단위 모듈 조합형 거더의 구조 거동에 대한 실험적 연구 = Experimental Study on Structural Behavior of Girder Bridge with Unit-Module

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 교량 거더를 단위 모듈로 분할하여 공장에서 제작하고 현장에서 조립하는 모듈러 거더 공법의 구조적 타당성을 검증하기 위해 수행되었다. 기존 PSC 거더 방식은 제작성과 시공성 측면에서 한계를 가지고 있으며, 특히 현장 제작 과정에서 품질 저하가 발생할 수 있으며 모듈러 방식 적용 시에는 분절 이음부에서 응력 불연속이 발생할 수 있는 구조적 문제가 제기된다. 이에 따라 본 연구는 모듈 조합 방식 및 이음부 영향을 안전하고 경제적으로 사전 검증하기 위해 실물 모듈러 거더 실험을 하기 전에 축소모형 실험을 우선 수행하여 모듈러 거더의 구조적 거동을 과학적으로 규명하는 것을 목표로 하였다.
우선 단위 모듈 축소모형 실험을 통해 모듈 간 접합부의 구조 거동과 변형 특성을 정밀하게 분석하였다. 실험체는 실제 교량 거더의 형상을 축소비로 재현하여 제작하였으며, 단부 모듈과 중앙부 모듈을 다양한 방식으로 조합하여 실험 시나리오를 구성하였다. 하중 재하는 재하–제하–재재하의 절차로 수행되었고, 사용하중까지는 하중제어 방식, 균열하중 이후에는 변위제어 방식으로 진행하였다. 실험 결과, 모든 축소모형 실험체는 설계하중을 상회하는 안전성을 확보하였다. 일체형 실험체가 가장 작은 처짐을 보였으나, 모듈러 실험체 역시 사용하중·균열하중·극한하중 단계에서 요구 성능을 충족하였다. 조합 방식에 따라 이음부의 처짐과 이격량에서 차이가 존재했으며, 특히 대칭 조합 실험체(#2, #4)가 가장 안정적인 거동을 보였다. 변형률 분석에서도 인장철근과 PS강연선이 충분한 저항성을 발휘하여 중립축의 이동 경향이 예측 가능한 범위 내에서 안정적으로 나타났으며, 균열은 휨 구간 하부 플랜지에서 발생하여 일반 PSC 거더와 유사한 양상을 나타냈다.
이러한 축소모형 실험 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 40 m 경간의 실물 모듈러 거더 설계 체계를 수립하였다. 건설현장에서 많이 적용되는 PSC I형 단면을 기반으로 단부 7.5 m, 중앙부 5 m · 10 m 단위 모듈을 조합하여 단면 설계 및 긴장재 배치를 수행하였다. 1차 긴장은 단위 모듈의 독립 안정성 확보를, 2차 긴장은 조립 후 연속거동 확보를 목표로 하였다.
설계된 모듈러 거더의 구조적 적정성을 검증하기 위해 40 m 실물 실험을 수행하여 하중–처짐 관계, 변형률, 균열 및 이음부에 대한 거동을 측정‧분석하였다. 그 결과, 약 1,000 kN까지 탄성 구간에서 안정적인 거동을 나타냈으며, 최대 처짐은 중앙부 G3～G4 이음부에서 약 118 mm로 계측되었다. 처짐 및 변형률 분석과 함께, 일부 연결부에서는 국부적인 응력 집중과 파괴도 관찰되어 모듈러 거더의 연결부가 구조적 취약부임이 명확히 확인되었다. 다만 이러한 국부 손상은 전체 거더 시스템의 내력 및 구조 성능 저하로 이어지지는 않는 것으로 분석되었다.
