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문제 정의
- 본 연구에서는 현장에서 이동식 프리텐션 제작시스템을 안정적으로 적용하기 위한 구조안정성을 현장재하시험을 통해 확인하고자 한다. 또한 구조안정성이 확인된 이동식 프리텐션 제작시스템을 현장으로 운송하여 지간 30m의 프리텐션 거더를 직접 제작하였으며, 현장에서 직접 이동식 프리텐션 제작대를 운용하면서 문제점을 찾아 확인하고, 개선하여 보다 진보되고 경쟁력 있는 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하고자 한다.
- 본 연구에서는 운송제약을 받던 장지간의 프리텐션 거더를 현장 제작하기 위해 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템의 구조적인 안전성을 재하시험을 통해 입증하였으며, 이동식 프리텐션 제작시스템을 현장으로 운송하여 30m 프리텐션 거더를 직접 제작하면서 시공간에 문제점을 파악하였다.
- 본 연구에서는 현장에서 이동식 프리텐션 제작시스템을 안정적으로 적용하기 위한 구조안정성을 현장재하시험을 통해 확인하고자 한다. 또한 구조안정성이 확인된 이동식 프리텐션 제작시스템을 현장으로 운송하여 지간 30m의 프리텐션 거더를 직접 제작하였으며, 현장에서 직접 이동식 프리텐션 제작대를 운용하면서 문제점을 찾아 확인하고, 개선하여 보다 진보되고 경쟁력 있는 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하고자 한다.
- 프리텐션 거더의 경제성을 도모하기 위해서는 제작시스템의 초기제작비와 장비비를 포함한 운반, 조립, 해체비용을 최소화하는 것이 관건이 된다. 이에 거더길이별 CFT제작대의 최적화에 대해 검토하였으며, Table 4와 같이 35m이하 부재와 40~50m 부재에 대해서 각각 제작시스템을 마련하여 운영할 계획이다(AIK, 2004; KSSC, 2003).
가설 설정
- 본 연구에서 설계된 CFT 반력대에 대한 허용초기변형은 120mm 산정되지만, 안전율을 고려하여 30mm 이내로 가정하였다. 따라서 가력시험을 통해서 측정된 변위(Table 2)는 이 같은 허용초기변형치 보다도 매우 작은 값임을 알 수 있다.
제안 방법
- (1) 프리텐션 제작대의 대형화 및 프리텐션 부재의 운반상의 제약과 같은 기존의 프리텐션 방식의 한계를 극복하고 현장에서 프리텐션 공법을 적용하기 위해 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 현장에서 도입긴장력이 13,000kN 이상인 50m 지간의 프리텐션 거더를 제작 가능하도록 CFT반력대, 유압실린더 그리고 적층식 지압판 등을 운반 및 조립이 용이하도록 제작하였다.
- (3) 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템을 현장에 투입하여, 교량용 프리텐션 거더를 직접 제작하였다. 거더 제작 상에 문제는 발생하지 않았다(Kim et al.
- (2010)에서 개발한 이동식 프리텐션 제작시스템으로 50m급 PSC거더를 제작할 수 있도록 설계하였고, 바닥판 블록과 정착 블록, 긴장대 거더(단부거더, 중간거더)로 구성되는 데 각 구성요소의 운반을 고려하여 길이 12m이내, 무게 200kN 내외로 제작하였다. H형강(H-808x302x16x30) 2본을 용접하여 주압축재로 제작하였으며, 바닥판 블록을 제작하여 긴장대 거더와 체결하여 긴장력 도입 시 긴장대 거더의 좌굴을 억제하도록 하였다. (Kim et al.
- (1) 프리텐션 제작대의 대형화 및 프리텐션 부재의 운반상의 제약과 같은 기존의 프리텐션 방식의 한계를 극복하고 현장에서 프리텐션 공법을 적용하기 위해 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하였다. 개발된 시스템은 현장에서 도입긴장력이 13,000kN 이상인 50m 지간의 프리텐션 거더를 제작 가능하도록 CFT반력대, 유압실린더 그리고 적층식 지압판 등을 운반 및 조립이 용이하도록 제작하였다. 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템은 기존의 현장에서 제작되던 RC 반력대나 최근에 개발된 B사의 프리캐스트 구조나 J사의 강판형 구조에 비해 시스템의 전중량 및 제작 비용면에서 개선되고 현장에서 운반, 설치 그리고 해체를 용이하게 하여 재사용이 가능한 시스템이다.
