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Extradosed교의 기술동향 및 현황

 

건설기반연구실 조준상 책임연구원

1. 개요     2만불 시대의 선진국 문턱에 도달한 우리나라에서 국민적 욕구와 환경 친화적인 고급도로건설에 대한 열망이 커짐에 따라 최근 신형식의 교량건설이 증가추세에 있다. 또한 지역사회의 랜드마크화 및 이미지 창출을 위하여 교량형식에 대한 경관을 중시하는 민원이 급증하는 추세이다. 이에 따라 교량의 기능뿐 아니라 경관설계 및 상징성을 강조할 수 있는 교량형식도입이 많이 생기고 있다. Extradosed교도 이런 교량형식에 부합되는 교량임에도 아직 고속도로현장에는 시공되지 않아, 구조분야 이외의 일반 도로분야 전문가에게 이론적인 접근이 아닌 현황에 대하여 간략히 소개하고자 한다.

2.Extradosed교의 개요 2.1. Extradosed교의 발전과정   1980년 스위스 공학자 Christian Menn에 의해 설계된 Ganter교 이후, 1988년 프랑스 Jacques Mathivat에 의해 이론적 발전이 이루어진 Extradosed교는 지간장 100～200m에서 가장 경쟁력 있는 신개념의 교량으로 특히 일본을 중심으로 최근 활발히 건설되고 있다. 다음은 Extradosed교의 발전과정을 나타낸다.   - 1980 : 스위스 공학자 Christian Menn에 의해 세계 최초로 Ganter교(스위스) 건설   - 1988 : 프랑스 Jacques Mathivat에 의해 이론적 발전            (“Extradosed prestress Bridge” 용어 사용)    - 1994 : 세계 최초의 사장 외케이블 방식 Odawara Blueway교 (270m, 일본) 건설           세계 최초로 P.S.C교에 Saddle에 의한 케이블 정착방식 적용   - 1995 : 세계 최초의 Extradosed 철도교인 Yashiro South and North교(일본) 건설   - 1997 : 국내 최초의 양근대교(765m) 건설   - 2000 : 세계 최초의 3주탑 Miyakodagawa교(일본) 건설   - 2001 : 세계 최장 Kisogawa교(1,145m, 일본) 건설

2.2. Extradosed교의 개념 2.2.1.  Extradosed교의 정의   부모멘트 구간에서 P.S 강재로 인해 단면에 도입되는 축력과 모멘트를 증가시키기 위해서 P.S 강재의 편심량을 인위적으로 증가시킨 형태로 일반적으로 단면내에 위치하던 P.S 강재를 낮은 주탑의 정부에 External Tendon의 형태로 부재의 유효높이 이상으로 배치한 형태의 교량이다. 2.2.2.  구조개념   Extradosed교는 사재에 의해 보강된 교량이라는 점에서 사장교와 유사하나, 주거더의 강성으로 단면력에 저항하고 사재에 의한 대편심 모멘트를 도입, 거동을 개선한 구조형식이므로 Extradosed교의 주거더는 사장교보다는 거더교에 가까운 특징을 지닌다.

2.2.3. 특징 및 장점   Extradosed교는 거더 유효높이 이상으로 P.S 강재의 편심을 확보할 수 있어 P.S.C 거더교에 비해 경량화 및 장지간화가 가능하며 P.S.C 사장교에 비해 사재의 응력변동폭이 작고 주탑 높이를 낮출 수 있어 경간장 100～200m 정도의 지간에서 시공성 및 경제성이 좋다.  주요장점에 기술하면 다음과 같다.   ① PSC 거더교에 비해 형고를 낮출 수 있어 자중 및 PS강재 소요량이 적어 경제적이며, 사장교에 비해 사재의 응력변동이 적고 주탑 높이를 현저하게 낮출 수 있어 사장교의 경제성이 떨어지는 100～200m 경간에 매우 적합   ② 하천통과를 강조하면서도 높지 않은 주탑에 의하여 주변경관과 조화   ③ 전체교량의 형고를 일정하게 유지하여 시각적 연속성과 경쾌한 조형미 연출   ④ 일면식 케이블 설치할 경우 주행자의 인식성이 높아 Land Mark 기능 수행   ⑤ 케이블의 피로안전성이 커서 사장교 케이블에 비해 유지관리 용이

