PC거더 단부 균열 및 파손은 도로교에서 발생빈도가 큰 편으로 유지점검 및 관리에 관심이 큰 부분이다. 문제발생시 작게는 교통 차단에서 크게는 교량 개축 또는 신교건설 등이 필요할 수 있다. 구조해석 시에도 본 이론이 적용되지 않는 D구역으로 FEM해석을 해서 발생응력을 파악해서 응력적분을 통해 작용력을 산출하여 설계되기도 하는 부위이다. 특히 교량에서는 연결부로 차량 통행시 충격에 의해 이상응력이 지속적으로 발생하는 위치로 매우 복잡한 거동을 하는 부분이다.

PC단부에 균열이 발생된 후에는 FEM 모델링이 곤란하므로 전문 소프트웨어를 계획하는 것으로 이 보고서는 전하고 있으며 그 성과가 있을 시에는 유지관리 점검에는 상당히 유효할 것으로 판단된다.

일반적으로 일단 균열이 발생하면 하중재하시 균열은 발달하여 폭이 커지거나 깊이 발생하는데, 이보고서는 단부균열에서 오히려 작아지는 것으로 시험결과를 발표하고 있다. 그로부터 휨균열의 경우보다 허용균열폭을 크게 하는 것으로 AASHTO LRFD관련시방을 개정하는 것으로 추진할 계획을 가지고 있는 것으로 발표하고 있다.

이 사항은 국내에서도 유의 깊게 관심을 가질 가치가 있겠으며 교량 공용수명을 관리하거나 연장하는데 효과가 있을 것으로 예상된다.

대개 PC거더교는 단부에서 발생하는 문제로 인하여 어려움을 겪게 되는데 이보고서 내용을 수용하게 되는 경우 그에 대한 보수, 보강 방법도 수정이 가능할 것으로 사료되며 기존의 보수. 보강공법이 고가인 점을 감안할 때 앞으로 보수, 보강 비용절감도 기대해볼 수 있는 가치가 있다 하겠다.

국내에서 별도 시험과 이론적 고찰이 따로 필요하겠지만 미국 시방을 많이 따르고 있는 현실에서 단부 규열을 가지고 있는 PC부재를 잔여 능력을 판단하고 보수보강계획을 세우는데 도움을 줄 수 있을 것으로 판단되며 보고서 요약과 결론의 내용은 다음과 같다.

PC, PSC 교량거더는 폭넓게 사용되고 있고 종방향 균열(단부균열)이 강성이완, PS력이 전이되는 시점에서 일반적으로 관측된다. 지난 20년간 고강도콘크리트는 높은보, 고긴장력(PS력) 사용으로 균열이 눈에 띄게 많아졌다.

종방향 균열은 PS력 전이로 발생하는 수직파열 응력이 콘크리트 인장응력보다 크면 발생할 것이며 일반적인 보강방안은 허용균열폭 이내로 유지하는 것이다.

거더의 강도 내구성에 대해 단부균열이 일어나는 충격에 대해 명확한 식별은 없다. 그래서 교량관리 주체의 견해는 손대자 않거나 거더 사용을 아예 포기하는 것으로 바뀌고 있다. 반면에 다른 의견은 거더 단부에서 강선부착정도 감소, PS력제한, PS력전이시 허용압축응력 감소, 균열에 그라우팅주입 또는 거더단부에 실런트 코팅처리 등을 고려하고 있다. 종방향 균열 허용수준에 대한 관리주체간의 일치된 견해는 없다.

단부 균열에 대한 관심은 강선과 철근 부식으로부터 장래 내구성과 구조적능력을 저하시키는 기능성에 대한 것이다.

강선위치에 위치하며, 긴장강선에 교차하거나, 긴장강선에 평행한 단부균열은 부착저하를 야기할 수 있다. 이 균열은 거더의 전단과 연성능력을 지속적으로 감소시킬 수 있는 전달길이 증가를 초래할 것이다. 염분에 노출되는 경우 강선을 따라 생기는 폭이 큰 균열은 강선열화를 야기할 수 있다. 그러므로 종방향 벽체균열이 구조적으로 중요성이 있는지를 결정하는 것이 절대적으로 필요하다. 균열이 구조적으로 중요하지 않다면 내구성을 저하시킬지 여부를 확인하는 것이 요구된다.

PS 콘크리트 거더의 허용 및 보수기준에 관한 기 발행된 지침은 보고된 많은 균열유형을 고려하고 있지만 단부균열의 특성을 적절히 설명하지는 못하고 있다. 또한 이러한 지침 대부분은 보에서 연성균열로 진전된 기준에 의해 크게 영향을 받고 있으며 단부균열은 그 인과관계가 그런 것과 는 근본적으로 다르다. 예로서 보의 연성균열은 부과하중 적용으로 균열폭과 깊이가 성장하는 경향이 있다. 반하여 단부균열은 부과하중적용과 장기 PS력 손실로 더 좁아지는 경향이 있다.

