2.1. 연속화 공법

단순보 형식의 1경간 구조시스템은 정모멘트가 크고 처짐 량이 크므로 이를 극복하기 위해서 형고가 커져야 하는 단점 이 있다. 연속보 구조시스템은 단순보 시스템에 비하여 지간 중앙 정모멘트 및 처짐량이 감소되며, 따라서 단순보 교량에 비하여 형고를 감소시킬 수 있고 처짐 및 진동에 유리한 장 점을 가질 수 있다.

구체적인 연속화 방법과 관련해서는 여러 가지 연구가 다 양하게 수행되어 왔으며 주로 Fig. 1과 같이 프리스트레싱 방법으로 단순보를 연속화 하는 공법을 사용하고 있다. 또한, 그 효율을 높이기 위하여 다단계 긴장방법을 주로 채택하고 있다 (^{Chung and Hyun, 2007}; ^{Kim et al., 2004}; ^{Han et al., 2000}; ^{Han, 2010}).

Fig 1.

Causes of prestressing loss at continuous Joint

2.2. 연속지점부 긴장력 손실의 원인

본 연구에서는 PSC 거더의 연속화 공법에서 발생하는 긴 장력 손실의 원인을 Fig. 1과 같이 두 가지로 분석하였다.

첫 번째 요인은 곡률반경이다. 곡률반경이 있으면 두 개의 직선 형태인 거더가 만나는 위치인 연속지점부에서 꺾임이 발생하게 되어있다. 이렇게 꺾임각이 발생하면 긴장재의 절 곡이 발생하고 이에따라 쉬스와의 국부적인 마찰에 의하여 긴장력의 손실이 발생할 수 있다.

두 번째 요인은 시공오차가 있다. PSC 거더가 현장에서 직접 고공 타설된다면, 시공오차가 최소화 될 수 있지만, 대 부분의 연속화되는 PSC 거더는 야적장에서 만들어진 이후 에 크레인으로 가설되는 방법으로 시공된다. PSC거더를 크 레인으로 정확하게 원하는 위치에 가설하는 것은 어려운 작 업이며, 실제로 시방서에서는 PSC 거더의 시공오차를 어느 정도 허용해 주고 있다. Table 1에 각종 시방서에서 규정하 고 있는 허용 오차에 대해 나타내었으며, 단순히 모든 경우 를 고려하면 약 ±16 mm의 오차를 허용하고 있는 것으로 나 타났다.

따라서, 본 연구에서는 실험을 통해서 위에서 기술한 두가 지 원인에 의한 긴장력 손실량을 직접 측정하여 규명하고자 하였다.

2.3. 연속지점부 긴장력 손실의 저감 방안

연속화부에서 긴장재의 절곡에 의한 손실이 발생한다고 가정하면 이를 최소화 시킬 수 있는 방법으로 Fig. 2와 같이 연속화되는 부분을 블록아웃 (Block-out)하는 방법을 사용할 수 있다. 본 연구에서는 연속화 지점부를 블록아웃하여 동일 한 조건에서 절곡각을 감소시키는 방법의 유효성을 실험을 통하여 검증하였다.

Fig 2.

Method of reducing prestress loss at continuous joint

3.1. 실험의 개요

PSC 거더의 연속 지점부 긴장력 손실 평가를 위하여 연속 지점부의 거동을 대표할 수 있는 부재를 제작하여 연속지점 부의 시공 조건에 따른 긴장력 손실을 직접 측정하였다. 연 속지점부의 긴장력 손실은 긴장재가 절곡되어 쉬스와 마찰 이 생기는 국부적인 부분에서 발생하기 때문에 이를 고려하 여 거더의 일부를 단순화하여 폭 600 mm, 높이 500 mm의 실험체를 제작하였다.

Fig. 3은 실험에 사용된 기준 시험체의 모습을 나타낸다. 실제 축적의 그림에서는 실험 변수간 모양 차이가 거의 나타 나지 않기 때문에 이를 과장하여 표시하였다. 시험체는 연속 지점부에 위치한 거더의 양 끝단과 2차 타설되는 부분을 구 분하여 제작하였으며, 실험변수에 따라 긴장재의 배치와 2차 타설부의 모양을 변화시켜 시험체를 제작하였다. 쉬스의 중 심 위치를 도면에 표시된 긴장재의 위치에 설치하였고, 꺽인 부위를 제외하면 기본적으로 직선으로 배치되었다. 긴장재는 쉬스 내부에 설치하는 방법으로 시험체를 제작하였다.

Fig 3.

Outline of the test specimens (not to scale)

본 실험에서는 시공오차와 곡률반경을 실험변수로 채택하 였으며, 각 실험변수의 값들은 Table 2에 나타내었다. 시공 오차가 0 mm인 경우와 무한대 곡률반경인 경우는 동일한 변수로 간주하였다. 시공조건에 따른 시험체의 상세 제원은 Fig. 3에 나타내었다.

3.2. 실험체 제작 및 계측

시험체는 경상남도 소재의 야외 공터에서 제작되었다. 우 선 거푸집과 철근조립이 완료된 이후에 콘크리트를 타설하 였다. Fig. 4에 일반거더 시험체와 블록아웃 시험체의 자세 한 제작 공정을 나타내었다.

Fig 4.

Procedures for specimen preparation

시험체의 제작은 양쪽 보에 해당하는 1차 타설부와 연속부 에 해당하는 2차 타설부로 나누어 수행되었다. 먼저 전체 시 험체에 대한 철근과 쉬스조립을 완료하였으며, 1차 타설부에 콘크리트를 타설하고 양생하였고, 이후에 2차 타설을 수행하 였다. 타설에 사용된 콘크리트는 인근 레미콘 공장에서 배합 된 것으로 굵은골재 최대치수 25 mm, 슬럼프 150 mm, 설 계기준강도 40 MPa이다. 철근은 SD 400 규격을 사용하였 다. 강연선은 직경 15.2 mm의 KSD 7002 SWPC 7B 규격 제품이 사용되었다.

