PS강선 및 강봉의 일체긴장시스템을 이용하여 프리스트레스를 도입하는 PSC거더(Bicon거더)의 제작공법● 회사명 : (주)삼현피에프 ● 건설신기술 제603호● 철도시설공단 등록번호 2010-0041 ● 분야 : 구조/교량 ● 등록기간 : 2014-08-07 1. 신기술의 개요 및 특징1.1 공법개요본 공법은 PSC거더교량을 저형고화하는 공법으로, PS강봉과 강선의 일체긴장 시스템을 이용하여 하부플랜지의 폭이 큰 단면의 저형고 거더제작이 가능하며, 다단계긴장을 배제할 수 있기 때문에 시공성 및 안전성이 제고되는 공법입니다.1.2 공법의 특징(1) 일체긴장 시스템의 필요성현재 가장 많이 사용되고 있는 PSC거더교량을 동일한 단면으로 경간장이 더 큰 교량에 적용한다면, 도입할 수 있는 프리스트레스량은 제한적인데 반해 외력에 의한 응력은 크게 증가합니다. 이에 따라 거더 상연에서는 압축응력이 허용 응력을 초과하고, 거더하연에는 인장응력이 허용값을 초과하게 됩니다. 이러한 응력초과 문제를 해결하기 위하여 IPC, eBeam 등의 기존 저형고 PSC공법들은 거더상연의 단면을 확장한 벌브T형 단면을 사용하고, 다단계 긴장을 적용합니다.기존의 저형고 PSC 거더공법에서는 주요공정인 2차 긴장작업이 교각위에서 이루어지기 때문에, 작업이 진행되는 장소가 고소일 뿐만 아니라 협소하기 때문에 시공관리가 매우 어렵고, 무게중심과 도심이 높은 벌브T형 단면을 적용하기 때문에 시공 중에는 거더의 전도위험성이 크고, 바닥판이 타설된 후에는 휨강성이 작아 사용성이 저하되는 문제점이 있습니다.(2) 일체긴장 시스템일반 PS강선을 이용하여 도입되는 프리스트레스는 축방향성분과 휨모멘트 성분이 함께 존재하기 때문에 거더하연에는 큰 압축프리스트레스를 도입할 수 있지만, 거더상연에 도입되는 인장응력은 매우 미미하기 때문에, 거더 상연의 압축응력초과 문제를 일반 PS강선를 이용하여 개선하는 것은 매우 어렵습니다. 일본의 바이프레(BiPre)공법은 거더상연에 PS강봉을 배치하여 프리스트레스를 도입함으로써, 이러한 문제점을 개선한 공법으로, 1985년 이래로 600여개 이상의 교량에 적용된 공법입니다.바이프레공법의 개념도본 신기술은 이 바이프레(BiPre)공법의 시공 및 구조안전 측면에서의 문제점을 크게 개선한 것으로 PS강봉과 강선을 별도로 긴장함에 따른 시공성 저하와 많은 PS강봉과 강선 각각에 대하여 정착부보강이 필요한 것을 획기적으로 개선한 공법입니다. Bicon거더 개념도 본 신기술에서의 일체긴장시스템이란 PS강봉과 강선이 일체긴장연결구에 동시에 정착되도록 함으로써, 강선과 강봉이 일체로 긴장되는 시스템을 의미합니다.이러한 일체긴장 시스템을 적용하기 때문에 강봉을 이용하여 프리스트레스를 도입하기 위한 별도의 장비가 필요 없을 뿐만 아니라 강봉 긴장보강부 및 정착보강부, PS강선 정착보강부를 생략할 수 있습니다.(3) 일체긴장 시스템의 효과강봉을 이용하여 프리스트레스를 도입하면, 거더상연의 압축응력을 완화하는 프리스트레스를 도입할 수 있게 되어, 벌브T형 단면을 적용하지 않을 수 있게 됩니다.또한 거더상연을 보강하는 재료를 하부플랜지에 적용하여 거더하연에 발생하는 인장응력 초과의 문제도 해소할 수 있기 때문에, 다단계 긴장도 배제할 수 있게 됩니다.1.3 공법의 장점(1) 효율적인 단면구성거더교는 주로 바닥판이 거더상연에 합성되어 공용되는 상로교로 활용하게 되는데, 벌브T형의 단면을 적용할 경우 바닥판이 합성된 공용교량의 단면은 연직 하중 저항성능이 우수한 단면이 아닐 뿐만 아니라 제작중에는 거더의 무게중심이 높아, 가설공정과 바닥판 타설공정시에 거더전도의 위험이 크게 됩니다.