MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 동이1교

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1. 들어가며

두번째 다루고자 하는 사장교 프로젝트는 경기도 연천군에 2010년부터 저희 회사가 프리캐스트

바닥판(Precast Deck Panel)과 케이블 시공을 맡고 현재까지 진행 중인 동이1교입니다.

시∙종점 앵커블록(Anchor블록)과 주탑은 콘크리트 시공 업무를 담당하는 타 협력사에서, 강보강형의 제작과

설치는 또 다른 협력사에서 진행하고 있습니다. 전형적인 강∙콘크리트 합성 사장교의 경우에는 이처럼 여러

협력사들이 협업하여 시공하는 경우가 보편적입니다. 이런 경우 원청사 및 협력사들 간의 의사 소통 관리가

시공 품질에 많은 영향을 미칠 수 있음을 항상 주의해야 합니다.

2. 교량의 배경 및 제원1

동이1교는 국내 최초로 시도되는 타정식 단경간 사장교로 경기도 연천군 군남면과 미산면을 연결하는

국도 37호선 적성-전곡 도로건설공사 2공구에 위치한 임진강 횡단 교량입니다. 완공 후에는 통일을 대비한

거점 지역 기반 시설 확충 및 관광을 포함한 지역 경제 활성화에 기여할 것으로 기대되고 있습니다.

교량 주변에는 선사 유적지와 적벽과 같은 천혜의 자연환경이 있고 임진강 환경보호를 위해 하천 통과

구간 내 교각 설치 및 수상 장비 운용을 배제하도록 계획되었습니다. 이를 위해 측경간 케이블이 독립된

콘크리트 앵커 블록에 정착되는 타정식 단경간 사장교가 설계되었습니다. 교폭 23.2m, 왕복 4차로, 경간은

75m(교대 후방 성토구간) + 400m + 75m(교대 후방 성토구간)로 구성되어 있습니다. 주탑+교대는

일체식이며 보강형이 PT Bar(Post-Tensioning Bar)로 강결되고, 교량 신축을 위하여 주경간 중앙에 신축

이음과 보강형 내부 힌지 시스템이 적용되어 있습니다.

주탑+교대 위치에는 적벽 파쇄대가 분포하며 풍화 및 주상 절리 발달에 의한 경사 역전과 붕괴 이력이

관찰되었고 소규모 지하 공동이 조사되어, 지반 안정성을 고려한 지간 구성의 결정적 요인이 되었습니다.

그림 2.1 동이1교 조감도

1 유신기술회보 제 16 호, 동이 1교의 계획 및 설계

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그림 2.2와 같이 2.2m 형고의 강∙콘크리트 합성형 엣지 거더(Edge Girder) 횡단 구성과 12.45m의 케이블

간격을 계획하여 상당히 최적화된 강중량(거가대교는 300kg/m2 < 336kg/m2 < 마창대교는 428kg/m2)을

구현해 냈다는 점은 주목할만합니다.

그림 2.2 주탑 및 횡단면 형상

3. 시공중 고려할 주요 설계 사항2

1) 측경간 타정식의 케이블

앞서 기술한 바와 같이 측경간 케이블은 독립된 콘크리트 앵커 블록에 정착되는 타정식 사장교로 계획되어

있습니다. 그러나 교량의 종점측 일부 구간이 평면곡선이므로 앵커 블록이 교량 중심을 기준으로 대칭을

이루지 않았습니다. 원설계는 종점측 측경간 케이블을 시점측과 동일하게 대칭으로 배치하는 대신 종점측

앵커 블록만을 이동시키는 방법을 선택하였습니다. 따라서 케이블 정착을 위한 폼웍튜브(Formwork Tube)의

정착점 위치와 각도는 전체적으로 교량 중심에 대해 대칭을 이루지만, 실제 시공시에는 콘크리트 앵커

구조물 구성 요소들로부터 국부적으로 거리 및 레벨을 측정하여 설치하므로 세심한 주의가 필요하였습니다.

그림 3.1 종점측 앵커 블록

2 유신기술회보 제 16 호, 동이 1교의 계획 및 설계

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, CW

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W06

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W05

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W04

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, CW

W03

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, CW

W02

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, CW

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2) 주탑-거더 일체 결합

주탑+교대와 강보강형은 강결 접합으로 계획되었습니다. 그림 3.2와 같이 접합부에 발생하는 단면력에

충분히 저항할 수 있도록 소요의 PT Bar와 전단연결재(Stud)가 배치되었습니다. 특히 모멘트 및 전단,

인장(압축만이 존재하는 경우 제외)에 저항할 수 있는 강결 접합의 경우, PT Bar를 적용하는 것이 가장

적절합니다. 프리스트레스(Pre-Stress)를 도입하지 않을 경우, 접합면에 단면력이 작용하게 되면 미소하나마

이격 변형이 발생합니다. 그렇게 되면 설계자가 가정한 강결 조건을 만족하지 못하기 때문입니다.

PT Bar를 콘크리트 내에 매입(Embeded) 후 인장하게 되면 인장직각면 일부분과 정착길이 깊이로 미세

균열이 발생하여 내구성에 부정적인 영향이 있을 수 있습니다. 그러므로 매입형 보다는 쉬스(Sheath)를

매입하고 PT Bar+정착판으로 구성되는 정착형(추후 그라우팅으로 일체화)이 추천됩니다.