3. Extradosed교와 타 형식 교량의 비교  종래 콘크리트 속에 긴장재를 배치하여 프리스트레스를 도입하는, 이른바 내적 프리스트레싱은 대다수의 PSC구조 교량에 사용되는 방법으로 PSC 거더교 및 박스 거더교 등의 교량형식에서 적용 되어 왔다. 그러나 기술 및 신소재의 발달에 따라 최근에는 상부구조의 경량화, 교량의 장대화 등의 기술발전 및 개선을 위한 많은 방안이 강구되었고, 그 일환으로 긴장재를 단면 밖으로 연장하는  Extradosed교가 도입되었다.  Extradosed교는 지간 중앙부의 정모멘트부의 거동을 개선하는 목적으로 사용되는데, 전자는 시공성, 지형, 경관 등의 제약에서 편심량이 제한되는 반면 후자는 자유롭게 편심량을 선택할 수 있어, 통상  Extradosed교라 함은 중간 지점부 부모멘트의 거동을 개선한 것을 의미한다.   프리스트레싱의 주형과 외부 케이블의 기능 분담에 따라 <표 1>과 같이 3종류로 구분 될 수 있다.

<표 1> 외적 프리스트레싱에 따른 분류

구분 P.S.C 거더교 Extradosed교 사장교 개 요 도 형  상 - 상징성 적음 - 상부 주거더의 높은 형고 - 교면아래가 중후함 - 상징성 높음 - 상부 주거더의 중간 형고 - 상·하부 일체감이 있음 - 상징성 높음 - 상부 주거더의 낮은 형고 - 교면위가 번잡 주  형 - 높은 교각이 설치되는 지역에서 연성확보가 가능하므로 경제성 및 미관을   증진시킬 수 있는 중소지간의 경우에   적합 - 상부에 작용하는 대부분의 하중을   주형에서 분담 - 사장교와 거더교의 중간형태로 거더교에 비해 형고를 낮출 수 있음 - 케이블 지지점간의 하중을 분담하는 보강형 역할 - 형고비를 낮출수 있어 형하 공간 확보에 유리 주  탑 - - 주로 관통구조에 의한 새들 정착 - 주로 분리구조에 의한 앵커정착 케이블 - - 주거더인 P.S.C 거더의 보조역할 - 부모멘트가 크게 작용하는 지점부 단면에 압축력과 정모멘트를 도입 - 활하중에 의한 응력 변동폭이 작아 피로파괴가 비교적 적음 - 케이블이 보강형을 탄성지지 - 상부에 작용하는 하중의 상당부분을 케이블의 연직분력으로 분담 - 활하중에 의한 응력변동폭이 커서 피로파괴에 대한 고려가 필요 기  초 - 경간장의 증대 시 형고 및 자중이 현저하게 증가하여 기초공 규모 증대 - 상부공의 중심 위치가 낮아서 기초공 규모가 작고 경제적 - 주탑이 높고 중심위치가 높으므로 기초공 규모가 증대 공사비 - 공사비 저렴 - 공사비 저렴 - 공사비 고가

4. Extradosed교의 분류방법 4.1. 주거더의 지지형식과 결합방법에 따른 분류    주형의 지지형식과 탑, 교각, 주형의 결합방법에는 일반적으로 부정정 차수가 높고, 교량받침이 불필요하는등 경제성, 시공성을 고려하면 라면형식이 우수하지만 교각고 및 경간수 등의 조건에 의해 연속거더 형식이 많이 채용되고 있다.

<표 2> 주거더 지지형식과 결합방법에 따른 분류

구분 라멘형식 연속 거더형식 결합 방식 - 주탑, 거더 및 교각을 전부 강결하는 방법 - 주탑과 거더를 강결하고 탑과 거더를 받침에서 지지하는 방법 개요도 특징 - 교량받침이 필요없어 유지관리 용이 - 캔틸레버 가설시 안전성 확보 용이 - 전체연장이 길면 온도하중, 크리프, 건조수축에 의한 영향을 크게 받음 - 지진시 이동량이 작지만, 주두부에 근접한 거더의 단면력이  커짐   - 각 교각으로의 반력분산이 용이 - 주탑과 거더의 강결부 단면이 커짐 - 교량 받침은 주탑과 거더를 지지하므로 캔틸레버 가설시에는 가설고정 필요 - 지진시의 상부공 단면력이 작음 - 지진시에는 1차 진동모드가 탁월하고, 고유주기가 짧아짐 적용 사례 Odawara Blueway(小田原港橋) 등 Kanisawa Bridge(蟹澤大橋) 등