- 개발된 제작시스템은 현장에서 프리텐션 거더를 제작하기 위한 반력대와 유압실린더(cylinder), 지압판 등을 각각 운반 및 조립이 용이한 세그먼트(segment)로 제작하고 볼트 체결을 통해 현장에서 조립하도록 설계되었다. 특히 PS강연선에 긴장력을 도입 시 지지되는 주압축부재를 단면대비 강성이 가장 우수한 콘크리트 충전강관(Concrete-Filled steel Tube; CFT)으로 제작하였으며(AIK, 2004), 거더의 제작길이에 따라 종방향으로 연결되도록 분할하여 지간이 25∼50m인 교량에 따라 길이조절이 가능하도록 하였다.
- 이동식 프리텐션 시스템의 안전성을 평가하기 위하여 길이 45m의 강연선 66개를 긴장하였을 때 CFT 반력대와 지압판, 그리고 연결부 거동을 확인하였다. 게이지(gauge)의 측정위치는 단부와 중앙부에 변형률게이지를 4등분하여 부착하였으며, 단부가로보는 상‧하부에 부착하였다. 또한 지압판에는 상‧하부 측면에 변형률 게이지를 부착하였다.
- 기존 프리텐션 공법의 고질적인 단점이었던 현장적용능력을 제고하기 위해서 기존 프리텐션 공법의 한계인 반력대 설치와 운행제한 조건을 해결하여 25m이상의 거더를 현장에서 제작 가능토록하고 현장에서 프리텐션 장점을 그대로 취할 수 있는 Fig. 3과 같은 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하였다. 이동식 프리텐션 제작시스템은 높은 축방향력에 대해 단면효율이 가장 우수한 부재인 CFT (concrete filled steel tube이하 CFT로 명기)를 반력대의 주부재로 사용하였으며, 현장으로의 운반 및 조립 등에 있어서 편리성 등을 고려하여 모든 부재를 고장력볼트를 이용하여 연결이 가능하도록 제작하였다.
- 기존교량은 25m 표준 PSC거더 5경간 교량이었는데, 이를 시점부 3경간은 25m의 기존거더를 활용하고 이후 2경간은 30m길이의 거더를 6본을 제작·가설하도록 설계되었다.
- 특히 PS강연선에 긴장력을 도입 시 지지되는 주압축부재를 단면대비 강성이 가장 우수한 콘크리트 충전강관(Concrete-Filled steel Tube; CFT)으로 제작하였으며(AIK, 2004), 거더의 제작길이에 따라 종방향으로 연결되도록 분할하여 지간이 25∼50m인 교량에 따라 길이조절이 가능하도록 하였다. 또한 Fig. 3과 같이 CFT 반력대와 지압판을 조립 설치하도록 하여 프리텐션 작업에 의한 구조적 하중을 충분히 지지할 수 있도록 설계하였으며, PSC부재 제작완료 후에 재사용이 가능하도록 하였다. Fig.
- 5m 이었으며 총강선의 수는 32개로 6,400kN의 긴장력이 이동식 제작대에 전달되었다. 배치된 강연선은 모노잭(mono jack)을 이용하여 개별인장법으로 프리스트레스가 도입되었으며, 증기양생을 통해 익일 콘크리트 강도발현 후 강연선을 절단하여 거더 콘크리트에 프리스트레스를 도입시켰다. 제작된 프리텐션 거더는 크레인(crain) 2대를 이용하여 제작대에서 이적한 후 야적장으로 이동하였다.
- 본 실험의 주목적은 제작시스템의 좌굴안전성에 관한 검증이므로, 45m 프리텐션 거더의 소요강선량을 계산하여, 강선만을 배치한 후에 긴장력을 도입하도록 하였다. 시험에 적용한 강선의 제원과 수는 아래와 같으며, 배치된 강선의 정렬을 위해 수행된 1차 가긴장의 신장량과 유압실린더를 이용한 본 긴장시의 도입된 실린더의 스트록(stroke)을 기록하여 제작시스템에 도입된 총긴장력을 확인하였다.
- 본 연구에서 개발된 반력대는 기본적으로 프리텐션 거더 45m까지 제작이 가능하도록 설계되었다. 6.
