1. 서론

공사는 하천 정비사업에 따른 철도교의 교체공사로, 하천 확장에 따라 교량규모도 커지고 하천 계획수위도 상승하여 궤도 높이를 올려야 하였다. 그러나 역이 근접하여 있어 궤도 높이를 변경하면 공사비가 상승하고 해결방안을 모색하게 되었다. 이에 초고강도이며 철근이 불필요한 초고강도 섬유보강 콘크리트(UFC)의 적용을 검토한 결과 상판두께를 줄여 궤도의 높이 수정 없이 시공이 가능하게 되었다.

UFC는 보도교와 도로교 등 적용이 진행되어 왔으나 철도교의 실적은 없어 그 설계법이 주요한 과제로 사료되었다. 그 중 소음에 대한 특성 파악이 필요 하였다. 검토에는 3차원 FEM해석을 포함한 부재의 응력도, 좌굴에 대한 안전성, 진동특성, 처짐량 등을 조사하였다. 더불어 사용 후의 열차 하중에 의한 변위량, 진동특성을 실시하고, 설계 및 시공의 타당성을 검증하였다. 보고서에서는 계획, 설계, 시공 및 사용 후에 실제 계측한 결과에 대하여 보고한다.

 

2. 교량계획

공사는 기존교량의 교체공사이다. 기존교량(사진.1)은 길이 9.6m의 강재철도교로 80년이 경과하였고 여러차례의 보수보강을 실시하였다. 새로운 교량에서는 장수명의 유지관리가 불필요하고, 더불어 소음발생과 진동이 작아 주변 환경에 적합한 교량이 요구되었다.

사진1. 기존교량

 

그림1.에서 교량은 하천 정비에 의해 교량길이가 1.6배로 (15.9m) 늘어나고, PC교량에서는 390㎜의 교량바닥 두께가 필요하였다. 따라서 PC교량으로 시공하면 궤도 높이가 약 150㎜ 올라가고 근접한 역과의 설계조건을 맞추기 위해서는 약 300m구간에 걸쳐 선로를 상승할 필요가 있었다. 이에 얇고 경량화가 가능한 UFC를 제안하였고, 궤도상승이 불필요하게 되었고 교량 거더도 종래 PC의 약 1/2로 시공되는 것으로 판명되었다.

 

 

그림1. 상판두께의 제약에 따른 구조비교안

 

 

3. 교량개요

교량개요는 다음과 같다.

선 로 명 : 三岐(Sangi)철도 三岐선 시공장소 : 三重(Mie)현四日市(Yokkaiichi)시

교량길이 : 15.86m (지간길이 14.50m)경 사 각 : A1,A2 =62° 00′ 09″, R = ∞

철 도 폭 : 4.00m (단선)거더높이 : 1.5m (지간 중앙)

구조형식 : PC 단순하로거더교 (UFC 사용)발 주 자 : 三岐(Sangi)철도주식회사

기술지도 : 재단법인 철도종합기술연구소설 계 자 : 전일본 컨설턴트주식회사

시 공 사 : 大成(타이)세이건설주식회사

 

4.설계개요

설계기준 : 설계기준은 [철도구조물 등 설계표준ㆍ동해설 콘크리트 구조물 철도종합기술연구소편] (철도표준)에 기초하는 것을 원칙으로 하고, 부분적으로 [초고강도 섬유혼입 보강 콘크리트의 설계ㆍ시공지침(안) 토목학회] (UFC지침)을 적용하는 것으로 하였다.

부재두께 설정 : 설계에서는 부재사이즈는 횡방향의 PC강재의 정착구 형상에 의한 최소값 350㎜, 상판 슬래브는 PC의 시스관 배치로 결정되는 250㎜로 결정하였다. 이 값은 모두 철도표준의 구조상세를 만족하지 못하는 값으로 다음의 검토를 수행하였다.

- 응력도 조사 : 비틀림 등의 단면강성이 작아지는 영향에 대하여는 기존해석방법 이외에 3차원 FEM해석에 의해 부재에서 발생하는 주응력이 UFC의 인장응력의 제한 값 이내에[-8N/㎟]인 것을 조사하였다 (그림2).

