2.1. 개요

프리캐스트 교량 바닥판은 공기단축과 콘크리트 품질확보 라는 장점 때문에 점차 시공이 확대되고 있지만, 이음부의 균열, 누수 등 사용성 문제로 프리캐스트 바닥판의 휨성능과 균열제어 성능을 개선하려는 연구가 지속적으로 수행되어 다양한 바닥판 이음부 연결기술이 제안되었으며, 도심지의 공기단축과 급속시공 및 부분교체에 대한 수요가 증가함에 따라 프리캐스트 구조물 관련기술에 대한 연구도 지속적으 로 증가하고 있다 (^{DAEWOO, 2000}). 기존의 프리캐스트 바 닥판 이음부 연결기술은 다음과 같다.

2.2. 내부긴장 이음

내부긴장 이음은 콘크리트 바닥판 내부에 긴장재를 삽입 하여 바닥판끼리 연결한 후 텐던의 긴장 및 정착을 통해 압 축력을 도입하여 바닥판 간 이음부의 연속화를 확보하는 방 법이다 (^{Shim et al., 2001}). 내부긴장 공법은 가장 일반적인 바닥판 연결방법으로서 프리캐스트 바닥판을 사용하는 대부 분의 신설교량 및 바닥판 교체 시공에 사용되고 있다. 현재 사용되고 있거나 개발된 이음 방법 중 이음부의 구조성능 및 내구성이 가장 뛰어나므로 가장 널리 사용되고 있으나, 내부 긴장 공법의 가장 큰 단점은 경제성 확보가 어렵다는 것이 다. 긴장재와 정착구 등 텐던 관련 공정의 추가로 공사비 증 가의 주된 원인이 되며, 바닥판 총 공사비의 50%에 이르기 도 한다. 신설시공 시에는 거더의 단면을 축소하여 전체 교 량 공사비를 감소시킬 수 있으나, 바닥판 부분교체 공사의 경우 다른 바닥판 연결 방법에 비해 공사비가 훨씬 높기 때 문에 내부긴장공법을 적용할 경우 경제성을 확보하기 어려 운 면이 있다.

2.3. 철근이음

철근이음은 직선 또는 일정한 형상을 가진 철근을 겹치게 배치한 후 현장에서 이음부에 콘크리트를 타설하여 바닥판 간 연결성을 확보하는 방법이다. 철근이음에는 일반적인 겹 이음이나 루프철근 이음, 헤드철근 이음 등 철근 형상에 따 라 다양한 이음방식이 있다.

일반적인 겹이음은 주철근으로 사용되는 일반적인 직선철 근을 길게 연장하여 일정길이 이상 겹친후 콘크리트를 타설 하여 연결성을 확보하는 이음이다. 루프철근 이음은 일반적 인 겹이음 방식과 동일하나, 겹이음에 사용되는 철근을 후크 형태로 가공하여 철근이음 길이를 일반 겹이음보다 단축할 수 있다. 헤드철근 이음은 철근단부에 원형이나 사각형의 헤 드를 부착하여 지압력을 통해 소요내력을 확보하여 철근이 음 길이를 축소할 수 있다.

2.4. 기존 기술 분석 및 개발 기술의 효과

프리캐스트 바닥판 이음부의 연속화를 위한 기존 연결기 술 중 내부긴장 연결기술은 내부텐던을 이용하기 때문에 부 분교체 및 유지관리가 어렵고, 텐던 공정의 긴장재 및 정착 구 비용 추가로 공사비가 증가하고 작업난이도가 높다. 기존 루프철근 이용한 연결기술은 내부텐던이 없기 때문에 내부 긴장 이음에 비해 경제적이고 시공성이 높은 반면, 이음부의 거푸집 설치와 콘크리트 타설 및 양생으로 공기가 증가하며 이음부의 균열, 누수 등 사용성 문제가 우려된다.Fig .2

Fig. 2.

Existing precast deck connection

이러한 기존 프리캐스트 바닥판 연결기술의 한계를 개선 하고자 소요강도와 경제성을 만족하면서 부분교체 및 급속 시공이 가능한 프리캐스트 교량 바닥판의 이음부 연결기술 에 대한 연구를 수행하게 되었다. 본 연구를 통해 기존 노후 화교량 바닥판의 경제적인 부분교체 및 급속시공 기술의 개 발이 가능할 것으로 사료된다.

