1. 개요
국내 사장교의 시공이 증가하면서 주탑의 규모가 커지고 형상도 다양해지고 있습니다. 본 글 에서는 콘크리트 사장교 형식의 다이아몬드형 주탑의 시공단계 검토내용을 설명하도록 하겠습 니다 사장교 주탑의 경우 형상에 따라서 가설시 인장응력이 발생하기도 합니다 다이아몬드형 주탑은 기하학적 특성상 경사방향으로 처짐 및 인장응력이 발생하며 이를 해소하기 위해서 주탑 Leg 사이에 Temporary Tie 및 Temporary Strut 설치가 필요할 수 있습니다. 일반적으로 사장교 주탑의 구조형식은 세장한 장주 구조물로 케이블의 수직분력에 대한 축력과 수평분력에 대한 모멘트에 저항합니다. 다이아몬드형 주탑은 기둥부가 횡방향으로 기울어져있고 상단부가 폐합되기 전 단계까지 자중에 의한 횡변위가 발생하여 주탑 내외측에 과도한 인장응력이 발생합니다. 이로 인해 균열 등 주탑 Leg에 변형이 발생할 경우 주탑은 비선형 거동을 하게 되므로 독립주탑의 시공단계별 해석을 통해 가설 스트럿 설치위치와 작용력에 대해 검토하고, 기준인 장강도 범위이내에 제어할 수 있는지에 대한 가설방안 검토가 필요할 것입니다.
2. 주탑 시공 순서
주탑 시공단계해석은 총 45단계로 구성하였으며, 1seg의 시공기간은 7일 , 가설하중은 거푸집 하중과 굳지않은 콘크리트 타설 하중입니다.
(1) 주탑 가설순서
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(2) 시공단계 해석 순서
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(3) 주탑부 시공단계 모델링
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CS1~12 (주탑 하단부 가설) |
CS13 (가로보 가설) |
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CS31 (주탑 상단부 가설) |
CS31~45 (주탑 케이블 정착부 가설) |
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(4) 1Seg (7일) 가설 구성
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3. 주탑 하단부 검토
(1) 시공단계 해석결과
앞서 설명한바와 같이, 주탑 하단부 Leg는 교축직각방향 외측면으로 경사가있어 시공중 외측으로 처짐 및 내측면 인장응력 발생으로 인한 균열 발생이 우려됩니다.
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구조해석 결과 주탑 하단부 , Leg 내측면 최대 인장응력은 CS13(주탑 가로보 타설시 시공단계에서 ) 3.44MPa이 발생했습니다. 가로보 타설 후 프리스트레스 도입에 따라 크게 감소하며, 시공단계가 진행될수록 인장응력은 감소합니다. 또한 주탑 하단부 Leg의 사용성 검토결과 0.29mm의 균열폭이 발생했습니다.
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(2) 주탑 하단부 시공중 Temporary Tie 설치 검토
주탑 하단부의 구조해석결과 주탑 하단부 Leg 내측면의 최대 인장응력이 콘크리트 압축강도 fck=45MPa의 기준 인장강도인 2.831MPa을 초과하므로 응력 감소와 주탑 시공중 발생하는 균열폭 저감 및 경사방향 처짐을 방지하기 위해 Temporary Tie를 설치하는 것을 추가로 검토하였습니다.
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Temporary Tie를 설치할시 Tie의 장력을 증가시킬수록 하단부에 발생하는 모멘트 및 응력, 균열폭이 감소합니다. Tie 의 장력 증가에 따라서 Tie를 제거했을때 주탑 가로보에 발생하는 인장응력은 다소 커지지만 그 값이 크지는 않습니다.