- 횡좌굴에 대한 안전조사 : 주 거더의 측면 판 폭에 대하여는 철도표준의 최소값 (경간 길이의 3%[ 14,500㎜X0.03=435㎜])에 부족하기 때문에, 3차원 FEM에 의한 Euler좌굴해석을 실시하고 횡좌굴에 대한 안전도를 검증하였다(그림3).

 

 

그림2. 주응력 해석 그림3. 횡 좌굴 조사 결과

 

강성 저하의 영향 : 부재두께 축소에 의해 UFC교량의 단면강성은 기존의 PC교량 보다도 저하한다. 때문에 연구에서는 이러한 영향을 평가하기 위해 진동 및 변형에 관하여 비교 검토하였다.

- 진동특성의 파악 : UFC구조물은 부재 두께가 얇아지므로 기존 PC구조물에 비하여 고유주기가 길어질 가능성이 있다. 이 교량에서는 진동특성을 파악하고 열차주행시의 공진과 충격의 영향이 없는지 검토하였다. 결과 기존 PC교량 진동수 11.0Hz에 대하여 UFC는 11.1Hz, 고유값 해석에서는 1차 모드가 10.2Hz로 PC교량과 동등의 진동수가 파악되었다.

- 처짐량의 조사 : 2차원 프레임해석 및 경사각을 고려한 3차원 FEM해석에 의해 처짐량의 산출을 실시하였다. 처짐량 δ의 설계 한계 값은 상시의 주행 안정성으로부터 [δ

 

보강철근의 필요성 조사 : PC구조물의 기존 설계에서는 보강철근이 필요하나, UFC에서는 원칙적으로 철근을 사용 하지 않기에 검토를 실시하였다.

- 매단철근 : U형단면 거더는 상판 슬래브가 주 거더의 보 아래에 매 달려있는 구조이기 때문에 주 거더 하부에는 수직방향의 인장력이 발생한다. 때문에 철근을 배근하여야 한다([철도표준 14.6.4.(9)]). 3차원 FEM해서에 의해 UFC구조물에서는 철근배근이 필요 없음을 확인하였다.

- PC정착부 보강철근 : 정착구 배면의 콘크리트는 PC강재에 수직방향으로 발생하는 인장응력에 대하여 철근을 보강하여야 한다([철도표준 11.12.2]). 설계에 있어서 3차원 FEM해석 결과 인장응력에 대하여 철근보강이 필요 없음을 확인하였다.

- 스톱퍼 주변 보강의 조사 : 철도표준에서는 만약에 콘크리트 전단파괴가 발생하여도 거더 단부가 파괴하지 않도록 보강철근을 배치하도록 하고 있다. 본 설계에서는 UFC 지침에 의거하여 검토를 수행하였고, 전단력에 대하여 충분히 안전하다는 것을 확인하였다.

설계총괄 : 설계에서는 UFC가 철도교량으로는 실적이 없다는 점을 염두에 두고, 기존 설계에 기초한 PC구조물과의 극단적인 단면강성의 저하를 피하기 위해서 적용에 있어서는 당초설계의 PC구조물의 값을 답습하였다. 결과적으로 안전율 0.5 ~ 0.7 < 1.0으로 여유가 있는 결과가 나왔고 FEM해석으로 검증도 확인하였다.

향후에는 이번 교량에서의 실측 데이터와 설계수법의 타당성을 확인하는 등 다방면에서의 검토를 수행하여 UFC교량의 경량화를 도모하여 나아갈 예정이다. 다음에는 보다 장스팬의 교량에서 최적의 프로모션을 가진 교량설계가 가능할 것으로 사료된다.

 

5. 시공개요

교량거더 시공은 프레캐스트 세그멘트 공법으로 하고, 콘크리트 2차 제품 공장에서 제작하고, 설치지점에 근접한 현장에서 조립하였다. 다음에 시공개요를 설명한다.

프레캐스트 세그멘트 조립 : 공장에서 제작된 제품은 트레일러로 운반 후에, 65ton 랙 크레인으로 가교현장 공터에서 현장 조립하였다.

- 조인트 연결 작업 : 연결부위는 전체 6개소로 1개소당 UFC타설량은 0.1㎥, 전체 타설량은 0.6㎥ 이었다 (사진2, 3). 홉퍼로 타설하였으며, 운반시간은 15분 정도, 믹싱 완료로부터 1.5시간 이내에 타설을 종료하였다.