4.2. 주탑의 형식에 따른 분류   Extradosed교의 주탑고비(주탑고/중앙지간장)는 1/8~1/12로 사장교의 1/5에 비해 낮다. 이는 주형을 거치하기 위해 탄성지점의 의미를 갖는 사장교와는 달리 주형에 프리스트레스를 주기 위해 유효 편심높이 만큼만 주탑을 계획하는 Extradosed교의 구조적 차이에 기인한다. 이러한 낮은 주탑고는 사장교와 비교해 볼 때 여라가지 면에서 Extradosed교의 우수성을 부각시켜 주는데,   첫째, 사재 장력의 연직 성분이 작아 활하중에 의한 응력변동이 사장교에 비해 작아져 피로에 큰 영향을 받지 않으며, 주탑의 축력도 작아 좌굴장지를 위한 가로보의 배치가 필요없다. 가로보의 배재는 유지관리면에서도 차도 상공에서의 고공작업이 없어져 큰 이점이 될 수 있다.   둘째, 복잡하기 쉬운 주탑이 단순화됨에 따라 시공성이 향상되고, 사재의 간격을 줄일 수 있어 편심량이 증대된다.   셋째, 사재의 각이 작아 그라우팅 주입을 일괄로 행할 수 있다.   넷째, 주탑이 경량화됨으로써 내진성이 향상된다.   주탑을 설계할 때는 상징성을 부여하되 주변환경, 산능선 및 인접 교량과의 조화에 주안점을 둔다. 주탑이 너무 높으면 사장교로서의 이미지가 강해 신규성이 떨어지며 교축방향으로 힘의 흐름을 표현한 Extradosed교 고유의 특성이 반감된다. 또한, 주탑고는 케이블의 복잡함이나 교상 공간의 개방감에도 영향을 미치므로 구조적으로 케이블의 장력변동에 크게 영향을 미치지 않는 법위에서 계획한다.   주탑의 형상은 직립형이나 V자형으로 계획할수 있다. 단 사장교와 같이 주탑정부에 가로보를 설치할수도 있으나 가급적 교상의 압박강을 경감하기 위해 설치하지 않도로 계획한다. 직립형은 단수한 이미지와 안정감을 주지만 교상공간의 개발성이 떨어지며, V자형은 개방감은 뛰어나나 복잡하며 안정감이 떨어진다. <표 3>은 주탑 형상에 따른 분류를 나타낸다.

<표 3> 주탑형식에 따른 분류

탑형상 특       징 적 용 사 례 독립 1본 - 1면 매달기식 - 중앙분리대등이 넓어진다 - 면외강성이 작다 - 공간 개방감이 가장 좋다 Kisogawa Bridge 독립 2본 - 2면 매달기식 - 탑의 면외강성이 작다     Matakina Bridge 독립 3본 - 3면 매달기식 - 탑의 면외강성이 작다 - 미관상 타교량과 차별화 시킬 수 있다 Miyakodagawa Bridge H형 - 2면 매달기식 - 탑의 면외강성 증대 - 교면상에 횡거더가 있어 안정감 증대 Pakuse Bridge V형 - 2면 매달기식 - 교량상의 공간의 개방감이 뛰어나다 - 교각폭이 작다 - 시공이 어렵다 Sunniberg Bridge

4.3. 사재의 배치형상에 따른 분류   사재의 배치 방식은 측면 배치형식에 따라 방사형, 팬형 및 하프형으로 구분되면, 방사형의 거의 쓰이지 않고, 주로 팬형 및 하프형이 많이 쓰이며 두형식의 특징은 <표 4>와 같다

<표 4> 사재의 배치형상에 따른 분류

탑 형 상 배치형상 및 특징 적 용 사 례 팬  형 - 주탑사재 정착구조 및 주거더의   축력을 고려므로, 장대교에 적합   녹산대교 하프형 - 주탑측의 사재 정착구 간격이   넓고, 취급이 유리 - 주탑과 주거더의 동시시공이 가능 - 크리프·수축에 의한 장력 변동이 큼 Shikari Bridge(士狩大橋)

4.4. 사재의 지지면수에 따른 분류   사재의 지지면수에 따라 <표 5>와 같이 분류한다.

