1. No category

급속시공이 가능한 PSC T-거더교 소개
I 기술기사Ⅴ I
급속시공이 가능한 PSC T-거더교 소개
Introduction of PSC T-girder Bridge for Accelerated Construction
Ⅰ. 서 론
및 ADB차관사업으로 가설된 일반국도상 교량에 적용된
사례가 있다. BT 거더는 상부플랜지가 확폭되어 긴장력
PSC 합성거더교는 다른 교량형식에 비하여 경제성과
도입시 높은 긴장력을 도입할 수 있으므로 동일한 단면적
내구성이 우수하여 중규모 지간장을 갖는 교량 공사에 가
을 갖는 I-형상 거더에 비하여 단면효율이 우수한 것으로
장 많이 적용되고 있는 교량 형식이다. PSC 합성거더교
알려져 있다.
는 가설현장 인근 제작장에서 프리캐스트 부재인 거더를
미국, 일본, 독일 등에서는 시공속도 향상을 목적으로
제작하고 교각과 교각 사이에 다수의 거더를 거치한 후
그림 1에 나타낸 것과 같이 바닥판과 거더가 일체화 제작
바닥판, 가로보, 지점부 격벽, 방호울타리를 가설하여 교
되는 일명 Deck Bulb-Tee 거더(DBT 거더)를 교량 시공
량 상부구조를 완성하는 시공방법을 적용하고 있다. 따라
에 적용하고 있다. DBT 거더는 바닥판(확폭된 상부플랜
서 PSC 교량의 시공법 특성상 거더 거치 후 바닥판 가설
지)이 거더 제작시 동시에 형성되므로 거더와 완벽한 합
공정이 진행되므로 단계별 공정을 중첩시킬 수 없어 시공
속도를 단축시키는데 한계가 있다.
1950년 세계 최초 프리캐스트 PSC 합성거더교가 가
설된 이후 다양한 거더 형상이 개발되어 적용되고 있으나
I-형상을 갖는 프리캐스트 거더가 가장 일반적으로 활용
되고 있다. 외국에서는 T-형상과 I-형상 거더의 장점만을
조합하여 상부플랜지의 폭이 하부플랜지의 폭보다 약 1.5
배정도 크게 제작되는 Bulb-Tee 거더(BT 거더)가 가설
되고 있으며, BT 거더는 우리나라에서도 1980년대 IBRD
그림 1. DBT 거더교 시공장면(미국)
기술기사Ⅴ | 73
I 기술기사Ⅴ I 급속시공이 가능한 PSC T-거더교 소개
성효과를 기대할 수 있고 거더 거치 후 철근배근과 콘크
법으로 제작하는 것으로 설계되었는데 미국에서는 대부분
리트 치기 작업을 최소화할 수 있기 때문에 기존 PSC 합
프리캐스트 거더를 공장에서 프리텐셔닝방법으로 제작한
성거더교 시공방법에 비하여 시공기간이 크게 단축되는
후 현장으로 운반하여 가설하고 있기 때문이다.
효과가 있다. DBT 거더를 적용하여 교량을 가설하는 경
DBT 거더를 적용하여 상부구조를 가설하는 경우,
우 급속시공이 가능하므로 외국에서는 공사기간 중 교통
PSC 합성거더교에 비하여 시공기간을 크게 단축할 수
통제의 최소화가 요구되는 기존 노후교량 교체는 물론 급
있는 장점도 있으나, 거더 제작오차가 발생하는 경우 가
속시공이 요구되는 교량 신설현장에서 DBT 거더의 활용
설시 교축직각방향 물매를 맞추기 어렵다는 단점도 있다.
이 경우 거더 거치 후 상부에서 재하하중이나 기계적 장
도가 높다.
