1. 서    론

전 세계적으로 다양한 형식의 교량이 건설되어 공용되고 있으며, 현재도 보다 경제적이고, 효율적인 교량 건설을 위해 기존의 교량형식들을 개선, 발전시키려는 노력이 끊임없이 진행되고 있다. 특히 Prestressed Concrete (PSC)구조를 적용한 거더 형식의 교량은 경제성과 안정성이 우수한 형식으로 국내뿐 아니라 전 세계에서 가장 보편적으로 사용되고 있는 교량^1,2) 공법 중 하나이다. PSC 형식은 철근콘크리트와 강연선으로 구성되며 재료 특성상 강재(Steel)가 많이 소요되는 강교와 비교하여 우수한 경제성을 확보하고 있다. 또한 PSC-I형의 거더는 단면형상이 동일재료 수량에서 하중을 지탱하는 거더의 단면 2차 모멘트를 최대화 할 수 있는 우수한 형상이며 최근에는 기존의 PSC 거더에서 2차 긴장 및 강판보강 등의 공정을 통해 개량형 PSC 공법인 IPC 공법^2,3)을 도입하는 등 장경간화를 위해 많은 노력을 기울이고 있다.

기존 PSC 교량은 거더 상부에 동바리 및 거푸집을 현장에서 설치하여 바닥판을 시공하는 공법으로 진행되어 비교적 장기간의 시공시간이 소요됨에 따라 공사기간 단축에 어려움을 겪었으며, 시공과정에서 많은 작업자가 거더 상부에 올라가 직접 시공하는 방식으로 인하여 현장안정성 문제에 취약함을 보였다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 거더 가설 후 공장에서 제작된 프리캐스트(Precasted) 바닥판^4-6)을 교량에 적용함으로써 급속시공, 인건비 절감효과와 품질확보 등 많은 장점을 확보할 수 있다. 이러한 기술의 개발 이후 여러 형식의 프리캐스트 관련 연구가 진행되고 있으며 현재 다양한 형태의 프리캐스트 바닥판이 개발되었다.

일반적인 구조물은 하중 재하 시 작용하는 하중이 지점에서 축방향력과 전단력으로 분산되는 반면, 아치(Arch)형태^7-9)의 구조물은 구조물 전체에 균일하게 하중이 분산되는 구조로써 축방향력과 전단력의 부담이 적어 일반적인 구조물에 비해 구조적으로 더 큰 하중을 견딜 수 있다. 이러한 구조적 우수성을 활용해 고대부터 철골이 아닌 구조물에는 아치형식의 구조물이 많이 건축되었다. 아치 형식을 사용한 구조물은 구조적 안정성을 활용하여 장경간 및 고층의 구조물 건축이 가능해 미적으로도 우수하며, 이를 도입한 프랑스의 개선문, 로마 시대의 콜로세움과 유럽의 대성당 등은 전 세계의 랜드마크로 자리잡았다.

본 연구에서는 기존 프리캐스트 공법을 활용한 PSC 거더 개발에서 한 단계 더 나아가 아치형상으로 제작한 프리캐스트 패널인 아치 데크¹⁰⁾를 활용한 거더를 개발하였으며 이를 위해 본 논문에서는 철근콘크리트 아치 데크의 정적하중재하^11-13) 실험을 통해 구조적 성능평가를 수행하고자 한다.

2. 철근콘크리트 아치 데크 개요

아치 데크는 기존에 사용되는 일반 하프 데크와 달리 단부단면의 두께가 160mm, 중앙단면의 두께가 100mm로 이뤄진 아치 형상으로 제작되고, 바닥판 콘크리트 타설 후 전반적인 형상이 아치 형상을 이루어 휨 모멘트를 감소시키는 아칭(Arching) 효과를 기대할 수 있다. 이로 인해 일반 하프 데크보다 우수한 구조성능을 통해 긴 경간을 구현할 수 있고 하부의 미관 또한 개선이 가능하다.

