6
MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교 1 1. 들어가며 주지하는 바와 같이 사장교(Cable-Stayed Bridge)는 여러 교량 형식 중에 주로 1,000 미터 이하의 장경간에 적용되는 교량형식입니다. 이제는 많은 국내 설계 및 시공 기술자들께 친숙해진 교량 형식이지만 여러 종류의 전체 교량 형식 중 사장교의 설계 또는 시공에 직접 참여할 기회는 그리 자주 있는 편은 아닙니다. 앞으로 제가 진행할 칼럼에서는 사장교에 관련된 역학적 이론 또는 설계법을 얘기하기보다 각 교량 시공시 고민했던 여러 사항들을 함께 공유함으로써 추후 국내 또는 외국 프로젝트에 조금이나마 도움이 되는 참고 자료가 되었으면 좋겠습니다. 최근부터 지난 과거 시점으로 제가 직접 시공 기술 지원에 참여한 사장교 프로젝트들을 다룰 예정이며, 제가 지금 회사에 몸담기 이전 과업들은 여러 참고 자료들을 바탕으로 풀어나가려 합니다. 제일 처음으로 다룰 사장교 프로젝트는 2012년부터 저희 회사가 주탑 및 보강형, 케이블 시공을 맡고, 현재 한참 진행 중인 칠산대교(가칭 영광대교)입니다. 2. 교량의 배경 및 제원 1 칠산대교는 전라남도 영광군 홍농읍과 백수읍을 연결하는 홍농-백수간 도로(국도 77호선) 건설공사 시점부 해상구간에 건설 중입니다. 클래식한 2주탑 3경간 사장교로, 교폭 16.8m, 왕복 2차로, 경간은 135 + 320 + 135 = 590m로 구성되어 있습니다. 서해안 낙후지역 숙원 사업의 하나로 지역사회 발전 및 관광자원의 접근성 제고, 물류비용의 감소에 기여할 것으로 기대되고 있습니다. 교량 위치 주변에는 수심이 얕은 갯벌과 리아스식 해안이 분포하고 법성포항 진출입 항로(85m x 22m)의 확보와 지역가치 향상이 가능하도록 국내 최장경간 콘크리트 사장교(설계된 것을 기준하면 주경간 500m인 ‘화양대교’임)로 계획되었습니다. 그림 2.1 칠산대교 조감도 1 유신기술회보 제 14 호, 칠산대교 계획 및 설계

1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

  • Upload
    others

  • View
    4

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

1

1. 들어가며

주지하는 바와 같이 사장교(Cable-Stayed Bridge)는 여러 교량 형식 중에 주로 1,000 미터 이하의 장경간에

적용되는 교량형식입니다. 이제는 많은 국내 설계 및 시공 기술자들께 친숙해진 교량 형식이지만 여러

종류의 전체 교량 형식 중 사장교의 설계 또는 시공에 직접 참여할 기회는 그리 자주 있는 편은 아닙니다.

앞으로 제가 진행할 칼럼에서는 사장교에 관련된 역학적 이론 또는 설계법을 얘기하기보다 각 교량

시공시 고민했던 여러 사항들을 함께 공유함으로써 추후 국내 또는 외국 프로젝트에 조금이나마 도움이

되는 참고 자료가 되었으면 좋겠습니다.

최근부터 지난 과거 시점으로 제가 직접 시공 기술 지원에 참여한 사장교 프로젝트들을 다룰 예정이며,

제가 지금 회사에 몸담기 이전 과업들은 여러 참고 자료들을 바탕으로 풀어나가려 합니다.

제일 처음으로 다룰 사장교 프로젝트는 2012년부터 저희 회사가 주탑 및 보강형, 케이블 시공을 맡고,

현재 한참 진행 중인 칠산대교(가칭 영광대교)입니다.

2. 교량의 배경 및 제원1

칠산대교는 전라남도 영광군 홍농읍과 백수읍을 연결하는 홍농-백수간 도로(국도 77호선) 건설공사 시점부

해상구간에 건설 중입니다. 클래식한 2주탑 3경간 사장교로, 교폭 16.8m, 왕복 2차로, 경간은 135 + 320 +

135 = 590m로 구성되어 있습니다. 서해안 낙후지역 숙원 사업의 하나로 지역사회 발전 및 관광자원의

접근성 제고, 물류비용의 감소에 기여할 것으로 기대되고 있습니다. 교량 위치 주변에는 수심이 얕은 갯벌과

리아스식 해안이 분포하고 법성포항 진출입 항로(85m x 22m)의 확보와 지역가치 향상이 가능하도록 국내

최장경간 콘크리트 사장교(설계된 것을 기준하면 주경간 500m인 ‘화양대교’임)로 계획되었습니다.

그림 2.1 칠산대교 조감도

1 유신기술회보 제 14 호, 칠산대교 계획 및 설계

Page 2: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

2

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

그림 2.2와 같이 기본계획 교량인 아치교의 부드러운 곡선 이미지를 곡선형 주탑과 형고 3.0m인 유선형

보강거더를 도입함으로써 내풍안정성 향상과 아름다운 교량을 창출하였습니다.