이 연구프로젝트에서 수행된 작업의 기본 목적은 종방향 웨브 균열이 있는 PC, PSC 콘크리트 거더의 허용 ,보수, 사용포기에 대한 사용자 매뉴얼을 수립하는데 있다. 목표달성을 위해 지침이 다음과 같이 여러 가지 균열부류에 대하여 정립하는 것이 요구되었다.

•보수를 필요로 하지 않는 균열

•보수를 필요로 하는 균열(보수재료 및 방법 포함)

•구조적 능력을 손상시키고 거더로서 사용거부(불가)를 야기하는 균열

추가목적은 AASHTO LRFD 교량설계 시방에 개정을 제안하고 신규거더에 사용할 개선된 균열제어, 보강상세를 개발하는데 있다. 이 목적을 달성하기위해 연구팀이 수행한 과업은 다음과 같이 구성된다.

1. 전단과 연성능력에 대해 단부균열 영향 연구를 위한 구조적 조사와 실물크기의 거더시험 그리고 단부보강상세와 다른 결과의 실례조사

2. 에폭시주입시험: 거더웨브(벽체)폭을 전체 횡단한 균열간 콘크리트의 인장능력을 회복하려는 에폭시주입 보수의 능력조사

3. 균열이 팻칭재료로 채워져야 할 필요가 있는지에 관계없이 단부표면이 표면 실런트로 처리되어야하는지, 보수가 요구되면 사용되어야 할 보수방법과 재료가 무엇인지 조사하기위한 내구성시험

4. 단부균열의 현재 조건이 시간에 따라 변하는지를 조사하기위한 현장 교량 조사, 현장조사는 비보수 상태 단부균열이 콘크리트의 층리, 철근의 부식을 야기하는지 조사하는데 필요하였다.

과업 목차와 이용가능한 기 성과를 바탕으로 연구는 다음의 균열제한을 제안하는 성과를 가져왔다.

• 0.012 in. 이하균열 - 비보수 가능

• 0.012~0.025 in. 범위균열 - 승인된 특수 시멘트계 재료로 균열을 채워 보수해야함. 거더양면 단부 4ft. 구간은 승인된 실런트로 코팅해야하며, 추가사항은 보수과정과 보수에 바로 이용할 수 있는 여러 제품에 대한 정보를 제공하는 것이다.

범위균열 - 균열폭에 따라 에폭시 주입 또는 시멘트계 팻칭재료로 채워야할 것임. 표면은 실런트로 코팅해야함.

• 0.05 in. 이상폭의 균열을 가지는 거더는 거더로 사용이 거부(불가)된다고 연구팀은 조언한다. 그런 거더에 있어서 연구팀은 균열의 원인이 예상 파열력 영향을 초과한 것일 수 있다고 판단하고 있다. 관리추체가 이 거더를 재사용으로 고려하고 싶다면 균열의 인과관계에 대하여 철저한 구조분석이 수행되고 적절한 조사가 취해져야 한다고 조언하고 한다.

실물크기 시험관측과 예전 연구성과를 바탕으로 최소철근 간격과 콘크리트 피복에서 허용되는 만큼 거더 단부 가까이에 철근을 집중함으로서 효과적으로 단부균열이 제어될 수 있음을 발견했다. 더하여 철근 집중 부위를 벗어난 위치에서 균열이 발생하는 것을 예방하기 위하여 부재깊이의 절반에 가까운 거리 내에 점차적으로 철근 배근수를 줄여나가야 할 것이다. 그래서 현행 AASHTO LRFD 교량설계 시방에서 요구되는 철근량은 유지되어야 하겠지만 철근의 분포는 변화된다. 철근은 20 ksi 응력한계와 PS력의 4%파열력으로 결정된다. 그러나 적어도 강재의 50%가 부재단부 (총거더깊이)h/8에 배치되어야 할 것이다. 파열제어 강재의 전량이 현행시방(h/4)가 아닌 부재의h/2에 배치되어야 할 것이다. 상하플랜지의 강재 정착은 강재응력이 h/8구역을 지나면서 급속히 감소함과 맟추어 그 위치에서 철근은 대개 꼭 필요하다. h/8 구역에서도 이 철근이 균열제어를 위해서만 있는 것 같이 항복강도로 철근을 전개할 필요는 없으며 거더생산 초기와 시공중 매우 높을 가능성이 있는 응력발생을 경험 할 것이다. 단부철근은 30ksl에 도달하도록 상하플랜지에 정착되어야 할 것이다. 제안하려는 철근상세는 보고서 내에 수록되어 있다.