이에 비하여 역T형의 형상을 적용하는 본 신기술의 경우 무게중심 및 도심이 낮아 시공 중에는 전도의 위험이 낮고, 공용중에는 바닥판과 결합하여 거더강성 (단면2차모멘트)이 증가하여 처짐 및 진동성능이 우수한 교량을 시공할 수 있게 됩니다.(2) 시공성 증가프리스트레스의 도입은 PSC거더교의 제작에 있어 핵심이 되는 공정입니다. 이 공정이 협소하면서 고소인 곳에서 이루어져 관리가 어렵다면, 품질관리의 불편은 물론 거더의 성능을 보장할 수 없습니다. 또한 긴장단계에서 바닥판 콘크리트 강도의 불확실성과 바닥판 콘크리트가 프리스트레스를 도입하기에 적절한 고강도 콘크리트가 아닌 점을 고려하면, 다단계 긴장을 배제하는 것은 시공성 제고를 위한 필수적인 요소입니다. 따라서 일반 PSC거더와 동일하게 제작장에서 모든 긴장작업이 이루어지는 본 신기술은 시공성이 매우 우수한 공법입니다.(3) 유지관리성능: 바닥판 교체활하중을 직접 지지하는 바닥판은 교량거더에 비해 공용수명이 낮은 것으로 알려져 있습니다. 다단계 긴장을 적용하는 공법의 경우에는 2차긴장으로 도입된 긴장력을 제거하지 않은 상태에서 바닥판 교체를 위해 바닥판을 제거하게 되면, 거더가 과긴장상태에 놓이게 되어, 교량 안전성에 큰 문제를 유발할 수 있습니다. 이러한 점은 다단계 긴장을 적용하는 공법의 공통된 단점입니다. 본 신기술의 경우 다단계 긴장 배제로 인하여 과긴장 우려없이 바닥판교체가 가능하므로 유지관리성능이 우수합니다.1.4 기존공법과의 비교 기존공법과의 비교 비교항목 건설신기술 603호 (Bicon거더) 건설신기술 453호 (IPC거더) 건설신기술 517호 (E-Beam) 특징 일체시스템 적용 1단계 긴장 도입 역T형 단면 바닥판 타설 후 2차 긴장 Bulb-T형 단면 거치 후 23차 추가 긴장 Bulb-T형 단면 형고(35m기준) 2.60m 2.80m 2.80m 공사기간 (10본 포장전기준) 50일 65일 (바닥판양생 후 추가긴장 및 그라우팅) 65일 (바닥판양생 후 추가긴장 및 그라우팅) 시공성 역T형 단면적용 가설시 전도/추락 위험 최소화 가설 후 별도 긴장 없음 Bulb-T형 단면으로 가설시 전도/추락위험 가설 후 고소작업의 추가긴장 필요 Bulb-T형 단면으로 가설시 전도/추락 위험 가설 후 고소작업의 추가긴장 필요 유지관리 바닥판 교체 가능 (별도 이완긴장 불필요) 바닥판 교체 불가 바닥판 교체 불가 유지보수용텐던 (내하력저하시) 있음 있음 있음 비 고 철도 2010-0041호 철도 2007-0001호 철도 2007-0007호 2. Bicon거더의 시공절차 및 방법1) 철근, 쉬즈 조립 및 강봉 삽입정지작업이 완료된 현장에 베드를 설치하고 철근 및 쉬스관을 설치한다. 강봉용 쉬스관에는 강봉을 삽입한다.2) 거푸집 조립 및 콘크리트타설 / 양생강재 거푸집을 조립하되 일체긴장 연결구를 설치할 양 단부에 는 블록아웃 되도록 마감판을 설치한 후 콘크리트를 타설하고 양생포를 덮어 증기양생을 실시한다.3) 프리스트레스 도입 일반긴장구 및 일체긴장연결구에 긴장력을 도입한다.4) 거더 및 바닥판 타설 쉬스관의 그라우팅 및 양 단부의 블록아웃부를 마감처리한다.3. Bicon공법의 구조성능3.1 안전성(1) 구조성능 검증본 공법은 국토해양부의 과제(06건설핵심C10)로 선정되어 개발이 진행된 공법으로 3년간 다양한 연구와 실험이 수행되었습니다. 연구에 참여한 기관은 전문 연구기관인 포항산업과학연구원과 한국철도기술연구원을 비롯하여, 유신코퍼레이션과 포스코건설이 참여하여 연구를 진행하였으며, 일체긴장 연결구 실험, 사각보실험(8m,4EA), 실모형 거더실험체(20m,2EA), 실교량모형 실험체(30m,1궤도), 현장재하실험 등의 실험을 수행하였으며, 다양한 해석적인 검증도 수행하였습니다.