2.1 이론적 배경

2.1.1 강합성 구조의 거동 원리 (Principles of Composite Structures)

강합성 보는 강재 거더와 콘크리트 슬래브를 전단연결재(Shear Connector)로 결합하여 일체로 거동하게 만든 구조 시스템이다. 두 재료가 분리되어 거동할 경우(비합성), 각 재료는 독립적인 휨 강성으로 하중에 저항한다. 그러나 전단연결재를 통해 일체화되면, 변형률 적합조건(Strain Compatibility)에 따라 강재와 콘크리트의 변형이 동일하게 발생하며 단면의 중립축이 상부로 이동한다. 이로 인해 단면 2차 모멘트가 크게 증가하여, 동일한 하중에 대해 처짐이 감소하고 강성이 증대되는 효과를 얻는다^{(Oehlers et al., 1995)}. Fig. 1은 비합성 단면과 완전 합성 단면의 응력 분포를 비교한 것으로, 합성 거동을 통해 단면의 효율성이 극대화됨을 보여준다.

Fig. 1 Degree of interaction in structures ^{(Oehlers et al., 1995)}

2.1.2 프리스트레스 도입 효과 (Effects of Prestressing)

프리스트레스는 외력이 작용하기 전에 구조물에 의도적으로 내부 응력을 도입하는 기술이다. 특히 휨 부재에서는 인장 응력이 발생하는 영역에 미리 압축 응력을 가하여, 하중 재하 시 발생하는 인장 응력을 상쇄시킨다. 이 개념은 ‘하중평형(Load-Balancing)’ 개념으로 설명될 수 있으며, 긴장재의 배치 형상에 따라 발생하는 상향력이 고정하중의 일부 또는 전부를 상쇄시켜 처짐과 응력을 제어한다^{(Nawy, 2009)}. Fig. 2는 프리스트레스 도입에 따른 응력 변화 단계를 보여준다. 초기 긴장력 도입으로 하부에는 압축, 상부에는 인장 응력이 발생하고(a), 고정하중 작용 시 이 응력이 상쇄되며(b), 최종적으로 활하중 작용 시 단면이 효율적으로 저항하게 된다(c).

Fig. 2 Stress distribution due to prestressing force ^{(Nawy, 2009)}

2.2 기술 동향 및 배경

강합성 라멘교에 프리스트레스를 도입하여 구조 효율을 높이려는 연구는 국내외에서 꾸준히 진행되어 왔다. 강합성 라멘교는 외형적으로 강재 거더가 외부에 노출된 형태와 콘크리트로 감싼 비노출형으로 구분된다. 노출형은 공장 제작으로 품질관리가 용이하지만 대부분 단면 강성만으로 하중에 저항하는 반면, 프리플렉스 거더와 같은 비노출형은 프리스트레스 도입이 가능하지만 제작 공정이 복잡하고 형고가 높아지는 단점이 있다^{(Jin, 2025)}.

본 연구와 같이 노출형 거더에 PS 강봉을 이용해 프리스트레스를 도입하는 연구 동향은 다음과 같다. 거더와 교대를 PS 강봉으로 일체화시킨 PIC(Prestress Integral Composite) 공법의 개념을 정립하고 최적 설계 방안을 제시한 연구^{(Ahn, 2012)}, 단부 상부 플랜지에 부분 수평 긴장력을 도입한 공법의 성능을 평가한 연구^{(Cho, 2019)}, 그리고 거더 단부에 수직 긴장재를 도입하는 시스템을 제안하고 실험을 통해 그 거동을 분석한 연구들이 수행되었다^{(Jung, 2012; Kwon et al., 2013)}. 특히 수직 강봉 긴장 시스템이 거더 중앙부 정모멘트를 약 15% 감소시킬 수 있다는 연구 결과는 프리스트레스 도입의 유효성을 보여준다^{(Cho, 2018)}.

이러한 연구들은 PS 강봉을 이용한 프리스트레스 도입의 유효성을 입증하였다. 최근 해외에서는 프리스트레스를 적용한 강합성 연속보의 거동에 대한 해석적 및 수치해석적 모델링 연구가 활발히 이루어져, 그 복잡한 거동을 예측하는 기법들이 발전해왔다^{(Nie et al., 2011)}. 또한, 강합성 일체식 교량의 구조 효율성과 장기 내구성을 향상시키기 위한 연구가 더욱 활발히 진행되고 있다. 주요 연구 동향은 외부 프리스트레싱(External Prestressing) 시스템의 최적화와 거더-교대 접합부의 성능 강화에 초점을 맞추고 있다. 특히 기존 교량의 성능 보강 및 신설 교량의 효율성 증대를 위해 외부 긴장재를 활용하는 연구가 주목받고 있으며, 이는 긴장재의 점검, 수리 및 교체가 용이하다는 장점 때문이다.

