콘크리트 빔으로 보강된 파형강판 합성구조물의 거동

Abstract

국내에서 사용되고 있는 기존의 파형강판 구조물은 4mm∼8mm 두께의 플레이트와 뒤채움재로 구성된 지반-플레이트 합성 구조시스템으로서 다양한 토목구조물에 적용되고 있다. 기존 파형강판 구조물은 단지간(10m로 제한)에 사용되어 왔으며, 그 사용목적상 장지간의 필요성에 따라 대골형 파형강판 구조물이 개발되었으나, 지간 19m로 제한되어 사용되어 왔다. 최근에는 파형강판의 사용이 점차 증대됨에 따라 국내에서 19m 이상의 장지간 확보에 대한 연구가 필요한 실정이다. 이 연구에서는 파형강판 구조물이 장지간화 됨에 따라 부족한 압축력을 보강하기 위하여 기존 대골형 파형강판에 횡방향 보강재를 콘크리트로 빔 보강하여 부족한 축강성을 보강하고, 19m로 제한되어 사용한 구조물을 20m이상의 장지간화에 적용하였다.

이 연구에서는 장지간을 위한 신개념 콘크리트 빔 보강공법을 제안하였다. 제안한 콘크리트 빔 보강공법의 설계법을 검증하기 위해 기존의 캐나다도로교설계기준에 대해서 검토하고, 캐나다강구조학회에서 발간한 강구조물의 한계상태 설계법에서 콘크리트 강합성 빔에 대한 설계기법을 부분 적용하여, CBR 파형강판 합성구조물 특성에 맞는 설계기법을 제안하였다. 적용 지간은 낮은아치 구조물 및 반원아치 구조물을 대상으로 하여 지간 21m이상 25m까지 적용하였으며, 제안된 설계기법의 검증을 위해 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 3차원 유한요소해석에서는 기존의 파형강판 자체 구조물만 해석할 경우 사용된 등가단면해석과, 콘크리트로 빔 보강됨에 따라 보강영역과 비보강영역에 의해 3차원 입체단면을 고려한 유한요소해석을 수행하여, CBR 파형강판 합성구조물 설계방법의 타당성을 검증하였다. CBR 파형강판 합성부재의 성능평가 실험에서는 실제 콘크리트로 빔 보강된 파형강판 합성부재를 제작하여 제작된 실험체의 파괴거동을 분석하였다. 도출된 실험값은 앞서 수행한 설계 압축력과 입체단면을 고려한 유한요소해석값과의 비교분석을 통하여 최종적으로 안전계수를 도출하였다.

도출된 안전계수는 일반적인 안전계수값 2.0을 기준으로 적절한 토피고, 적용 가능한 지간길이 및 콘크리트 빔 보강 간격을 확보 하였다. 결과적으로 콘크리트로 빔 보강됨으로서 기존의 파형강판 구조물에 비해 축력에 대한 강성이 확보 되었고, 일부구간을 제외하고 지간 25m까지 적용 가능한 것으로 분석되었다.

또한, 콘크리트 빔 보강 반원아치 구조물과, 낮은아치 구조물을 대상으로 일반적으로 가장 많이 사용되는 RC 라멘 구조물과의 경제성 분석을 수행한 결과, 대상구조물에 따라 차이는 있지만, RC 구조물에 비해 17%～40%이상 공사비 절감에 따른 기대효과가 있는 것으로 나타났다.