는 추세이다. 본 고에서는 이러한 요구에 대한 대안으로 Bulb - T형의 구조와 HalfSlab 형식을 도입하여 단일 경간장 60m, 형고 2.2m, 중량 200 ton급의 성능을 가진 BH 거더를 소개하고자 한다.
<그림 6>은 RM2004를 통하여 3차원 Frame 해석을 실시한 결과이다. 본 해석은 시공단계에 따른 구조계 및 하중조건의 변화와 Prestressed 손실을 고려하여 해석을 진행하였으며 실험체의 전체적인 응력을 검토하고 시공 과정에서의 응력을 검토해봄으로써 실험준비과정에서 발생 가능한 문제를 예측하고 대비하기 위하여 실시하였다. 이러한 예측결과를 통하여 실제 실험 시 발생할 수 있는 문제점을 미리 도출하여 실험 도중 발생 가능한 문제에 대해 대비할 수 있었다.
이번에 소개한 BH 거더 공법이 향후 많은 교량공사현 장에 적용되어 국내 교량건설의 경쟁력을 높이는 데에 일조하기를 바라며 글을 마친다.

가설 설정

해석-실험 결과 분석을 통해 초기균열 발생 지점은 하중-변위 곡선에서 초기에 나타나는 선형 구간의 기울기가 변하는 곳에서 발생한다고 가정하였다. 해석상 초기 기울기의 변화는 약 140 ton에서 발생하였으며, 비선형 구간 초기의 기울기 변화는 160 ton에서 발견되었다.

제안 방법

BH 거더의 개발에 있어서 크게 세 가지의 기준을 설 정하였는데, 첫 번째는 Half - Slab를 적용한 저형고 Bulb - T형 거더 개발을 통하여 시공성 및 안전성 향상, 단면력 증대, 공기 단축 등의 효과를 얻는 것이다.
상기한 개선 요소를 적용하여 개발된 BH 거더는 기존 PSC 거더의 단점을 개선하고 경제성, 시공성, 안전성 및 미관 등을 강화하여 최저 형고의 60 m 경간 거더 기술실현을 목표로 개발되었다<;표 1>.
<그림 5>에서 보는 바와 같이 실험에 앞서 균열과 파괴해석에 자주 이용되는 RBSN(Rigid Body Spring Network)모델을 사용하여 파괴양상을 예측하는 해석을 수행하였다. 해석은 전단균열 발생모델과 휨균열 발생 모델을 적용하여 실시되었으며 이에 대한 하중-변위 곡선을 얻을 수 있었다.
<사진 3>은 BH 거더의 60 m 실물 실험체 제작 및 공 개실험 사진이다. 특히 이번 실험에서는 FBG(Fiber Bragg Grating) Long Gauge Length 센서를 사용하여 거더의 긴장, 운반, 설치 시 변화를 측정할 수 있었다.

대상 데이터

BH 거더의 성능과 안정성 검증을 위해 60 m 실물 실험체를 제작하여 실험을 실시하였다. 실험체는 연장 59.
30을 적용하였다. 또한 설계교량의 제원은 1등교, 거더간격 2.5 m, 폭원 12.625 m, 연석간 교폭 11.395 m로 산정하였으며, 설계 차선 수는 3 차선, 폭은 3.798 m로 설정하였다.
실험체는 연장 59.9 m, 중량 205 ton, 형고 2.3 m(Half-Slab 0.1 m 포함)로 제작되었으며, 설계하중은 DB - 24, DL - 24, 충 격계수 15/(40 + L)≤ 0.30을 적용하였다.
<사진 3>은 BH 거더의 60 m 실물 실험체 제작 및 공 개실험 사진이다. 특히 이번 실험에서는 FBG(Fiber Bragg Grating) Long Gauge Length 센서를 사용하여 거더의 긴장, 운반, 설치 시 변화를 측정할 수 있었다.

이론/모형

<그림 5>에서 보는 바와 같이 실험에 앞서 균열과 파괴해석에 자주 이용되는 RBSN(Rigid Body Spring Network)모델을 사용하여 파괴양상을 예측하는 해석을 수행하였다. 해석은 전단균열 발생모델과 휨균열 발생 모델을 적용하여 실시되었으며 이에 대한 하중-변위 곡선을 얻을 수 있었다. RBSN 모델을 적용한 해석을 통해 실험체에 대하여 보다 상세한 해석과 균열의 불확실성을 고려한 파괴거동을 예측할 수 있었다

