Construction Stage Analysis of Hybrid Composite Cable-Stayed Girder Bridge Using Eccentrically Loaded Derrick Crane

構 造 工 學

第30卷 第3A 號·2010年 5月 pp. 277 ~ 286

편중 가능한 사장교 가설용 데릭 크레인을 이용한 합성형 복합 사장교 시공 단계 해석

Construction Stage Analysis of Hybrid Composite Cable-Stayed Girder Bridge Using Eccentrically Loaded Derrick Crane

박태균*·김문겸**·원종화***

Park Taekwun ^· Kim Moon Kyum ^· Won Jong Hwa

···

Abstract

Derrick or caterpillar crane is generally used for the long-span/cable-stayed bridge construction by pre-cast segment lifting from over-land or water transportation. The heavy weight of them, however, could make defects on unstable under-construc- tion structure and, furthermore a method of conventional segment transportation is also able to occur additional time and cost.

In this study, in order to improve conventional construction method, the newly developed derrick crane is mainly considered. It could be not only eccentrically loadable on constructing girder but having rotatable boom for segment transportation from back-side. A series of construction stage using developed derrick crane is defined and also its numerical analysis is conducted.

To reflect load characteristics of developed derrick crane on construction stage analysis, on/out of service load is separately cal- culated by considering vertical/lateral rotation range of boom and it is loaded on 4 fixed positions of crane. The derrick crane on this study could be time and cost saving solution for cable-stayed bridge construction and also make contributions to con- struction load reduction in its process.

Keywords : derrick crane, eccentrically loaded, rotatable boom, construction stage analysis

···

요 지

케이블을 이용하여 장경간을 필요로 하는 교량의 시공은 일반적으로 불완전 한 구조계인 교량의 선단에 데릭 혹은 무한궤 도 크레인을 설치하여 수상 및 육상으로 이송되는 교량 상판을 리프팅하여 시공하게 된다. 이와 같은 경우 일차적으로 과도 한 크레인의 자중으로 인하여 불완전한 구조계에 결함을 발생시킬 수 있으며, 또한 하부 수송으로 인한 추가 비용 및 공기 를 소요하게 된다. 본 연구에서는 이러한 기존 시공방법을 개선하고자 개발된 교량 일 측에 편중 가능하고, 가동 붐을 설치 하여 후방 이송 자재를 시공 지점으로 운반, 가설이 가능한 데릭 크레인의 시공 단계를 정의하여 수치해석을 수행하였다.

데릭 크레인의 하중 재하 점을 고정부 4점으로 단순화하였으며, 가동 붐의 수직/수평 회전 범위를 고려하여 반력을 산정하 였다. 또한 크레인의 ‘휴지’ 및 ‘작업 중’의 단계로 나누어 가동 붐 및 강형, PC Slab에 의하여 발생하는 휨 모멘트를 시 공단계에 반영하였다. 본 연구에 고려된 데릭 크레인은 접속교를 통한 육상 작업으로 시공 기간 및 비용을 줄일 수 있으며, 크레인 자체의 작은 중량으로 시공 중 재하 하중 감소를 꾀할 수 있다.

핵심용어 : 데릭 크레인, 편중, 가동 붐, 시공 단계 해석

···

1. 서 론

사장교 등의 케이블을 이용하여 상판을 지지하는 형식의 교량은 중심에 위치한 주탑의 상부와 교량의 상판을 강철 와이어로 구성된 케이블을 이용하여 연결함으로서 교량에 전 해지는 외력에 대하여 저항력을 갖도록 하는 방식의 교량이 다 . 시공성 및 공사비 측면에서는 동바리 공법 (Full Staging

Method, FSM) 이 가장 안정적이고 경제적이나 , 사장교 및

엑스트라 도즈 (Extra-Dosed) 교와 같이 교하 공간이 하천 및

바다 , 운영 중인 도로 등에 의해 제약이 발생하는 경우에는 일반적으로 크레인을 사용하는 캔틸레버 공법 (Free- Cantilever Method, FCM) 을 사용하게 된다 .

