PSC 박스거더 파형강판

왜 배우는가: PSC 박스거더 파형강판교는 복부를 콘크리트 대신 주름진 강판으로 바꿔 자중과 프리스트레스 손실을 줄이는 형식이라 장경간 교량 설계에서 자주 비교 대상이 된다. 파형강판과 콘크리트의 접합, 시공단계 균열 문제가 기술사 시험에서 반복해서 묻는 주제다.

출제 이력: 제139회 4교시 1번, 제138회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

PSC 박스거더 파형강판교는 상·하부 콘크리트 플랜지 사이의 복부를 파형강판으로 대체하고 긴장재로 프리스트레스를 도입한 박스형 교량이다.

• 파형강판 복부
• 프리스트레스트 콘크리트(PSC)
• 박스거더
• 주름 복부(Corrugated Steel Web)
• 아코디언 효과
• 전단연결재
• 상·하부 플랜지
• 외부 긴장재

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 다리의 상자형 보에서 옆면 벽을 얇은 주름 강판으로 바꾼 다리다. 콘크리트 웨브는 자중이 크고 휨 응력 때문에 균열이 생기기 쉬운 반면, 파형강판은 주름 방향으로 면내 전단력을 받고 축방향 힘은 거의 받지 않는다. 그래서 복부의 축방향 프리스트레스 전달이 끊기는 대신 자중과 복부 균열 부담이 줄어든다.

정식 정의로는 파형강판 복부를 가진 박스거더에서 상·하부 콘크리트 플랜지가 휨 압축과 인장을 담당하고, 파형강판이 전단력을 담당하는 합성형식이다. 파형강판의 주름이 면외 좌굴을 억제하므로 얇은 두께로도 전단 좌굴 강도를 확보할 수 있다. 이 때문에 복부 중량이 콘크리트 복부 대비 크게 줄고, 그 결과 상부 구조 자중이 감소한다.

핵심 원리는 두 가지다. 첫째, 파형강판의 종방향 강성은 작아서 축력은 플랜지가 받는다. 둘째, 주름 방향 전단 강성이 커서 복부가 전단력을 받는다. 이 두 원리가 아코디언 효과로 설명되며, 복부의 신축이 상부 플랜지의 종방향 프리스트레스 손실을 줄이는 근거가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

장경간 PSC 박스거더교는 자중이 전체 설계 하중의 큰 부분을 차지한다. 복부를 콘크리트로 두면 자중을 줄이기 어렵고, 복부 내부 긴장재 배치도 복잡해진다. 프랑스를 중심으로 파형강판 복부를 적용한 교량이 시공되면서 이 형식에 대한 연구가 진행되었다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 자중 감소로 장경간 가능성이 커진다. 둘째, 복부 내부 긴장재와 정착 상세가 줄어 시공성이 좋아진다. 셋째, 복부 콘크리트의 건조수축과 크리프로 생기는 프리스트레스 손실과 복부 균열 위험이 줄어든다. 다만 강판과 콘크리트의 접합부에서 응력이 집중되므로 접합 상세와 피로 검토가 필수다.

본 절은 개념과 원리를 중심으로 정리한다.

4. 구성요소·원리·절차

파형강판 웹 PSC 박스거더는 상부 슬래브, 파형강판 웹, 하부 슬래브, 격벽으로 단면을 이룬다. 복부의 콘크리트를 강판으로 바꾸어 자중을 줄이고 프리스트레스 효율을 높이는 것이 핵심이다.

표의 각 부재는 역할이 분명히 나뉜다. 상부 슬래브와 하부 슬래브는 휨을 받고, 웹은 전단을 받는다. 격벽과 가로보는 단면의 비틀림과 형상을 유지한다.

파형강판은 축방향 강성이 작아 주름을 따라 신축하는 아코디언 효과를 보인다. 따라서 긴장력은 웹을 거의 통과하지 못하고 상·하부 콘크리트 슬래브가 부담한다. 긴장력은 콘크리트 슬래브가, 전단력은 파형강판 웹이 담당한다. 이 원리에 따라 웹은 전단 전담 부재로 설계한다.

웹 전단응력은 다음 근사식으로 먼저 검토한다.

$\tau \approx \frac{V}{h_w \, t_w}$

여기서 V는 설계 전단력(N), h_w는 웹 높이(mm), t_w는 웹 두께(mm)다. 주름의 면외 효과와 전단좌굴은 근사식에 반영되지 않으므로 최종 검토는 기준의 전단좌굴·항복 식을 따른다. 허용 전단응력의 상한은 강재 항복강도 F_y에 따라 정한 기준값으로 둔다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 파형강판을 공장에서 주름 형상대로 가공하고 용접 검사를 한다.
• 하부 슬래브를 시공하고 받침 위치를 맞춘다.
• 파형강판 웹을 세우고 가설 지지한 뒤 하부 슬래브와 접합한다.
• 접합부에 전단연결재를 설치하고 채움 콘크리트를 타설한다.
• 상부 슬래브 콘크리트를 타설하고 양생한다.
• 긴장재를 긴장하고 그라우팅한다.
• 계측으로 형상과 응력을 확인하고 신축 거동을 점검한다.

접합부는 강판과 콘크리트가 만나는 곳이므로 응력이 집중되기 쉽다. 전단연결재의 간격과 채움 콘크리트의 충전 상태가 일체 거동을 좌우한다. 웹 상·하단의 정착 길이가 짧으면 강판이 콘크리트에서 빠지거나 국부 파손이 생긴다. 접합부 설계는 6절의 비교 기준과 함께 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

국내 교량 설계는 도로법과 도로교설계기준을 따른다. 현행 설계는 해당 설계기준에서 정한 설계 체계를 적용하며, 강구조와 콘크리트 부재의 세부 기준은 설계기준(KDS) 체계로 정비되어 있다. 파형강판 웹 PSC 박스거더의 전단 검토는 강구조 설계 기준의 전단 항복·좌굴 식을 따르고, 긴장재와 PSC 부재는 콘크리트 설계 기준을 따른다.

표의 값은 설계 원리에 따른 기준이다. 웹 두께와 주름 치수는 수치를 고정하지 않고 설계 검토 결과로 정한다.

국내 도로교 설계는 관련 설계기준의 설계 체계를 따른다. 강재와 콘크리트의 하중계수와 저항계수는 해당 설계기준에서 정한 체계에 따른다. 파형강판 웹 설계도 이 체계 안에서 전단 저항을 검토한다. 강재의 피로와 접합부 하중 조건도 함께 검토 대상에 든다.

6. 유형과 비교

PSC 박스거더 파형강판교는 복부의 재료와 형상에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 복부가 콘크리트인 일반 PSC 박스거더와, 복부를 파형강판으로 대체한 형식을 구분하고, 파형강판의 파형 방향과 접합 방식에 따라 세부 유형을 나눈다. 아래 표는 복부 재료 기준 비교다.