한편, 강합성 보의 내하력 향상을 위해 외부 PS 강연선을 편향부(deviator)에 고정하는 방식의 비선형 해석 모델이 제시되었다. 이 연구는 긴장재의 편향 간격과 초기 긴장력이 구조물의 최종 휨 강도에 미치는 영향을 분석하며 외부 긴장 시스템의 정밀한 설계 필요성을 강조했다^{(Troyano-Ramos et al., 2023)}. 아울러 외부 프리스트레싱으로 보강된 강재 거더의 피로 수명 향상에 관한 연구를 통해, 긴장재 배치 각도와 초기 긴장력이 피로 균열 전파를 억제하는 데 중요한 요소임이 실험적으로 증명되었다^{(Al-Anbarestani et al., 2024)}.

이러한 국제 연구들은 주로 거더와 평행한 방향으로 긴장력을 도입하여 중앙부의 정모멘트를 제어하는 데 집중하고 있으며, 긴장력의 효율을 높이기 위해 단면 내구성을 높이거나 정밀한 해석 기법을 개발하는 방향으로 발전하고 있다.그러나 대부분의 기존 공법들은 거더 플랜지에 직접 강봉을 정착시켜 적용 가능한 강봉 수량이 2개 내외로 제한되거나, 수량 증가를 위해 비경제적으로 단면을 키워야 하는 한계를 가졌다^{(Jin, 2025)}. 거더 단부에 T-wing과 같은 확폭부를 적용하여 PS 강봉의 활용성을 극대화하려는 연구는 거의 이루어지지 않았다. 따라서 본 연구는 이러한 기술적 공백을 메우고, T-wing 부재를 통해 PS 강봉의 수량을 자유롭게 조절하여 구조 성능을 최적화하는 새로운 접근법을 제시한다는 점에서 차별성을 가진다.

2.3 T-wing 공법의 기술적 차별성

본 연구에서 제안하는 T-wing 공법은 이러한 해외 기술 동향 및 기존 공법의 한계점에서 다음과 같은 명확한 차별성을 가진다.

기존 연구들이 거더 길이 방향의 긴장력 도입에 집중하는 반면, T-wing 공법은 주거더 단부에 횡방향 T형 부재를 설치하여 다수의 PS 강봉을 배치할 수 있는 공간을 확보한다. 이는 주거더 단면의 변경 없이 필요에 따라 PS 강봉의 수량을 2개에서 6개 이상까지 자유롭게 조절할 수 있게 하여, 구조적, 경제적으로 최적화된 설계를 가능하게 한다.

기존 외부 긴장 방식은 사교에 적용 시 긴장재와 교대 철근의 간섭 문제, 그리고 유효 모멘트 팔길이 감소로 인한 효율 저하 문제가 발생한다. 그러나 T-wing 공법은 T-wing 부재를 교대와 평행하게 설치함으로써 사각(Skew Angle)에 관계없이 직교일 때와 동일한 프리스트레스 효율을 100% 유지할 수 있다. 이는 복잡한 도로 선형에 대한 적용성을 획기적으로 개선한 것이다.

최신 해외 연구가 재료의 비선형성이나 피로 거동 등 미시적(micro) 분석에 집중하는 경향이 있다면, T-wing 공법은 ‘T-wing’이라는 새로운 구조 부재를 통해 문제를 해결하는 거시적(macro) 접근법을 제시한다. 이는 복잡한 해석 없이도 안정적인 성능을 확보하고, 특히 시공 중 전도 저항 성능을 180% 이상 향상시키는 등 실용적인 가치를 제공한다.

결론적으로, T-wing 공법은 기존의 프리스트레스 도입 방식이 가진 물리적, 구조적 한계를 ‘횡방향 확장’이라는 새로운 개념의 구조 부재(T-wing)를 통해 극복한 독창적인 기술이다. 이는 해외의 최신 연구들이 주로 해석적 정밀도나 재료적 성능 향상에 집중하는 것과 차별화되며, 특히 적용 가능한 긴장재 수량의 유연성과 사교 적용성 측면에서 뚜렷한 기술적 우위를 가진다.

