PSC 계열 거더의 횡만곡 현상 및 처리방안

Ⅰ. 서론

토목구조기술사 시험을 치루고 있는 엔지니어들 혹은 토목구조기술사를 취득한 엔지니어들은 시험장에서 혹은 과년도 기출문제에서 PSC거더의 횡만곡에 관한 문제를 접해봤을 것이다.

횡만곡이 PSC 계열거더에서 이슈가 되는 사유는, 거더 공법이 점점 발전함에 따라 50m이상의 경간장을 갖는 거더들이 속속 등장하면서 거더에 설치되는 강연선은 많아지고, 거더형고는 높아져 강축방향으로는 큰 강성을 갖게 되었지만, 상대적으로 횡방향 강성은 더 취약하게 되고 횡만곡 발생의 위험성은 더 높아지게 되었기 때문이다. 

하지만, 아직까지도 횡만곡 현상에 대해 심도있게 논의되거나 대책을 명확히 언급한 문서는 찾아보기 힘든게 사실이다.

PSC거더의 횡만곡은 사실 현장의 하자 사항에 해당하는 문제로서, 설계자에게 물어보면 시공을 잘못했으니 다시 제작하라는 아주 심플한 답변만이 돌아올 것이 자명하고, 시공사나 공법사들은 본인들의 과오를 덮기 위해서 쉬쉬할 수 밖에 없는 아이템이기 때문일 것이다.

필자가 기술지원을 맡았던 현장에서 PSC거더의 횡만곡 현상 조사되었고, 이를 해결하기 위해서 동서분주 하면서 여기저기 수소문하여 받아본 실무자료 들을 한번 정리를 해놓는 것이 본인을 위해서나 동료 엔지니어들에게 도움이 될 것이라 생각되었기 때문에 횡만곡 현상에 대해 경험하고 조사한 바를 토대로 PSC거더 계열의 횡만곡 현상에 대해서 정리해보고자 하였다.

Ⅱ. 횡만곡에 관한 기준 및 사례

2.1 횡만곡 관련 기준

횡만곡에 대한 기준은 설계기준상에 뚜렷이 명기된 바가 없어 설계자들에게는 생소한 개념이다.

즉, 설계는 거더가 휘지 않는 것을 전제로 진행되었기 때문에 설계자에게 현장에서 ‘거더가 휘었는데 어찌 할까요?’ 라는 질문을 하게 되면 백이면 백 설계자 혹은 설계사는 ‘폐기하시고 다시 만드세요.’란 답을 하게 된다.

하지만, 현장에서는 그런 결정을 쉽게 내릴 수 있을리 만무하고, 그런 경우에는 현장관계자는 Field 엔지니어에게 제발 해결해 달라고... 부탁 혹은 강요를 할 수 밖에 없다.

교량에 배치되는 거더는 근본적으로 연직하중에 잘 저항할 수 있는 형상을 가지고 있기에, 상대적으로 횡방향으로는 강성이 작을 수 밖에 없다.

자! 그럼 설계기준에서는 제시하고 있지 않은 황만곡 관련 규정이 다른 문헌들에서는 어떻게 정리되어 있는지 살펴보자.

통상 현장에서 올라오는 횡만곡 관련한 각종 검토서들은 (PSC Beam 공법사 제출) PCI 규정을 적용하여 L/1000을 허용횡만곡 한계치로 적용을 하고 있는 실정이며, 도로공사에서는 설계실무자료집을 통하여 국내외 사례를 준용하여 횡만곡 허용오차는 L/1000으로 설정하였다. (2021 고속도로 설계 실무지침, 4-5)

2.2 횡만곡 거더 사례 

다음은 실제 현장에서 제작중이던 거더, 또는 완공된 교량에서 발생한 횡만곡 사례를 사진과 함께 보여주고자 한다.

거더의 명칭이나 현장명은 표기할 수 없음을 양해하여 주시기 바란다.

2.2.1 상부슬래브 타설전 발견 사례

2.2.2 준공 후 발견 사례

Ⅲ. 횡만곡 거더의 발생원인

PSC 계열의 거더에 발생하는 횡만곡의 원인은 매우 다양하다.

필자가 현장에서 올라온 횡만곡 거더에 대한 문제를 처리하기 위하여 기술자문을 요청했던 업계 선배분은 “이 세상에 휘지 않은 정직선인 PSC거더는 없다. 모든 거더는 휘어있다.”란 답변을 하셨을 정도로 PSC거더의 횡변위는 흔하게 발생하는 현상일 뿐만 아니라 원인도 생각지 못한 것이 원인일 수 있다.

거더 횡만곡 발생 원인 중 널리 알려진 원인들을 정리해 보면 다음과 같다.

