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문제 정의
- 메콩강 삼각주 연결도로 사업은 총 3개의 공구로 나누어져 있으며, 밤콩 교량은 하우강(Hau River)을 횡단하는 구간에 위치해 있다. 메콩강 삼각주 지역의 교통망을 연결하는 본 사업을 통하여 꾸롱 삼각주 지역의 경제적, 사회적 개발을 도모할 수 있는 초석이 되기를 기대해 보며, 본 논문을 통하여 밤콩 사장교의 설계를 소개하고자 한다.
- 본 논문에서는 메콩강 삼각주 연결도로 사업과 밤콩 사장교의 설계내용을 설명하였다. 밤콩 사장교는 AASHTO LRFD 설계법을 준용하고 있는 베트남 교량설계기준을 바탕으로 설계되었다.
가설 설정
- 주탑은 교축직각방향으로 높은 강성을 갖으며 좌굴에 유리한 중공 직사각형 단면의 개선된 H형 콘크리트 주탑으로 계획하였다. 주탑의 높이는 기초 상면으로부터 143.9m이고 오토 클라이밍폼을 이용하여 4m씩 가설하는 것으로 계획하였다. 교량 가설 지역은 암반층이 존재하지 않는 지층구조를 가지고 있다.
제안 방법
- 초기 케이블 도입장력의 산정을 위해 반복 작업을 수행하여 주탑의 변위 및 부재력과 보강형 모멘트의 최소화, 균등한 케이블 장력 분포를 유도하였다.(Gimsing, 1997; 한국도로공사, 2001) 각 시공단계별 가설하중, 시간에 따른 콘크리트의 크리프와 건조수축, 가설벤트 등을 고려하여 시공단계 해석을 수행하였고, 가설 중 태풍의 영향을 고려하여 가설 중 내풍 케이블을 설계하였다.
- P-Δ 효과를 고려한 시공단계 및 완성계 해석을 통하여 단면에 작용하는 부재력을 산정하였고, 단면검토를 통하여 각 시공단계 및 한계상태에 대해 안정성을 확보하였다.
- 밤콩 사장교는 내구년한 동안의 안전성, 사용성, 시공성 등을 확보할 수 있도록 설계되었으며, 베트남의 교량설계기준인 “Specification for Bridge Design, 22TCN272-05, 2005”을 상위 설계기준으로 적용하였다. 그리고 베트남의 교량설계기준을 보완하여 Table 1의 기준을 추가로 적용하여 설계를 수행하였다.
- 영향선 해석을 통해 바닥판의 유효폭을 산정하여 보강형의 휨강도 산정에 반영하였다. 단면의 세장비를 검토하여 조밀, 비조밀단면에 대한 합성 단면의 공칭강도를 산정하였고, 단면에 작용하는 최대 정, 부모멘트에 대하여 휨강도 검토와 축력과 휨을 동시에 고려한 검토를 수행하였다. 단면력이 가장 크게 발생한 극한한계 상태에서의 보강형 모멘트와 축력 포락선도는 Fig.
- 교량 가설 지역은 암반층이 존재하지 않는 지층구조를 가지고 있다. 따라서, 기초 형식으로는 현장 타설 콘크리트 말뚝을 적용하여 마찰말뚝으로 계획하였다. 사장교의 주요 특징 및 형상은 Fig.
- 07의 안전율을 확보하는 것으로 나타났다. 또한 사용한계상태에서 최대 부반력은 4,837kN로 나타났으며, 부반력을 제어하기 위해 타이다운 케이블(8EA x 19-15.7mm)을 계획하였다.
- 말뚝 간격은 앵커교각(AP1, AP2)은 2.5D, 주탑부(PY1, PY2)는 3.0D를 적용하였으며, 현장타설말뚝의 허용지지력은 베트남 교량 설계기준을 따라 산정하였다.
- 말뚝을 포함한 사장교 전체 구조물에 대하여 3차원 유한요소 해석 모델링을 RM 2006 V9를 이용하여 구성하였고, 초기치 해석과 시공단계, 완성계에 대한 구조해석을 수행하였다.