이 프로젝트에서 수행된 과업을 바탕으로 연구팀은 PS력의 전달에 기인하는 단부 균열을 일으키는 PS콘크리트 거더에 대해 허용기준, 보수재료 및 방법에 관한 사용자 매뉴얼을 개발하였다. 매뉴얼은 균욜폭에 따라 4개 기준으로 구분하였다. 첫 번째는 보수가불필요한 0.012in. 이하균열이고 2번째는 0.012~0.025in. 균열폭으로 균열을 시멘트계 채움재료로 채워지도록 하고 부식촉진화학물이 콘크리트 강재에 도달하여 오염되게 하는 수분울 차단하기위해 방수용 표면 실런트를 도포하도록 조언하였다. 3번째는 0.025~0.05in. 균열폭으로 0.025in.보다 큰 균열은 에폭시 주입을 추천하였고 0.025in.보다 작은 균열은 시멘트계 채움재처리를 추천하였다. 4번째 기준은 0.05in.이상 균열폭으로 거더로 사용하지 않는 것이 바람직하며 유용시에는 구조적능력과 장기내구성이 보장되는지 여부를 상세한 분석을 통해 입증하여야한다.

이 기준은 ACI-318 Building Code와 AASHTO LRFD 교량설계 시방에서 연성부재에 대하여 서술하고 있는 것보다 더 큰 균열기준으로 거더균열을 허용하고 있다. 단부균열의 중요성과 본질은 연성균열과는 아주 다르다. 보에서 연성균열은 단부에서 일어나는 것과는 다른 부재거동으로 작용하고 있다. 예로서 보에서 연성균열은 부가하중으로 균열폭과 깊이가 증가하는 경향이 있다. 즉 부재의 변형, 진동, 피로 거동에 의해 부정적인 작용을 야기할 수 있다. 반하여 부과하중 적용과 장기PS력 손실 진전으로 단부균열은 크기가 감소하는 경향이 있다.

이 프로젝트에서 얻은 경험을 바탕으로 연구팀은 신규거더에 사용할 개선한 단부 상세를 진전 시킬 수 있었다. 개선된 상세에 따른 단부 보강은 AASHTO LRFD 시방에 서술된 같은 기준인 20ksi 허용강재응력과 전달 PS력의 4%를 사용하는 것으로 결정하였다. 그러나 제안 상세는 최소단부 보강철근 50%가 부재단부 h/8네에 배치하도록 하고 있다.(h는 부재깊이) 단부철근 균형량은 h/8~h/2사이에 배치하는 것으로 한다. 이 배근은 가장 높은 파열응력이 예상되는 위치에 보강철근이 집중되도록 한다. 파열철근은 웨브와 플랜지 연결부에서 최소 20ksi 응력을 발휘할 수 있는 상하플랜지에 묻혀야한다. 정착은 철근 완전항복강도에 도달하는데 요구되는 응력보다 낮아야한다. Northwest에서 최소 1개 생산자가 이미 사용한 유효 사례가 부재단부 웨브 중심에 단선 #8철근을 설치한 것이다. 그 철근은 적절한 정착을 위해 거더 종방향으로 C자형으로 가공되었다. 부재단부 h/8설치한 또 다른 사례는 상하에 너트를 채결한 직경3/4in. 코일 루프강봉이다. 단부h/8는 단부격벽에 깊이 묻힐 수 있고 철근과 웨브면사이 최소 콘크리트 피복이 유지되어야함에 유의해야한다. 또한 규정한 #4,#5철근은 상하플랜지로 굽혀 묻혀야하고 상부플랜지에 돌출되지 않아야하며 적절히 정착되도록 계산될 수 있어야 한다.

제안한 단부 상세에 근거하여 연구팀은 AASHTO LRFD 시방 문서 5.10.10.1에 변경을 제안하였다.

도로 위원회 연구결과의 구현: 연구팀은 이 프로젝트에서 수행된 과업에 대해 최소1개 논문을 작성할 것이고 추천사항은 2011TRB 연래회의에 제출할 것이다. 다른 논문은 PCI 와 ACI 구조 저널에 발표하려고 준비하고 있다. 또한 연구팀은 NDOR과 VDOT에 이 프로젝트의 추천사항과 결과를 제출하려고 생각하고 있다. 교량분과기술자와 직접 미팅 또는 게획된 세미나를 통하여 이루어질 수도 있다.

연구팀은 채택이 가능하게 하기위해 T-10 AASHTO 위원회에 AASHTO LRFD 시방 문서 5.10.10.1에 제안 변경안을 제출할 것이다.

장래 연구과제 제안: PS전달에 기인하는 웨브 단부균열의 허용, 보수, 사용 거부(불능)를 판단하는 깊이 있는 연구가 제시되지 않고 있다. PS 부재의 단부 FEM 모델을 개발하여 깊이 있는 연구가 파열 보강재(특히 0.6in.직경강선 이상 그리고 실제 일반적으로 많이 사용되는 15ksi 콘크리트보다 더높은 강도재료)를 최적화하는데 가치를 두어야할 것이다.

이상의 내용으로부터 우리의 관련시방규정에 제고할 내용에 대한 검토 및 연구가 있기를 기대한다.

▣ 원문의 주요목차 **********************************************************************

제1장 배경

제2장 연구 방향

제3장 연구 결과

제4장 제안할 장래 연구과제와 결론 및 추천사항