합성라멘 공법의 과제 - 설계기준의 일원화

최근 몇 년 새 개량형 PSC거더나 강합성거더 등 교량 거더 기술의 발달로 과거에 비해 저형고화, 장지간화되고 있다. 이는 하천 정비사업 등 중소하천의 교량 설치 적용성에 있어서 괄목할 만한 성장을 가져왔다.

개량형 PSC거더나 강합성 거더를 이용해 교좌 장치 없이 라멘화 시킨 공법을 합성라멘교라 일컫는데, 라멘교의 형식을 따르기 때문에 신축이음장치도 사용하지 않는다. 결국 교좌장치나 신축이음장치 교체 등의 유지보수가 필요치 않는 장점을 장착시키고, 여기에 각기 다양한 특허기술을 접목시킨 전문시공업체들의 합성라멘 제품들이 국내 지방 중소하천에서 교량의 대부분을 대체해 가고 있다.

합성라멘이 출현하기 전 교량에 주로 쓰이던 라멘교량의 형식은 15m~20m 정도의 규모에 사용되던 RC라멘교 형식인데, RC슬래브는 교각 또는 벽체와 강결되며, 슬래브를 시공하는 동안은 동바리를 사용하여 상부구조와 하부구조가 타설되어 강결되기 전까지 떠받치게 된다.

반면에 합성형라멘은 미리 제작된 거더를 지상에서 들어올려 단순보 거동이 가능하게 하부구조와 연결 또는 거치 시킨 다. 그다음 거더 위에 바닥판 콘크리트와 지점부 콘크리트를 타설한 뒤 이것들이 경화 되어 상부구조와 하부구조가 강결 되면서 비로소 합성라멘교가 완성되게 된다.

앞서 기술된 시공 순서에 따라 교량의 구조계도 결정이 되는데, RC라멘교의 상부슬래브를 시공한 후 동바리를 제거하면 단부에 부모멘트가 발생하게 된다.

반면에 합성라멘교의 경우, 하부구조와 강결되기 전까지 거더 및 바닥판 하중 등 합성전 고정하중에 의한 단부 또는 지점부의 부모멘트 억제가 가능하게 되며, 하부구조와 강결 합성 후 추가되는 하중(포장, 방호벽, 활하중 등)에 의해 발생하는 부재력만을 설계에 반영하면 된다.

아래 그림은 이런 구조계를 잘 설명해주고 있다. 아마도 대부분의 합성라멘교 형식이 이런 구조계를 갖고 있을 것이다.

이렇게 효율적이고 경제적인 공법은 분명 시장의 새로운 선두주자로 자리매김하기에 충분하지만, 그에 걸맞게 공법의 특성에 부합되는 설계기준이 요구된다.

합성라멘교 시장은 공법심의 제도가 시행된 이래 이런 공법을 보유한 수많은 전문시공업체들의 치열한 각축장이 되고 있다. 그런데 각 공법 별 보유하고 있는 특허기술은 차치하고, 이 공법이 꼭 갖춰야 할 일반적인 사항에 대해서는 명확하고 통일성을 갖는 해당 설계기준의 정립이 필요하다.

각기 다른 특허기술이 접목된 합성라멘은 구조 해석이나 설계 방법에 있어서 합성라멘 제품에 따라 서로 다른 방법을 사용하고 있다.

A사의 합성라멘교 제품의 경우, 일반 RC라멘교의 설계법과 같이 교량에 작용하는 하중이나 교량의 단면 물성치 등을 단위 폭(m)으로 환산하여 해석하는가 하면,

B사의 합성라멘교 제품의 경우, 교량을 거더의 개수만큼 구성된 격자모델에 각 거더가 부담하게 되는 상부하중을 횡분배법을 통해 분배하여 재하한 후 발생되는 부재력을 거더의 유효폭 단면으로 설계를 한다.

벽체하단에서의 지점조건도 다양한 차이를 보여주는데,

기초형식이 말뚝인 경우,

• 벽체 하단에 지점 조건을 부여할 때 6자유도계를 모두 FIX로 하여 해석하는 방법,

• 말뚝의 강성과 지지되는 지반조건을 고려하여 벽에 하단과 강결된 절점의 6자유도계에 스프링 강성을 적용하여 해석하는 방법,

• 확대기초와 강결한 말뚝 모델링에 지반의 탄성계수를 적용하여 해석하는 방법 등이 있다. 이는 말뚝의 설계에도 영향을 준다.