기존에 사용되는 일반 하프 데크는 직선 형상으로 거더 상면 모서리에 수직 반력으로 저항하는 구조이지만 철근콘크리트 아치 데크의 경우에는 수직 반력 및 수평반력으로 저항하기 때문에 수평반력이 휨모멘트를 감소시키는 효과가 발생하게 된다. 또한 상부 현장타설 콘크리트 합성 후에도 철근콘크리트 아치 데크에서 거더로 전달되는 응력 흐름을 아칭효과에 적합하도록 시공하여 바닥판의 구조안정성을 증대시킬 수 있게 된다.

3. 실험내용 및 방법

3.1 실험체 개요

본 연구에서는 정적재하 구조실험을 위해 철근콘크리트 아치 데크 실험체를 제작하였다. 실험의 정확성과 통계적인 수치를 확보하기 위해 총 3개의 동일한 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. Fig. 1에 실험체의 상세도면을 나타낸 것으로써 길이 2.5m, 폭 1.2m, 중심단면 두께 100mm, 단부단면 두께 160mm의 철근콘크리트 아치 데크와 이를 지지하는 철근콘크리트 반력대로 이루어져있다. 철근콘크리트 아치 데크와 반력대를 프리캐스트로 제작하여 실험장소로 이동시킨 후 실험체 세팅과정에서 아치 데크와 반력대 각각의 연결부 철근에 Grip coupler를 사용해 결합하여 작업효율성을 극대화 시켰다. 이를 Fig. 2(c)에 나타내었다. 본 논문에서는 철근콘크리트 아치 데크 정적재하 실험체를 각각 AD 1, AD 2, AD 3로 명명하였으며, 각 실험체는 동일한 재료와 제원을 가진다.

3.2 실험체 제작

실험체의 제작은 도로교설계기준¹⁴⁾에 따라 제작하였으며 제작과정을 Fig. 2에 나타내었다. 콘크리트는 강재 거푸집에 타설되었으며 조기 강도발현을 위해 증기양생을 실시하였다. 철근콘크리트 아치 데크의 콘크리트 설계기준강도는 40MPa이며 실험 직전 콘크리트 공시체의 압축강도를 측정한 결과는 49.5MPa로 나타나 타설된 콘크리트 모두 설계기준강도를 만족하는 것으로 나타났으며 이를 Fig. 3에 나타내었다. 사용된 철근은 KS D 3504¹⁵⁾ 항복강도 400MPa의 이형철근을 사용하였으며, 위 내용을 요약하여 Table 1에 정리하였다.

3.3 실험 방법

본 실험에서는 도로교설계기준⁸⁾에 따른 차량 윤하중을 모사하기 위해 차량 후륜의 접지면적을 환산해 폭 230mm, 길이 580mm의 강판을 제작해 실험체의 중심 지점에 가력하였으며, 이를 Figs. 4와 5에 나타내었다. 실험에 사용된 가력장비는 최대 용량 5,000kN을 갖는 UTM (Universal Testing Machine)을 사용하였다. 하중 재하는 변위제어 방식과 하중제어 방식을 사용하였으며, 실험체의 하중재하는 총 3 단계로 나누어 수행하였다. 1 단계에서는 균열하중에 대한 결과를 얻기 위해 균열이 예상되는 0∼10kN구간에 하중제어방식으로 1kN/min의 속도를 적용해 정적하중을 재하 하였으며, 균열체크는 1분에 한번씩, 즉 2kN마다 체크를 진행하였다. 2 단계는 균열 이후 실험체의 하중별 구조적 거동을 확인하기 위해 10∼30kN구간에 하중제어방식으로 2kN/min의 속도를 적용하였고, 균열체크는 1단계와 동일하게 진행하였다. 3단계는 하중제어의 압축강도가 변위제어보다 크게 나오는 점을 감안하여 30kN부터 변위제어방식으로 0.5mm/min의 속도를 적용하였고, 균열체크는 4분당 한 번씩 즉, 2mm마다 진행하였다. 모든 실험에서는 가력장비의 유압이 감소하는 시기, 즉 실험체가 파괴에 이르기 직전까지 정적하중을 재하하였다. 이와 같은 내용을 Table 2에 나타내었다.

