2.1 국외 기준

Table 1은 AASHTO LRFD(2020)의 사용한계상태에서의 하중계수와 하중조합을 나타낸 것이다. AASHTO LRFD는 a~f의 시공 하중 조합에서 콘크리트의 허용 인장응력 한계를 규정하여 시공 단계에 부합하면서 가장 불리한 영향을 주는 경우를 선택하여 적용하고, a~f의 어떠한 하중조합에 대하여도 가설 중 전도에 대한 안전율을 1.5이상 확보하도록 규정하고 있다^{(AASHTO LRFD, 2020)}.

2.2 국내 기준

콘크리트교 설계기준(Limited State Design Method, 2021)에서는 미국 ^{AASHTO LRFD(2020)} 기준을 준용하고 있다^{(KCSC, 2021)}.

3.1 연구 대상 교량

Table 2, Table 3은 대상 교량의 제원 및 임시 고정 장치 현황을 나타낸 것이다. 대상 교량은 동일 교량 내의 다른 교각에서 상부 구조가 직선일 때와 곡선일 때의 영향을 비교하기 위하여 HP2, HP5를 선정하였고, 동일 교각에서 한쪽은 곡선 다른 한 쪽은 직선일 때의 영향을 비교하기 위하여 BP34를 선정하였다. 또한, 상부 구조가 직선인 다른 교량(HP2)과 세그먼트 수의 증가에 따른 영향을 비교하기 위하여 RP8을 선정하였다.

3.2 관련기준 적용

본 연구 대상 교량의 하중계수는 ^{AASHTO LRF (2020)} 및 콘크리트교 설계기준(Limited State Design Method, 2021) 중 고정하중, 활하중(IE 제외), 풍하중(WE 제외)을 적용하였으며, 기타 하중은 고려하지 않았다.

3.3 계측기 설치

Table 4 Measurement items and location

Category	Sensor	Location
Changes in the length of steel rods	Strain, temperature compensation
Changes in the inclination of superstructure	Displacement, temperature compensation

Photo 2 Installing strain meter on steel rods(1m above the slab)

Photo 3 Installing displacement meter between the coping of the pier and the superstructure(PSC BOX)

3.4 교량별 계측 현황

Table 5는 캔틸레버 세그먼트 단계별 계측 현황을 나타낸 것이다. HP2 및 HP5는 마지막 세그먼트까지, BP34 및 RP8은 Key세그먼트까지 각 세그먼트의 진행 단계별로 콘크리트 타설 전, 후에 계측하였다. 특히, RP8에서는 편측 타설의 영향을 분석하기 위하여 18 ~ 19 세그먼트에서 편측 타설에서 추가 계측을 수행하였다.

3.5 FBG 센서 실험 및 계측

3.5.2 현장계측

Photo 4는 FBG 센서의 계측화면에 나타나는 중심파장의 평행이동량(wavelength △) 측정사례를 나타낸 것이다. Photo 4에 나타난 바와 같이 연구 대상 위치에 FBG 센서를 설치한 후(각 FBG 센서에는 센서 자체의 온도 보상을 위한 온도보상 센서 별도 설치) FBG 센서별 최초 중심파장을 측정하여 계측 초기 값을 설정한 후 계측 단계별로 중심 파장의 평행 이동량을 측정하여 초기 값 대비 파장 변화량을 산출하였다.

Photo 4 Screen of center wavelength measurement(Example)

4.1 강봉의 응력 변화

Fig. 2는 외부 요인과 내부 요인을 종합한 1번에서 4번 센서 위치 강봉의 응력변화를 나타낸 것이다^{(Gere and Goodno, 2017)}(KSMI, 2008). Fig. 2에서 나타난 바와 같이 모든 교량에서 강봉의 응력은 인장 후 정착 과정에서 최대 손실이 발생한 후 시간이 경과됨에 따라 점진적으로 감소하는 경향(KSMI, 2021)을 보이고 있으나, 일부 캔틸레버 세그먼트 단계에서는 온도증가로 인한 콘크리트의 팽창이 그 단계에서의 건조수축 및 크리프 변형(KSMI, 2015)을 초과할 경우 강봉의 수축량은 일부 회복되는 것을 확인할 수 있었다.