3.1. 개요

앞서 언급하였듯이 기존에 개발된 프리캐스트 바닥판 공 법 중 현재 가장 널리 사용되고 있는 내부긴장재로 이음부를 연속화하는 공법은 종방향 텐던 관련 공정의 추가로 경제성 및 시공성이 불리하며, 루프철근을 이용한 프리캐스트 바닥 판 공법은 이음부의 현장타설 및 양생기간 증가로 급속시공 이 어려운 단점이 있다. 그리하여 종방향 내부긴장재 없이 이음부의 무수축몰탈 타설로 급속시공이 가능한 프리캐스트 바닥판 이음부의 연결기술 개발을 위한 연구를 수행하였다. 그 결과 텐던 관련 비용의 절감 및 공기단축을 통해 경제성 과 시공성을 개선할 수 있는 프리캐스트 바닥판 연결시스템 을 제안하였고, 제안된 단면의 휨성능 검증을 위해 기존 연 결기술을 포함하여 부재요소실험을 수행하였다.

3.2. 요철형 프리캐스트 바닥판 모듈 및 연결시스템 제안

루프철근을 이용한 프리캐스트 바닥판 이음부의 휨성능은 부재요소실험을 통해 분석된 바 있다 (^{Chang et al., 2007}). 본 연구에서는 총2회의 요소실험을 수행하였는데, 1차 요소 실험 결과로부터 이음부의 철근겹이음 길이 확보, 이음부 횡 철근 보강, 이음단면의 부착강도 향상을 위한 요철형 이음단 면 적용 등 프리캐스트 바닥판 이음부의 연결상세를 개선하 였다. 그 결과 Fig. 3과 같이 요철형 이음단면을 갖는 프리캐 스트 바닥판 모듈 및 연결시스템를 제안하였고, 제안된 요철 형 이음단면의 휨성능 평가를 위해 2차 요소실험을 수행하 였다.

Fig. 3.

Precast deck module and system

Fig. 4는 루프철근을 이용한 요철형 프리캐스트 바닥판 연 결시스템의 이음부 연결상세를 나타낸 그림이다. 국내외 기 준, 시방규정에 따라 후크 형태의 루프철근 겹이음 길이를 확보하면서 이음부의 몰탈타설부에 하부돌출콘크리트 단면 을 적용하여 거푸집이 필요없어 급속시공이 가능하도록 하 였다. 또한, 주철근 및 배력철근 배치를 고려하였으며, 사전 조립된 프리캐스트 바닥판과 이음부의 무수축몰탈 타설부의 부착강도 향상을 위해 이음부의 경계면에 요철형 단면을 적 용하여 부착면적을 증대하였다.

Fig. 4.

Connection detail of LOOP300 B1, B2

4.1. 개요

제안된 요철형 프리캐스트 바닥판 연결기술의 휨성능 비 교 검증을 위해 바닥판간 이음형식 (이음부 없는 일반RC 바 닥판, 철근겹이음, 루프철근이음, 헤드철근이음 등), 이음부 폭 (200mm, 300mm), 철근간격 (등간격, 인접형), 이음부 단 면형태 (직선형, 요철형)를 주요변수로 하여 Table 1과 같이 총 17개의 요소실험체를 제작하였다. 실험체의 프리캐스트 콘크리트의 설계기준강도는 40MPa, 이형철근의 항복강도는 400MPa, 바닥판간 이음부에 채워지는 무수축몰탈의 설계기 준강도는 60MPa이다.

2개의 프리캐스트 바닥판 모듈간 이음부에 고강도의 무수 축몰탈을 현장타설함으로써 Figs 3(c)와 3(d)와 같이 바닥판 모듈간 이음부가 일체화된다.

