1. 서 론

모든 콘크리트 구조물은 타설 후 온도변화와 건조수축 등에 의해 끊임없이 수축 ‧ 팽창하므로 온도팽창에 의한 손상을 막기 위해 팽창줄눈이 사용되어 왔다. 콘크리트 포장 등을 포함한 콘크리트 구조물의 과도한 팽창은 콘크리트의 박리, 박락을 가져오며 그로 인해 구조물의 구조적 성능과 내구성 저하뿐만 아니라 미관을 해칠 수 있다. 따라서 콘크리트 구조물 기능의 연속성을 방해하지 않으면서 부재의 상대적인 움직임을 가능하게 해주기 위해서는 적절한 팽창줄눈 간격 및 폭원의 설계가 필요하다(Byun et al. 1990; Lee et al. 2011⁽¹⁾). 최근의 고속도로 사건사고에서 나타난 콘크리트 포장의 솟음이나 교량의 신축이음 흡착과 이후의 솟음은 모두 콘크리트 구조물의 팽창과 연관되어 있는 것으로 추정되어 팽창줄눈의 간격과 폭 설정의 중요성을 다시 한 번 일깨워 주고 있다. 따라서, 본 연구에서는 단순 1방향 팽창 거동하는 콘크리트 중앙분리대를 기준으로 팽창줄눈의 시방을 개발하고자 하였다.

현재 콘크리트 중앙분리대 팽창줄눈 간격은 명확한 설계 및 시공기준 없이 임의로 과거 도로구조물 표준도에 규정된 30 m 간격을 적용하거나 또는 시공주체의 판단에 의해 150 ~ 350 m의 1일 기계타설 길이로 설치되고 있다(KEC 2017⁽⁴⁾). 현재 1일 기계타설 길이로 설치되고 있는 중앙분리대의 경우는 경제성, 시공성, 편의성만을 고려하여 임의 간격으로 팽창줄눈이 설치되고 있다. 이는 하절기 온도팽창에 의해 콘크리트 터짐(blow-up)으로 인한 균열 발생을 야기할 우려가 있다. 결국 콘크리트 중앙분리대 구조성능 및 내구성 저하가 발생하고 그로 인한 도로 이용자의 안전성을 낮추는 결과를 초래 할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 도로 이용자의 안전을 높이기 위해 국내외 중앙분리대 팽창줄눈 기준 검토, 국내 고속도로 팽창줄눈 현장조사 및 팽창 메커니즘 분석을 통해 적정 팽창줄눈 간격 및 폭원을 제안하고자 한다.

2. 콘크리트 중앙분리대 팽창줄눈 기준

콘크리트 중앙분리대는 4차로 이상인 고속국도 및 자동차 전용도로 구간에 설치가 되고 있으며 중앙분리대의 일반적인 기능은 차량의 차로 밖 이탈을 목적으로 한다(MOLIT 2014⁽⁷⁾). 따라서 충돌 시 구조물의 변형에 의한 충격흡수 보다는 차량의 복귀를 주목적으로 변형을 거의 허용하지 않는 강성방호벽인 콘크리트 방호울타리를 중앙분리대용으로 주로 설치한다.

3. 국내 고속도로 팽창줄눈 현장조사

4. 콘크리트 중앙분리대 거동 분석

현장조사 결과를 이해하기 위해 중앙분리대의 온도신축 메커니즘을 파악할 필요가 있다. 일반적으로 콘크리트 중앙분리대 구조체(= 콘크리트 중앙분리대 + 기초콘크리트)에는 온도하중에 의한 팽창력($P_{e}$)과 노반과 기초 사이의 마찰력($P_{f}$)이 작용한다(Kim 2007⁽²⁾). 중앙분리대의 팽창력은 온도 및 습도의 영향으로 체적이 변하고 이는 중앙분리대의 종방향 길이변화를 가져오는 팽창력으로 나타난다. 하지만, 기초콘크리트와 노반 사이에는 전단마찰과 골재 맞물림 등으로 인해 마찰저항이 발생하게 된다. 이때 중앙분리대의 팽창력이 마찰력보다 클 경우(팽창구간 내) 중앙분리대의 팽창력에 의해 종방향 팽창이 발생하고(Fig. 7(a)), 마찰력이 팽창력보다 클 경우(비팽창구간 내)에는 중앙분리대의 종방향 변위는 구속되어 움직이지 않는다(Fig. 7(b)). 따라서 주로 중앙분리대 구조체의 양쪽 끝단에서 팽창이 발생하며, 끝단으로부터 일정 길이에 도달하면 마찰력이 더 우세한 구역에 속하게 된다. 하지만 전체 중앙분리대의 길이가 임계길이보다 짧을 경우에는 Fig. 8과 같이 전체구간에서 팽창이 나타날 수 있다. 팽창구간을 나타내기 위해 임계길이(Critical Length, $L_{c}$), 즉, 팽창력과 마찰력이 일치하는 지점을 산정하면 중앙분리대의 팽창량을 산정할 수 있다. Fig. 7에서 $P_{e}$는 팽창력, $P_{f L}$는 좌측 중앙분리대 마찰력, $P_{f R}$는 우측 중앙분리대 마찰력이다.