- 높은 압축을 받는 시스템에서 가장 중요한 설계인자는 좌굴(buckling)이다. 본 연구에서 개발된 제작시스템은 강연선 긴장 시에 한 쌍의 CFT 단면이 높은 압축력을 받기 때문에 좌굴에 대해 충분한 안전성을 확보해야 한다. 시스템의 좌굴강도(stability)를 평가하기 위해 제작시스템의 단면강성비교를 통해 좌굴방향을 파악하고, 45m 길이의 프리텐션 부재를 제작할 수 있는 이동식 제작대를 운반 설치하여 현장재하시험을 실시하여 구조안정성을 검증하였다.
- 본 연구에서 개발된 제작시스템은 강연선 긴장 시에 한 쌍의 CFT 단면이 높은 압축력을 받기 때문에 좌굴에 대해 충분한 안전성을 확보해야 한다. 시스템의 좌굴강도(stability)를 평가하기 위해 제작시스템의 단면강성비교를 통해 좌굴방향을 파악하고, 45m 길이의 프리텐션 부재를 제작할 수 있는 이동식 제작대를 운반 설치하여 현장재하시험을 실시하여 구조안정성을 검증하였다.
- 본 실험의 주목적은 제작시스템의 좌굴안전성에 관한 검증이므로, 45m 프리텐션 거더의 소요강선량을 계산하여, 강선만을 배치한 후에 긴장력을 도입하도록 하였다. 시험에 적용한 강선의 제원과 수는 아래와 같으며, 배치된 강선의 정렬을 위해 수행된 1차 가긴장의 신장량과 유압실린더를 이용한 본 긴장시의 도입된 실린더의 스트록(stroke)을 기록하여 제작시스템에 도입된 총긴장력을 확인하였다.
- 실험은 단계별로 긴장을 하며 긴장력 단계에 따른 변위 및 변형률을 확인 기록하였다. 이동식 제작시스템의 주요 계측위치를 Fig.
- 이동식 프리텐션 시스템의 안전성을 평가하기 위하여 길이 45m의 강연선 66개를 긴장하였을 때 CFT 반력대와 지압판, 그리고 연결부 거동을 확인하였다. 게이지(gauge)의 측정위치는 단부와 중앙부에 변형률게이지를 4등분하여 부착하였으며, 단부가로보는 상‧하부에 부착하였다.
- 17)에 투입하여, 프리텐션 부재를 생산하였다. 이동식 프리텐션 제작시스템이 투입되는 현장에 참여하여 시스템 운영 간에 문제점을 파악하고 다음과 같이 개선점을 도출하였다.
- 다만, 프리텐션 제작시스템의 중량 및 길이가 커서 현장작업자들이 CFT 부재의 운반 및 조립단계에서 어려움을 겪었다. 이를 위해 보다 최적화된 CFT단면 검토를 통해, 프리텐션 거더의 길이별로 구분하여 제작·운영하고자 한다.
- 제작대의 침하를 고려하여 제작장 바닥에 쇄석다짐을 실시한 후에 Fig. 16(c)와 같이 6.5m 길이의 CFT부재를 고장력 볼트로 조립/체결한 후에 제작대의 시·종점부에 강판이 적층된 지압판을 CFT부재의 시·종점부에 조립하였다.
- 종방향 변형률은 시점, 중앙부, 종점의 CFT 단면에서 변형률을 측정하였으며, 각 측정단면별로 변형률게이지는 대칭으로 4개씩 부착하였다. 측정된 모든 위치에서 안정적인 압축변형률이 측정되었다.
- 주압축부재인 CFT의 길이는 D609 강관파일의 수급문제로 13m 1본을 1/2로 재단하여 제작되었으나 일반적으로 거더의 제작길이가 5배수로 결정되기 때문에 차후에 제작되는 CFT부재의 길이는 5m단위로 제작하고, 추가적으로 거더 사종점 작업공간을 고려하여 1m단위의 세그먼트를 추가로 제작하고자 한다.
- 특히 PS강연선에 긴장력을 도입 시 지지되는 주압축부재를 단면대비 강성이 가장 우수한 콘크리트 충전강관(Concrete-Filled steel Tube; CFT)으로 제작하였으며(AIK, 2004), 거더의 제작길이에 따라 종방향으로 연결되도록 분할하여 지간이 25∼50m인 교량에 따라 길이조절이 가능하도록 하였다.