그림 3.2 강∙콘크리트 접합부

3) 중앙부 신축이음 및 힌지 계획

동이1교는 교량 시∙종점 주탑부를 강결함에 따라 보강 거더의 교축방향 변위를 수용할 지간 중앙부

신축이음 및 힌지 계획이 중요한 설계 요소입니다. 사례 조사를 통하여 소켓 타입과 더블 거더 타입(그림

3.3 참조) 중 하중경로가 단순∙명확하며 키세그먼트 내에서 일체 시공이 가능한 소켓 타입으로 선정

되었습니다.

소켓

타입

더블

거더

타입

그림 3.3 중앙부 신축이음 및 힌지 계획

키세그먼트 설치시, 이 신축이음과 힌지가 가설 중 이탈되거나 변형되지 않도록 가설 가고정 장치를

설계하여 공장 또는 현장에서 적용 후 현실에서 시공 가능하도록 계획하고 있습니다.

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4. 시공시 주요 이슈들

1) 케이블 스트랜드 허용응력 변경3

최근 사장교의 케이블 설계를 살펴 보다 보면, 경제성을 최대로 도모하기 위하여 허용응력 대비 케이블의

최대 발생응력이 90% 초과하도록 스트랜드(Strand) 수를 배치하는 경우를 종종 볼 수 있습니다. 물론,

엔지니어링(안전률 개념을 고려) 및 최적화 설계 관점에서 보면 당연한 것입니다만 현실 시공에서는 다음과

같은 이유로 인하여 여러 오차들이 중복∙복합되어 일어나므로 과도한 경제적 설계는 부적절합니다.

첫째, 강구조물이 공장 제작이라도 강판 두께의 오차를 허용하며, 콘크리트의 경우에도 물이 함유된 상태

및 거푸집 계획 및 변형 등에 의하여 설계 단계에서 가정한 형상(무게)과 차이가 발생합니다.

둘째, 강재든 콘크리트든 간에 시공된 재료 역학적 특성이 설계 단계에서 적용한 재료 모델과 정확히

일치하지 않습니다.

셋째, 가시설물을 비롯한 지지 조건(지반 지지 조건)과 재료와 형상의 차이로 인한 구조물 강성이 설계

단계의 가정과 다릅니다.

넷째, 여러 가지 시공 오차로 인하여 경계조건(받침의 위치 등) 및 케이블 정착점의 위치가 변합니다.

그러므로 오차한계(시공중 이론치의 ±10% 정도이며 동이1교의 경우 ±7%이었음)를 규정하여 활하중

결과와 중첩하였을 때 허용응력 이내로 관리합니다.

그림 4.1 케이블 발생 장력

동이1교의 경우, 활하중 중첩시 허용응력 대비 최대 97%까지 근접한 이론치가 산출되어 오차한계를

규정할 수 있는 여유가 존재하지 않았습니다. 이에 대하여 합리적이고 경제적인 해법으로 fib(CEB-FIP) 및

‘장대교량용 케이블 소재 적용 지침’ 중 시스템 피로시험을 통과할 경우에 대한 Service conditions(SLS)을

적용하여 허용응력을 0.45GUTS(Guaranteed Ultimate Tensile Strength, fpu)가 아닌 0.50GUTS를

변경하였습니다. 그 결과, 최대 허용응력 대비 최대 89%(+7% 오차범위 적용시 96%)가 되어 형상관리가

이루어질 수 있는 기반을 만들었습니다.

3 적성~전곡간 도로건설공사(동이 1교) 케이블 허용 장력 검토, 코비코리아

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2) 사장 케이블 베어링 플레이트(Bearing Plate) 위치4

케이블 정착구가 구조물에 하중을 전달하는 보통의 케이블 폼웍튜브(Formwork Tube)의 형상은 그림

4.2와 같습니다. 이 폼웍튜브의 베어링플레이트(Bearing Plate)는 하중 전달과 시공 편의상 일반적으로

폼(Form) 내부에 설치하여 타설∙양생 후 구조물 면내에 매입되도록 합니다.

설계도 또는 시공 착오로 인하여 그림 4.2와 같이 가끔 베어링 플레이트가 구조물 면외로 돌출되기도

합니다. 이런 경우 구조적 문제점이 발생하지 않지만, 케이블 정착점 위치가 후진되므로 형상 관리팀이

원하는 장력이 발생하게 하는 ‘목표 케이블 무응력 길이(USL=Un-Stressed Length)’를 위한 조정량(Offset)5을

산정할 때 반영되도록 그 값을 전달합니다.

그림 4.2 폼웍튜브와 베어링플레이트

3) 형상관리를 위한 시공중 하중 정의

형상관리용 수치해석 모델에는 PSC(Parallel Strand Cable) System 시공에 적용되는 장비 하중을 파악하여

정확히 적용합니다. 많은 설계자들께서도 궁금하시다고 종종 연락을 주셨습니다. 일반적인 FCM(Free

Cantilever Method) 공법으로 시공할 경우는 그림 4.3과 같이 배치되며 그 무게는 아래와 같습니다.

4 DongYi1_MEM_114_0 : 동이 1교 케이블(CEEN01, CEES02) 길이 검토 5 목표 케이블 무응력 길이(Target USL) = 이론적 케이블 무응력 길이(Theoretical USL) + 조정량(Offset)

MIDAS Tech

4) 지점 가진

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뷰 : 동이1교

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즉 ‘케이블

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MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 동이1교

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5. 지금의 모습은?

전 케이블 시공은 완료되었으며 장력 조정중에 있습니다. 이후 키세그먼트(Key Segment)를 인양∙가설하고

현장타설 바닥판 시공 및 케이블 장력 최종 측정이 뒤따를 예정입니다. 훌륭한 유종의 미를 기대합니다.

그림 5.1 현재 동이1교 시공 모습