우수 신기술 (주)인터컨스텍 단계적 긴장력 도입에 의한 PSC I형 거더의 제작기술
우수 신기술 (주)인터컨스텍 단계적 긴장력 도입에 의한 PSC I형 거더의 제작기술
  • 승인 2001.12.29 00:00
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기존 PSC빔 대비 거더 높이 낮아 가설시 안전성 크게 향상
시공성/경제성 탁월, 보수보강성 뛰어난 교량건설 우수 신기술

교량의 상부구조에 PSC I형 거더를 이용한 합성형 교량은 지난 50년대 초 미국에서 처음 개발되어 국내에는 60년대에 도입, 간편한 설계 및 시공과 저렴한 공사비용으로 순경간 30m 내외의 도로교 및 철도교 등에 많이 적용되어 현재까지도 광범위하게 시공되고 있다.
한편 1980년대 이후부터는 경제 발전과 자동차 산업의 급격한 발달로 인하여 도로의 폭이 넓어짐에 따라 입체교차로나 고가도로의 지간은 40m이상의 장경간이 요구되는 경우가 일반적이 되었을 뿐 아니라, 화물운송차량의 대형화에 따라 차량통과 높이 확보를 위해 높이가 낮은 거더의 필요성이 더욱 증대되게 됐다.
이에 따라 PSC 박스교나 강박스교 등이 40~60m 경간에 널리 사용되고 있으며 형고가 낮은 Preflex교 또한 널리 사용되고 있다.
특히 하천이나 계곡 등과 같이 시공 환경이 불리한 곳에서 교각의 개수를 줄임과 동시에 공사비 및 공기면에서 유리하도록 가급적 긴 경간의 교량 건설이 많이 요구되고 있는 실정이다.
그러나 이와 같은 경간장 40~60m이상의 장경간 교량은 일반적으로 공사비가 고가이며 시공관리 및 품질관리 면에서 불리하고 준공 후 사용단계에서 유지관리비용이 많이 소요된다는 단점을 지니고 있다.
이에 비해 PSC빔교는 오랜 시공경혐과 함께 간단한 설계 및 시공으로 다른 교량형식에 비해 상대적으로 경제적인 교량 가설이 가능해 이러한 특성을 살려 오래 전부터 PC빔교의 장경간화와 함께 구조적으로 유리한 연속교 시공에 대한 연구가 계속되고 있다.
이와 같이 거더의 높이가 낮으면서도 장경간화가 가능한 경제적인 프리스트레스트 콘크리트 거더의 필요성이 절실하게 요구됨에 따라 (주)인터컨스텍에서는 단계적 긴장력 도입에 의한 PSC I형 거더의 제작기술(이하 IPC 거더)을 개발, 현재 한국도로공사 등 도로건설사업에 적극 활용하고 있다.
IPC 거더는 건설교통부 신기술 제221호로서 이미 학계는 물론 건설업체 등에서 가장 보편화된 장경간 교량가설 기술로 평가받고 있으며 현재 (주)인터컨스텍는 국내는 물론 해외시장에도 적극 진출하기 위해 다양한 활동을 전개하고 있다.

IPC 거더의 개요 및 원리

IPC 거더는 기존 P.S.C 거더의 단점인 자중과 형고를 감소시키기 위해 시공단계별 하중 상태를 고려해 긴장력을 단계적으로 도입할 수 있도록 설계■제작함으로서 거더의 형고와 자중을 줄이는 효과와 장경간이 가능하도록 했다.
기존 P.S.C 거더의 설계개념은 초기 긴장력으로 사하중이 작용하는 초기 상태에서의 응력과 함께 활하중이 작용하는 최종 상태에서의 응력이 동시에 허용응력 이내에 들도록 설계함으로서 형고 및 경간장에 한계가 있는 것이 현실이다.
IPC 거더의 2차 긴장은 슬래브에 인장 균열이 발생하는 것을 방지하기 위해 슬래브가 완전히 경화한 후 즉, 거더와 슬라브가 합성된 후에 실시한다.
2차 긴장 작업은 단독 인장기를 사용해 실시하게 되는데 단독 인장기는 그 무게가 15kg 정도로 가벼워 작업성이 좋아 효과적인 2차 긴장작업이 가능하다.
현재 미국에서 개발된 가장 최신형의 거더는 NEBT(New England Bulb Tee)로서 1997년 12월에 개발을 완료하여 미국의 동북부 지역을 중심으로 널리 보급되고 있으나 IPC 거더는 NEBT보다 형고를 30%정도 낮추거나 20% 이상의 장경간이 가능한 가장 진보된 기술의 거더라고 할 수 있다.