- 사용한계상태 검토를 통하여 바닥판의 지간 중앙부와 앵커피어 단부에 종방향 프리스트레스를 도입하였다. 바닥판은 공사기간의 단축, 공장제작으로 인한 콘크리트의 품질향상, 시간에 따른 콘크리트의 크리프와 건조수축량 감소 등의 장점을 갖는 프리캐스트 슬래브로 계획하였으며, 운반 및 가설 장비를 고려하여 그 크기는 3.6m x 12.25m, t=260mm로 계획하였다. 바닥판은 전단연결재에 의한 강거더와 완전합성으로 거동 하도록 설계하였으며, 루프이음부에 무수축 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 바닥판을 연결하였다.
- 25m, t=260mm로 계획하였다. 바닥판은 전단연결재에 의한 강거더와 완전합성으로 거동 하도록 설계하였으며, 루프이음부에 무수축 콘크리트를 타설하여 프리캐스트 바닥판을 연결하였다. 프리캐스트 바닥판과 현장타설 이음부 구간은 Fig.
- 밤콩 사장교는 높이 2.0m의 엣지거더와 가로보 그리고 단면 중앙부의 스트링거로 콘크리트 바닥판을 지지하는 강합성 보강형으로 계획하였다. 엣지거더간 간격은 25.
- 보강형은 2개의 엣지거더와 크로스빔으로 콘크리트 바닥판을 지지하는 합성단면으로 표준 세그먼트 길이 12m로 계획하였고, 엣지거더 외측면에 페어링을 부착하여 공기역학적 안정성을 확보하였다. 케이블은 12m간격으로 외측 엣지거더 상면의 케이블 앵커리지에 정착된다.
- 0m간격으로 계획하였다. 사용한계상태 검토를 통하여 바닥판의 지간 중앙부와 앵커피어 단부에 종방향 프리스트레스를 도입하였다. 바닥판은 공사기간의 단축, 공장제작으로 인한 콘크리트의 품질향상, 시간에 따른 콘크리트의 크리프와 건조수축량 감소 등의 장점을 갖는 프리캐스트 슬래브로 계획하였으며, 운반 및 가설 장비를 고려하여 그 크기는 3.
- 영향선 해석을 통해 바닥판의 유효폭을 산정하여 보강형의 휨강도 산정에 반영하였다. 단면의 세장비를 검토하여 조밀, 비조밀단면에 대한 합성 단면의 공칭강도를 산정하였고, 단면에 작용하는 최대 정, 부모멘트에 대하여 휨강도 검토와 축력과 휨을 동시에 고려한 검토를 수행하였다.
- 케이블의 형식으로는 부식방지가 용이하고, 케이블의 교체 및 유지관리 등이 유리한 멀티 스트랜드 방식을 적용하였다. 주탑은 교축직각방향으로 높은 강성을 갖으며 좌굴에 유리한 중공 직사각형 단면의 개선된 H형 콘크리트 주탑으로 계획하였다. 주탑의 높이는 기초 상면으로부터 143.
- 초기 케이블 도입장력의 산정을 위해 반복 작업을 수행하여 주탑의 변위 및 부재력과 보강형 모멘트의 최소화, 균등한 케이블 장력 분포를 유도하였다.(Gimsing, 1997; 한국도로공사, 2001) 각 시공단계별 가설하중, 시간에 따른 콘크리트의 크리프와 건조수축, 가설벤트 등을 고려하여 시공단계 해석을 수행하였고, 가설 중 태풍의 영향을 고려하여 가설 중 내풍 케이블을 설계하였다.
- 7m이다. 케이블 정착구 형식은 제작성, 시공성, 안정성 및 경관을 고려하여 Fig. 15와 같이 보강형의 웹과 연속형태인 거셋 플레이트 형식을 적용하였다. 각 한계상태에 대하여 케이블의 안전성을 검토하였으며, 측경간 일부 앵커교각 부근을 제외한 모든 케이블에서 케이블 파단 및 교체 시 허용응력비가 케이블의 설계를 지배하는 것으로 나타났으며, 케이블 파단 및 교체시 중앙경간에서 88.