- 해석 및 현장재하시험을 통해서 구조안정성이 검증된 이동식 프리텐션 제작대를 이용하여 교량현장에서 직접 30m길이의 프리텐션 방식의 거더를 시공하였다. 시공된 교량은 경상남도 김해시 군도 제9호선(생철~진영구간)에 위치한 금곡교로, 금곡교는 낙동강하류 지천에 위치한 교량으로 홍수 시에 범람으로 인한 피해로 인해 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 개발된 반력대는 기본적으로 프리텐션 거더 45m까지 제작이 가능하도록 설계되었다. 6.5m 길이의 CFT 14본을 2열로 배치하여 45m 길이의 제작대를 구성하고, 시스템의 좌굴강성을 증대시키기 위해 중간에 가로보를 배치하였다. Fig.
- 본 연구를 통해서 개발된 이동식 프리텐션 제작대를 모두 4개 현장(Fig. 17)에 투입하여, 프리텐션 부재를 생산하였다. 이동식 프리텐션 제작시스템이 투입되는 현장에 참여하여 시스템 운영 간에 문제점을 파악하고 다음과 같이 개선점을 도출하였다.
- 해석 및 현장재하시험을 통해서 구조안정성이 검증된 이동식 프리텐션 제작대를 이용하여 교량현장에서 직접 30m길이의 프리텐션 방식의 거더를 시공하였다. 시공된 교량은 경상남도 김해시 군도 제9호선(생철~진영구간)에 위치한 금곡교로, 금곡교는 낙동강하류 지천에 위치한 교량으로 홍수 시에 범람으로 인한 피해로 인해 Fig. 14에 보이는 것과 같이 기존 교량에서 일부 거더만를 철거하고 부분 신설하는 교량으로 기존의 교각을 계속 사용해야 하는 조건을 갖고 있다. 또한 기존의 교대 위치를 후방으로 10m이상 이동시켜야 하는 조건을 갖고 있다.
- 3과 같은 이동식 프리텐션 제작시스템을 개발하였다. 이동식 프리텐션 제작시스템은 높은 축방향력에 대해 단면효율이 가장 우수한 부재인 CFT (concrete filled steel tube이하 CFT로 명기)를 반력대의 주부재로 사용하였으며, 현장으로의 운반 및 조립 등에 있어서 편리성 등을 고려하여 모든 부재를 고장력볼트를 이용하여 연결이 가능하도록 제작하였다.
- 5m 길이의 CFT부재를 고장력 볼트로 조립/체결한 후에 제작대의 시·종점부에 강판이 적층된 지압판을 CFT부재의 시·종점부에 조립하였다. 제작대의 총길이는 32.5m 이었으며 총강선의 수는 32개로 6,400kN의 긴장력이 이동식 제작대에 전달되었다. 배치된 강연선은 모노잭(mono jack)을 이용하여 개별인장법으로 프리스트레스가 도입되었으며, 증기양생을 통해 익일 콘크리트 강도발현 후 강연선을 절단하여 거더 콘크리트에 프리스트레스를 도입시켰다.
- 배치된 강연선은 모노잭(mono jack)을 이용하여 개별인장법으로 프리스트레스가 도입되었으며, 증기양생을 통해 익일 콘크리트 강도발현 후 강연선을 절단하여 거더 콘크리트에 프리스트레스를 도입시켰다. 제작된 프리텐션 거더는 크레인(crain) 2대를 이용하여 제작대에서 이적한 후 야적장으로 이동하였다.
- 프리텐션 거더를 제작하기 위해 Fig. 16과 같이 제작대를 김해시 금곡교 인근지역에 제작대를 운반 조립하였다. 제작대의 침하를 고려하여 제작장 바닥에 쇄석다짐을 실시한 후에 Fig.
성능/효과
- (2) 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템의 구조안정성을 평가하기 위해 50m지간의 거더에 배치되는 강연선 66가닥을 모두 배치하고 13,200kN의 긴장력을 도입하였으며, 제작시스템의 주요 위치에서 측정된 수직‧수평방향 변위값을 Perry-Robertson Formula와 비교를 통해서 좌굴안정성이 검토되었다. 또한 각 부재에서 측정된 변형률은 약 400με이하로 허용응력상태에서 변형률인 700με(fa/E)보다 작아서 안전성이 충분히 확보되고 있는 것으로 평가되었다.
