중공부를 갖는 다단계 긴장형 PSC거더의 개발 연구

Abstract

I형 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 거더는 설계가 단순하고 경제성이 우수함에도 불구하고 국내에서는 45m이하의 중경간 교량용 거더로만 주로 사용되었다. 그 이유로는 PSC I형 거더교는 경간이 늘어남에 따라 자중이 현저하게 증가되며, 주로 현장에서 제작되기 때문에 콘크리트의 품질 및 시공관리가 어렵고, 공장에서 제작되는 경우에도 제작된 거더의 운송이 어려운 문제점이 있기 때문이다. 본 논문에서는 이와 같은 문제점을 해결한 새로운 형태의 PSC I형 거더를 제시하고자 한다.

새로운 PSC I형 거더는 복부에 중공부를 도입한 다단계 긴장형 프리스트레스트 콘크리트(H-IPC , Holed web Incrementally Prestressed Concrete) 거더로써 네 가지의 새로운 설계 개념을 포함하고 있다. 먼저 거더의 복부에 다수 개의 중공부을 적용함으로써 콘크리트 사용량의 절감과 함께 거더 자중을 감소시킬 수 있다. 또한, 풍하중이나 하천 등에 의한 횡하중의 영향이 감소되며, 심미적으로도 우수한 장점이 있다. 두 번째로 다단계 긴장을 통하여 부재에 긴장력을 도입함으로써 하중 단계별로 거더에 발생하는 응력을 효율적으로 제어할 수 있으며, 허용응력에 의하여 제한되는 긴장력의 한계를 최대화시킬 수 있다. 따라서 거더를 더 길고 더 얇게 제작하는 것이 가능하다. 세 번째로 거더 단부에 설치되는 정착구의 일부를 중공부로 분산 배치할 수 있다. 거더 단부에 발생하는 압축력 또는 부모멘트가 이 감소하기 때문에 단부의 두꺼운 변단면을 없앨 수 있어서 중공부와 함께 거더의 자중을 대폭 감소시킬 수 있는 효과가 있다. 네 번째로 거더를 프리캐스트 분절화하여 제작할 수 있으므로, 세그먼트 부재를 공장에서 제작하고 현장으로 운반 후 시공할 수 있다. 따라서 거더 및 콘크리트의 품질관리가 양호하며, 현장에서의 공사기간을 대폭 단축할 수 있다.

본 논문에서는 H-IPC거더의 개념을 정립하고, 새로운 설계 개념의 적용에 따른 최적 단면, 강선 및 정착구 배치, 분절부 접합방법, 철근 배근 등의 설계법을 제시하여 설계의 적절성을 검토하였다. 또한, 실험적 연구에서는 H-IPC거더의 설계를 검증하고, 발생가능한 문제점을 해결하기 위하여 길이 50m, 높이가 2m인 실대형 실물 거더를 제작하여 정적 재하실험을 수행하고 결과를 분석하였다. H-IPC거더는 고성능 콘크리트를 사용하여 오토클레이브 양생을 통해 5개의 분절로 제작하였다. 실험 결과 H-IPC거더는 DL-24 활하중을 포함한 설계하중을 모두 만족하는 변위, 응력, 균열 거동을 보였다. 본 논문에서 검증된 역학적 우수성을 토대로 H-IPC거더는 기존 PSC거더의 한계 지간으로 간주되던 50m 이상의 경간에 충분히 적용 가능하리라고 판단되며, 이에 따라 장경간 교량의 효율적이고 경제적인 설계와 시공에 크게 기여할 수 있을 것으로 예상된다.