종합적으로 본 연구는 모듈러 거더 시스템이 축소모형과 실물 규모 실험 모두에서 안정적인 거동과 구조 성능을 발휘함을 실증적으로 검증하였다. 특히 단위 모듈 조합 방식과 긴장재 배치가 구조 거동에 영향을 미치는 것으로 확인되었으며, 그중에서도 연결부 강성이 전체 구조 성능을 결정하는 핵심 요소임이 규명되었다. 이러한 결과는 향후 모듈러 교량 기술의 실무 적용성과 구조적 신뢰성 향상에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• [목차] ⅰ
• [그림 차례] ⅳ
• [표 차례] ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구배경 및 목적 1
• 1.1.1. 연구배경 1
• 1.1.2. 연구목적 3
• 1.2. 연구동향 4
• 1.2.1 모듈러 공법의 개요 4
• 1.2.2 모듈러 거더의 기술적 가치 7
• 1.2.3 모듈러 공법 필요성 10
• 1.2.4 국내‧외 조립식 공법 사례 조사 12
• 1.3 연구내용 및 범위 18
• 1.3.1 연구내용 18
• 1.3.2 연구범위 19
• 제 2 장 단위 모듈 축소모형 실험 21
• 2.1 축소 모형 실험 21
• 2.1.1 축소 모형 실험의 개요 21
• 2.1.2 축소 모형 실험체 제작 22
• 2.1.3 축소 모형 실험방법 24
• 2.2 축소 모형 실험결과 26
• 2.2.1 하중단계별 처짐값 비교 26
• 2.2.2 실험체 중앙부 처짐 27
• 2.2.3 실험체별 중앙부 철근 변형률 28
• 2.2.4 이음부 이격거리 29
• 2.2.5 중립축의 변화 30
• 2.3. 축소 모형 실험에 대한 고찰 31
• 제 3 장 모듈러 거더 설계 32
• 3.1 모듈러 거더 설계 사전 검토 32
• 3.1.1 모듈러 거더의 설계 프로세스 32
• 3.1.2 모듈러 거더 설계 고려사항 33
• 3.2 단위 모듈 설계 36
• 3.2.1 단위 모듈 구성 및 재료 특성 36
• 3.2.2 모듈러 거더 단면의 휨 효율 검토 37
• 3.2.3 단부 모듈 7.5 m 설계 39
• 3.2.4 중앙부 모듈 5 m, 10 m 설계 49
• 3.2.5 단위 모듈 조합 54
• 3.3 긴장재 배치 및 긴장력 산정 56
• 3.4 모듈러 거더 안전성 검토 57
• 3.4.1 바닥판 합성 후 단면 제원 58
• 3.4.2 하중산정 65
• 3.4.3 구조해석 모델링 66
• 3.4.4 단면력 집계 현황 66
• 3.4.5 사용한계상태 응력한계 검토 69
• 3.4.6 극한한계상태 휨 강도 검토 69
• 3.4.7 극한한계상태 전단강도 검토 70
• 3.5 모듈러 거더 설계에 대한 고찰 71
• 제 4 장 모듈러 거더 실물 실험 72
• 4.1 모듈러 거더 제작 및 조립 72
• 4.1.1 실물 모듈러 제작 72
• 4.1.2 모듈 조립 75
• 4.1.3 모듈 간 연결부 시공 77
• 4.2 모듈러 거더 실물 구조 실험 77
• 4.2.1 모듈러 거더 실험방법 77
• 4.2.2 실험하중 선정 78
• 4.2.3 실험하중 재하이력 79
• 4.2.4 모듈러 거더 실험의 측정항목 80
• 4.3 모듈러 거더 실물 실험결과 83
• 4.3.1 하중단계별 처짐값 결과 83
• 4.3.2 하중-철근변형률 결과 84
• 4.3.3 전단철근 변형률 결과 85
• 4.3.4 하중-콘크리트 변형률 결과 88
• 4.3.5 이음부 이격거리 결과 91
• 4.3.6 중립축의 변화 92
• 4.3.7 균열 및 손상 결과 94
• 4.4 실물 모듈러 거더 실험에 대한 고찰 96
• 제 5 장 결 론 97
• 참 고 문 헌 99