Fig. 6은 실험체에 부착한 측정센서를 표시한 것이다. 실험체의 위치별 구조적 거동을 확인하기 위해 횡방향 경간의 1/4지점(0.25L), 1/3지점(0.33L), 중심 지점(0.5L) 변위와 변형률을 측정하였다. 이를 위해 실험체 하면에 LVDT (Linear Variable Differential Transformer)를 설치하였으며, 철근에 5mm 스트레인 게이지, 콘크리트에 60mm 스트레인 게이지를 부착하였다.

4. 정적재하 실험결과

4.1 하중-변위 이력

실험체의 설계하중(), 균열하중(), 극한하중()과 처짐을 설계 및 실험값과 비교하여 Table 3에 나타내었으며, 실험체 중심 지점의 하중-변위 곡선을 Fig. 7에 나타내었다. 전체적인 변위곡선을 보았을 때, 첫 번째, 약 0∼10kN 구간과 두 번째, 약 10∼60kN 구간과 세 번째 60kN 이후 구간에서 각각의 기울기가 다름을 알 수 있다. 이처럼 전체적인 구조거동의 형상이 Bi-linear로 나타난 것은 다음과 같은 이유로 분석하였다.

첫 번째 구간(약 0∼10kN)에서는 실험체에 처음 하중을 했을 때, 실험체가 강재 프레임으로 제작된 반력대에 정착되는 과정에서 나타난 현상으로, 단순히 철근콘크리트 아치 데크의 구조거동이라고 보기는 어렵다.

두 번째 구간(약 10∼60kN)에서는 실험체가 선형거동을 하는 것으로 보아 실험체가 완전히 정착된 후 철근콘크리트 아치 데크의 구조거동을 나타낸 것이라고 판단하였다.

세 번째 구간(약 60kN이후)에서는 실험체의 변위가 급격하게 증가하는데, 이러한 이유는 콘크리트의 균열과 철근의 항복 등이 작용하여 구조물의 저항성능이 저하된 것으로 판단된다. 세 번째 구간의 시작점인 약 60kN 부근은 극한설계하중() 37.12kN에 비하여 약 1.6배를 나타내는 수준으로써, 실제 구조물의 설계에 적용할 때는 약 30% 정도의 안전율을 하향시켜야 설계수치와 비슷할 것으로 판단된다.

각 실험체의 최대정적하중은 63.20kN, 61.10kN, 69.15kN이며 평균은 64.48kN으로 나타났다. 이는 설계에 의한 극한하중() 37.12kN에 비해 약 1.6∼1.9배에 해당하는 수준이다. 이러한 결과를 종합하였을 때, 철근콘크리트 아치 데크의 구조성능은 충분히 안정적이라는 판단이 되며, 추후 상부 바닥판 현장타설 콘크리트와 합성 후에도 충분한 저항성능을 확보 할 수 있을 것이라고 사료된다.

하중증가에 따른 지점별 최대 처짐은 중앙부에서 발생하였으며 지점별 하중-변위의 관계를 Fig. 8과 Table 4에 나타내었다. 최소 처짐은 1/4지점(0.25L)에서 발생하였으며 최대 처짐이 발생한 중심 지점(0.5L)에 비하여, 1/4지점(0.25L)은 중앙부 대비 약 60∼65%의 처짐이 발생하였고, 1/3지점(0.33L)은 중앙부 대비 약 80∼85%의 처짐이 발생하였다. 이러한 수치로 보았을 때, 실험체가 어느 한쪽으로 치우쳐지지 않고 수직 및 수평반력을 적절히 분배하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.