(2) 철도교량 동적성능연구기관으로 참여한 한국철도기술연구원의 자체개발 프로그램을 활용하여, 국내에 적용되고 있는 다양한 철도하중에 대하여 속도별로, 동적성능검증을 수행하였습니다. 교량과 열차의 상호작용을 고려한 동적성능 검증결과, 일반철도는 물론 고속화되는 철도와 고속철도교에서도 적용할 수 있는 동적성능을 확보한 표준단면을 선정하였습니다. (3) 효율적인 단면활용본 신기술로 제작되는 거더는 벌브T형 단면을 사용하는 기존의 저형고 PSC거더와 달리 역T형 단면으로 제작됩니다. 이에 따라 거더의 무게중심과 도심이 낮아 시공중에는 전도를 예방할 수 있으며, 공용중에는 처짐, 진동 및 변동응력이 15%가량 감소되기 때문에 민원발생을 줄일 수 있고, 피로성능도 우수한 장점이 있습니다.3.2 시공성본 Bicon거더는 보편적으로 사용되는 일반 PSC거더와 제작공정이 동일하며, PSC거더의 주요공정인 프리스트레스의 도입작업이 시공관리가 편리한 제작장에서 모두 이루어지므로 품질관리가 용이하여 우수한 성능의 거더제작이 가능할 뿐만 아니라 공사기간도 단축됩니다.이와 달리 유사공법인 다단계 긴장을 적용하여 형고를 낮춘 PSC거더는 제작장에서 1차로 프리스트레스 도입이 이루어지고, 바닥판 타설 후에 고소에서 2차 긴장작업이 수행됩니다. 2차 프리스트레스 도입공정은 크레인 등에 의한 고소작업으로 이루어져 시공이 어렵고, 안전에 문제가 있으며, 품질관리가 곤란할 뿐 만 아니라 공사기간도 길어지게 됩니다.3.3 유지관리성능(1) 바닥판 교체 용이통상적으로 활하중을 직접 지지하는 바닥판은 교량거더에 비해 수명이 낮은 것으로 평가됩니다. 따라서 교량의 공용중에 두세차례 정도 바닥판 교체작업을 수행하는 것은 불가피한 유지관리사항입니다. 그러나 다단계 긴장을 적용한 공법들은 이러한 바닥판 교체에 주의를 기울여야 합니다. 다단계 긴장공법은 한번에 프리스트레스를 도입하면 PSC거더하연의 압축초과를 유발할 수 있는 크기의 프리스트레스를 2차례로 나누어 긴장하는 공법입니다. 즉 1차로 프리스트레스를 도입한 후, 바닥판이 외력으로 작용하여 PSC거더에 도입된 프리스트레스를 감소 시킨 후, 2차로 추가의 프리스트레스를 도입하는 공법입니다.이에 따라 2차로 도입된 프리스트레스를 제거하지 않은 상태에서 바닥판 교체를 위해 바닥판을 제거할 경우, PSC거더는 과도한 프리스트레스가 도입된 상태가 되어, 교량의 안전성을 침해할 수 있습니다. 이에 따라 다단계 긴장거더공법으로 시공된 교량의 바닥판 교체는 신중을 기해야 하며, 이러한 문제점은 주행차량의 위치가 고정되어 있는 철도교량에서 가중될 수 있을 것으로 보입니다.본 신기술의 경우 다단계 긴장을 배제하였기 때문에, 거더의 과긴장상태에 대한 걱정없이 바닥판을 교체할 수 있으며, 이러한 점을 감안할 때 다단계 긴장공법을 적용하고 있는 거더들에 비하여 유지관리성능이 매우 우수한 공법입니다.(2) 유지관리장치 삽입프리스트레스를 도입하는 공법의 경우, 예기치 못한 이유로 인하여, 프리스트레스가 손실될 가능성이 있습니다. 이에 따라 프리스트레스를 도입하는 공법의 경우 손실된 프리스트레스를 보상할 수 있는 유지관리용 텐던을 배치하는 것이 유익한 것으로 알려져 있습니다.본 신기술의 경우, 문제가 발생할 경우 명확하게 적용할 수 있는 유지관리텐던을 배치하고 있기 때문에, 우수한 유지관리 성능을 가진 공법입니다.3.4 시장성설계 및 시공 현장에서 일반적으로 가장 많이 적용되고 있는 기존 PSC거더와 다단계 긴장 저형고 PSC거더인 IPC와의 형고 및 공사비 비교 결과 일반 PSC거더에 비해서는 강봉 물량이 추가되기 때문에 공사비 절감효과는 작으나 형고절감은 30%이상 가능하였으며 IPC거더에 비해서는 지간에 따라 형고는 5~10%를 저감시킬 수가 있었으며 다단계긴장이 배제되기 때문에 10~20%정도 공사비 감소 효과가 있는 것으로 나타났습니다.4. 