강봉의 초기 긴장력 손실 대부분은 강봉 정착 시 인장기의 유압해제 과정에서 발생하는 탄성회복(너트 및 커플러와 강봉의 나사산간 유격 내 탄성수축)에 의한 강봉의 즉시 수축과 1세그먼트까지의 시공 과정에서 발생되었다. 이 중 정착 후 1세그먼트 타설 까지(약 3개월 소요) 발생한 강봉의 수축 현상은 전체 시공기간에 비하여 비교적 초기의 콘크리트수축, 타워 크레인 및 폼 트레블러의 재하, 콘크리트 블록의 상부와 하부에 설치된 패드의 밀착 과정에서 발생한 것으로 나타났다.

Fig. 2(a)와 2(b)의 동일 교량 내 다른 교각인 HP2(직선, 15세그먼트) 및 HP5(곡선, 15세그먼트)를 비교한 결과, HP2에 비하여 HP5에서 최초 도입한 응력과 정착 후의 응력 편차가 크게 나타났으나, 이는 인장 시 강봉의 신장량, 콘크리트 표면 요철, 너트의 조임 상태 등에 따른 영향에 기인한 것으로 판단된다.

HP2, HP5의 경우 종단경사의 영향에 의하여 A1측(1번, 2번 센서)과 A2측(3번,4번 센서)의 응력 차이가 증가하였다. HP5에서 평면 선형에 의한 특이 현상은 보이지 않았다.

Fig. 2(a)와 2(d)의 HP2(직선, 15세그먼트)과 RP8(직선, 19세그먼트)를 비교한 결과, RP8에서 세그먼트 의 증가(16~19세그먼트)에 따른 응력변화의 특이 현상은 보이지 않았다. Fig. 2(a), 2(b), 2(c)의 H계열(HP2 및 HP5, 15세그먼트)과 BP34(20세그먼트)를 비교한 결과 BP34에서 세그먼트의 증가(16~20 세그먼트)에 따른 응력변화의 특이 현상은 보이지 않았다. BP34에서 20세그먼트(6월말 시공) 이후 Key세그먼트(10월 말 시공)의 급격한 응력 변화는 온도 하강의 영향이다.

Fig. 2 Stress changes in steel rods

4.2 강봉의 안전율 변화

Table 7은 강봉 정착에서부터 마지막 세그먼트(Key세그먼트 직전)의 타설 완료 까지 강봉의 응력변화를 고려한 교량별 안전율 변화 현황을 나타낸 것이다.

HP2, HP5 및 RP8의 경우 마지막 세그먼트에서의 안전율은 각각 2.65, 4.07 및 1.0으로 나타났다. 특히, RP8에서 안전율이 1.0으로 변화한 것은 H계열(HP2 및 HP5) 및 BP34에 비하여 설계 안전율이 낮은 반면 강봉 정착 시 부터 1세그먼트 콘크리트타설 전까지의 긴장력 손실이 크기 때문이다(초기 긴장 및 정착 시 과도한 시공 오차). 또한, BP34에서 압축력이 발생하는 것은 HP2, HP5, RP8에 비하여 BP34에서 캔틸레버의 자중 증가(연장 및 단면 증가)로 강봉 설치부에 작용하는 압축력이 큰 반면, 콘크리트 블록 간 중심거리(L)가 크기 때문에 교축방향 불균형모멘트(My)에 의한 상향 인장력이 작은 것에 기인한 것으로 판단된다.

4.3 주두부의 기울음

Fig. 3, Fig. 4, Fig. 5는 HP5, BP34, RP8에서 캔틸레버 세그먼트 의 진행에 따라 발생한 주두부의 미세 연직 변위 및 기울음과 강봉의 응력 변화를 비교하여 나타낸 것이다.

HP5는 1~8세그먼트의 계측데이터 자동저장장치의 오류로 인해 9 ~ 15세그먼트까지 분석하였다. Fig. 3(c)에서 나타난 바와 같이 FBG 센서를 설치한 4개소의 연직 변위가 세그먼트 추가 설치 단계마다 미세하게 증가되는 경향을 보였다. 특히, 세그먼트별로 콘크리트 타설 전과 타설 후의 연직변위 차이가 대부분 뚜렷하게 확인되었다(n-1 세그먼트 타설 후 연직 변위 증가, n 세그먼트 타설 전 연직변위 일부 회복). 이러한 현상은 n-1 세그먼트 콘크리트 타설에 의한 자중의 증가와 n 세그먼트 콘크리트 타설 전까지의 안정화에 기인한 것으로 판단된다. 11세그먼트부터 연직 변위 크기 순서(4번 < 3번 < 1번 < 2번)가 마지막 15세그먼트까지 유지되면서 연직변위 차이가 증가 되었다.