본 고에서는 외국 사례에 근거하여 DBT 거더의 설계,
제작, 시공상 특징을 간략하게 기술하였으며, 최근 교량의
치를 사용하여 강제로 물매를 맞춘 후 거더와 거더를 교
축직각방향으로 연결하는 공법을 적용하고 있다. 또한 상
부플랜지 두께의 일부만 거더 제작시 형성하고 나머지 두
급속시공을 위해서 국내에서 개발한 DBT 거더의 개발과
께는 일반적인 방법인 현장치기 콘크리트로 가설하는 방
정과 결과를 소개하였다.
법도 적용하고 있는데, 이 경우 일부만 형성된 상부플랜
지는 가설시 영구거푸집 역할을 하고 가설 후에는 바닥판
Ⅱ. DBT 거더의 기술적 특징
과 일체화되어 구조체 역할을 하게 된다.
DBT 거더교 시공방법에서는 바닥판 가설공정은 생략
그림 2와 표 1에는 미국 PCI(Precast Prestressed
되나 거더와 거더를 교축직각방향으로 연결하는 공정이
Concrete Institute)에서 우리나라 1등교 표준트럭하중 수
필요한데, 연결하는 공법은 크게 3가지 공법을 적용하고
준과 유사한 HS25 하중을 적용하여 개발한 DBT 표준단
있다. 첫 번째 공법은 DBT 거더 거치 후 상부플랜지와
면 거더의 단면형상과 단면제원을 나타내었다(PCI, 2003).
DBT 거더의 상부플랜지폭은 거더 간격과 동일하며 콘크
리트의 설계기준강도는 48 MPa 수준이다. PCI DBT 거
더는 직경이 12.7mm인 강연선을 사용하여 프리텐셔닝방
상부플랜지 사이에 현장에서 시공되는 콘크리트 전단키
를 형성하는 공법, 둘째는 거더 제작시 상부플랜지에 교
축직각방향으로 배근된 주철근을 연장 돌출시킨 후 거더
거치후 이웃한 거더의 상부플랜지에서 연장 돌출된 철근
과 겹이음을 실시하는 방법, 셋째는 거더 제작시 상부플
랜지 내부에 교축직각방향으로 시스를 배치한 후 거더 거
치 후 긴장재를 삽입 연결시켜 교축직각 방향으로 연결하
는 방법이다.
한편, DBT 거더는 중량이 크기 때문에 대형 가설장비
가 필요하고 단면형상 특성상 제작, 운반, 가설시 전도에
취약하므로 완벽한 전도방지대책이 요구된다. 또한 DBT
거더에 중간 가로보와 지점부 격벽을 시공하는 경우 바닥
그림 2. PCI DBT 표준단면 거더 단면형상(PCI, 2003)
판이 이미 가설된 상태에서 작업이 실시되므로 시공효율
이 낮고 조잡한 시공이 될 우려가 있는 단점이 있다.
표 1. PCI DBT 표준단면 거더 단면제원 예
Ⅲ. 국내 개발 사례
H
(mm)
Hw
(mm)
W
(mm)
단면적
(m2)
단면2차
모멘트
(m4)
길이
(m)
889
1346
381
838
2,438
2,438
0.623 0.0526
0.693 0.1523
19.5
31.5
우리나라에서도 지난 10년간 기존 프리캐스트 PSC 거
1651
1143
2,438
0.739 0.2541
39.0
더의 제작 및 시공상 단점을 보완한 다양한 프리캐스트
74 | 제58권 제10호 2010년 10월
1. 개요
Introduction of PSC T-girder Bridge for Accelerated Construction I
거더가 개발되어 도로교는 물론 철도교 가설공사에 적용
표준단면을 갖는 거더의 설계방법과 유사하지만 하중재
되고 있다. 기존 표준단면을 갖는 프리캐스트 PSC 거더
하단계에서 바닥판 가설하중이 2차 고정하중으로 고려되
를 개선하여 개발된 프리캐스트 PSC 거더의 경우에도
지 않고, T-거더 상부플랜지의 두께와 헌치의 제원은 바
가설공정은 기존 PSC 합성거더교와 동일하기 때문에 시
닥판 설계기준에 의하여 결정된다. T-거더의 지간장에 제
공기간 측면에서는 큰 차이가 없다고 할 수 있다.