그림 2.2 주탑 및 횡단면 형상

3. 시공중 고려할 주요 설계 사항

1) 국내 사장교 최초 컴팩트 덕트 시공

PWC(Parallel Wire Cable)에 비하여 PSC(Parallel Strand Cable)이 가지고 있는 유일한 단점은, 3중

방식(용융아연도금 + 왁스 + HDPE피복)과 연선 개별 교체를 위한 연선 개별 피복(Strand HDPE Sheath)으로

케이블 외경이 커지는 점입니다 : Arup사가 분석한 보고서2 내 1770MPa 연선의 113가닥과 동등한 PWC

공극률을 기준으로 계산하면 대략 33% 정도 큽니다. 이로 인한 정적 풍하중 증가란 부정적인 영향을

저감하고자 설계 단계에서 우리 회사의 컴팩트 덕트(Compact Duct)를 적용하였습니다.

일반 덕트 컴팩트 덕트 직경 비율

(37 Type / 35 Strands)

(37 Type / 35 Strands)

88.9%

(160/180)

표 3.1 덕트 시스템별 제원 비교

2 Stay Cable Systems for Long Span Bridges, May 2005 by ARUP

6,750

L 주탑내측 외측

C

108,0

00

16@

1,5

00

5,0

00

10,000

25,000

4,0

00

5,350 3,050

S=-2.00% S=-2.00%

16,800

5,3503,050

3,0

00

정착부

S=-2.00%S=-2.00%

S=-2.00%S=-2.00%

16,800

4,1504,250

3,0

00

주탑부

S=-2.00% S=-2.00%

4,150 4,250

180

WAX FILLED

WIRE

HDPE COATED

INDIVIDUALLYPROTECTED STRAND15.7mm GALVANIZEDWAXED AND HDPE COATED

160

Page 3: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

3

2) 철근 콘크리트 부재인 보강형

칠산대교 유선형 보강형에도 물론 Post-Tensioning Tendon이 적용되어 있습니다. 측경간은 시∙종점부에서

주탑방향으로 43.5m구간에 상부 텐던이, 중앙경간에는 교량 중심 좌우측 57m식 114m구간에 하부 텐던이

배치되어 있습니다. 그러나 이 텐던들은 키세그먼트들이 페합된 후 긴장되는 것으로 FCM이 적용된 모든

유선형 보강형 세그먼트들은 Pre-Stressed Concrete 부재가 아닌 Reinforced Concrete(철근 콘크리트) 부재

상태로 시공하도록 계획되었습니다.3

이는 D사에서 시공 완료한 제2돌산대교에서 이미 적용되었던 설계방법입니다. CEB-FIP Model Code 1990

및 철근콘크리트 구조설계기준에 기반하여 시공중 허용균열폭을 0.3mm로 규정하고 철근 콘크리트 보강형

단면의 시공중 허용모멘트를 역산하여 시공중 발생 모멘트와 비교하였습니다.4

그림 3.1 시공중 모멘트 검토

3) 이동식 거푸집(Form Traveler)의 케이블 가설 후 이동(후런칭)

케이블과 이동식 거푸집의 간섭을 피하기 위하여 이동식 케이블 가설 전에 이동식 거푸집을 미리

이동시키는 일반적인 방법(선런칭)을 적용할 경우, 케이블 설치 위치(지점)로부터 이동식 거푸집 위치가

멀어져 보강형에 과도한 단면력을 발생하게 됩니다. 케이블 가설 후 이동식 거푸집을 이동(후런칭)하는

방법을 적용하여 이런 문제점을 개선하고 슬렌더한 보강형을 꾀하였습니다.

4. 시공시 주요 이슈들

1) 후런칭을 고려한 이동식 거푸집(Form Traveler) 설계

3.3)에서 언급한 후런칭 방법을 구현하려면 Rear Truss가 Bottom Form을 지지하는 기존 방식의 이동식

거푸집을 적용하지 말아야 했습니다. 설계 단계에서 이동식 거푸집 같은 가설 기계 구조물을 상세히

검토하기란 사실상 불가능하기 때문에 발주시 협력사에게 설계 및 기술 검토를 의뢰하였습니다.

협력사에서는 Rear Truss를 과감히 생략하고 Front Truss와 구조물 본체에 매달린 Rail로 Bottom Form을

지지∙이동할 수 있도록 고안하였으며 External Side Form 또한 케이블 정착부 블록과 편구배가 존재하는

3 홍농-백수간 도로(국도 77 호선) 건설공사 설계도 2 권 : 교량 4 홍농-백수간 도로(국도 77 호선) 건설공사 구조계산서 제 2편 칠산대교

Page 4: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

4

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

종점측 측경간 곡선 구간 세그먼트에 적용할 수 있도록 착탈 가능한 2개소의 힌지점(Hinge/Articulation)을

두었습니다.

