최근 교량설계, 시공분야에서는 강재와 콘크리트의 재료 특성을 효과적으로 이용하는 합성, 복합교량을 선호하고 있다. 합성구조의 대표적인 형식인 콘크리트 충전 강관(CFTㆍConcrete-Filled Steel Tube)은 그림1과 같이 강관내부를 콘크리트로 채워 넣은 합성구조재로, 지금까지 주된 구조재인 강재와 콘크리트의 단점을 보완하고 장점을 극대화하여 뛰어난 구조적 성능을 보여준다. 콘크리트 충전강관을 이용한 합성단면은 콘크리트와 강재 두 가지 재료의 장점을 효과적으로 이용하는 것이 가능하여 빌딩 등의 기둥부재로 많이 이용되어 왔으며, 최근 들어 교량분야에서 교각 및 거더 부재로 많은 관심을 받고 있다. 합성구조체인 콘크리트 충전강관은 일반적인 강재 단면이나 철근콘크리트 단면에 비해서 높은 강도와 큰 강성을 가지며, 합성효과에 의해 역학적으로 우수한 휨 성능을 발휘함이 여러 연구에서 입증된 바 있다. CFT 부재는 강관내부를 콘크리트로 충전함으로써 발생하는 강관과 콘크리트의 상호 구속효과로 부재의 변형능력, 강성 및 내력을 향상시키는 것이 가능하다. 연구에 따르면 그림2와 같이, 빈 강관에 콘크리트의 충전으로 인한 구조적인 효과는 축강성을 50%이상, 휨강성을 10%이상 증가시키는 것으로 알려져 있다. 그러나, 우수한 구조적 성능에도 불구하고 CFT를 이용한 교량공법은 빈강관의 채움작업이 매우 어렵고, 충진성 또한 담보할 수 없다는 점 때문에 국내는 물론이고 세계적으로도 매우 제한적으로 사용되고 있는 실정이다(그림4 참조).

　최근까지 국내 도로상에 시공된 교량의 경간장은 주로 30∼60m 범위이고, 그중 경간장이 50m인 교량이 가장 많이 시공되었다. 적용된 거더의 형식은 강박스, 콘크리트 박스 및 I형 플레이트 거더가 주를 이루는데 이들 거더 형식은 경간 적용범위가 60m 이내로 제한적이고, 단면의 복잡한 상세와 구조적 비효율성으로 인해 시공성 및 경제성에서 불리한 측면이 있다. 따라서 구조적 효율성, 시공성 및 경제성을 도모하면서 적용 경간장을 확대할 수 있는 거더 형식을 개발하기 위한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 최근 들어 국내외에서 여러 가지 거더 형식 중 CFT 단면을 이용한 구조형식이 많은 관심을 받고 있다.

　당사에서 개발한 조립식 충전강관 거더 교량공법(Segmental CFT Girder Bridge)은 분절된 강관의 공장제작시 단위부재별로 콘크리트를 충전하여 현장조립으로만 교량 시공을 가능케 하여 콘크리트 충진작업을 쉽게하고, 충진성을 담보할 수 있도록 고안한 교량시스템으로서, 40~100m 범위인 중·장지간 교량에 적용하기 위한 아치형상의 하현재를 갖는 CFT 트러스 거더 형태(그림3)의 복합교량 공법으로서, CFT의 재료적 특성을 최대한 활용하여 구조적 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 합성교량기술이다. 조립식 충전강관 거더교량은 경량구조물로서 경관성 및 투시성이 뛰어나고, 일반적인 강교량 제작에 필요한 보강재의 수를 대폭 감소시켜 제작과정을 단순화 시킬 수 있으며, 기성제품인 원형강관을 최소한의 공장제작 및 가공을 거쳐 그대로 사용할 수 있다는 점에서 상당한 경제적 이점을 갖는다. 또한 이러한 CFT합성거더교는 교량구조의 단순화, 자중감소 효과, 제작 시공 유지관리 효율화 등의 장점이 부각되어 기존 형식보다 합리적이고 혁신적인 교량형식으로 주목받게 될 것이다.

<그림1>  CFT 개념도

<그림2 > CFT 구조적 효과

　

<그림3 > 아치형상의 하현재를 갖는 트러스 거더형태

　　

　△핵심기술

　1. 조립식 충전강관 합성거더 최적형상

　그림3과 같은 아치형상의 하현재를 갖는 트러스 합성거더 시스템은 하현재의 아치효과를 높이고 각 부재간의 적절한 배치 및 접합으로 구조적 성능을 확보해야 한다. 이를 위해 유한요소 해석(그림5)을 통해 CFT거더의 최적형상을 결정하였으며, 이를 검증하기 위하여 그림6과 같이 실대형 모형거더실험을 실시하였다. 조립식 충전강관교량 기술의 가장 핵심적인 부분은 분할된 각 세그먼트의 이음문제이다. 일반적인 강재의 이음은 용접이음과 볼트이음으로 나눌수 있는데, 주부재와 부부재(사재)사이의 이음은 충분한 소요품질의 확보를 위하여 공장제작 단계에서 용접이음으로 처리하고, 현장에서 이음을 실시하는 주부재간의 이음은 시공성 및 품질확보를 위해 볼트이음을 실시토록 결정하였다. 그림7은 각 부재간 이음부의 부재력 검증을 위한 상세해석을 보여준다. 해석을 통해 산정한 연결부의 구조적 성능은 거더의 실제모형실험을 통하여 확인하였다.