성능/효과

. BH 거더는 PCI 기준보다 우수한 전도 저항성을 확보한 것을 단적으로 알 수 있으며, PCI 기준에 비하여 매우 낮은 형고를 달성한 것을 확인할 수 있었다. DBT 거더를 적용하여 상부구조를 가설하는 경우, 일반 PSC 빔에 비하여 공기를 크게 단축할 수 있는 장점이 있는 반면에 제작오차가 발생하는 경우 가설 시 교축 직각방향 물매를 맞추기가 어렵고 형상의 특성상 거더 인양 시 큰 하중을 가진다는 단점이 있다.
해석은 전단균열 발생모델과 휨균열 발생 모델을 적용하여 실시되었으며 이에 대한 하중-변위 곡선을 얻을 수 있었다. RBSN 모델을 적용한 해석을 통해 실험체에 대하여 보다 상세한 해석과 균열의 불확실성을 고려한 파괴거동을 예측할 수 있었다
<그림 7>은 BH 거더의 실물실험에 대한 해석과 실험 결과를 비교 분석한 그래프이다. 그림에서 보는 바와 같이 하중-변위 곡선에서 실험구간의 기울기가 거의 일치 하는 것을 알 수 있으며, 결과 분석을 통하여 설계에 반영할 수 있게 되었다.
<그림 4>의 왼쪽 그림과 같이 곡선형 PS강선 외에 직선형 강선을 도입하여 횡만곡 변형을 방지하고, <그림 4>의 오른쪽 그림과 같이 거더에 중간 정착부를 설치하여 Prestress 도입량의 최대화와 장기손실 최소화라는 이점을 얻을 수 있다. 이를 통하여 동일 지간 대비 최저형고를 달성하고 중량을 감소시키는 성과를 얻을 수 있었다.
이와 같은 사항들을 종합해보면 60 m 경간으로 높이와 중량을 최소화하고 단면력과 안정성을 확보하여 경제성과 시공성을 극대화할 수 있는 PSC 거더 개발의 필요 성을 도출해낼 수 있었다.
이와 같이 60 m 실물 모형실험을 통해 실제 현장 적용 시 BH 거더가 충분한 안정성을 확보한 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

또한 교량과 같은 고소 작업 시 가장 위험한 공정은 슬래브 거푸집 해체 공정인데 현재까지는 이에 대비해 각종 안전장치 등을 사용해왔으나 거 푸집 해체 공정에서의 안전사고가 끊이지 않고 있는 실정이다. 이러한 문제의 해결을 위해 제안된 Half - Slab 는 상부 플랜지 폭을 확대하여 슬래브 기능의 일부를 담 당하도록 하는 형태로써 이 형식을 통하여 슬래브 거푸 집의 조립 및 해체와 같은 위험한 공정을 배제하고 거푸 집이나 슬래브의 재료비를 경감시켜 경제성에 있어서도 매우 큰 효과가 있을 것으로 판단된다.
이처럼 상세한 검증을 통하여 개발된 BH 거더로 향후 교량 건설에 있어서 장경간화에 따른 교각 및 교대 수량 감소, 거푸집 공정 배제를 통한 공기단축, 최저형고 구현 을 통한 형하공간 확보 및 토공량 감소, 수량 및 공정 최적화를 통한 시공비 절감과 같은 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 장점은 전체 공사비를 절감하는 요소가 될 것이고, 이를 통해 향후 적용되는 공사에 경제적, 미관적 부분에서 두각을 나타낼 수 있을 것 으로 예상된다.
이처럼 상세한 검증을 통하여 개발된 BH 거더로 향후 교량 건설에 있어서 장경간화에 따른 교각 및 교대 수량 감소, 거푸집 공정 배제를 통한 공기단축, 최저형고 구현 을 통한 형하공간 확보 및 토공량 감소, 수량 및 공정 최적화를 통한 시공비 절감과 같은 긍정적인 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 장점은 전체 공사비를 절감하는 요소가 될 것이고, 이를 통해 향후 적용되는 공사에 경제적, 미관적 부분에서 두각을 나타낼 수 있을 것 으로 예상된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PSC 거더는 어떤 특징을 가지고 있는가?

PSC 거더(Prestressed Concrete Girder)는 강교에 비하여 저렴한 공사비와 저진동 및 유지관리 편의성 등의 장점으 로 인하여 국내에서도 1960년대 도입된 이후 주로 25∼ 35m 정도의 지간을 갖는 교량에 적용되어 왔으나 PSC 거더가 갖는 구조적, 재료적 특성으로 인하여 형고의 증가에 따른 형하공간 확보의 어려움, 단면 확대에 따른 자중 증가 등의 문 제로 50 m 이상의 경간에서는 강교나 박스형 교량 등이 주로 적용되어 왔다1). 하지만 최근에는 교량형식 선정 과정에서 경제성이 차지하는 비율이 점차 증가하고 있으며, 이로 인해 강교에 비하여 저렴한 개량형 PSC 거더에 대한 요구가 증 가하고 있다.

BH 거더의 개발 목표는 무엇인가?

상기한 개선 요소를 적용하여 개발된 BH 거더는 기존 PSC 거더의 단점을 개선하고 경제성, 시공성, 안전성 및 미관 등을 강화하여 최저 형고의 60 m 경간 거더 기술실 현을 목표로 개발되었다<표 1>.

BH 거더의 개발에 설정한 기준 중 Prestress 도입의 최적화을 통해 무엇을 얻을 수 있는가?

두 번째는 Prestress 도입의 최적화이다. 의 왼쪽 그림과 같이 곡선형 PS강선 외에 직선형 강선을 도 입하여 횡만곡 변형을 방지하고, 의 오른쪽 그림과 같이 거더에 중간 정착부를 설치하여 Prestress 도입량의 최대화와 장기손실 최소화라는 이점을 얻을 수 있다. 이를 통하여 동일 지간 대비 최저형고를 달성하고 중량을 감소시키는 성과를 얻을 수 있었다.

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