3.1 공법 개요 및 특징

T-wing PS 강합성 라멘공법의 핵심은 Fig. 3과 같이 주거더 단부에 설치되는 T형 횡방향 부재(T-wing)와 이를 통해 정착되는 PS 강봉이다. 이 부재는 단면이 ‘T’자 형태를 띠고, 주거더 양옆으로 날개(Wing)처럼 확장되어 PS 강봉을 정착시키는 기능적 특성을 반영하여 ‘T-wing’으로 명명되었다. T-wing 부재는 다수의 PS 강봉을 설치하고 그 긴장력을 주거더에 효율적으로 전달하여

거더에 부모멘트를 발생시키는 역할을 한다. 이 구조는 시공 단계에 따라 구조계가 변화하는 특징을 가진다. 거더 거치 시에는 강재 자중이 작용하는 단순지지 구조이며, PS 강봉에 긴장력을 도입하면 프리스트레스에 의한 부모멘트가 발생한다. 이후 슬래브 콘크리트 타설 시에는 강봉이 단부 강성을 증가시켜 연속보와 유사하게 거동하고, 콘크리트 경화 후에는 완전한 라멘 구조를 형성한다. 이러한 단계별 거동 변화를 고려한 정밀한 해석과 설계가 필수적이다 ^{(Jin, 2025)}.

Fig. 3 T-wing PS Composite Rahmen ^{(Jin, 2025)}

3.2 수치해석을 통한 성능 평가

PS 강봉 수량 증가에 따른 구조적 효율성을 검증하기 위해 지간 40 m의 라멘교를 대상으로 유한요소해석을 수행하였다. PS 강봉이 없는 경우(0개), 기존 공법(2개), T-wing 공법(4개) 세 가지 시나리오에 대해 시공단계를 고려하여 거더 중앙부의 최대 정모멘트를 비교하였다. 해석 결과는 Table 2와 같으며, 이들을 막대 그래프로 도시하면 Fig. 4와 같다.

최종 누적 모멘트는 PS 강봉이 없는 경우 4,021.9 kN⋅m, 2개인 경우 3,445.1 kN⋅m, 4개인 경우 2,856.6 kN⋅m로 나타났다^{(Jin, 2025)}. 이는 T-wing 공법(4개)이 일반 라멘교 대비 29%, 기존 PS 공법(2개) 대비 17%의 모멘트 감소 효과를 가짐을 의미하며, PS 강봉 수량 증대가 구조 효율성 향상에 직접적으로 기여함을 확인시켜준다. 이러한 해석 기법은 프리스트레스 강합성 구조물의 비선형 거동을 예측하는 데 널리 사용되는 검증된 방법론에 기초한다^{(Nie et al., 2011)}.

Fig. 4 Maximum positive mid-span moment

Table 2 Moment Analysis Results by Construction Stage and Number of PS Rods ^{(Jin, 2025)}

3.3 정적 재하 실험을 통한 성능 검증

수치해석 결과의 신뢰성을 확보하고 실제 구조 거동을 파악하기 위해 정적 재하 실험을 수행하였다. 실험체는 길이 10 m, 높이 0.6 m로 제작되었으며, 양단 T-wing 부재에 총 4개의 PS 강봉을 설치하고 각 200 kN의 초기 긴장력을 도입하였다 ^{(Jin, 2025)}. Table 3 및 Fig. 5에서 보듯이, 실험 결과로 얻어진 하중-변위 곡선은 수치해석 결과와 매우 유사한 경향을 보였으며, 최대 하중 523 kN에서 약 58 mm의 처짐이 발생하였다 ^{(Jin, 2025)}.

특히 4개의 PS 강봉 변형률 게이지에서 측정된 값은 하중 증가에 따라 거의 동일한 선형적 증가를 보여, T-wing 부재가 편심 없이 긴장력을 균등하게 분배하고 안정적으로 거동하고 있음을 입증하였다. 실험을 통해 T-wing PS 강합성 거더가 의도된 프리스트레스 효과를 발휘하며 예측 가능한 안정적 거동을 보임을 최종적으로 확인하였다.

Fig. 5 Load-Displacement curve by test & analysis ^{(Jin, 2025)}

4.1 수직 긴장력 도입 한계 극복

기존의 PS 강봉 적용 공법들은 강봉을 거더의 상⋅하부 플랜지에 직접 설치하므로, 한쪽 단부에 적용 가능한 강봉 수량이 2개로 제한되는 경우가 많다^{(Jin, 2025)}. 더 큰 프리스트레스 힘이 필요할 경우, 비경제적으로 거더 전체의 플랜지 폭을 넓히거나 제한된 수의 강봉에 과도한 긴장력을 가해야 하는 문제가 발생한다. 반면, T-wing 공법은 주거더 단면에 변화를 주지 않고도 횡방향으로 확장된 T-wing 부재에 필요에 따라 2개에서 6개 이상의 PS 강봉을 자유롭게 배치할 수 있다^{(Jin, 2025)}. 이는 PS 강봉의 수량 조절을 통해 소요 프리스트레스 힘을 유연하게 확보할 수 있게 하여, 구조적으로 매우 효율적이고 경제적인 설계를 가능하게 한다.