그림 4.1 후런칭을 위한 이동식 거푸집

2) 보강형 FCM 시공중 균열 완화 방안

4.1)에서 언급한 후런칭 이동식 거푸집 설계를 완료하고 그 중량을 산정(≒103tf)해 보니 설계 단계의

가정값(≒75tonf)과 상당한 차이(≒137%)가 존재했습니다. 설계 단계에서는 표준 세그먼트 무게(≒125tonf)의

60%를 적용하였습니다. 우리 회사의 타 FCM 교량들의 사례를 통하여 세그먼트에 대한 이동식 거푸집 무게

비율(45%~55%)을 확인해 보니 그 값은 합리적이었습니다.

대부분의 FCM 사장교들은 Post-Tensioning Tendon이 적용된 Pre-Stressed Concrete 보강형이나

칠산대교는 3.2)처럼 시공중 철근 콘크리트 보강형입니다. Pre-Stressed Concrete 경우에도 여러 가지 원인

때문에 균열이 발생하니 철근 콘크리트는 말할 나위도 없었습니다.

위 두 가지 주요 원인으로 말미암아 외부 형상관리팀과 공동으로 형상관리용 수치해석 모델에 예정

공정과 시공중 추가적인 하중들을 입력하여 해석하였습니다. 그 단면력을 기준으로 Collins Mitchell이

개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을 변형한 콘크리트 구조설계기준

2012년 산식을 통하여 보강형 전 구간 균열 검토를 수행한 결과, 최대 발생 균열폭이 0.14mm로 산정되어

허용균열폭 0.3mm 미만임을 확인하였습니다.

그림 4.2 주두부 추가 텐던 배치 계획

Page 5: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

5

(Input Data) (Output Data)

그림 4.3 Collins Mitchell RESPONSE 2000 프로해석 과정

3) 케이블에 설치되는 가로등

칠산대교는 다른 사장교와 달리 가로등을 케이블에 설치하도록 계획되어 있습니다. 잘 아시겠지만

케이블은 여러 가지 진동 현상(와류진동, 풍우진동, 갤로핑, 지점가진 등)이 발생하므로 목표 한계 상대

감쇠비를 산정하여 진동 저감 방안을 적용해야 합니다. 그러나 가로등이 달린 케이블에 대한 풍진동 연구

결과가 거의 없어 적용이 애매합니다.

가로등 질량을 모사한 칠산대교 전교 풍동 시험 결과로 가늠하여 적용하는 것으로 결정하였습니다. 정확한

시험 결과로 보기 어렵지만 추후 현장 댐퍼 성능 시험을 통하여 확인될 수 있으니 문제는 없어 보입니다.

우리 회사 가로등 시스템은 풍동 시험을 통하여 풍동학 계수들과 그 성능을 검증하여 프랑스 Normandy에

적용한 사례가 있으니 설계 및 시공 기술자분들께 아래에 간략히 소개합니다.

칠산대교안 Freyssinet 가로등 시스템

그림 4.4 가로등 시스템

4) 평면곡선선형으로 인한 주탑 교축직각방향 캠버 적용

주탑 2번부터 종점측 교대까지는 평면 곡선 선형으로 시공됩니다. 따라서 주탑 2번의 케이블 좌우측

장력과 케이블 현(Chord) 방향도 주탑 2의 교축방향 및 교축직각방향 기준으로 비대칭이게 됩니다. 따라서

교축 방향 및 교축직각방향 변위가 발생합니다. 주탑 2번 교축방향 변위는 형상관리한계 내에 존재하므로

캠버를 적용하지 않고 교축직각방향은 평면 곡선 원심 외부방향으로 적용하였습니다.

캠버를 적용하게 되면 정착점 위치 뿐만 아니라 폼웍튜브(Formwork Tube)방향과 그에 따른 지지 프레임도

Page 6: 1. 들어가며 - admin.midasuser.comadmin.midasuser.com/UploadFiles2/43/2013-08-26161657542.pdf · 개발한 RESPONSE 2000(Gergely-Lutz식 탑재) 프로그램과 CEB-FIP Code식을

6

MIDAS Technical Leader’s Group PSC 케이블 교량의 시공 사례 리뷰 : 칠산대교

일부 변경되어 시공 도면(Shop Drawing)을 작성하여 제작 시공 중에 있습니다.

원 설 계 형상관리 계획

주탑 첨단부 107mm 주탑 첨단부 Max. 200mm

그림 4.5 주탑 2번 교축직각방향 캠버

5. 지금의 모습은?

주탑과 보강형은 현재 병행 시공중에 있으며 주탑 1번은 보강형 3세그먼트까지 주탑 2번은 주두부

세그먼트를 시공 중에 있습니다. 설계 구조적 의도와 부합되고 교량 본연의 안전한 기능과 성능이 최대한

발휘될 수 있도록 최선을 다해 시공하고 있습니다.

그림 5.1 현재 칠산대교 시공 모습