Fig. 3(c)와 3(d)에서 나타난 바와 같이 마지막 세그먼트에서 주두부의 연직변위는 센서 1 및 2의 경우 각각 0.72 및 0.79mm, 센서 3 및 4의 경우 각각 0.46mm 및 0.49mm로 나타나 주두부의 기울음은 높이가 낮은 A1 측면으로 0.28mm로 나타났다. 주두부의 기울음은 콘크리트 타설 전후에 변화(타설 후 > 타설 전)하였고, 특히 14세그먼트 이후 그 현상이 증가하였다. Fig. 3(e)에서 나타난 바와 같이 9~15세그먼트의 A1측면과 A2측면의 강봉 응력 차이는 3.1MPa~12.9MPa범위(A2측면 응력이 작음) 로 나타났다. 이러한 현상은 캔틸레버 세그먼트의 종단경사 때문에 높이가 상대적으로 낮은 A1측면으로 주두부가 미세하게 기울어지며 발생하는 불균형모멘트에 의하여 A2측면 강봉에는 상향 인장력이 발생하여 강봉의 긴장력 감소 현상(강봉 신장량의 감소)이 더욱 크게 나타난 것으로 판단된다.

Fig. 4에서 나타난 바와 같이 BP34는 1 ~ 2세그먼트의 계측데이터 자동 저장 장치의 오류로 인하여 3 ~ Key세그먼트까지 분석하였다. Fig. 4(c)에서 나타난 바와 같이 HP5와 유사하게 4개 센서 위치 강봉의 연직 변위가 미세하게 증가하였고, 콘크리트 타설 전과 타설 후의 연직변위 차이 또한 대부분 뚜렷하게 확인되었다. 또한, 최초 분석 대상인 3세그먼트의 변위크기 순(2번 < 4번 < 1번 < 3번)이 마지막 세그먼트까지 유지되면서 미세 변위 차이가 확대되었다. Fig. 4(c)와 4(d)에서 나타난 바와 같이 20세그먼트(Key세그먼트 직전)에서 주두부의 연직변위는 센서 1 및 2의 경우 각각 1.07mm 및 0.88mm, 센서 3 및 4의 경우 각각 1.28mm 및 1.00mm로 나타나 주두부의 기울음은 A2측면으로 0.17mm로 나타났다. 주두부의 기울음은 대부분 콘크리트 타설 전후에 변화 (3~11세그먼트: 타설 전 < 타설 후, 11~19세그먼트: 타설 전 > 타설 후)가 나타났고, 특히 14세그먼트 이후 그 현상이 증가하였다.

Fig. 4(e)에서 나타난 바와 같이 3 ~ 20세그먼트의 A1측면과 A2측면의 강봉 응력 차이는 10.2MPa ~ 24.6MPa 범위(A1측면응력이 작음)로 나타났다. 이러한 현상은 캔틸레버 세그먼트가 A2측면으로 주두부가 미세하게 기울어지며 발생하는 불균형모멘트에 의하여 A1측면 강봉에는 상향 인장력이 발생하여 긴장력의 감소 현상이 더욱 크게 나타난 것으로 판단된다. 여기서, HP5와 상이하게 BP34에서 A2측면(직선, 높은 쪽)으로 주두부 기울음이 발생된 것은 종단경사가 비교적 완만(+0.8%)한 상태에서 A1측 캔틸레버 세그먼트 곡선부의 수평분력분만 기울음에 영향을 준 것에 기인한 것으로 판단된다. Fig. 4(c), 4(d), 4(e)에서 7 ~ 9세그먼트의 강봉의 연직변위, 주두부 기울음, 강봉 응력의 차이가 급격하게 증가한 것은 동절기(12월 ~ 2월) 강봉 수축의 영향이다.