직접기초 형식의 교량일 경우, 지점조건을 FIX로 부여한 고정지점으로 해석한 경우에는 발생 부재력이 큰 차이가 없겠지만,

말뚝기초일 경우, 같은 규모의 구조물일지라도 발생되는 부재력의 차이는 상당하고, 말뚝의 개수 또한 큰 차이를 보일 것이다.

2010년대 들어 도로교설계기준에서는 확률론적인 구조물의 신뢰도를 기반으로 한 한계상태설계법이 국내에 도입되었는데, 그 뒤로 설계에 제대로 반영되기까지는 적지 않은 시간이 소요됐지만 아직까지도 국내의 건설 환경을 고려한 내용을 모두 담고 있지는 못하고 있다.

그도 그럴 것이 한계상태설계법은 AASHTO LRFD, EUROCODE 등 미국과 유럽에서 적용하고 있는 설계기준의 내용을 준용한 때문이다.

한 예로 기존에 허용응력설계법과 강도설계법을 기반으로 한 도로교설계기준(2010)에서 보여주는 “4.12 라멘교”의 내용이나 매입말뚝 공법과 관련된 설계 기준이 현재 사용되는 한계상태설계기준에서는 언급되지 않고 있다.

도로교설계기준(2010)에서는 라멘교의 설계에 있어 기둥과 보의 절점부에 헌치가 있거나 두께가 아주 큰 경우에는 강역의 영향을 고려하게 되어 있다. 하지만 현재는 관련 내용이 없어 기존의 방법대로 강역을 설정하거나 설계자의 판단에 따라 강역을 고려하지 않고 보수적으로 설계하고 있다.

한계상태설계기준에서도 관련 내용이 유효한지는 명확히 짚어줘야 할 부분으로 보인다.

이와 더불어 합성라멘에서는 교량 단부와 지점부의 거더와 거더 사이에 철근콘크리트를 채워 넣어 거더의 형고 만큼 또는 그 이상의 헌치를 형성시키는데, 이 헌치의 설치 여부 및 헌치 설치 범위는 종방향으로 얼마나 필요한지에 대한 내용은 추가적으로 다루어져야한다.

현재는 회사별로 나름의 판단에 의해 헌치를 두지 않거나, 적게는 1m, 길게는 교량 지간의 1/4 까지 다양한 길이로 헌치를 두고 있는 실정이다.

말뚝의 설계에 있어서 국내의 말뚝 시공법은 일본에서 도입된 매입말뚝공법이 대다수를 이루지만 한계상태설계법은 항타말뚝공법에 대한 제반 규정들을 다루고 있어 매입말뚝설계에 적용하기가 어렵다. 이를테면 한계상태설계법에서 규정하는 하중조건에 허용응력설계법으로 말뚝 설계를 하는 식이다.    

합성라멘공법에 대한 설계 규정은 차치하고라도 기존에 있던 내용조차도 한계상태설계법에 반영하지 못하는 부분과 설계기준 제정 시 국내의 건설 환경을 고려하지 못한 부분은 아쉬움이 남는 대목이다.

도로공사 등의 발주처에서는 앞서 기술한 내용과 관련한 적용 기준을 내놓고 있지만, 개별 사업에 국한되어 적용되고 있어 국토교통부나 지방자치단체가 발주하는 사업들에는 적용되고 있지 않는 실정이다.

국가건설기준센터에서 제공하는 기준들이 새로운 코드로 자리매김하고 있지만, 사용자 중심의 일원화되고 통일성을 갖는 기준을 제공하기보다는 기존에 있던 기준을 취합하는 수준에 그치고 있다.

설계기준이 일원화되는 과정에 있지만, 실제 사용되는 공법에 대한 충분한 연구와 논의 과정이 필요하며 발주자 및 시공사, 설계사 모두 어려움 없이 접근하여 사용할 수 있는 기준을 마련되어야 한다.

그리고 합성라멘공법 역시 다양한 연구와 자료 조사 등의 노력을 통해 국내 실정에 맞는 설계기준이 추가되어야 한다. 

합성라멘공법은 시장이 계속 확장될 것으로 예상되고, 중소규모의 하천재해예방사업에는 최적의 공법으로 인식되는 만큼 제반규정 정립을 통한 설계 주체의 혼란을 최소화하여 선진적인 공법의 모델로 발전해나가길 바란다.

About the Editor

Sean Conner

구조 엔지니어 경력 10년 이상

국내 설계사에서 각종 구조물 설계를 10년 이상했습니다.

강합성 교량 및 psc거더 교량을 많이 설계했고, 현재는 관련 업종에 종사하고 있습니다. 내용에 미흡함이나 불편함이 있더라도 이해해주시기 바랍니다.

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