3.1 실험 개요

단부벽체 성능평가실험은 프리캐스트 블록과 무수축 콘크리트로 형성되는 단부벽체가 뒷채움재에 의한 배면토압과 교량의 온도하중에 의한 신축변위에 대한 안전성을 평가하기 위하여 수행하였다. 실험대상 교량의 거더간 간격은 2.8 m, 단부벽체의 두께는 0.9 m이며, 상재하중은 10 kN/$m^2$, 뒷채움재의 단위중량은 20 kN/$m^3$로 가정하였다. 또한, 거더 위치를 단순지지로 가정하였으며, 보수적인 평가를 위해 거더 간의 단부벽체를 단순보로 가정하였다. 실험체의 설계 상세 및 하중조건은 Fig. 4와 Table 3에 나타내었다.

Fig. 4에 나타낸 단부벽체는 프리캐스트 블록과 무수축 콘크리트의 이음에 대한 영향은 고려하지 않았으며, 검토 결과 계수하중에 대한 단부벽체의 전단력은 87.8 kN, 휨모멘트는 61.5 kN·m로 나타났다. 설계 검토 결과는 Table 4에 나타내었다.

실험체는 길이 3.5 m, 폭 1.1 m, 높이 0.9 m로 제작하였으며, 실제 현장에서의 공정을 적절하게 반영하기 위하여 프리캐스트 블록을 먼저 제작하고, 프리캐스트 블록 사이에 전단철근을 배근한 후, 무수축 콘크리트를 타설하여 제작하였다. 실험체 제작 공정은 Fig. 5에 나타내었다.

실험체는 실험체 설계과정을 반영하여 지점 2.8 m 간격으로 설치하였다. 하중은 5 MN 용량의 Dynamic UTM을 사용하여 3점 재하 방식으로 재하하였으며, 2.0 mm/min의 속도로 변위제어방식으로 재하하였다. 또한, Dynamic UTM과 실험체 사이에 강재 프레임을 설치하여 실험체의 폭방향으로 균등한 하중이 재하되도록 조치하였다. 실험체의 설치방법은 Fig. 6에 나타내었다.

계측기는 실험체의 처짐을 측정하기 위하여 중앙부 2개, 프리캐스트 블록의 중앙부에 각 2개씩 총 6개의 변위계를 실험체 하부에 설치하였으며, 강재게이지 6개를 철근에 부착하고, 콘크리트게이지를 실험체 상부에 2개, 하부에 4개씩 총 6개를 부착하였다. 계측기의 설치 위치 및 설명은 Fig. 7과 Table 5에 각각 나타내었다.

Fig. 4. Dimensions and Londing Conditions of End Diaphragm Experiment

Fig. 5. Manufacturing the Specimen

3.2 실험 결과

실험결과 실험체의 하중-변위 관계는 선형으로 증가하였으며, 약 480 kN에서 프리캐스트 블록과 무수축 콘크리트의 계면에서 균열이 발생하였다. 또한, 약 620 kN에 도달한 이후 하중이 더 이상 증가하지 않았다. 실험체의 균열 및 하중-변위 관계, 하중-변형률 관계는 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8(d)에서 콘크리트는 약 480 kN에서 상부 표면에서 균열이 발생한 것으로 나타났으며, 철근은 약 500 kN에서 압축철근이 항복하는 것으로 나타났다. 이와 같은 현상은 하중 재하위치에 의한 것으로 판단되며, 실제 콘크리트 균열 및 철근의 항복은 프리캐스트 블록과 무수축 콘크리트의 계면 상부 인근에서 발생했을 것으로 판단되며, 실험체의 형상 및 균열 거동을 고려할 때 전단파괴가 발생한 것으로 판단된다.

실험체의 균열하중 480 kN은 실험체 설계로부터 구한 계수전단력 87.8 kN에 비해 약 5.47배 크게 나타났다. 또한, 실험체 설계는 상재하중 및 배면토압에 대한 삼각형 형태의 분포하중을 설계하중으로 설정하였으나, 실험체는 중앙부에 집중하중으로 재하하였기 때문에 실제 단부벽체는 실험결과보다 더 큰 안전성을 나타낼 것으로 판단된다. 따라서, 프리캐스트 벽체 PSC 거더의 단부벽체는 일반적인 설계조건에서 충분한 안전성을 확보한 것으로 판단된다. 실험체 설계와 실험결과의 비교는 Table 6에 나타내었다.

