레고 같이 현장 조립하는 교량기술, '프리캐스트 모듈러 교량(Precast Modular Bridge)'

공기 절반으로 줄여

조립확장 가능 내구성 우수

고내구성 콘크리트 이용 

40m, 50m, 60m 지간장 조립확장 가능

프리캐스트 모듈러교량. 출처 삼호코넨

[관련 동영상]

Accelerated Bridge Construction using precast bridge elements

프리캐스트 부재 교량 시공

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[지난기사]

 

레고 블록과 같이 현장에서 조립할 수 있는 교량 기술이 개발돼 눈길을 끌고 있다.  이 기술은 이미 설계된 프리캐스트 표준 모듈의 조합만으로도 다양한 현장조건에 대응할 수 있도록 가설되는 교량으로 차량통행 차단을 최소화해야 하는 경우와 급속시공이 요구되는 경우에 요긴하게 사용될 수 있는 교량 공법이다.  또한, 이 기술은 다양한 현장조건에 따라 폭과 길이 방향으로의 확장과 급속 시공이 가능해 지간장 20m 이하 교량의 경우 슬래브 형식 프리캐스트 모듈러교량을 적용하고, 지간장 20~40m 교량에는 거더 형식의 프리캐스트 모듈러교량을 적용할 수 있다.  표준 모듈 사전제작 현장 간편 조립 인력도 20% 이상 줄여 급속시공 필요 현장에 적합 ... 차량통행 차단 최소화 특징  기존의 콘크리트 교량 현장제작 시 거푸집과 동바리 등 많은 제작 장비와 현장인력이 소요되고, 기존 교량사업의 경우에도 공사발주 단계부터 설계, 자재구매, 제작, 시공 단계까지 거쳐 진행되기 때문에 사업기간이 매우 길다.  특히, 교량의 시공·복구 기간이 장기화될수록 교통통제와 정체로 인한 사회적 비용이 증가된다.  이러한 단점을 보완하기 위해 개발된 이 기술은 표준 모듈의 사전 제작과 현장 간편 조립을 통해 현장 공사기간 단축은 물론 현장인력의 20% 이상 감축이 가능하고, 표준 모듈 조합으로 인해 부재의 사전제작과 설계기간 단축이 가능하다. 교량 발주부터 완공까지 기존 대비 최대 50%까지 단축시킬 수 있는 것으로 평가받고 있다.    [연구내용] 이 연구는 지난 2010년부터 진행 중인 ‘모듈러 교량 기술개발과 실용화’ 연구단 과제 중 하나로 교량 상부구조의 대부분을 표준화된 프리캐스트 모듈을 제작, 현장에서 빠른 시간 내에 조립해 교량을 완성하는 형식의 프리캐스트 모듈러 교량 개발 연구다.  프리캐스트 모듈러 교량의 가장 큰 차별성은 중량의 90% 이상을 차지하는 대부분의 부재가 표준화된 프리캐스트 모듈로 제작된다는 점이다.  이러한 특징으로 인해 급속한 시공이 요구되는 현장에 프리캐스트 모듈러 교량을 적용할 경우에 큰 효과를 발휘할 수 있다.  지난 2010년 기준 국토해양부의 ‘도로교량 및 터널 현황’ 자료를 살펴보면, 국내에서는 준공 이후 30년 이상 경과된 교량은 전체 교량의 약 7%인 약 2,000 개소인 것으로 나타나 향후 10~20년 후부터 노후교량에 대한 교체수요가 증가할 것으로 예상된다.  이처럼 교량의 노후화로 인한 교체수요가 증가할 경우 모듈러 교량은 교량의 교체에 의해 발생하는 사회간접비용을 최소화 할 수 있는 효과적인 대안으로 떠오를 전망이다.  또한, 준공 이후 30년 이상 경과된 교량의 86%가 지간장 20m 미만의 교량이며, 이들 교량의 절반을 넘는 교량이 RC슬래브 형식인 것으로 나타났으며, 지간장 20m에서 40m 사이의 교량은 대부분 PSC I형 거더교로 밝혀졌다.  따라서 이번에 개발된 프리캐스트 모듈러 교량은 노후 교량의 교체 수요에 대응할 수 있도록 지간장 20m 이하의 단지간 교량은 슬래브 형식으로 지간장 20~40m의 중지간 교량은 PSC 거더 형식(Bulb Tee 거더 형식)으로 계획, 개발됐다.  이 같은 성과를 거두기 위해 이 연구는 프리캐스트 모듈러교량 상부구조 시스템 개발 부문에서 프리캐스트 모듈러교량 상부구조 시스템 개념 설계를 비롯해 프리캐스트 모듈 최적화와 연결부 상세 설계, 프리캐스트 모듈러교량 상부구조 설계도서와 설계·제작·시공 지침 개발이 이뤄졌다.  이어 프리캐스트 모듈러교량 연결부와 모듈 성능 검증 부문에서는 정적과 200만회 반복 하중 실험이 이뤄졌다.  한편, 슬래브 형식의 프리캐스트 모듈러 교량 시공기간은 연결부 모르타르 타설 이후 횡방향 긴장력이 도입되는 양생 기간에 의해 결정된다. 즉, 시공기간을 최소화하기 위해서는 7일의 양생기간에 프리스트레스의 도입이 가능한 수준의 모르타르 압축강도가 발현돼야 함을 의미한다.  따라서 이 연구에서는 모르타르의 설계 압축강도는 연결부 내 균열 방지와 내구성 향상을 위해 프리캐스트 모듈의 설계압축강도인 50MPa의 1.5배를 상회하는 80MPa로 설정하고 1.5%의 폴리아미드 섬유를 혼입했다.  