 

사진2. 프리캐스트 세그멘트 운반 사진3. 조인트 타설 작업

 

- PC긴장 작업 : 교량의 주 케이블은 웨브내부에 12S12.7㎜X4개, 하부 플랜지에는 1S21.8㎜X7개가 배치되었다. 이음타설 작업 후에 1,700kN 및 500kN 잭에 의해 웨이브, 하상판 케이블의 긴장을 실시하였다. 긴장 완료 후에 그라우트를 충전하고 교량은 완성되었다.

 

기존 교량 교체 작업

- 교체작업 시간의 제약 : 열차 정지 시간 (23:10 ~ 4:30)내에 전기공급 차단, 궤도 철거 및 복구 작업을 제외하면 교체작업은 3시간 이내에 완료하여야 하였다. 따라서 작업 반 별로 작업복 색깔 구분을 하여 분단위의 작업 계획을 세우고 실시하였다.

- 횡이동 가설 : 횡 이동 전경을 (사진4)에 나타내었다. 가설 총중량은 UFC교량과 궤도를 포함하여 약 120ton이다. 2대의 횡이동용 레일위에 이동대에 태우고 클램프 잭을 이용하여 약 6.5횡 이동하였다. 이동 시간은 약 20분이었다.

- 잭 다운 : 횡 이동 후에 교량을 안치시키기 위해 매립된 앵커에 잭 다운을 실시하였다(사진5). 잭 다운량은 635㎜이고, 100t 유압잭을 4대 사용하였다.

- 교좌받침 모르타르 : 이 교량은 스팬이 비교적 짧고 옆으로 경사되어 있어 전체적 균형이 불균등해질 우려가 있어서 교좌받침을 본체에 설치하고, 모르타르를 나중에 타설하여 반력이 균등하도록 계획하였다.

 

 

사진 4. 교체 요령 사진 5. 횡 이동 가설 장치

 

 

6. 계측 작업

이 교량은 UFC 최초의 철도교로 설계 및 시공의 타당성을 검토하기 위해 사용개시 후, 변위 및 고유진동수의 측정을 실시하였다. 더불어 소음 특성을 확인하기 위해 열차 주행시의 소음 측정도 실시하였다.

변위계측 : 열차 하중에 의한 변위량의 계측 값 및 계산 값을 제시하였고, 결과는 계측 값/ 계산 값은 90% 정도이었다. 따라서 교량이 강성이 설계와 동등한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.

고유진동수 : 교량의 고유진동수는 기존 PC거더와 동등함을 나타내고 있으나, 실제 교량에서의 고유 진동수를 계측하고 이를 검증하였다. 계측 결과는 1차 고유진동수가 12Hz이고, 간이식에 의한 진동수도 동등하였다.

소음계측 : UFC교량의 열차 통과시 소음을 파악하기 위해 실제 교량에서의 소음레벨(LASmax) 의 계측을 실시하였다(그림4). 계측 결과 UFC교량과 일반궤도교의 소음 레벨은 차이가 보이지 않았다. 또한, 전동음에 대하여는 UFC교량이 강재교량과 비교하여 속도가 거의 같은 열차에서는 소음 레벨이 5dB이상 작은 것으로 나타났다.

 

 

그림4. 소음 측정점 위치 사진6. 완성된 UFC철도교량

- 교체 공사 완료 : 교체 공사는 시간 내에 완료되었다 (사진6).

 

7. 결언

본 공사는 하천정비와 동반되는 매우 힘든 작업여건에서 UFC를 세계에서 최초로 철도교에 적용하는 공사이었다. UFC 적용에 따라 궤도의 성토 불필요, 공기단축, 전체 비용 저감, 시공리스크 저감을 도모할 수 있었다.

철도교 뿐 만 아니라 최근의 리뉴얼 공사에서는 상판두께, 거더 높이, 중량 등의 제한이 발생하는 경우가 많은 실정이다. 이러한 요구들에 대하여 UFC는 새로운 해결책의 제시라고 생각한다. 소음계측에서는 UFC교량 쪽이 강재교량보다 소음이 작은 결과가 나타났다. 도심부에서는 소음에 의해 PC교량이 적용되고 있으나, 하중 증가에 따른 문제가 있다. 따라서 UFC를 적용한다면 경량으로 소음도 기존과 동등한 장점도 알 수 있었다.