중앙분리대 구조체의 온도변형을 엄밀하게 평가하기 위해서는 구조체의 상 ‧ 하면 온도에 대한 실측자료를 바탕으로 하여야 한다. 구조체의 상 ‧ 하면 온도 차는 대기온도, 일조량, 습도 등에 의해 영향을 받으나 본 검토에서는 대기온도가 구조체 전체에 균일하게 온도가 분포되어 있는 것으로 가정하였다. Fig. 7(a)와 같이 팽창력($P_{e}$)은 다음과 같다.

여기서, $A_{c}$= 콘크리트 중앙분리대 구조체 단면적, $E_{c}$= 콘크리트의 탄성계수, $\alpha_{t}$= 콘크리트의 선팽창계수, $\Delta T$ = 온도변화이다. 식(1)이 나타내듯이 중앙분리대 구조체의 팽창력은 중앙분리대의 길이와 상관없이 전 구간에 걸쳐 일정한 값을 나타낸다. 반면에, 하부에 작용하는 중앙분리대의 마찰력($P_{f}$)은 중앙분리대의 길이에 관한 함수로 식(2)와 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $\mu$= 노반과 기초콘크리트 사이의 마찰계수, $\gamma_{c}$= 콘크리트의 단위중량, $X$= 중앙분리대의 길이를 나타낸다. 따라서, 식(1)과 (2)를 이용하여 팽창력($P_{e}$)과 마찰력($P_{f}$)이 평형상태를 이룰 때의 중앙분리대의 길이, 즉 임계길이($L_{c}$)를 산정할 수 있다.

일반적으로, 중앙분리대 구조체의 상‧하면 온도차는 대기온도, 일조량, 습도 등에 의해 크게 영향을 받으나 본 연구에서는 대기온도만을 고려하여 구조체 전체에 균일하게 온도가 분포되어 있는 것으로 가정하였다. 기초콘크리트와 일체화된 중앙분리대 구조체의 경우 타설된 후 발생되는 건조수축 및 공용 중 온도변화로 인한 구조체 내의 변형은 기초콘크리트와 노반과의 마찰력에 의해 구속된다. 이때 중앙분리대 구조체에 작용하는 힘은 다음 식과 같이 나타낼 수 있으며 사용된 계수는 교량설계에서 적용되는 콘크리트 기준을 적용하였다(MOLIT 2016⁽⁹⁾, MOLIT 2010⁽⁶⁾).

팽창력(온도팽창률+건조수축률):

마찰력(기초콘크리트와 노반):

여기서,

$\epsilon_{t}=\alpha_{t}*\delta_{t}$

$\epsilon_{t}$ : 온도에 의한 콘크리트 변형률(300×10-6)

$\alpha_{t}$ : 선팽창계수 10×10-6/ °C로 가정, 2016 도로교설계기준-한계상태설계법 5.5.1.3(4) (MOLIT 2016⁽⁹⁾)

$\Delta t$ : 30 °C (최고온도 35 °C, 시공온도 5 °C로 가정), 2010 도로교설계기준 3.14.1.1(MOLIT 2016⁽⁹⁾)

$\epsilon_{sh}$ : 건조수축에 의한 콘크리트 변형률(200×10-6) (철근량 0.5\%미만으로 가정, 도․설(2010) 2.1.7(5)) (MOLIT 2010⁽⁶⁾)

$E_{c}$ : 콘크리트 탄성계수

$A_{c}$ : 콘크리트 중앙분리대 구조체 단면적 (중앙분리대 + 기초콘크리트) 단면적

$\mu$ : 마찰계수 (0.55로 가정, 콘크리트와 실트가 섞이지 않은 모래나 자갈)

N : 중앙분리대와 기초콘크리트 무게에 의한 기초콘크리트와 노반 사이에 작용하는 수직력

$\gamma_{c}$ : 콘크리트의 단위중량

X : 중앙분리대의 길

팽창줄눈 임계길이를 산정하기 위해 구조체의 팽창력과 구조체에 작용하는 마찰 저항력은 같으므로 정리하면 임계길이는 다음과 같다.

식(3) = 식(4)

임계길이($L_{c}$):

식(6)을 사용하여 산정한 예상되는 임계길이($L_{c}$)는 다음과 같다.

식(7)에서 산정된 임계길이($L_{c}$) 210 m는 도로교설계기준-한계상태설계법(MOLIT 2016⁽⁹⁾)에서 규정한 최저시공온도(5 °C)와 최고온도(35 °C)를 고려한 수치이다. 주어진 온도변화 조건에서 산정된 210 m 임계길이내에서는 팽창력이 마찰력보다 커 온도에 의한 콘크리트 중앙분리대 길이변화가 발생하며 임계길이를 초과하는 길이에서는 온도에 의한 콘크리트 중앙분리대 길이 변화는 발생하지 않는다. 다만, 규정을 초과하는 이상온도에서의 임계길이는 210 m를 초과할 수 있으며 식(3)과 (4)를 이용하여 재산정 할 수 있다.