<표 5> 사재의 지지면수에 따른 분류

지지면수 개요 및 특징 적 용 사 례 1면 케이블 ◦개요 - 중앙분래대 위치에 케이블면을 형성   ◦특징 - 케이블이 교차해서 보이지 않으므로   깨끗한 이미지 창출이 가능 - 주행자의 입장에서 시야가 좋음 - 지지점간의 거리가 길 경우 비틀림   강성의 확보를 위해 박스형 거더 유리 Odawara Blueway(小田原港橋) 2면 케이블 ◦개요 - 교량의 양측으로 케이블면을 형성   ◦특징 - 케이블이 겹쳐 보이므로 다소 복잡 - 주행자의 시야가 제약 - 케이블에 의한 비틀림 강성이 증대   되므로 안정성 측면에서 유리 - 일반적인 형태 Yashiro Bridge(屋代南北橋) 3면 케이블 ◦개요 - 중앙분리대 위치와 교량의 양측으로   케이블면을 형성   ◦특징 - 케이블이 겹쳐 보이므로 다소 복잡 - 주행자의 시야가 제약 - 주거더 시공시 교축직각방향의 캠버   관리에 주의를 요함 - 미관적인 측면에서 타 교량과 차별화 Miyakodagawa Bridge (都田川橋 )

5. Extradosed교의 주요 가설공법   가설공법은 상부구조의 특성에 주로 의존하므로, PSC Box Girder교의 주요가설공법이 사용가능하며, 각 공법에 대한 특징은 <표 7>과 같다

<표 7> Extradosed교의 주요 가설공법 (왕복4차로기준, 2004년기준)

구    분 ILM FSM MSS FCM 최적 지간장 30～60 M 20～60 m 40～70m 80～200m 최적교량 200～600m 100～500m 길수록 경제적 길수록 경제적 시공속도 경간당 3-4주 경간당 2-3주 경간당 2-3주 1seg 당 1주 고속도로 시공단가 (m당) 3천8백만원  4천3백만원 4천7백만원 6천8백만원 비 고 Trough형식 에 많이 적용     교하공간에 제약이 없는 경우 가장 안정적이고 경제적 - - 가장 일반적으로 적용 - 인장부재의 케이블 가설시 가장 효율적

6. Extradosed교의 설계 및 시공 실적 6.1. 국내 설계 및 시공사례

No. 교량명 과 업 명 발주처 설계 년도 폭원 경간구성(m) 주탑 시공사 1 양근대교 양평-강산간 도로건설공사 서울청 1992 12.0m 45+90+45=180m Trough식 ㈜한양 2 평여2교 국도대체 우회도로  (둔덕-주삼) 여수시 2000 23.5m 65+120+65=250m 2면 SK건설 3 경안대교 성남-장호원 기본설계 T/K 서울청 2001 30.0m 70+130+70=270m 1면 현대건설 4 제도~백야교 여수-고흥간 연륙연도교 국제현상공모 전라 남도 2002 24.5m 180+280+180=640m 1면 현상공모 5 낭도~적금교 여수-고흥간 연륙연도교 국제현상공모 전라 남도 2002 25.0m 90+2@175+90=530m 2면 현상공모 6 금가대교 충주시 국도대체 우회도로 (용두-금가) 대전청 2002 21.0m 85+5@125+85=795m 2면 SK건설 7 녹산대교 부산항 진입도로 건설공사 해양 수산부 2002 22.4m 70+70=140m 1면 대우건설 8 영산강교 보성-임성리 제7공구 전라 남도 2003 12.1m 80+100+80=260m 1면 GS건설 9 신대1교 복수-대전간 지방도4차로 확장 및 포장공사 대전시 2003 19.5m 2@78=156m 1면 대림산업 10 운남대교 압해-운남 도로확장공사 전라 남도 2003 23.9m 85+155+85=245m 1면 현대건설 11 장항1교 경주-감포2 대안설계 해양 수산부 2003 11.5m 65+110+65=240m 2면 삼성물산 12 초락교 초락교 가설공사 대안설계 충청 남도 2004 14.0m 70+3@130+70=530m 2면 계룡건설 13 무영대교 목포시관내 국도대체 우회도로 (청호-삼호) 익산청 2004 24.3m 100+4@165+100 =860m 1면 현대건설 14 운암대교 순창-운암 (4공구) 도로확장공사 익산청 2004 23.0m 75+4@130.0+75 =795m 1면 쌍용건설