4.2 하중-변형률 이력

4.2.1 철근의 하중-변형률 이력

Fig. 9와 Table 5에 실험체 횡 방향 경간의 1/4지점(0.25L), 1/3지점(0.33L), 중심 지점(0.5L) 철근 변형률 곡선을 나타내었다. 각 지점별 변형률의 수치를 보았을 때, 중심 지점(0.5L)에서 최대 변형률이 측정되었다. 변위 수치와 유사하게 중심 지점(0.5L)에 비하여 1/4지점(0.25L)은 약 60∼65%, 1/3지점(0.33L)은 80∼85% 수준으로 나타났다. 이러한 결과를 통해 철근 또한 하중-변위와 비슷한 거동을 하는 것을 예측할 수 있었다.

사용된 철근의 항복강도가 400MPa이므로 약 0.002의 변형률 이상일 때 철근이 항복하는 것으로 예측된다. 하지만 본 실험에서는 약 0.0026의 변형률 이후부터 중심 지점 철근의 영구변형이 일어난 것으로 판단된다. 상기와 같은 결과는 설계에 비하여 높은 변형률에도 불구하고 철근뿐 아니라 아치형태의 콘크리트 구조물이 합성되어 항복점이 높아진 것으로 사료된다. 반면, 중심 지점(0.5L)을 제외한 1/4지점(0.25L), 1/3지점(0.33L)의 철근은 파괴하중단계에서 0.002의 변형률에 근접하였으나, 변형률의 급격한 증가는 관찰되지 않았다. 이는 파괴하중단계에서도 각 지점의 철근의 영구변형이 일어나지 않았다는 것을 확인할 수 있었다.

또한 중심 지점(0.5L)에서는 수직변위와 동일한 구간에서 기울기의 변화가 관찰되었지만, 1/4지점(0.25L), 1/3지점(0.33L)에서의 기울기 변화가 관찰되는 구간은 각각 약 20kN, 약 13kN부근으로 확인되었다. 이러한 결과는 아치형태로 제작된 실험체의 반력이 중심부에서 단부로 효과적으로 분배되고 있다는 판단이 된다.

전체적인 거동을 철근의 변형률로 보기위해 Fig. 9에 나타냈으며, Fig. 10에 그 응력을 나타내었다.

철근이 인장 변형률을 나타내는 것으로 보아 중립축 아래에 존재하여 인장철근의 역할을 하는 것으로 나타났다. 따라서 철근을 보강한다면 구조물 전체의 인장 저항력을 높이는 효과를 가져와 더욱 높은 하중에도 구조물의 저항성능을 높일 수 있다고 판단된다.

4.2.2 콘크리트의 하중-변형률 이력

실험체 횡 방향 경간의 1/4지점(0.25L), 1/3지점(0.33L), 중심 지점(0.5L) 콘크리트 변형률 곡선 및 데이터를 Fig. 11과 Table 6에 나타내었다. 콘크리트 변형률은 철근이나 수직 변위처럼 위치별로 약 60∼65%, 80∼85% 수준의 결과가 측정되지 않았다. 이러한 이유는 비교적 철근에 비해 균일하지 않은 콘크리트 재료의 특성으로 유추된다. 이에 대해 동일부분의 콘크리트 게이지 개수를 늘려 추후 보강연구가 필요할 것으로 사료된다.

콘크리트의 하중-변형률 그래프는 수직변위 및 철근과 동일하게 중심 지점에서 유사한 거동을 보였다. 하지만 1/4지점(0.25L)에서 기울기가 변하는 부분은 약 30kN으로 관찰되었다. 이와 같은 이유는 실험체의 아치형상이 콘크리트 변형에도 긍정적인 영향을 미치고 있는 것으로 판단된다.

수직 변위와 철근 및 콘크리트 중심지점의 전체적인 그래프의 개형과 기울기 변화구간이 유사한 것으로 나타나 측정에는 큰 오류가 없으며 세 가지 측정변수 모두 유사한 구조 거동을 한다는 것을 파악할 수 있었다.