구조설계 및 시공순서

IPC거더(Incrementally Prestressed Concrete Girder)는 기존에 도로교나 철도교에서 널리 사용되고 있는 PSC빔의 자중과 형고를 감소시키고 경간장을 보다 길게하기 위해 교량시공단계별 하중증가를 고려하여 긴장력을 단계적으로 도입할 수 있도록 설계, 제작하는 새로운 개념의 PSC거더이다.
기존의 PSC빔이 초기에 도입하는 단 한번의 긴장력 만으로 모든 설계하중을 받도록 하였으나 IPC거더는 거더제작단계 및 상부슬래브 콘크리트 경화 후의 2회에 걸쳐 긴장력을 나누어 도입시킴으로서 재래의 방법보다 효율적인 긴장력 도입이 가능하여 형고를 낮출 수 있을 뿐만 아니라 경간장을 길게 할 수 있다. 또한, 연속교에 있어서도 지점부에 프리스트레스를 도입할 수 있어 구조적으로 매우 유리한 새로운 PSC거더 교량 가설공법이다.

IPC 거더와 타공법과의 비교

먼저 PSC빔과 IPC 거더의 공법상 비교를 하면 기존 PSC 빔은 모든 설계하중을 받도록 빔 제작시 단 1회의 긴장력을 도입하고 있은 반면 IPC 거더는 시공단계별 하중증가를 고려해 단계적으로 긴장력을 도입할 수 있다는 차이점이 있다.
이와 함께 기존 공법의 적용경간장 및 형고가 25m~30m(형고 1.75m~2.3m)에 불가한 것을 IPC 거더는 20m~50m(형고 0.9m~2.3m)까지 낮출 수 있다는 장점이 있으며 처짐과 균열에서도 IPC 거더는 사용하중하에서 지간 중앙부 전단면 압축상태의 허용응력 제한치 이내로 설계해 균열에 대한 안전성이 높은 것으로 나타나고 있다.
뿐만 아니라 IPC 거더는 기존 PCS빔과 유사항 공정으로 제작 및 거치가 간단하고 연속교 적용시 2차강선을 지점부까지 연결시켜 긴장함으로서 연속화가 가능하여 연속교 시공이 용이하다는 장점이 있다.
또한 기존 PSC빔 대비 거도 높이가 낮아 가설시전도사고의 위험성이 낮으며 거더에 내장된 여유분의 비부착 강선을 이용해 필요시 보수보강이 용이하다는 특징이 있다.
그러나 IPC 거더는 곡선교 적용에 제한이 있으며 거더 거치후 2차 긴장의 공정이 추가된다는 단점이 있다.

