교량 곡선이 자유로워진다
- Smart Mold 시스템을 이용한 프리캐스트 곡선 PSC거더(Curved Beam)의 실용화 -
“Smart Mold 시스템을 이용해 다양한
곡률반경에 적용 가능한 거더를 제작한다”
[연구자 레터]
현재 국내외 곡선 교량 시공은 강박스 거더나 PSC 박스 거더가 주로 사용되고 있다. 강박스(Steel Box Girder)교의 경우 기하학적인 형상을 구현하는 것이 상대적으로 쉽기 때문에 대부분의 곡선교에서는 강재를 이용한 강박스 거더(Steel Box Girder)를 주로 사용하고 있다. 하지만 강박스 거더(Steel Box Girder)는 많은 강재 소요량으로 공사비가 많이 들고 도장과 같은 지속적인 유지관리가 필수적이다. 이에 곡률 반경에 상관없이 경제성과 안정성을 확보하고 유지관리비용 또한 저렴한 콘크리트 곡선 거더의 개발을 진행했다.
01 개발배경 및 현황
최근 교통량 증대와 물류 공급망이 활발해지면서 도로 및 철도의 고속화가 가속화되고 있다. 이러한 변화에 발맞춰 도로 선형(道걟線形)의 직선화와 장대교량 구간 등을 계획하고 있으며, 도로선형 계획에 있어 필수불가결하게 발생하는 곡선구간에 대한 경제적이고도 스마트한 해결책이 필요하게 되었다.
곡선구간에서 가장 많이 사용하고 있는 교량 형식은 강박스거더(Steel Box Girder)교나 PSC 박스 거더(PSC Box Girder)교이다. 강박스교는 강재의 특성상 기하학적인 형상을 구현하는 것이 상대적으로 쉽지만 초기 공사비가 고가이고 도장과 같은 지속적인 유지관리가 필요하다는 단점이 있다.
한편 PSC 박스 거더를 이용한 경우에는 거더 자체가 바닥판과 일체화 되어 있어 보수 및 보강 시 거더를 전부 교체해야하고 대형가설장비가 반드시 필요하여 곡률 반경이 300m 이하로 작은 경우와 중소형 교량에는 적용이 불가능하다는 단점이 있다.
이 때문에 현재 국내외 중소형 곡선교는 강박스(Steel Box)형 교량이 대부분이고, 대구도시철도 3호선, 영종도자기부상열차와 같이 국내 프리캐스트 곡선 PSC빔을 적용하기 위해서는 아직까지 일본, 중국 등 해외 기술에 의존하고 있어 효율적인 곡선교량 기술이 필요한 실정이다. 따라서 본 연구팀은 수요가 높지만 아직까지 국내에서 개발되지 않았던 곡선 PSC 거더의 특성을 검토하고 해석 및 성능검증 실험을 수행하여 곡선 PSC 거더에 대한 안정성을 확보했다.
02 기술의 특징
Smart Mold를 위한 최적의 표준단면 제시
본 연구진은 개발에 앞서 국내외 곡선 PSC 거더 및 교량의 설계기준, 기존 곡선 PSC 거더 설계해석 기법의 특성을 검토하고, 기본단면에 대한 해석 및 비교분석을 통해 효율성을 높이기 위한 설계해석 기법을 검토하였다. 또한 곡선 PSC 거더의 최적단면을 선정하기 위해 경간, 곡률반경 등의 변수를 고려하여 최적화된 표준단면을 제시했다.
효율적인 시공을 위한 타당성 및 경제성, 효과적인 시공을 위한 성능 검증
표준화된 곡선 PSC 박스거더를 생산하기 위하여 다양한 곡률반경 적용이 가능한 스마트 몰드(Smart Mold) 시스템을 적용, 실험체를 다양한 곡률반경으로 제작하고 제작단계별 시공성과 프리캐스트 곡선 PSC 거더의 현장적용 가능성 및 경제성을 검토함으로써 사업화를 추진했다.
개발된 곡선 PSC 거더의 제작 및 가설 시 발생할 수 있는 문제를 미리 검토하여 전도 방지장치를 구축하였으며, 성능을 검증하기 위해 곡선 PSC 박스 거더의 구조모형실험과 정밀해석에 관한 자료를 수집했다. 또한 곡선 PSC 박스 거더의 구조모형실험에 대한 구체적 방법을 수립하여 선정된 최적단면에 대한 프리캐스트 곡선 PSC 교량의 구조모형실험을 수행함으로써 구조 안전성을 확보하였다.
* LCC(Life Cycle Cost, 생애주기비용)이란 빌딩 등의 건물을 기획, 설계, 건축하고, 유지관리하기 위해 소요되는 비용의 총액을 말함
03 기술개발 효과
S다양한 곡률 반경에 적용 가능한 스마트 몰드
현재까지 국내에는 곡선 PSC 거더에 대한 연구가 전혀 없었지만 이번 연구과제로 곡선 PSC 거더에 대한 기술과 구조 안정성을 확보하였다. 곡선 PSC거더는 교량 상부구조 형식 가운데 가장 일반적으로 사용되고 있는 PSC빔을 직선 구간뿐 아니라 곡선 구간에도 적용하여 그 활용 범위를 넓혔다는데 의미가 있다.
교량 건설에 있어서 상부구조 형식 선정은 시공 여건, 경제성, 경관 등을 종합적으로 검토 후 결정하는데, 본 기술은 경제성 및 효율성뿐만 아니라 형고(거더 높이)가 낮고 평면 곡선과 동일한 곡률반경으로 빔이 배치되어 도시 미관을 개선시키는 효과가 있다.
따라서 본 기술을 적용하게 되면 PSC 빔 본래의 시공성과 경제성을 살리면서도 곡선교 적용 및 경간장 증대가 가능해 미관을 보다 향상시키기 때문에 교량 건설 시장에서 그 활용가치가 매우 높아 기술수출로 인한 외화획득 및 국내기술의 위상 향상이 가능할 것으로 기대된다.
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