사장교 등의 교량에 건설 시에 사용되는 데릭 크레인

(Derrick Crane) 은 건설이 완료되지 않은 불완전한 구조계의

교량 선단에 위치하여 바지선 및 트레일러 등으로 실려 오 는 교량 상판을 리프팅하여 작업을 수행한다 . 따라서 교량

*대림산업

(

)

(E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·연세대학교토목환경공학과교수·공학박사

(E-mail : [email protected])

***정회원·연세대학교토목공학과응용역학연구실박사과정

(E-mail : [email protected])

구조계의 완성 단계에 따라 그 위치를 이동해야하며 , 크레인 의 무게 중심은 시공 중인 구조물에 영향을 최소화하기 위 하여 최대한 주탑 쪽으로 재하하여야 한다 .

일반적으로 교량 건설에 사용되는 데릭 크레인은 교량 상 판을 들어 올리는 가동 붐이 데릭 크레인의 전방 중앙에 설 치되어 있으며 , 각 교량의 크기에 비례하여 커지기 때문에 데릭 크레인의 위치가 교량의 상부 중간에 설치되어 교량 상부의 거의 대부분을 차지하면서 작업이 실시된다 . 따라서 교량의 측면 공간이 좁아지게 되어 트럭 및 지게차 등 각종 차량이 이동될 수 있는 공간이 없어지게 된다 . 또한 , 상기 가동 붐이 좌우 회전 시에 , 데릭 크레인에 설치된 구조물에 걸리지 않도록 데릭 크레인의 전방과 약간의 측방만 회전되 도록 설계되어 있어서 , 후방에 적재된 건설 자재 등이 전방 으로 직접 이동되지 못하고 , 바지선에 실려 전방 하측에서 끌어 올려져야 되는 불편함이 있다 .

더욱이 케이블이 교량의 측면이 아닌 중앙부에 연결된 사 장교를 건설할 경우 , 교량의 중앙에 설치된 사재 때문에 데 릭 크레인이 중앙에 위치하지 못하고 케이블의 좌·우측에 편중되어 설치되어야 한다 . ^{이와 같이 크레인이 불완전한 교}

량 상판에 편중될 경우 , 미성숙한 구조물에 예상치 못한 하 중이 발생하게 되어 전체 구조계에 악영향을 미치게 된다 .

본 연구에서는 기존 데릭 크레인의 단점을 보완하여 교량 상판 일 측에 편중 가능하며 , 후방의 자재의 이동이 가능하 도록 가동 붐의 회전각이 대폭 향상되도록 개발된 데릭 크 레인을 적용한 구조물의 시공 단계 해석을 수행하였다 . 편중 가능한 특성으로 발생하게 되는 크레인 측부의 공간을 활용 하여 후방으로부터 이송되는 자재 등을 시공 지점으로 이동 ,

직접 가설 및 조립할 수 있는 특성을 시공 단계 해석에 반 영하였다 .

2. 데릭 크레인

데릭 크레인은 그 범용성을 따질 때에 건설 분야에 비해 서 컨테이너 선박 등 항만의 화물 선·하적 및 이동에 사용 되는 것이 대부분이다 . ^{이러한 경우 사용되는 데릭 크레인은}

예상 하중을 고려하여 설계된 프레임이 설치되어 정형화된 크기의 컨테이너를 끌어올리기 때문에 매우 안정된 상태에 서 일정 범위 내의 하중을 리프팅하게 된다 . 그러나 교량에 사용되는 데릭 크레인의 경우 데릭 크레인을 지지하는 구조 물인 교량 상판이 불완전한 상태이며 , 케이블에 의존하는 구 조물이기 때문에 교량 상판의 하중이 크고 , 비정형의 구조물 인 경우에는 본 구조물의 안정성을 보장하고 시공 중 결함 발생을 배재하기 위해서 평형 유지 및 교량 상판을 포함한 크레인의 하중 , 모멘트 관리가 필수적이다 .

2.1 기존 교량용 데릭 크레인

현재 일반적으로 사용되는 교량용 데릭 크레인은 그림 1

과 같이 교량 전면에 설치되어 교량 상판 등을 리프팅하는 작업을 수행한다 . 따라서 앞서 언급한 바와 같이 교량 상판 지지를 위한 케이블이 교량 측부가 아닌 중심에 위치할 경 우 분리된 2 기의 크레인이 설치되거나 좌·우측 한 쪽에 편 중되어 크레인이 설치되어야 하는 번거로움 및 위험이 따르

게 된다 . 따라서 이러한 경우 크레인 설치의 편의를 위하여

100 ton 급의 일반 무한궤도 크레인을 사용하는 경우가 많다 .