① PSC 압축 응력 도입 과정에서 횡만곡 발생

통상 PSC거더는 텐던이 좌우가 대칭되게 설계되어 있어, 설계대로만 제작이 완료된다면 거더에 횡만곡은 발생치 않는다.

하지만, 실제 현장시공시에는 쉬스관의 조립오차, 긴장력 도입순서에 따른 거더의 탄성변형, 도입시 강연선의 파단 등의 많은 이유로 인해 도입긴장력의 비대칭이 발생하고 그 결과로 횡만곡이 발생할 수 있다.

* 텐던이 대칭배치되어 있어도 긴장은 순차대로 하게 됨

② 직사광선에 의한 횡만곡 발생

횡만곡 거더로 인해 자문을 받던 중, 들었던 이야기 중 가장 상상치 못했던 횡만곡의 사유이다.

직사광선이 거더의 한쪽면에 집중적으로 쐬여지게 되면 이로 인해 콘크리트에 온도구배가 발생하게 되고 이로 인해 횡만곡이 발생한다.

조언해주신 업계 선배분은 심지어 이런 사례가 많다고 조언해 주셨다.

③  제작시 거푸집 변형등에 의한 횡만곡 발생

제작대 설치 오차로 인해 만곡이 발생하는 경우로서, 감리단의 현장 검측과 발주처 품질안전팀의 현장 검측 등의 절차로 인해 발생 빈도는 낮은, 아니 낮아야만 하는 횡만곡 원인이다.

④ 거더 설치과정시 무게중심 변동에 따른 횡만곡 발생

횡만곡 원인을 분석하게 되었을 때, 현장 실무자들 입장에서는 가장 피하고픈 횡만곡 발생 사유일 것으로 판단된다.

PSC 거더는 기본적으로 연직방향 하중에 대항 할 수 있는 텐던 프로파일을 가지고 있다. 하지만 인양과정에서 연직방향으로 작용해야 할 자중의 작용방향이 틀어진다면 텐던에 의해 도입되는 압축력과 텐던의 편심에 의해 발생하는 모멘트가 설계방향과 달라지게 되고 이로 인해 미세하게 발생했던 만곡이 심해지거나 신규로 만곡이 발생하게 된다.

⑤ 재료 불균질에 따른 횡만곡 발생

압축력을 받아야 하는 콘크리트는 여러 가지 재료로 이루어진 혼합재로서 균질한 품질을 항상 기대할 수 있는 것은 아니다.

설계시에는 고려하지 못한 콘크리트 결합재나 골재변형등에 의해 횡만곡이 발생할 수 있다.

⑥ 제작장 부등침하 등 지지 조건에 따른 횡만곡 발생

긴장력이 도입되는 부재에 지지조건이 상이할 경우에는 이로 인한 긴장력의 편심효과가 발생할 수밖에 없으며 횡만곡의 주요 원인 중 하나이다.

현장에서 한 경간의 거더 전체에서 횡만곡이 발생한 사례가 있었으며, 원인을 파악하던 중에 구글지도를 통해 당시 제작장 전경을 확인 할 수 있었다.

횡만곡이 발생한 부재에서는 배부름 현상 또한 발견되었으며 이로 인해 제작장 부지 다짐에 문제가 있었음을 미뤄 짐작할 수 있었다.

또한 상부구조 가설은 제작장 운영상 부지 입구에서 가까운 곳으로부터 거더를 차례로 운반하여 설치하였을 것이므로 한 경간의 거더에서 모두 횡만곡이 발생한 이유 또한 설명 될 수 있었던 사례이다.

⑦ 콘크리트 크리프(장기거동)에 따른 추가 변형 발생

크리프 현상은 대학시절 학부에서 배웠던 바처럼 콘크리트에 하중이 추가로 재하되지 않았음에도 불구하고 재령의 경과에 따라서 변형이 지속적으로 발생하는 현상을 말하며 횡만곡 현상을 심화시키는 요인이 된다.

일단 초기 횡변위가 발생한 PSC 계열의 거더는 추가하중이 없음에도 횡변위가 증폭되게 된다.

Ⅳ. 횡만곡 거더 처리 방안

이제부터 기술하는 횡만곡 영향 분석에 관한 내용은 필자가 현장기술지원을 하는 과정에서 여러 사례들을 분석하고 이를 토대로 작성하여 제출하였던 검토서 내용을 정리해 본 것이다.

설계기준에 명확히 언급이 된 사항이 아니기 때문에, 해당 검토내용이 올바른 분석방법이라 단언할 수는 없다는 점을 분명히 밝혀 둔다.