- 0m의 간격의 팬타입으로 배치하였다. 케이블은 Fig. 14에서와 같이 인장강도 1,860MPa, 직경 15.7mm의 강연선을 사용한 멀티 스트랜드(Multi Strand) 방식을 적용하였으며, 각 케이블 당 최소 30개에서 최대 73개까지의 강연선을 사용하였다. 케이블의 길이는 측경간 주탑부에서 41.
대상 데이터
- 본 사업구간은 점토, 실트, 실트질 모래 등의 퇴적층이 분포하고 있으며, 점토층의 N값은 6~22/30, 모래층의 N값은 4~100/30 이상으로 매우 조밀한 상태로 조사되었다. 말뚝기초는 현장타설 콘크리트 말뚝으로 돌출부를 제외한 말뚝 근입 길이는 63~98m이며, 조밀한 모래층을 지지층으로 한 마찰말뚝으로 설계하였다.
- 주탑의 높이는 143.9m로써 중공 직사각형 단면의 개선된 H형 콘크리트 주탑으로 계획하였고, 콘크리트 강도 50MPa의 고강도 콘크리트를 적용하였다. P-Δ 효과를 고려한 시공단계 및 완성계 해석을 통하여 단면에 작용하는 부재력을 산정하였고, 단면검토를 통하여 각 시공단계 및 한계상태에 대해 안정성을 확보하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 메콩강 삼각주 연결도로 사업과 밤콩 사장교의 설계내용을 설명하였다. 밤콩 사장교는 AASHTO LRFD 설계법을 준용하고 있는 베트남 교량설계기준을 바탕으로 설계되었다. 본 교량은 국내 사장교 기술을 베트남에 적용한 첫 번째 교량이여, 완공시 베트남에서 두 번째로 긴 사장교로 기록될 것이다.
- 밤콩 사장교는 내구년한 동안의 안전성, 사용성, 시공성 등을 확보할 수 있도록 설계되었으며, 베트남의 교량설계기준인 “Specification for Bridge Design, 22TCN272-05, 2005”을 상위 설계기준으로 적용하였다.
- 베트남 교량 설계기준은 AASHTO LRFD 1998에 근거하고 있다. 사장교 설계시 베트남 설계기준과 최신의 AASHTO LRFD 2007 기준을 적용하여 설계를 수행하였으며, 다음의 Table 7은 각 설계기준의 주요 항목에 대한 검토결과를 보여준다. 검토결과, 베트남 교량 설계기준은 AASHTO LRFD 2007에 비해 보수적인 경향을 보이며, 특히 콘크리트 구조물의 설계에 있어 그 특징이 두드러지게 나타난다.
- 케이블은 12m간격으로 외측 엣지거더 상면의 케이블 앵커리지에 정착된다. 케이블의 형식으로는 부식방지가 용이하고, 케이블의 교체 및 유지관리 등이 유리한 멀티 스트랜드 방식을 적용하였다. 주탑은 교축직각방향으로 높은 강성을 갖으며 좌굴에 유리한 중공 직사각형 단면의 개선된 H형 콘크리트 주탑으로 계획하였다.
성능/효과
- PM 상관도 검토결과 극한한계상태의 최대 부재력인 P=32,397kN, M=129,688kN·m에 대하여 2.07의 안전율을 확보하는 것으로 나타났다.
- 15와 같이 보강형의 웹과 연속형태인 거셋 플레이트 형식을 적용하였다. 각 한계상태에 대하여 케이블의 안전성을 검토하였으며, 측경간 일부 앵커교각 부근을 제외한 모든 케이블에서 케이블 파단 및 교체 시 허용응력비가 케이블의 설계를 지배하는 것으로 나타났으며, 케이블 파단 및 교체시 중앙경간에서 88.5%, 강도한계상태의 측경간에서 91.8%로 나타났다. 각 한계상태에 대한 케이블의 허용응력 비 검토결과는 Fig.
- 사장교 설계시 베트남 설계기준과 최신의 AASHTO LRFD 2007 기준을 적용하여 설계를 수행하였으며, 다음의 Table 7은 각 설계기준의 주요 항목에 대한 검토결과를 보여준다. 검토결과, 베트남 교량 설계기준은 AASHTO LRFD 2007에 비해 보수적인 경향을 보이며, 특히 콘크리트 구조물의 설계에 있어 그 특징이 두드러지게 나타난다. 따라서, ASSHTO LRFD 2007을 적용할 경우 보다 경제적인 설계가 가능할 것이다.