BP34와 HP5를 비교한 결과 주부두 기울음은 두 교량 모두 13~14세그먼트 이후 두드러지게 증가하였으나, 강봉의 응력은 기울음 방향과 반대 측면의 응력 감소가 더욱 크게 발생하였다. 주두부의 기울음은 HP5에서는 높이가 낮은 측면(종단경사: +2.5%) 으로 증가하였으나, 종단경사가 완만한(+0.8%)한 BP34에서는 평면선형의 영향으로 오히려 높은 쪽으로 증가하였다. 따라서, 주두부 기울음은 세그먼트의 평면선형이 주두부를 중심으로 양쪽에서 유사할 경우 높이가 낮은 쪽으로 기울고, 완만한 종단경사에서 한 쪽은 직선 다른 한쪽은 곡선으로 이루어진 경우 직선쪽으로 기우는 것으로 나타났다.

Fig. 5에서 RP8은 1 ~ Key 세그먼트까지 분석하였고, 마지막 세그먼트(Key세그먼트 직전)에 근접한 경우 편측 타설과 양측 타설시 기울음에 대한 영향을 확인하기 위하여 18 ~ 19세그먼트에서는 편측 타설과 양측 타설시 주두부의 연직변위를 추가로 분석하였다. Fig. 5(c)에서 나타난 바와 같이 HP5, BP34와 유사하게 4개 센서 모두 연직변위가 미세하게 증가하는 경향을 보였다. 특히, HP5, BP34와 유사하게 세그먼트별로 콘크리트 타설 전과 타설 후의 연직변위 차이 또한 대부분 뚜렷하게 확인되었다. 이러한 현상의 원인은 HP5, BP34와 동일한 것으로 판단된다. 또한, 10세그먼트부터 연직변위 크기 순서가 마지막 세그먼트까지 유지되면서 미세 변위 차이가 증가하였다.

Fig. 5(c)와 5(d)에서 나타난 바와 같이 19세그먼트(Key 세그먼트 직전)에서 주두부의 연직변위는 센서 1 및 2의 경우 각각 1.07mm 및 0.88mm, 센서 3 및 4의 경우 각각 1.28mm 및 1.00mm로 나타나 주두부의 기울음은 A1 측면으로 0.17mm로 나타났다. 주두부의 기울음은 대부분 콘크리트 타설 전후에 변화(타설 후 > 타설 전)하였고, 특히 17세그먼트 이후 그 현상이 더욱 증가하였다. 또한, Fig. 5에 나타난 바와 같이 18~19세그먼트에서 추가로 편측 타설과 양측 타설의 영향을 분석한 결과 편측 타설의 경우 미세 기울음이 급격하게 증가한 후 양측 타설 후 일부 회복하는 현상 보였다. 이는 양측 타설시 편측 타설로 발생한 불균형모멘트의 일부 회복에 기인하는 것으로 판단된다. Fig. 5(e)에서 나타난 바와 같이 1~19세그먼트의 A1측면과 A2측면의 강봉 응력 차이는 15.1MPa ~ 24.6MPa범위(A2측면 응력이 작음)로 나타났다. 이러한 기울음 측면과 강봉 응력 감소 측면의 반대 현상은 HP5와 동일한 원인으로 판단된다. RP8(양측 직선)과 HP5(A1측: 직선 + 곡선, A2측: 곡선) 및 BP34(A1측: 곡선, A2측: 직선)를 비교한 결과 주두부 기울음이 HP5는 13세그먼트 이후 낮은쪽, BP34는 14세그먼트 이후 높은 쪽, RP8은 17세그먼트 이후 낮은 쪽으로 미세 기울음이 현저하게 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 이러한 현상은 HP2와 BP34는 4차로 교량인 반면, RP8은 2차로 교량으로 캔틸레버 세그먼트의 중량 차이에 의한 영향으로 볼 수 있다. 또한, 주두부의 기울음 측면과 강봉의 응력 감소 측면은 모든 교량에서 반대로 나타났다.

Table 8은 교량별로 도입 인장응력과 비교하여 주두의 기울음이 현저하게 증가하기 시작한 캔틸레버 세그먼트 단계에서의 응력 감소율을 나타낸 것이다. Table 8에 나타난 바와 같이 주두부의 기울음이 현저하게 증가한 단계에서의 응력 감소율은 24.3% ~ 35.5%로 확인되었다.

Fig. 3 Bri. HP5

Fig. 4 Bri. BP34

Fig. 5 Bri. RP8