경제성

IPC 거더는 세계 최장의 경간과 최저의 형고를 실현한 새로운 개념의 다단계 긴장형 PSC I형 거더로서 기존의 표준화된 PSC I형 거더 이외에 지간 40~60m 규모의 중장경간 교량에 널리 채용될 수 있다.
뿐만 아니라, 미관적으로 우수하면서도 장경간 시공이 가능하다는 특성으로 공장, 주차 장, 강당, 체육관 등 건축분야에도 폭 넓게 사용될 수 있는 등 그 적용범위는 실로 광범위한 것으로 평가되고 있다.
또한, IPC 거더는 국내 독자적으로 개발된 기술로서 지금까지 해외 기술에 의존해 오던 교량 건설 기술을 미국, 일본, 유럽을 비롯한 전세계 건설 시장에 수출할 수 있게 됨으로서 경제적인 측면에서 연간 3조~4조원에 달하는 국내 교량, 고가도로 건설비용을 최소한 20%정도 절감할 수 있을 것으로 기대되며, 수백 억 달러에 달하는 경간 60m이하의 세계 교량 건 설시장을 석권할 수 있는 교두보를 마련할 것으로 기대되고 있다.
국내 교량 건설 현황과 세계최대의 건설시장인 미국의 교량건설 현황을 비교해 보면 국 내의 경우 강박스 거더교가 전체 교량 형식의 51%를 점유하고 있으나 미국에서는 PSC 교량 이 1950년대 이후 급속도로 증가하여 1990년대 들어 전체 교량 건설시장의 절반 이상을 차 지하는 것으로 보고되고 있다.
이것은 미국의 경우 PSC 거더에 대한 단면 최적화의 연구개발이 꾸준히 진행됨으로서 경 간장 30m이상 교량에 시공성과 경제성이 뛰어난 PSC 거더가 폭 넓게 시공되기 때문인 반면 국내에서는 경간장 30m이상의 교량에 적용할 수 있는 PSC 거더의 개발이 미약했기 때문인 것으로 판단된다.
이와 같이 경제적이며 장경간 시공이 가능한 PSC 거더가 널리 보급되면 장기적으로 프리 스트레스트 콘크리트 교량이 강교를 대신하여 교량건설의 주된 공법이 될 것이며 대부분 수입에 의존하고 있는 철광석을 대체하여 국가의 외화 절약에도 커다란 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다.

향후 전망

(주)인터컨스텍은 International Construction Technology 의 약자로써 건설 신기술 및 신공법을 개발하기 위해 설립된 벤처 기업이다.
(주)인터컨스텍는 토목분야에서도 특히 교량관련 기술을 집중적으로 연구개발하고 있으며, 이번에 개발한 IPC 거더는 세계 최장의 경간과 최저의 형고를 실현한 새로운 개념의 다단계 긴장형 PSC 거더로서 국내시장은 물론 세계시장에서도 독점적 지배력을 가질 것으로 예상되고 있다.
또한 IPC 거더 기술을 응용 발전시켜 건축물에의 적용기술 및 연속교 건설기술 개발과 공장생산이 가능한 거더 개발을 추진 중에 있으며 연구개발에 더욱 큰 비중을 두는 선도적 건설기술 개발회사로 발전시켜 나갈 계획이다.
한편 (주)인터컨스텍은 현재 한국도로공사를 비롯해 건설교통부 산하 지방국토관리청 등에서 발주한 다수의 도로건설사업에 설계적용 및 시공에 참여하고 있으며 향후 전 도로건설분야에서 적극 도입될 것으로 전망하고 있다.

제발제품 개요

거더(Girder) : 빔(Beam)이라고도 하며 교량이나 고가도로의 교각과 교각사이에 걸쳐놓고 교량 상판(슬래브)을 지지하는구조물로써 교량상판 무게와 상판위를 통행하는 차량의 하중을 지탱해야 하기 때문에 고도의 역학적인 설계로 제작되는 교량의핵심기술로 프리스트레스트 콘크리트 제품이나 STEEL 제품이 주종을 이루고 있다.
프리스트레스트 콘크리트 거더(PSC 거더) : 거더를 교각에 설치 하기전에 거더속에 내장된 강선에 미리 긴장(프리스트레스)을 주어 사하중(거더자중 및 교량상판 무게)과 활하중(차량통과하중)을 견딜수 있게 제작된 콘크리트거더이며 긴장력은 단 1회만 가하게 된다.
IPC 거더 : PSC 거더와는 달리 강선의 긴장력을 시공단계의 하중증가에 맞추어 단계적으로 수차례 도입하는 프리스트레스트 콘크리트 거더로써 거더의 높이와 단면적을 줄이는 효과를 갖추면서도 장경간 시공이 용이한 새로 개념의 획기적인 PSC 거더이다.



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