4.2. 4점재하 휨실험

실험체의 제원은 폭 800mm, 두께 250mm, 길이 2200mm 로 동일하며, 주철근과 배력철근은 H19mm, 배근간격은 모 두 150mm이다. 각 실험체의 연결상세는 다르지만 외형과 제원은 동일하며 순수휨이 재하되도록 양단 단순지지 조건 에서 500kN 용량의 엑츄에이터를 이용하여 4점하중을 재하 하였다. 실험체의 제원 및 하중재하방법은 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Schematic of load condition for test

4.3. 실험체 계획

프리캐스트 바닥판의 이음부 형식에 따른 휨성능 비교를 위해 Table 1과 같이 총 17개의 실험체를 제작하였다. 기준 실험체로서 이음부가 없이 일체로 제작된 RC바닥판 실험체 (RC1, RC2) 2개를 제작하였고, 프리캐스트 바닥판 이음부를 모사하여 다음과 같이 15개의 요소시험체를 제작하였다. 루 프철근 형식으로 이음부폭이 200mm, 300mm이며, 직선형 이음단면을 갖는 것 (loop 200, loop 300), 일반겹이음 형식 으로 이음부 폭이 200mm, 300mm, 400mm로 변화시킨 것 (lap 200, lap 300, lap 400), 직선헤드철근 형식으로 이음부 폭이 200mm이고 철근간격을 등간격으로 배치한 것 (HB S1)과 직선헤드철근 형식으로 이음부 폭이 200mm이고, 철 근간격을 부등간격 즉, 인접형으로 배치한 것 (HB S2), 절곡 된 헤드철근 형식으로 이음부 폭이 200mm이고, 철근간격을 등간격을 배치한 것 (HB C1), 절곡된 헤드철근 형식으로 이 음부 폭이 200mm이고, 철근간격을 부등간격 즉, 인접형으로 배치한 것 (HB C2), 직선 헤드철근 형식으로 이음부 폭이 300mm이고, 직선형 이음단면을 갖는 것 (HB300 L1, HB300 L2), 직선 헤드철근 형식으로 이음부 폭이 300mm로서 요철 형 이음단면을 갖는 것 (HB300 B1, HB300 B2), 루프철근 형식으로서 이음부 폭이 300mm이고, 요철형 이음단면을 갖 는 것 (LOOP300 B1, LOOP300 B2)이다.

Fig. 6은 각 실험체의 이음부 연결상세를 나타낸 그림이다.

Fig. 6.

Connection detais of specimens

4.4. 측정항목 및 게이지 설치

각 실험체의 전체적인 게이지 측정위치는 Fig. 7과 같으며, 게이지의 측정항목 및 종류 등은 Table 2에 수록하였다. 이 를 통해 하중재하에 따른 중앙부 처짐과 상부철근 및 하부철 근 변형률, 콘크리트 변형률, 균열폭 등을 측정하였다.

Fig. 7.

Gage schematic of precast concrete deck

4.5. 실험체 제작 순서

프리캐스트 바닥판의 실험체 제작 순서는 Fig. 8과 같다. 프리캐스트 바닥판의 거푸집을 제작하고 철근조립 후 프리 캐스트 콘크리트를 타설한다. 그 후 두 개의 바닥판 모듈 사 이의 이음부에 철근게이지를 설치 후 무수축몰탈을 타설하 여 이음부를 일체화하였다.

Fig. 8.

Production of specimens

프리캐스트 바닥판 이음부의 휨성능 검증을 위한 4점재하 정적하중 실험은 Fig. 9와 같다.

Fig. 9.

View of flexural bending test

5.1. 하중-처짐 관계 분석

각 실험체의 하중재하에 따른 하부 인장철근의 항복하중, 최대하중, 파괴양상 등을 정리하면 Table 3과 같다.

이음형식별로 실험체의 파괴시까지 하중을 재하하면서 중 앙처짐을 관찰한 하중-처짐 곡선은 Fig. 10과 같다.

Fig. 11은 이음부 폭 300mm이고, 루프철근과 헤드철근 이 음형식으로 직선형과 요철형 이음단면 형태별로 파괴시까지 하중재하에 따른 중앙처짐을 관찰한 하중-처짐 곡선이다.

Fig. 10.

Load-displacement curve (by types)

Fig. 11.