한은 없으나 본 연구에서는 PSC 거더 교량이 강합성교
최근 공사기간 중 교통통제의 최소화가 요구되는 기존
량에 비하여 경제성을 확보할 수 있다고 판단되는 40m
노후교량 교체와 급속시공이 요구되는 교량 신설공사에
와 45m로 설정하였다. T-거더의 단면형상은 외국에 적
효과적으로 적용할 수 있는 프리캐스트 PSC T-거더 제
용되고 있는 DBT 거더와 유사하나, 본 연구에서는 T-거
작 및 시공법이 한국건설기술연구원과 (주)휴먼브릿지 공
더의 효율적인 단면제원을 도출하기 위하여 주요 단면제
동연구로 개발되었다. PSC T-거더는 기존 DBT 거더의
원, 콘크리트 강도, 긴장재량 등을 설계변수로 설정한 후
시공상 단점을 개선하고자, 프리캐스트 거더 제작시 중간
설계기준을 제한조건으로 설정하여 패러미터 해석을 실
가로보와 지점부 격벽을 동시에 형성시켜 거더 거치 후
시하였다.
교축직각방향 연결만으로 가로보와 격벽이 시공될 수 있
도록 하였다.
설계변수에 대한 패러미터 분석결과에 따르면 다른 단
면제원에 비하여 거더의 높이가 단면의 효율과 재료비에
또한, 프리캐스트 거더의 제작 오차 또는 솟음량 차이
가장 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 예상한 바와
가 발생하는 경우 가설현장에서 비교적 간단한 시공장비
같이 콘크리트의 강도가 단면효율에 미치는 영향은 크지
를 이용하여 교축직각방향 물매를 맞출 수 있는 가설공법
않았으며, 재료비와 단면효율을 동시에 고려할 때 설계기
을 개발하였다. 본 연구에서 개발한 PSC T-거더의 설계,
준강도는 45MPa이 적절한 것으로 분석되었다. 그림 4에
제작, 그리고 시공공법의 특징을 그림 3에 도시한 교량
는 지간장이 40m인 경우 거더 높이, 단면효율성, 재료비,
상부구조 단면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
제작성 측면에서 가장 유리한 것으로 분석된 T-거더의
횡단면 제원을 나타내었다. 한편, 그림 5에 나타낸 바와
같이 지간장이 45m인 경우에는 PSC T-거더 높이가
2.0m가 적절한 것으로 분석되었다. PSC T-거더의 높이
는 바닥판 두께가 포함된 것이므로 동일한 지간장을 갖는
신기술 거더에 비하여 상부구조 높이를 낮출 수 있는 장
점이 있다.
그림 3. 교량 상부구조 횡단면도(단위 : mm)
2. 거더 설계
PSC T-거더의 설계는 크게 종방향 설계와 횡방향 설
계로 구분할 수 있다. PSC T-거더의 종방향 설계는 기존
그림 4. PSC T-거더 횡단면도(지간장 : 40m, 단위 : mm)
기술기사Ⅴ | 75
I 기술기사Ⅴ I 급속시공이 가능한 PSC T-거더교 소개
실물 모형실험체를 제작하여 실험체에 대한 구조성능 실
험으로 검증하였다. 한편, 연결부의 시공이음면은 직접적
으로 전단력을 받지 않도록 하기 위하여 그림 6에 도시
한 바와 같이 경사를 갖도록 설계하였다.
4. 시공방법
그림 7에는 PSC T-거더의 제작 및 시공단계별 측면
도와 횡단면도를 나타내었다. PSC T-거더의 시공단계는
다음과 같이 크게 5단계로 구성된다.