프리스트레스 도입 시점은 모르타르 압축강도가 설계압축강도의 80% 수준이 되는 시점으로 설정, 목표 시공기간인 7일 이내에 소요 강도가 발현될 수 있는 고성능 모르타르를 개발·적용했다.  특히, 모르타르 타설 공정의 간편성을 위해 충분한 작업성(플로우)을 확보할 수 있도록 개발됐으며, 상대적으로 고가의 재료인 고성능 모르타르를 효과적으로 사용하기 위해 최적화된 연결부 단면도 고안됐다. 연결부 단면에서 프리캐스트 모듈간의 간격은 10mm에 불과하며, 실험체 제작을 통해 연결부 고성능 모르타르 타설의 작업성과 채움 성능이 확인됐다.  특징 한편, 거더 형식 프리캐스트 모듈러 교량의 가장 큰 특징은 급속시공을 위해 거더 모듈 간의 연결부를 제외한 모든 부재가 미리 제작된 모듈을 조립, 시공하는 점이다. 거더 모듈의 단면은 Bulb Tee 형상을 적용하고, 확폭된 상부 플랜지가 바닥판의 역할을 하도록 구성, 별도의 바닥판 타설 공정 없이 교량이 완성된다.  특히, 기존의 콘크리트 가로보와 격벽 대신 강재 가로보와 격벽을 적용, 현장 타설을 배제시켰다.  또한, 거더 형식 프리캐스트 모듈러 교량의 시공기간의 상당부분을 차지하는 연결부 시공을 위해 철근의 단순 겹침이음과 120MPa급의 초고강도 콘크리트가 적용되는 형식으로 개발됐다.  따라서 슬림화된 상부플랜지의 두께를 유지하고, 단순 겹침이음의 적용으로 과도하게 길어지는 연결부 폭을 크게 감소시켜 교량의 효율과 경제성을 향상시킬 수 있다. 특히, 단순한 철근 겹침이음을 적용, 기존 루프철근을 적용한 겹침이음에 비해 철근 조립 공정을 단순화 시킬 수 있으며, 초고강도 콘크리트를 적용, 조기에 충분한 강도를 확보할 수 있어 후속 공정 착수시기를 앞당길 수 있다.  [인터뷰] 신속한 시공 등 안전 경제성 ‘탁월’ 황윤국 선임연구위원 한국건설기술연구원 구조융합연구소 황윤국 선임연구위원은 “교량 설치 시 현장의 상황에 최적화되고 유연하게 대처할 수 있는 공법이 가장 필요하다”고 말하며, 현장 조건에 최적화된 교량 건설 공법 개발의 필요성을 제시했다.  황 박사는 “이에 이 연구에서는 현장까지 운반이 용이하며, 현장작업을 최소화할 수 있는 프리캐스트 모듈러교량 상부구조 시스템을 개발했다”고 소개하며, “이 기술은 기존의 프리캐스트 공법이 안고 있는 문제점들을 보완하는 동시에 안전성과 경제성 확보는 물론 신속한 시공과 제한된 조건을 충족할 수 있는 교량 공법”이라고 밝혔다.  이어 그는 “이 점이 기존 기술과의 가장 큰 차이점으로 표준화된 부재를 교량 건설이 필요한 환경 조건이 결정되면, 조건에 맞는 지간장과 폭 등을 별도의 설계와 제작 없이 곧바로 시공에 들어갈 수 있어 신속한 교량 건설이 가능하다”고 말했다.  즉, 현장 조건에 맞춰 신속하게 교량을 건설할 수 있는 핵심적인 기술이라는 설명이다.  피로도 누수 등 다양한 실험 진행 만족 현재 국내도 상당 부분의 인프라 구조물이 확충돼 유지관리의 중요성이 대두되고 있는 만큼 이를 대비하기 위한 수단으로 급속시공 기술이 점차 확산되고 있다.  황 박사는 “다가올 유지관리 수요를 대비하기 위한 수단으로서의 급속시공 기술은 사회간접 비용 지출을 감소시킬 수 있는 매우 유용한 기술”이라고 평가하며, “특히, 프리캐스트 모듈러 교량은 급속시공이 요구되는 노후된 콘크리트 교량의 교체 수요에 대비한 적극적인 대책”이라고 강조했다.  이 기술은 교량 건설 기간 동안 도로 이용자들의 불편을 최소화시켜 간접비용을 절감시킬 수 있는 기술로 이는 더 나아가 국가재정 충족과 국민들의 안전하고 편안한 생활에 기여할 수 있다는 설명이다.  이처럼 다양한 장점을 갖는 기술 개발 과정에서 겪은 가장 어려웠던 점에 대해 황 박사는 “여러 개의 세그먼트로 구성되는 만큼 각각의 세그먼트를 이을 경우 자칫 취약해질 수 있는 접합부의 성능 확보가 가장 어려웠던 부분으로 일체로 제작하는 교량과 동일한 성능을 발휘할 수 있는 기술 개발에 전념했다”고 밝히며, “즉, 연결부의 안전성 확보가 가장 큰 문제였지만, 본체 강도보다 높은 강도와 조기 강도 발현이 가능한 모르타르를 개발해 이 부분에 대한 우려를 불식시켰다”고 말했다.  이어 그는 “또한, 성능 개선을 위해 실험 후 단면 검토는 물론 2백만 번에 걸친 피로도 실험, 누수시험에 이르기까지 다양한 실험을 진행한 결과 기존 공법보다 많은 부분이 개선됐다”고 강조하며, “특히, 최적의 단면을 도출해 공기 단축을 통한 경제성도 확보했다”고 덧붙였다. 출처 건설기술신문 아시아헤럴드 press@asiaherald.co.kr

 

 

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