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구 분 |
Tie 설치 안함 |
Tie 장력 1,000kN |
Tie 장력 2000kN |
Tie 장력 3000kN |
|
주탑하단 축력 |
-43,484 |
-43,999 |
-44,412 |
-44,866 |
|
주탑하단 모 멘 트 |
-421,003 |
-396,405 |
-376,520 |
-353,832 |
|
주탑하단 인장응력 |
3.44 |
3.16 |
2.94 |
2.69 |
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주탑완공후 가로보응력 |
-5.24 |
-5.21 |
-5.18 |
-5.15 |
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균 열 |
0.29mm |
0.22mm |
0.17mm |
0.13mm |
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Crack Widths/%EC%82%AC%EC%9E%A5%EA%B5%90%20%EC%A3%BC%ED%83%91%EC%9D%98%20%ED%98%95%EC%83%81%EA%B4%80%EB%A6%AC%EB%A5%BC%20%EC%9C%84%ED%95%9C%20%EC%8B%9C%EA%B3%B5%EB%8B%A8%EA%B3%84%20%EA%B2%80%ED%86%A0/14.%20Tie%20%EC%9E%A5%EB%A0%A5%202000kN.png?width=141&height=82&name=14.%20Tie%20%EC%9E%A5%EB%A0%A5%202000kN.png)
Crack Widths/%EC%82%AC%EC%9E%A5%EA%B5%90%20%EC%A3%BC%ED%83%91%EC%9D%98%20%ED%98%95%EC%83%81%EA%B4%80%EB%A6%AC%EB%A5%BC%20%EC%9C%84%ED%95%9C%20%EC%8B%9C%EA%B3%B5%EB%8B%A8%EA%B3%84%20%EA%B2%80%ED%86%A0/15.%20Tie%20%EC%9E%A5%EB%A0%A5%203000%20kN.png?width=141&height=82&name=15.%20Tie%20%EC%9E%A5%EB%A0%A5%203000%20kN.png)
Crack Widths
4. 주탑 상단부 검토
상단부의 경우 하단부는 반대로 Leg가 내측면으로 경사가있어 시공중 내측으로 처짐 및 외측면 인장응력 발생으로 인한 균열 발생이 우려됩니다.
(1) 시공단계 해석결과
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구조해석결과, 주탑 상단부 Leg 외측면에 최대 인장응력은 CS30단계에서 4.68MPa 발생하며, 그 이후 시공단계가 진행될수록 인장응력은 감소됩니다. 또한, 주탑 상단부 Leg의 사용성 검토결과 1.55mm로 허용균열폭을 크게 상회하는 값이 발생했습니다.
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(2) 주탑 상단부 시공중 Temporary Strut 설치 검토
주탑 하단부와 마찬가지로, 상단부에도 Leg 외측면의 최대 인장응력이 콘크리트 기준 인장강도인 2.831MPa를 초과하므로 응력 감소와 주탑 시공중 발생하는 균열폭 저감 및 경사방향 처짐을 방지하기 위해 Temporary Strut을 1단과, 2단 설치하는 것을 추가로 검토하였으며, 그 결과 1단 설치시에 비해 2단 설치시 발생인장력이 적으며 Strut에 발생하는 압축력이 감소하는 것으로 나타났습니다.
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5. 유사 사장교 주탑 시공사례
(1) 주탑 하단부
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(2) 주탑 상단부
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6. 결론
콘크리트 주탑 시공시 비선형거동을 억제하기 위해서 주탑 시공중 가설 케이블 및 스트럿을 설치하여 균열발생을 방지하고 예측 범위내에서 거동이 발생하도록 검토되어야 할 것입니다.
검토대상 모델인 다이아몬드형 주탑의 경우 주탑 하단부 Leg에 시공중 발생하는 균열은 일시적으로 발생하는 것으로 주탑가로보 타설후 프리스트레스가 도입되면 크게 감소하며, 시공단계가 진행될수록 콘크리트 기준인장강도 이하로 저감되지만 하단 Leg 시공중 Temporary Tie를 설치하여 일시적으로 발생되는 인장응력 및 균열에 대한 안전성을 확보하는 것이 필요할 것입니다.
또한, 주탑 상단부의 경우 경사를 갖는 Leg에 면외방향 내측으로 처짐 및 휨모멘트가 과도하게 발생되므로 Temporary Strut 설치가 필요하며, 1단 설치 및 2단 설치여부 검토를 통해 적절한 가시설 배치로 시공중 주탑의 안전성을 확보할 수 있을 것입니다.
7. 참고문헌
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도로교설계기준 (한계상태설계법) 해설 (2015)
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제3 연륙교 실시설계 설계검토서
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사장교 콘크리트 주탑의 형상관리를 위한 가설스트럿 설치기술 (강구조학회)
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아직 배울 것이 많은 구조 뉴비입니다.
이전에는 지중 구조물, 지하철, 가시설 설계 프로젝트에 참여하였고, 현재는 사장교 설계 프로젝트에 참여하고 있습니다. 구조 엔지니어로서 많이 부족하지만, 토목 기술인들의 지식 정보 공유라는 좋은 취지에 함께 참여하게 되어 영광입니다. 토목인 모두 파이팅!
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