　2. 바닥판 합성 시스템

　조립식 충전강관 거더는 바닥판과 접하는 상현재 부위가 원형강관면으로서 강재플레이트를 이용한 일반적인 공법인 강박스 거더교, 강 플레이트 거더교 등에 비해 상부의 작업공간이 불안정하여, 전단스터드를 통한 바닥판과 거더의 합성시에 시공성 및 안전성이 저하될 수 있는바, 그림8과 같이 별도의 상현재 형상을 고안하여 작업성 및 안전성을 확보하였다. 바닥판과의 합성 후 완전한 교량으로서 구조적성능 검증을 위해 그림9와 같이 20m 실교량 모형실험을 실시하였고, 모형실험 결과 DB-24, DL-24하중의 1등교 교량에 만족하는 구조성능을 발휘하는 것을 확인하였다.

　3. 교량의 연속화를 위한 지점블럭

　거더형식 교량의 경우 단순지지 형식에 비해 지점부를 연속화하여 연속교 형식으로 적용할 경우 구조적, 경제적으로 유리한 교량을 설계할 수 있다. 조립식 충전강관 거더교량 또한 하현재를 지점부에 고정시키는 매립형식이나 핀구조로 지점부를 형성하여 하현재에서 발생하는 아치효과를 극대화시키는 방법을 적용한 단순지지 형식의 교량을 연속화하기 위하여 지점블럭의 형상을 고안하였다. 교각의 연속집점부는 콘크리트 매립식, 핀연결식 등 여러 케이스를 검토하였으나, 시공성 및 경제성을 고려하여 그림10과 같은 강재를 이용한 지점블럭에 상현재와 하현재를 고정시켜 교각위의 받침에 설치토록 하는 강재블럭식 지점형식을 채택하였다. 연속화를 위한 지점 블럭의 성능을 검증하기 위하여 유한요소해석을 실시하였고, 실대형 모형을 제작하여 정적, 동적 성능실험을 실시함으로서 연속화 지점부의 구조성능을 확인하였다.

　△기술개발 현황 및 기대효과

　1. 개발현황

　조립식 충전강관 거더교량의 실용화를 위해 AASHTO LRFD Design Specifications(2010)을 기준으로 단경간 교량과 3경간 연속교 설계를 수행하였다. 설계교량은 그림11과 같은 4거더형식의 단면으로 구성되었으며, 1등교(DB-24, DL-24)로 설계되었다. 해당교량의 경간구성은 중장경간 교량모델 구현을 위하여 60m 단경간과 L=180m 3경간으로 구성하였으며, 교량폭은 편도 2차로를 기준으로 12.6m로 설계하였다. 이와 같은 Sample 교량의 설계로 조립식 충전강관 거더 교량의 적용성을 확인하였으며, 특히, 3경간 연속교는 단위면적당 강재량을 3경간 Steel BOX Girder 연속교(300~320kgf/㎡)보다 35%이상 절감하여 190.5kgf/㎡로 설계가 가능한 것으로 나타나 매우 경제적인 교량시스템임을 입증하였다.

　2. 기대효과

　대우건설 기술연구원에서 개발한 조립식 충전강관거더 기술은 CFT의 재료적 특성을 최대한 활용하여 구조적 효율성과 경제성을 확보할 수 있는 합성교량기술이다. 본 교량기술은 콘크리트충전강관(CFT)을 이용한 트러스 거더 형태의 교량 구조물로서 경관성 및 투시성이 뛰어나고, 일반적인 강교량 제작에 필요한 보강재의 수를 대폭 감소시켜 제작과정을 단순화 시킬 수 있으며, 기성제품인 원형강관을 최소한의 공장제작 및 가공을 거쳐 그대로 사용할 수 있다는 점에서 상당한 경제적 이점을 갖는다. 또한, 60m이상의 중·장경간 교량에 적용할 경우 적절한 분절을 통해 경간에 거의 구애받지 않고 교량의 설계, 시공이 가능하며, 가장 주목할 만한 부분은 표1과 같이 3경간 연속교로 설계한 기존 교량과 비교하였을 경우 20% 이상의 강재량을 절감하고, 이에 따른 공사비 또한 10% 이상 절약할 수 있는 탁월한 경제적 효과를 기대할 수 있다.

　향후 조립식 충전강관거더 교량은 40~60m의 비교적 단경간의 강재교량은 물론, 콘크리트 거더교량의 적용이 어렵고, 일반적인 강재교량의 적용 또한 매우 제한적인 60m이상의 중·장경간 교량에 있어서도 경제성, 시공성, 안전성을 확보한 획기적인 대안이 될 수 있을 것으로 기대한다.

　오현철 대우건설 기술연구원 선임연구원

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