Load-displacement curve (by connection shapes)

Table 3과 Fig. 10으로부터 기준실험체인 이음부가 없는 일체형 RC바닥판 (RC1, RC2)의 경우 최대하중이 470kN로 서 휨강도가 가장 크며 연성파괴 거동을 보임을 알 수 있다. 또한 일반겹이음 (lap 200, lap 300, lap 400)과 이음부 폭이 200mm 이하인 헤드철근 형식 (HB S1, HB S2, HB C1, HB C2)은 이음부의 소요성능을 발휘하기 전에 정착길이 미확보 로 인하여 이음부 균열발생과 동시에 뽑힘에 의한 취성파괴 가 발생하였다. 그리하여 이음부 폭 300mm 이상 확보가 휨 강도의 증가에 중요한 역할을 하는 것으로 판단된다 (HB300 L2, HB300 B2).

Table 3으로부터 이음부 폭 300mm이고 헤드철근 이음형 식을 갖는 요철형 단면 (HB300 B1, B2)의 최대하중이 455kN 으로서 직선형 단면 (HB300 L1, L2)의 420kN에 비해 10% 내외 휨강도가 큼을 알 수 있다. 특히 Fig. 11로부터 루프철 근 이음 형식의 이음부폭이 300mm이고 요철형 이음단면을 갖는 실험체 (LOOP300 B2)가 기준실험체 (RC1, RC2)와 거의 동등수준의 휨강도과 연성거동을 보여줌으로써 가장 양호한 이음부 연결상세임을 알 수 있다.

5.2. 하중-변형률 관계 분석

Fig. 12는 하중재하에 따른 하부 인장주철근의 변형률을 기록한 하중-철근변형률 곡선이다. Fig. 12에서 요철형 이음 단면의 루프철근 이음 실험체 (LOOP300 B2)가 기준실험체 (RC2)와 거의 동등수준의 철근응력을 보여준다. 이음부 폭 이 300mm로서 동일할 경우 루프철근 형식으로서 요철형 이 음단면이 정착 및 이음 효과가 가장 양호하다고 판단되며, 철근 항복변형률 2000μm 이후에 소성거동을 보이므로 철근 의 정착 및 이음이 충분히 이루어져 있는 것으로 판단된다.

Fig. 12.

Load-strain curve (bottom of reinforcment)

Fig. 13은 실험체별 하중재하에 따른 부재 중앙부 상단의 콘크리트 변형률을 기록한 하중-콘크리트변형률 곡선이다. 전체적으로 모든 실험체가 거의 유사한 압축거동을 보여준 다. 하중 증가에 따라 콘크리트 상부의 휨압축으로 콘크리트 압축변형률이 증가하는데 Fig. 11의 하중-처짐 곡선과 유사 한 거동을 보임을 알 수 있다.

Fig. 13.

Load-strain curve (top of concrete)

5.3. 하중-균열 관계 분석

Fig. 14는 하중재하에 따른 이음부 하부의 균열폭을 측정 한 곡선이다. 전체적으로 하중 증가에 따라 균열폭이 증가하 는데 특히 사용성 설계시 중요한 균열폭 0.2mm일 때의 균 열하중을 살펴보면 요철형 이음단면의 실험체 (LOOP300 B2, HB300 B2)는 176kN, 162kN이고 직선형 이음단면의 실 험체 (LOOP300, HB300 L2)는 80kN, 115kN으로서 요철형 이 직선형보다 균열하중이 커 보다 양호한 균열거동을 보여 준다.

Fig. 14.

Load-crack width curve (bottom of center part)

Fig. 15는 실험체별 파괴하중 재하시까지의 균열양상을 보 여준다. 이음부 단면형태가 요철형인 경우 직선형인 경우와 비교하여 파괴시까지 균열양상이 기준실험체 (RC2)와 가장 유사한 거동을 보임을 알 수 있다. 이는 요철형상에 의하여 이음부에서의 부착강도 증가로 휨강도 및 균열저항성능이 높아져 초기균열을 이음부 위치가 아닌 전단면에 걸쳐 발생 하도록 유도한 것으로 판단된다.

Fig. 15.

Cracks of specimens