긴장재 (강연선)의 긴장력 분포와 연속화부의 긴장력 손실 을 측정하기 위하여 Fig. 5와 같이 양쪽 정착부인 인장단과 고정단에 로드셀을 설치하였다. 시공오차가 변수인 시험체는 긴장재와 로드셀이 직각을 이루는 반면, 곡률이 있는 시험체 의 경우 직각은 아니지만 그 차이가 1도 미만이어서 기울기 에 따른 로드셀의 측정 편차는 무시하였다. 인장단은 긴장이 이루어지는 정착구쪽 (live anchor)를 지칭하는 것이고, 고정 단은 반대편 정착구쪽 (dead anchor)를 지칭하는 것이다. 로 드셀은 최대용량 2000 kN의 제품을 공인 검정된 재료시험 기에서 교정한 후에 사용하였다. 측정은 National Instrument 사의 DAQ 시스템을 사용하였으며, 실험의 수행과 함께 실 시간으로 측정값을 기록하였다.

Fig 5.

Schematic diagram of measuring devices

3.3. 실험 방법

현장에서 직접 PSC거더를 시공하는 것과 동일한 절차에 따라 시험체를 긴장하였고, 부재 양단의 하중을 계측 하였다. 최대 긴장응력은 도로교 설계기준과 ACI 설계기준에 제시되 어 있는 0.82f_py와 0.74f_pu 중 작은 값을 기준값으로 하였다 (^{MOLIT, 2010}; ^{Nawy, 2004}). 단동식 인장기를 사용하여 7 개의 강연선을 동시에 긴장하였으며, 유압펌프의 압력계를 기준으로 기준값을 약간 초과할 때까지 긴장하였으며, 한쪽 단에서만 긴장하였다.

신장량은 긴장 초기에는 측정하지 않고 유압 펌프의 압력 이 100 kg/cm²인 때부터 측정하기 시작하였다.

3.4. 실험 결과

시험체에 대하여 긴장 시험을 수행하면서 고정단하중과 인장단하중, 그리고 인장기 변위를 측정하였다. 각 시험체 마다 3회의 실험을 수행하였고, 특징적인 결과 그래프를 Fig. 6에 나타내었다. 결과는 긴장기에서 측정된 신장량을 기준으 로 긴장력 손실량을 분석하였다.

Fig 6.

Typical test results with respect to the test variables

실험결과에 따르면 전체적으로 신장량이 증가할수록 긴장 력 손실은 증가하였으나, 일부의 경우 긴장력 손실이 거의 일정한 경우도 있었으며 이에 대한 원인 및 메카니즘을 추가 연구를 통해서 규명해야 할 것이다.

블록아웃을 적용한 B-series 실험체들의 손실량은 일반 형 태인 N-series 실험체들 보다 작은 것으로 측정되었다. 따라 서 연속화부를 블록아웃함으로써 긴장재의 절곡각을 감소시 킬 수 있었으며, 이는 긴장력 손실을 감소시키는 효과를 발 생시켰다. 또한 이 방법은 전 신장량 구간에 있어서 긴장력 손실량을 감소시키는 것으로 나타났다.

각 시험체에 가해진 최종 긴장력이 동일하지 않기 때문에, 실험변수간의 정확한 상호 비교를 위하여 인장단에 가해진 긴장력이 1274 kN인 시점을 기준으로 손실률 (손실률=1-고 정단하중/인장단하중)을 계산하여 Table 3 및 Fig. 7에 나타 내었다.

Fig 7.

Prestress losses at the reference load (1274 kN)

긴장재 (강연선)이 일직선으로 배치된 기준시험체는 긴장 력 손실률이 1.2%로 나타났다. 이론적으로는 0%가 측정되 어야 하지만, 실험체의 제작오차, 두 로드셀의 계측 오차 등 의 요인에 의하여 강재가 직선으로 배치된 경우에도 약간의 손실이 발생한 것으로 측정되었다.

실험체는 공사 중에 발생하는 시공오차를 가정하여 제작 하였고, 이를 사용하여 실험을 수행한 결과 연속화부에서 긴 장재의 절곡에 의하여 긴장력의 손실이 발생한 것을 알 수 있었다. 기준하중에 대한 손실률을 비교할 경우, 시공 오차 10 mm와 20 mm에 따른 일반 거더의 긴장력 손실률은 6.74% 와 8.59% 이었다. 반면 블록아웃을 도입한 경우 손실률이 각 각 4.68%와 7.10%로 각각 2.05%와 1.50% 낮아지는 경향을 보였다.

곡률반경이 있는 경우를 고려한 일반 거더 시험체의 경우 역시 연속화부 긴장재의 절곡에 의하여 기준하중에 대한 긴 장력 손실이 6.5~8.6% 발생하였다. 이 경우도 블록아웃을 도입할 경우 손실률이 1.2~7.1%로 각각 5.27%와 2.11% 낮 아지는 경향을 보였다.

한편 손실량은 긴장력이 변하는 매시점마다 달라지기 때 문에 신장량이 측정되는 시점 (신장량=0)부터 기준하중 (긴 장력=1274 kN)까지의 구간에 대한 평균 긴장력 손실률을 계산하였다. 평균손실률은 그래프의 면적을 계산하는 방법으 로 계산하였으며 그 값을 Table 3에 나타내었다. 전체적으로 기준하중에 대한 손실률보다는 값이 커지는 경향이 있지만, 시험결과에 대한 경향은 유사한 것으로 나타났다.