그림 5. PSC T-거더 높이와 거더 단면적 관계
3. 상세 설계
(a) 바닥판이 동시에 형성되는 거더를 제작하는 단계
(b) 거더에 소요 긴장력을 도입하는 단계
(c) 거더를 하부구조 위에 거치하는 단계
PSC T-거더는 그림 6에 나타낸 바와 같이 가설 후 교
축직각방향 연결을 위하여 현장에서 형성되고 루프형 철
(d) 거더, 가로보, 격벽을 교축직각방향으로 연결하는 단계
(e) 부대공을 시공하여 상부구조공을 완성하는 단계
근 겹이음을 실시하는 횡방향 연결부를 갖는 것으로 설계
하였다. 본 연구에서 검토한 바에 따르면 앞서 기술한 외
국에서 적용되고 있는 3가지 DBT 거더 횡방향 연결공법
중에서 현장 철근 겹이음 방법이 연결효과, 시공성, 경제
성 측면에서 가장 우수한 것으로 판단된다. 따라서 PSC
T-거더는 거더 제작시 상부플랜지 주철근을 연장 돌출시
킨 후 거더 거치 후 이웃한 거더의 상부플랜지에서 연장
돌출된 철근과 겹이음을 실시하는 것으로 설계하였다.
국내 설계기준에는 루프형 철근 겹이음 길이에 대한
명확한 설계 규정이 없기 때문에 연결부의 제원은 콘크리
트구조설계기준(2007)의 철근가공 관련 규정과 외국 설
계기준(DIN 1045)을 적용하여 결정하였고, 연결부 성능은
그림 7. 시공단계별 개요도
PSC T-거더의 제작단계는 분절된 바닥판, 중간 가로
보, 지점부 격벽이 거더에 동시에 형성되므로 중간 가로
보와 지점부 격벽에는 횡방향 연결용 강봉 배치를 위한
슬리브가 미리 설치되며, 외측 거더의 최외측 상부플랜지
에는 배수구 유니트와 방호울타리 설치를 위한 철근이 연
장되어 배근된다.
PSC T-거더는 단면형상의 특성상 프리캐스트 I-형상
그림 6. PSC T-거더 횡방향 연결부(단위 : mm)
76 | 제58권 제10호 2010년 10월
거더에 비하여 전도에 취약하므로 거더 제작, 운반, 거치
Introduction of PSC T-girder Bridge for Accelerated Construction I
시 완벽한 전도방지공이 필요하다. 그림 8에는 PSC T거더 지점부 격벽과 스크류잭을 이용한 전도방지공 설치
예를 도시하였다. PSC T-거더는 거치 후 지점부 격벽 하
면에 지지대를 설치하여 전도를 방지할 수 있으므로 기존
I-형상 거더 거치시 적용하는 와이어식 전도방지공을 설
치할 필요가 없다.
그림 9. 거더 실물 모형 실험체(길이 : 40m)
PSC T-거더는 설계에서 적용한 2차원 및 3차원 유한요
소해석에서 예측한 거동과 유사하였으며 균열발생하중
이전까지는 탄성거동을 나타내었다. PSC T-거더에 발생
그림 8. PSC T-거더 전도방지공
한 최초 균열은 이론적인 방법으로 계산한 균열하중크기
보다 약 12% 큰 하중에서 발생하였으며, 실험에서 계측
PSC T-거더의 교축직각방향 연결은 중간 가로보 및
된 하중-처짐 관계로부터 파악된 모형체의 극한하중은
격벽 연결과 바닥판 연결로 이루어진다. 2본 이상의 거더
이론 극한하중을 초과하였다. PSC T-거더의 구조적인
를 설치하는 경우 각 거더의 솟음량 차이가 발생할 수 있
거동은 이론적인 해석모델의 결과와 비교적 잘 일치하였
으므로 상부구조 상면의 교축방향 및 교축직각방향의 물
기 때문에 정밀 구조해석만으로도 PSC T-거더의 거동을
매가 맞지 않을 수 있으므로, 중간 가로보 연결 공정 이
예측할 수 있을 것으로 판단된다.