4.1 상부슬래브 타설전 처리방안

대부분의 횡만곡은 제작장이나 상부슬래브 타설 전에 발견이 되어 횡만곡 보정 작업을 수행한 후 상부슬래브를 가설 하게 된다.

4.1.1 영향 분석 방안

3장에서 언급한 바와 같이 횡만곡은 일단 탄성 변형이 발생한 이후에 크리프 변형에 의해서 추가 변형이 발생한다는 사실에 근거하여, 횡만곡이 측정된 시점에서 콘크리트 재령, PS 긴장력을 도입하는 시점에 근거하여 크리프 변형계수를 산정하고 총변형량중에 탄성변형량을 추정하게 된다.

① 크리프 계수 산정 (도로교 한계상태설계법 5.5.1.4 참조)

여기서,

② 탄성변형량 계산

와 총변형률 = 탄성변형률 + 크리프변형률의 관계식을 변위에 관한 식으로 정리한 것에 불과하다.

③ 횡만곡에 의한 응력 계산

앞에서 총변형량 중에 탄성변형량을 계산하였으므로, 탄성 변형에 의해 발생한 변위에 근거하여 탄성변위를 유발시키는 단부 모멘트 혹은 횡방향 하중을 역산할 수 있으며, 다시 말하면 탄성변위 발생에 따른 추가 응력을 계산할 수 있다.

횡만곡에 의해서 추가로 발생한 응력을 설계응력에 추가하여 허용치 이내인지를 검토하는 것이다.

4.1.2 처리방안

현재까지 조사해본 현장사례 중에서 횡만곡에 의한 변위를 보정하는 방법은 크게  Pulling 방식과 Pushing 방식 2가지 형태가 있으며 작업 순서는 다음과 같다.

4.2 상부슬래브 타설 후 처리방안

4.2.1 영향 분석 방안

횡만곡 거더가 상부슬래브까지 타설된 후에 발견되었다면, 시공시 검측이 누락되었을 가능성이 대단히 높다.

일단 상부슬래브 및 가로보 양생이 완료된 이후에 육안으로 관측될 만큼의 횡만곡이 발생한다면 거더뿐만 아니라 상부슬래브 등에 심각한 구조적 문제점들이 발생했을 것이기 때문이다.

하지만, 상부슬래브와 가로보의 존재로 인해 4.1에서 언급한 횡만곡 거더의 교정 또한 불가능하게 된다.

완공된 교량의 거더를 교체하는 것은 대단히 복잡하기 때문에 유지관리 주체나 하자를 처리해야 하는 시공사 입장에서는 횡만곡이 발생하였음에도 불구하고 구조물의 안전에는 문제가 없음을 증명하고자 할 것이다.

하지만, 이는 신중하게 평가가 이루어져야 한다.

4.2.2 처리방안

① 4.1.1에서 언급한 방법으로 탄성변형량을 예측하고 이에 따른 추가응력을 계산하여 설계 발생응력에 추가로 고려하여 거더안전성을 평가할 수 있다.

② 횡만곡량이 크지 않다면 거더의 주형의 축변화에 다른 단면 강성 변화, 그리고 횡만곡량에 따른 하중의 변화를 고려하여 구조 검토를 수행해 볼 수 있다.

*탄성받침 위에 놓여진 거더의 경우 횡만곡에 따른 무게중심차로 인해 거더 회전이 수반되는 경우가 발생함

③ 횡만곡량이 거더의 안전성에 영향을 미친다고 판단된다면 거더 사이에 브레이싱을 추가하여 횡만곡에 대비해 볼 수 있겠다.

Ⅴ. 결언

거더 횡만곡 현상은 설계업에 종사하는 실무자들은 별로 고민해 본 적이 없는 주제일 것이다.

시공오류로 간주되어 시공사에서 알아서 해야할 일이라고 취급되기 쉬운 아이템인 탓일 것이다.

하지만, 거더 횡만곡은 선배분의 일갈처럼 PSC계열의 거더에서는 발생할 수 밖에 없는 주제인바, 엔지니어들이 이 글을 통해서 한번 생각해보는 기회를 가져보는 것도 좋을 것이라 생각되어 글을 적게 되었다.

필자가 경험한 것 외에 다른 방안으로 횡만곡 현상을 분석하고 교정을 한 경험자 분이 계시다면 해당 경험을 공유해 주시길 바라 마지 않는다.

경험 혹은 지식의 공유는 엔지니어의 성장에 밑거름이 될 것이라 믿기 때문이다.

Reference

[1] 도로교설계기준(한계상태설계법) 해설 (2015), 한국교량및구조공학회

[2] 고속도로설계실무지침(2021), 한국도로공사

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