Table 4는 40 m 지간 교량에서 T-wing 공법과 동일한 성능(모멘트 29% 감소)을 기존 공법으로 확보하기 위해 필요한 강재량을 비교 분석한 것이다. 기존 공법으로 동일 성능을 내기 위해서는 단면 강성을 높여야 하므로 강재량이 약 15% 증가하는 것으로 나타나, T-wing 공법이 구조적, 경제적으로 더 효율적임을 알 수 있다.

4.2 사교(Skewed Bridge) 적용성 개선

하천이나 도로의 선형에 따라 교량을 직교가 아닌 사교로 건설해야 할 경우, 기존 PS 공법은 심각한 설계 및 시공상의 어려움에 직면한다. 이는 사교에서의 복잡한 응력 분포와 거동 때문에 국제적으로도 중요한 연구 주제로 다루어져 왔다 ^{(Arockiasamy et al., 2005)}. 기존 공법에서는 거더 단부를 사각에 맞춰 절단하면 PS 강봉과 교대 우각부 철근의 간섭이 발생하고, 이를 피하기 위해 강봉 위치를 조정하면 긴장력 도입을 위한 모멘트 팔길이가 짧아져 프리스트레스 효율이 급격히 저하된다^{(Jin, 2025)}. T-wing 공법은 Fig. 6과 같이 구성되어 이러한 문제를 해결할 수 있다. 주거더는 사각에 맞춰 배치하되, T-wing 부재는 교대와 평행하게 설치함으로써 철근 간섭을 원천적으로 방지하고, 직교일 때와 동일한 모멘트 팔길이를 확보하여 사각에 관계없이 일관된 구조 성능을 발휘할 수 있다.

Table 5는 사교(30°) 적용 시, 기존 공법은 철근 간섭을 피하기 위해 강봉 위치를 조정하면서 모멘트 팔길이가 33% 감소하여 프리스트레스 효율이 크게 저하되지만, T-wing 공법은 손실 없이 100% 효율을 유지함을 정량적으로 보여준다.

Fig. 6 Conceptual Diagram of T-wing Girder Layout for a Skewed Bridge ^{(Jin, 2025)}

4.3 시공 안정성 향상

강합성 라멘교 시공에서 가장 취약한 단계 중 하나는 크레인을 이용한 거더 거치 시 발생하는 전도(overturning) 위험이다. 특히, 거더는 풍하중과 같은 횡방향 하중에 의해 발생하는 전도모멘트($M_{o}$)에 저항해야 하며, 안정성은 거더의 자중에 의해 발생하는 저항모멘트($M_{r}$)의 크기에 의해 결정된다. 시공 중 안정성을 확보하기 위해서는 저항모멘트가 전도모멘트보다 충분히 커야 한다($M_{r}> M_{o}$).

T-wing 거더는 단부에 넓은 T-wing 부재가 결합되어 있어, 일반적인 H형강 거더에 비해 단면의 폭, 즉 저항모멘트 팔길이($X_{o}$)가 현저히 넓다. 이는 거더의 자중($W_{s}$)으로 인한 저항모멘트를 크게 증가시켜 바람 등 외부 하중에 의한 전도모멘트에 대해 월등히 높은 저항 성능을 갖게 한다. Fig. 7은 이러한 거더의 전도 저항 성능 평가 과정을 나타낸 흐름도이다. 평가 과정에서 볼 수 있듯이, 전도에 대한 안정성은 식 (1)과 같이 표현할 수 있다.

여기서, $W_{s}$는 거더 자중, $X_{o}$는 저항모멘트 팔길이, $P_{w}$는 횡방향 풍하중, h는 풍하중 작용 높이, FS는 안전율을 의미한다. Table 6에서 비교한 바와 같이, 동일한 거더 제원에서 기존 H형강 단면의 저항모멘트 팔길이($X_{o}$)는 플랜지 폭의 절반인 350 mm인 반면, T-wing 단면은 T-wing 폭의 절반인 1,000 mm에 달한다. 두 거더의 자중($W_{s}$)이 동일하다고 가정할 때, T-wing 거더는 저항모멘트 팔길이가 약 2.86배 길기 때문에 전도 저항모멘트($M_{r}$)가 약 186% 더 크다. 이는 시공 중 예기치 못한 바람과 같은 횡하중에 대해 월등히 높은 안정성을 확보할 수 있음을 정량적으로 보여주며, 결과적으로 더 안전하고 효율적인 시공을 가능하게 한다.

Fig. 7 Girder Overturning Stability Analysis During Erection