6.2. 국외 설계 및 시공사례

No. 교량명 준공년도 폭원 경간구성(m) 최대경간 주탑 국가명 1 Ganter Bridge 1980 10.0m 678 174m 사판식 스위스 2 Odawara Blueway (小田原港橋) 1994 16.4m 74+122+74=270 122m 2면 일본 3 Yashiro Bridge (屋代南北橋) 1995 12.8m 65+2@105+65=340 105m 2면 일본 4 名取川橋 1996 - 512 108m 사판식 일본 5 Tsukuhara Bridge (衝原橋) 1997 9.25m 66+180+77=323 180m 2면 일본 6 Kanisawa Bridge (蟹澤大橋) 1997 23.0m 100+180+100=380 180m 2면 일본 7 Sunniberg Bridge 1998 9.18m 59+128+140+134+65=526 140m 2면 스위스 8 Tsukuhara Bridge 1998 9.25m 65.4+180+76.4=322.8 180m 2면 일본 9 Karahaho-shinbashi (唐櫃新橋) 1998 8.4m 75+140+75=290 140m 2면 일본 10 2nd Mandaue- Mactan Bridge 1999 20.8m 112.5+185+112.5=410 185m 2면 필리핀 11 Pakuse Bridge 2000 13.8m 70+9@120+123+143+ 91.5+34.5=1,542 143m 2면 라오스 12 Shikari Bridge (士狩大橋) 2000 22.0m 94+3@140+94=608 140m 1면 일본 13 Sashiki Bridge (佐敷大橋) 2000 9.3m 60.8+105+57.5=223 105m 2면 일본 14 Matakina Bridge (またきな大橋) 2000 13.2m 110+90=200 110m 2면 일본 15 Kisogawa Bridge (木曾川橋) 2001 28.0m 160+3@275+160=1,145 275m 1면 일본 16 Ibigawa Bridge (揖斐川橋) 2001 28.0m 154+4@271.5+157=1,397 272m 1면 일본 17 Hozu Bridge (保津橋) 2001 18.3m 34+50+76+100+76+32=368 100m 2면 일본 18 Miyakodagawa bridge (都田川橋) 2001 16.5m 133.0+133.0=266 133m 3면 일본 19 Shinkawa Bridge (新川大橋) 2002 25.0m 39+45+90+130+81=385 130m 1면 일본 20 指久保橋 2002 8.0m 114.0+114.0=228 114m 2면 일본 21 深浦大橋 2002 16.5m 63+90+66+45+30=294 90m 2면 일본 22 New Koror-Babeldaop Bridge 2002 8.0m 82+247+82=411 247m 2면 팔라우 23 Ritto Bridge(栗東橋) 2005 16.5m 70+115+170+140=495 170m 2면 일본 24 DOU SHAN VIADUCT (斗山二號高架橋)   28.5m 1,560 140m 1면 대만

7. 결론   Extradosed교는 종래의 PSC 거더교와 사장교의 구조적 장점을 취하면서 근래에 부각되고 있는 교량의 조형성에 대한 욕구를 충족시키고 하부 공사량을 줄여 환경영향을 최소화 할 수 있다는 의미에서 더욱 부각되고 있는 새로운 형식의 교량이다. 향후에는 PSC 거더교 뿐 아니라, 압축보강이 용이한 PCT(Prestressed Composite Truss)거더교, 타원형 Cell단면등 개방성이 강하고 미관이 우수한 상부구조와도 결합하여 발전할 가능성이 높은 교량 형식이므로 도로분야 전문가들도 도로교(道路橋)로써 Extradosed교에 많은 관심이 가져 주었으면 한다.

8. 참고문헌 1. PSC사장교 및 Extradosed교 설계시공규준(안), 프리스트레스콘크리트 기술협회, 일본. 1999 2. 유웅석, 김동근, 조정식, “금가대교(7경간 연속 Extradosed교)의 설계, 대한토목학회지 제50권 제11호 pp28-39, 2002 3. 김우중, 주부호, 김봉근, 최명수, “국내최초의 엑스트라도즈 교량 소개” 대한토목학회지 제53권 제11호 pp156-162, 2005

출처 : 토목시공기술사분회

글쓴이 : 뫼가람 원글보기

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