- 시공단계 검토결과, 측경간 단부 구간은 시공시 균형 캔틸레버 공법을 적용할 수 없고, 대용량의 해상크레인을 이용한 일괄가설을 해야 한다. 그러나 현지 여건상 대형장비 등의 수급이 원활하지 못하며, 측경간 가설시 대규모 가설벤트를 필요로 하여 경제성과 시공성 측면에 불리하게 작용하는 것으로 나타났다. 또한 시공완료후, 완성계 해석을 수행한 결과 측경간의 중간교각 설치로 부반력이 분산되었지만, 측경간비에 따른 불균형력의 절대적인 크기를 고려하지 못하여, 앵커교각에는 13,030kN, 중간교각에는 8,573kN의 부반력이 발생하였다.
- 그러나 현지 여건상 대형장비 등의 수급이 원활하지 못하며, 측경간 가설시 대규모 가설벤트를 필요로 하여 경제성과 시공성 측면에 불리하게 작용하는 것으로 나타났다. 또한 시공완료후, 완성계 해석을 수행한 결과 측경간의 중간교각 설치로 부반력이 분산되었지만, 측경간비에 따른 불균형력의 절대적인 크기를 고려하지 못하여, 앵커교각에는 13,030kN, 중간교각에는 8,573kN의 부반력이 발생하였다. 현장여건을 만족할 수 있는 부반력 제어대책으로 측경간비를 0.
- 본 사업구간은 점토, 실트, 실트질 모래 등의 퇴적층이 분포하고 있으며, 점토층의 N값은 6~22/30, 모래층의 N값은 4~100/30 이상으로 매우 조밀한 상태로 조사되었다. 말뚝기초는 현장타설 콘크리트 말뚝으로 돌출부를 제외한 말뚝 근입 길이는 63~98m이며, 조밀한 모래층을 지지층으로 한 마찰말뚝으로 설계하였다.
- 10, 11과 같이 상세해석을 통하여 안정성을 확인하였다. 정착부 상세해석결과 20.5MPa의 최대 주응력이 발생하였으며, 이는 콘크리트의 허용응력인 0.6fc (MOT Vietnam, 2005) 이내에 있음을 확인하였다.
- 또한 시공완료후, 완성계 해석을 수행한 결과 측경간의 중간교각 설치로 부반력이 분산되었지만, 측경간비에 따른 불균형력의 절대적인 크기를 고려하지 못하여, 앵커교각에는 13,030kN, 중간교각에는 8,573kN의 부반력이 발생하였다. 현장여건을 만족할 수 있는 부반력 제어대책으로 측경간비를 0.42(190/450에서 0.67(210/450)로 조정하여 부반력을 감소시키며, 동시에 중간교각을 배제하여 경제성을 확보할 수 있었다.
후속연구
- 검토결과, 베트남 교량 설계기준은 AASHTO LRFD 2007에 비해 보수적인 경향을 보이며, 특히 콘크리트 구조물의 설계에 있어 그 특징이 두드러지게 나타난다. 따라서, ASSHTO LRFD 2007을 적용할 경우 보다 경제적인 설계가 가능할 것이다.
- 본 교량은 국내 사장교 기술을 베트남에 적용한 첫 번째 교량이여, 완공시 베트남에서 두 번째로 긴 사장교로 기록될 것이다. 또한 이 지역의 경제적, 사회적 발전에 기여하고 나아가 베트남의 발전에 기여할 수 있길 기대해 본다.
- 밤콩 사장교는 AASHTO LRFD 설계법을 준용하고 있는 베트남 교량설계기준을 바탕으로 설계되었다. 본 교량은 국내 사장교 기술을 베트남에 적용한 첫 번째 교량이여, 완공시 베트남에서 두 번째로 긴 사장교로 기록될 것이다. 또한 이 지역의 경제적, 사회적 발전에 기여하고 나아가 베트남의 발전에 기여할 수 있길 기대해 본다.
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