시공실적 및 활용분야4.1 시공실적(1) 현장적용실적 현장적용실적 연번 공사명 교량명 발주처명 시공자명 공사기간 1 의정부시 관내 국도대체 우회도로(장암~자금) 건설공사 자금IC R-C1교 서울지방 국토관리청 삼현피에프 2009.9.19 2009.10.18 2 수원시 관내 국도대체 우회도로(분천~송산) 건설공사 안녕3교 서울지방 조달청 삼현피에프 2009.11.12 2009.12.7 3 우금저수지간 도로개설공사 우금1교 코리핸랜드 삼현피에프 2009.3.6 2009.3.25 4 화북다목적댐 건설공사 中 하류생태공원 진입교량 설치공사 화북교 한국수자원 공사 삼현피에프 2010.6.16 2010.7.31 5 S-OIL ULSAN REFINERY EXPANSION PROJECT S1 S-OIL 삼현피에프 2010.11 (제작완료) (2) 설계실적 설계실적(2010년 10월 기준) 건명 교량명 발주처 설계사 (감리사) 비고 여주~충주~문경 (감곡~충주)간 철도건설공사 연동제1교 한국철도시설공단 ㈜한국철도 기술공사 철도교 서해선 화양원시 타당성 조사 및 기본계획 국토해양부 ㈜유신 철도교 부전마산 BTL 기본설계 한국철도시설공단 ㈜하경ENG 철도교 초지대교~인천(2-2공구) 도로개설공사 백석대교 인천광역시 종합건설본부 ㈜다산컨설턴트 도로교 본오~오목천간 제2공구 도로확포장공사 본오교 어천교 경기도건설본부 ㈜경화ENG 도로교 울산~포항간 고속도로 건설공사 문덕교 한국도로공사 ㈜경호ENG 도로교 상주~영덕간 고속도로 건설공사 상직3교 신기천교 한국도로공사 동부ENG㈜ ㈜삼안/㈜건화 도로교 행정중심복합도시 건설사업 용포교 한국토지주택공사 ㈜동호 도로교 부산외곽순환 고속도로 실시설계 용천교 한국도로공사 ㈜이산 도로교 마산천 하도정비사업 마신교 논산시 ㈜은광 도로교 흥해~기계2 국도건설공사 화대천교 서포항IC교 부산지방 국토관리청 ㈜동아기술공사 도로교 4.2 적용 가능 분야. 25m~35m 내외의 철도교량(일반철도교, 고속화철도교, 고속철도교).. 20m~50m 내외의 도로교량 및 과선교량. 국도, 철도 또는 하천을 횡단하는 교량. 홍수재해 예방을 위해 통수단면 확보가 필요한 교량. 순환고속도로와 같이 도심지를 통과하는 고속도로 상의 고가차도4.3 해외진출 가능성본 신기술인 Bicon공법은 일본의 바이프레 공법보다 시공이 간편하고, 정착부 보강상세가 불필요하여 우수한 공법이라 할 수 있습니다. 이러한 사실은 해외특허를 출원하여 중국내 특허를 확보한 것으로도 확인할 수 있으며, 중국 국내시장 특허를 기반으로 중국에의 진출이 가능할 것으로 판단됩니다. 더욱이 특수한 장비가 필요하지 않아, 해외의 다양한 공사 환경에서도 충분히 시공이 가능하기 때문에, 중국 및 동남아와 같이 개발도상국의 해외건설시장에 건설기술 수출 효과를 창출할 수 있을 것으로 예상됩니다.5. 결 론본 공법은 PSC거더에 일체긴장 시스템을 적용하여 다단계 긴장을 배제하고 역T형단면을 적용할 수 있도록 한 공법입니다. 이에 따라 시공성 및 사용성을 제고하고, 경제성을 확보한 공법입니다.뿐만 아니라 본 공법은 국토해양부의 과제(06건설핵심C10)로 선정되어 개발이 진행된 공법으로 3년간 다양한 연구와 실험, 자문과 평가(최종평가 A등급)를 거치면서 완성도가 제고된 공법으로 다양한 분야에 활용할 수 있을 것으로 예상됩니다.[출처 : 한국철도시설공단 등록신기술자료]