Fig. 6. Experimental Set-up

Fig. 7. Instruments for End Diaphragm Experiment

4.1 계측 개요

일반적으로 반일체식교대교량은 무다짐 뒷채움을 적용하고, 도로부에 신축조절장치(Cyclic Control Joint, CCJ)를 설치하여 온도에 의한 상부구조의 신축변위에 유연하게 대처할 수 있는 것으로 알려져 있다(^{Park et al., 2014}). 이 연구에서는 프리캐스트 블록 PSC 거더를 적용한 반일체식교대교량의 온도 신축변위에 의한 영향을 검토하기 위하여 기시공된 교량을 대상으로 현장계측을 수행하였다.

대상교량은 2경간 연속교로서, 사각 12°, 총 연장 70.00 m, 교폭 13.90 m이고, 1등교로 설계되었다. 또한, 대상 교량은 2014년 7월에 완공되었으며, 현장계측 기간은 시공 중과 시공 후를 포함한 2014년 5월~10월이다.

단부벽체에 작용하는 토압 측정을 위하여 프리캐스트 블록에 총 2개의 토압계를 설치하였으며, 상부 토압계는 프리캐스트 블록의 상연에서 640 mm, 하부 토압계는 하연에서 200 mm 이격하여 설치하였다. 또한, 상부구조와 단부벽체의 기온변화에 따른 변위는 기존 연구문헌(^{Cheung et al., 2008})을 참고하여 화상변위 자동측정 시스템을 설치하여 측정하였다. 각 측정장치의 특성은 Table 7에 나타내었다.

Fig. 8. End Diaphragm Experiment Results

4.2 계측 결과

계측 결과는 시공 중 계측한 1구간(5월~7월)과 시공 후 계측한 2구간(8월~10월)으로 구분하였으며, 1구간에서는 상단토압이 크고, 시간경과에 따른 토압변화 또한 비교적 크게 나타났다. 그러나 2구간에서는 뒷채움토의 재배열과 다짐효과 등으로 인해 하단토압이 크게 나타났으며, 시간경과에 따른 토압변화가 비교적 작게 나타났다. 또한, 1구간에서는 온도변화와 토압의 관계가 불분명하였으나, 2구간에서는 월간온도가 약 14 °C 감소하는 동안 토압의 크기는 약 8 kN/$m^2$ 감소하는 것으로 나타났다. 단부벽체의 토압변화 계측 결과는 Fig. 9에 나타내었다.

일체식교대교량 설계지침(^{Korea Expressway Corporation Research Institute, 2018})에서는 단부벽체의 설계토압은 토압의 약 50 %를 적용하도록 규정하고 있으며, 계측된 최대토압은 상단토압 약 7 kN/$m^2$, 하단토압 약 15 kN/$m^2$으로 이론적 토압(^{Das, 2002})과 비교할 때 각각 약 14.9 %, 11.0 %에 해당하기 때문에, 설계토압 적용시 약 6.71배 이상의 안전성을 확보한 것으로 나타났다. 토압계측 결과는 Table 8에 나타내었으며, 프리캐스트 블록 높이에 따른 토압변화는 Fig. 10에 나타내었다.

온도변화에 따른 상부구조의 변위 계측 결과, 2구간에서는 월간온도가 약 14 °C 감소하는 동안 1.1~1.2 mm의 수축변위를 나타내었으며, 설계에 적용한 수축량인 6.53 mm에 비해 약 5.44배 작은 것으로 나타났다. 또한, 변위는 교량의 사각에 대한 영향이 없고, 교축방향으로의 수축변위만이 발생하였으며, 교축방향 중립축과 교량 사각의 변형 차이에 의한 면내 회전변위가 발생하지 않는 것으로 나타났다. 변위계측 결과는 Table 9, Fig. 11에 각각 나타내었다.

Fig. 9. Soil Pressure Measurement Results

Fig. 10. Relationship between Abutment Depth and Soil Pressure Variation

Fig. 11. Displacement Measurement Results