또한 중앙부 상면에 부착한 콘크리트 게이지에서 측정된 값을 보면 최종 파괴단계인 약 60kN부근에서도 콘크리트 압축파괴 시의 변형률 0.003에 도달하지 않았으며, 압축파괴는 관찰되지 않았다. 이는 실험극한하중인 약 60kN부근에서도 압축연단에서는 구조적으로 저항성을 가질 수 있다는 것으로 판단된다.

4.2.3 균열 형상

모든 실험체는 휨 파괴에 의한 종방향 균열이 발생하였다. 앞의 실험방법에서 언급했던 것과 같이 실험체의 균열체크는 2kN 단위로 하였다. 10kN까지는 균열이 발견되지 않았으나, 12kN에서 초기균열이 발견되었다. 따라서 본 연구에서는 약 12kN 부근의 하중에서 초기균열이 발생하는 것으로 예상하였고, 이는 설계 균열하중인 11.71kN과 유사한 것으로 판단되었다. 초기균열이 발생한 이후, 12kN부터 30kN의 하중 재하 시 새로운 균열이 지속적으로 발생하였으나 30kN 이후부터는 새로운 균열보다는 기존의 균열폭이 커지는 양상을 보였다. 이러한 결과는 실험체의 하면 콘크리트 인장파괴 이후 콘크리트는 더 이상 저항을 하지 못하고 철근이 구조물의 인장응력을 부담하고 있는 현상이라고 판단된다.

전체적인 균열양상을 보면 중심부에서의 종방향 균열은 관찰되었으나, 횡방향 길이의 1/4지점 이후에서는 균열이 관찰되지 않았다. 이러한 결과로 보았을 때, 구조물의 아치형상이 단부로 이어지는 균열을 방지한 것으로 보인다. AD의 균열형상을 Fig. 12에 나타내었다.

5. 결    론

본 연구에서는 국내에서 개발 중인 철근콘크리트 아치 데크의 성능평가를 하고자 이에 대한 정적재하 실험을 진행하였다. 실험을 통하여 도출된 결론은 다음과 같다.

1)철근콘크리트 아치 데크의 정적재하 실험결과 최대하중은 약 64.48kN으로, 극한설계하중(37.12kN)에 비하여 약 1.74배의 구조성능을 보이는 것으로 나타났다. 이를 통하여, 실제 철근콘크리트 아치 데크의 설계 시에는 약 30% 정도의 안전율을 하향해 설계하여야 구조물의 과다설계를 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

2)수직변위와 철근, 콘크리트 변형률 모두 실험체의 항복구간에 해당하는 약 60kN 부근을 제외하고, 초기 약 10kN에서 기울기의 변화가 관찰되었다. 이는 철근콘크리트 아치 데크뿐만 아니라 함께 연결된 철근콘크리트 반력대의 정착과정에서 나타난 현상으로, 추후 연구에서는 철근콘크리트 반력대를 제외하고 실험을 진행하여야, 아치 데크의 정밀한 구조거동을 확인할 수 있을 것이라고 판단된다.

3)실험에서의 균열은 약 12kN에서 나타났으며, 설계균열하중인 11.71kN과 유사하게 측정되었다. 반면 횡방향 길이의 1/4지점 이후에는 균열의 진전이 이뤄지지 않은 것으로 보아, 아치형상의 실험체가 수직 및 수평반력을 효과적으로 분산시키는 것으로 판단된다.

철근콘크리트 아치 데크의 정적재하 실험에서 극한하중은 설계하중에 비해 높은 하중을 견디는 것으로 관찰되었다. 따라서 향후 철근콘크리트 아치 데크와 현장타설 콘크리트와 합성 후 펀칭전단, 정적재하 실험 등 추가적인 연구를 통하여 장지간 바닥판으로써의 향후 활용 및 적용이 가능할 것으로 판단된다.