그리고 만약 Fig. 8과 같이 중앙분리대의 길이가 충분히 길이 않은 경우 즉, 중앙분리대의 한쪽 길이($L'$)가 임계길이($L_{c}$)보다 짧은 경우에는 전체 중앙분리대의 중심을 기준으로 양쪽으로 중앙분리대의 한 쪽 길이($L'$)만큼씩 팽창하게 될 것이다.

현장 조사와 콘크리트 중앙분리대 거동분석 결과를 바탕으로 하절기 온도 상승으로 발생 가능한 콘크리트 중앙분리대의 최대 팽창 길이는 21 mm로 예상된다. 현재 시방서에 규정된 팽창줄눈 간격이 20 mm 점을 고려한다면 초과에 따른 대책이 필요 할 것으로 판단된다.

5. 팽창줄눈 설치방안 제안

현장 조사 및 콘크리트 거동분석 결과에 따르면 온도 상승에 따른 콘크리트 중앙분리대 최대 팽창길이는 현재의 팽창줄눈 폭(20 mm)를 초과하므로 이에 대한 대책이 필요하다. 따라서 콘크리트 포장 팽창줄눈 폭원과의 일관성 유지를 고려하여 팽창줄눈 폭원을 30 mm로 확대하여 주변 구조물에 영향을 주지 않도록 하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 또한, 구조물 접속부의 경우는 기초콘크리트와 중앙분리대 팽창줄눈을 동일한 위치에 시공하여 중앙분리대 구조체(= 중앙분리대 + 기초콘크리트) 전체 팽창을 팽창줄눈재가 균일하게 수용케 하는 것이 적절해 보인다. 따라서 팽창줄눈 시공방법은 다음과 같이 요약할 수 있다.

1) 콘크리트 중앙분리대 팽창줄눈은 구조물 접속부에 설치하여야 한다.

2) 중앙분리대와 기초콘크리트의 팽창줄눈은 동일한 위치에 설치하여야 한다.

3) 팽창줄눈은 기성 팽창줄눈재를 사용하여야 하며, 그 폭원은 30 mm로 한다.

4) 콘크리트 중앙분리대의 시공온도(시공시작 시점의 온도)는 10 °C 이상이어야 하며, 5 °C 이하 시공은 동절기 시공억제 차원에서 금지하며 6~9 °C 경우에도 극히 예외적인 경우에 한해서 품질관리 책임자의 허가를 득한 후에 시공할 수 있다.

6. 결 론

본 논문은 콘크리트 중앙분리대 팽창줄눈 간격 및 폭을 제안하였다. 이를 위해 국내외 관련 규정 및 현장조사 그리고 콘크리트 중앙분리대의 온도 팽창에 따른 거동 메커니즘을 분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 조사된 미국과 호주의 팽창줄눈 간격 규정은 6~200 m 까지 상당한 편차와 다양한 간격을 보였으나, 구조물 접속부에 두는 방식과 포장 팽창줄눈(또는 포장줄눈)과 일치시키는 방식이 많은 주에서 사용되고 있었다. 특히 뉴욕주의 경우는 현장 타설 콘크리트 중앙분리대의 경우 6 m마다 팽창줄눈을 설치하였지만, 기계타설 콘크리트 중앙분리대의 경우 구조물 접속부를 제외하고는 팽창줄눈을 설치하지 않았다.

2) 총 4개 노선(경부 고속도로, 영덕당진 고속도로, 대전당진 고속도로, 평택제천 고속도로)의 팽창줄눈 간격 및 폭 측정을 위한 현장 조사를 하였고, 전체 상세 조사 대상 중 64%의 중앙분리대 간격이 1일 기계타설 길이(150~350 m)에 분포하고 있었다. 온도변화에 따른 중앙분리대 길이 변화를 확인하기 위해 하절기와 동절기로 나눠 팽창줄눈 폭과 개구부의 폭을 측정하였으나 온도변화에 따른 중앙분리대 길이변화는 미미한 것으로 나타났다.

3) 기초콘크리트와 노반과의 마찰력으로 인해 중앙분리대의 길이변화가 제한되는 길이인 임계길이($L_{c}$)를 사용하여 적정한 팽창줄눈 간격 산정을 위해 중앙분리대 구조체에 발생하는 팽창력과 마찰력을 산정하여 임계길이 210 m을 산정하고 팽창줄눈 폭 30 mm를 제안하였다.

4) 콘크리트 팽창줄눈 설치 위치 및 시공방법 그리고 제한사항을 제안하였다. 팽창줄눈은 기성 팽창줄눈재를 사용하여 구조물 접속부 및 기초콘크리트 팽창줄눈과 동일한 위치에 설치하며 그 폭원은 콘크리트 포장의 팽창줄눈 폭원과 동일한 30 mm로 제안하였다.