- 그러나 45m 프리텐션 거더의 총도입 긴장력인 13,200kN에서 측정된 인장변형률이 약 350με이며, 응력으로 환산시 70MPa로 SM490 강재의 허용 휨인장응력인 190MPa에 여유가 있음을 확인할 수 있다.
- 긴장력 도입에 따른 수직・수평방향 변위를 확인한 결과 모든 변위는 1mm 이하의 변위량을 보여, 수직‧수평 방향 모두 안정적인 거동을 보였다. 따라서 이동식 프리텐션 시스템으로 경간길이 45m 이하의 거더를 제작하는데 매우 효과적일 것으로 판단된다.
- 긴장력 도입에 따른 수직・수평방향 변위를 확인한 결과 모든 변위는 1mm 이하의 변위량을 보여, 수직‧수평 방향 모두 안정적인 거동을 보였다. 따라서 이동식 프리텐션 시스템으로 경간길이 45m 이하의 거더를 제작하는데 매우 효과적일 것으로 판단된다.
- 따라서 제작시스템의 강연선 긴장실험 결과로부터 45m 프리텐션 거더를 제작할 경우에 최대 긴장력에 대해서는 2축방향(상향)에 대한 안정성은 충분히 확보되는 것으로 판단되었다.
- 또한 각 부재에서 측정된 변형률은 약 400με이하로 허용응력상태에서 변형률인 700με(fa/E)보다 작아서 안전성이 충분히 확보되고 있는 것으로 평가되었다.
- 따라서 가력시험을 통해서 측정된 변위(Table 2)는 이 같은 허용초기변형치 보다도 매우 작은 값임을 알 수 있다. 또한 각 주요부재의 응력을 환산한 결과 Table 3과 같이 허용응력(KRTA, 2010)에 1/2이하로 조사되어 표준화된 50m 프리텐션 거더를 제작함에 있어서 본 연구에서 개발된 이동식 제작대의 구조적인 안정성은 신뢰할 수 있다고 판단된다.
- 본 연구를 통해서 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템은 포스트텐션 방식보다 경제성 및 구조적 우수성에도 불구하고 운송제한이라는 문제점을 갖고 있던 프리텐션 방식을 현장에서 자유롭게 활용할 수 있도록 초석을 마련했다고 할 수 있다. 추가적으로 발생될 수 있는 문제점들을 지속적으로 파악하고 개선해 나간다면 우수한 프리텐션 공법의 적용분야가 확충될 것으로 예상된다.
- 종방향 변형률은 시점, 중앙부, 종점의 CFT 단면에서 변형률을 측정하였으며, 각 측정단면별로 변형률게이지는 대칭으로 4개씩 부착하였다. 측정된 모든 위치에서 안정적인 압축변형률이 측정되었다.
- 측정된 변위결과는 CFT단면의 제원(지름 609mm)이나 부재의 길이(6.5m)에 비해 매우 작은 값으로 이동식 프리텐션 시스템의 좌굴이나 편심에 의한 휨변형에 의한 변위로 발생된 수치라기 보다는 제작대 조립단계에서 볼트연결부에서 편차, 지반의 편평도에 의해 발생된 오차가 긴장력 도입에 따라 제작대가 자리를 잡는 과정에서 미소의 위치변화를 발생시켜 측정된 변위로 판단되었다.
- 측정된 변형률은 일반적인 강재의 변형률 한계인 2,000με의 약 1/5수준으로 도입된 긴장력에 비해 상당히 안전 측에 있는 것으로 분석되었다.
후속연구
- 교량의 거더는 물론이고, 자전거도로나 보도교용 PC (precast) 슬래브, 그리고 최근 터널의 환기시스템으로 대두되고 있는 PSC 내화풍도슬래브 등의 현장제작에 활용할 수 있다. 또한 건축구조에서도 기둥을 최소화하여 내부공간을 보다 넓게 활용할 수 있는 장경간 구조부재를 생산하는 데에 활용할 수 있을 것이다.
- 본 연구를 통해서 개발된 이동식 프리텐션 제작시스템은 포스트텐션 방식보다 경제성 및 구조적 우수성에도 불구하고 운송제한이라는 문제점을 갖고 있던 프리텐션 방식을 현장에서 자유롭게 활용할 수 있도록 초석을 마련했다고 할 수 있다. 추가적으로 발생될 수 있는 문제점들을 지속적으로 파악하고 개선해 나간다면 우수한 프리텐션 공법의 적용분야가 확충될 것으로 예상된다.
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