전에 상부구조의 수직방향 레벨링이 필요하다. 따라서 중
간 가로보와 격벽의 연결은 거더 중앙부 수직 레벨링 조
Ⅳ. 맺음말
정, 중간 가로보 연결, 지점부 격벽 연결의 순서로 이루어
진다. 중간 가로보와 격벽의 연결이 완료된 후 바닥판 연
결부에 팽창제가 포함된 현장치기 콘크리트를 시공하여
바닥판 연결부를 완성시킨다.
최근 우리나라에서도 공사 중 교통통제를 최소화시키거
나 공사기간을 크게 단축시킬 수 있는 급속시공이 가능한
교량형식과 시공법의 적용이 요구되고 있다. 본 고에서는
프리캐스트 PSC 거더교 가설시 시공기간을 단축하기 위
5. 성능검증 실험
PSC T-거더의 휨 거동과 극한하중을 파악하고 설계시
하여 외국에서 적용되고 있는 바닥판 거더 일체형 교량을
소개하였고 최근에 국내에서 연구 및 개발된 급속시공용
PSC T-거더의 개발 사례를 간략하게 소개하였다.
수행한 구조해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 그림
우리나라에서 DBT 거더가 교량가설에 널리 활용되기
9에 도시한 바와 같이 길이 40m인 거더 실물 모형 실험
위해서는 다음과 같은 후속 연구의 수행이 필요할 것으로
체를 제작한 후 한국건설기술연구원 구조실험동에서 정
판단된다.
적재하실험을 실시하였다. 실험체는 종방향 설계와 동일
한 횡단면을 갖는 내측거더를 대상으로 설계하였다.
거더 실물 모형체에 대한 재하실험 결과에 따르면
(1) 도로상에 가설되는 대부분의 교량은 공간적 장애물
에 따라 도로선형에 대하여 사각을 갖도록 가설된
다. 본 연구에서는 사각이 없는 직선교에 대해서 설
기술기사Ⅴ | 77
I 기술기사Ⅴ I 급속시공이 가능한 PSC T-거더교 소개
계를 수행하였고 사각이 작은 경우에는 가설, 연결,
(3) DBT 거더의 장기적인 거동을 검증하기 위해서는
철근상세에 큰 변경이 없을 것으로 판단되나 사각이
크리이프 등 장기거동에 영향을 미치는 인자를 파
큰 경우에 대해서는 둔각부 철근배근 변경, 가로보
악하여 이에 대한 장기거동해석 및 실험의 수행이
및 지점부 격벽 연결방법의 변경 등에 대한 추가적
필요하다.
인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
(2) DBT 거더는 거더와 바닥판이 일체화 제작되어 별
도의 바닥판 가설공정이 생략되므로 도로교에 비하
여 교폭이 좁은 철도교 가설에 적합할 것으로 판단
된다. 특히, DBT 거더를 이용한 상부구조 가설은
연결만으로 상부구조가 가설되므로 기존 철도교 상
부구조 개축공사에 적용하는 경우 최소한의 통행제
한만으로 상부구조 교체가 가능할 것으로 기대된다.
기존 철도교의 상부구조 개축공사에 적용하기 위해
서는 판형교 및 RC T빔교를 용이하게 대체할 수
참고문헌
1. PCI (2003). Precast Prestressed Concrete Bridge
Design Manual. 2nd Edition.
2. 한국건설기술연구원 (2010). 프리캐스트 PSC 거더 개
발 연구, 최종보고서.
3. 특허청 (2008). 티형 피에스씨 거더교 및 그 시공방법.
10-2008-0083819.
4. 특허청 (2010). 티형 피에스씨 거더의 수직단차 보정이
가능한 교량 시공방법. 10-2010-0079359.
있도록 약 20~30 m 지간장을 갖는 DBT 거더의
개발이 필요하다.
78 | 제58권 제10호 2010년 10월
기획 : 김선일 편집위원 [email protected]