이러한 경우 크레인의 이동성으로 상판의 육상 이동이 가능 해지나 , 가설 중인 교량에 설계하중 이상의 하중이 발생함에 따라 완성 후 교량의 안정성을 보장할 수 없는 상황이 발생 하며 , 크레인의 하중을 고려하여 설계를 한다면 그 또한 과 다 설계의 원인이 될 것이다 .

기존의 교량용 데릭 크레인은 각 교량 너비 , 하중 용량

등에 맞추어 개별 제작되어 현재의 TBM(Tunnel Boring

Machine) 과 같이 1 회성에 그치는 장비였기 때문에 제작 및

폐기에 따르는 부대 비용이 발생하였고 , 이는 시공비 상승의 원인으로 작용하였다 . 이에 김주식 (2005a) 은 데릭 크레인의 각 부재 길이를 조절하여 교량이 달라지더라도 재사용이 가 능한 데릭 크레인을 고안하였다 . 또한 자재의 이동을 위하여 데릭 크레인의 가동 팔의 각도를 조절하거나 물건을 매달아 올리는 와이어가 크레인의 작동 중에 비틀거리거나 활차로 부터 와이어가 벗겨지는 것을 방지하도록 한 케이블 조절 유닛을 갖춘 크레인이 개발되기도 하였다 ( ^최상돈 , 2008a, b).

거대 중량 인양 및 조립 시 인양물의 위치를 바르게 잡거나 수평도를 유지하는 데에 발생하게 되는 추가 공정이 발생하 는 것을 해결하기 위하여 크레인에 유압 잭을 결합시킨 크 레인이 개발되었으며 ( 김주식 , 2005b), 유사한 개발 사례로 과 중량·비대칭 교량과 같이 무게 중심이 길이를 통해 직관적 으로 결정되기 어렵고 수평 유지가 어려운 구조물을 리프팅 하기 위해 유압잭 , 균형대 등을 설치하여 안정된 상태로 인

양이 가능하게 한 사례도 있다 (Guido Malaguti, 2005a,b).

기존의 경우 무게 중심을 맞추기 위하여 경량 측에 콘크리 트 박스 등을 쌓아 균형을 맞추기도 하였으나 이러한 방법 은 균형을 이루기 힘들뿐더러 구조물에 결함을 발생시킬 가 능성이 있었다 .

2.2 편중 가능한 데릭 크레인 특성

본 연구에서 개발 / 고려되어진 사장교 가설용 데릭 크레인 은 본래 사장교의 주탑에서 교량을 지지하기 위해 교량에 연결되는 케이블의 위치가 교량의 측면이 아닌 중앙과 연결 되는 , 중앙 케이블을 갖는 사장교를 건설할 때 편중의 편의 를 위하여 개발된 크레인이다 . 편중 가능한 데릭 크레인은 수직 회전부가 데릭 크레인의 전방 모서리에 설치되어서 수 직 회전부에 설치되는 가동 분의 각도를 데릭 크레인의 후

그림 1. 데릭 크레인을 이용한 Extra-Dosed 교 시공현장

방까지 이르도록 하면서 , 무게 중심이 일 측으로 편중 가능 한 특징을 가지고 있다 .

편중 가능한 데릭 크레인은 그림 2~3 과 같이 교량의 상부 표면에 위치되는 메인 지지부와 상기 메인 지지부에 설치되 는 수직 회전부와 상기 수직 회전부에 설치되며 , 와이어에 의해 각도가 조절되는 가동 붐을 포함하여 메인 지지부의 선단 일 측에 편중되어 상기 수직 회전부와 가동 범위가 넓 은 붐이 설치된다 . ^또한 , ^{메인 지지부에서 수직 회전부와 가}

동 붐이 설치되지 않는 세 모서리에서는 경사 지지부가 상 기 수직 회전부의 상단과 연결되며 , 메인 지지부의 네 모서 리부의 저면에는 각각 고정 핀이 결합됨과 동시에 유압 잭 이 설치되어 데릭 크레인이 교량 상판이나 건설 자재를 후 방에서 들어 전방으로 운반할 때 상기 교량 상판 및 건설 자재로 인한 정 반력과 부 반력이 모두 지지 될 수 있는 특징이 있다 .

본 연구에서 개발 / 고려된 편중 가능한 데릭 크레인 ( 최상돈 ,

2009) 은 기존의 데릭 크레인 및 무한궤도를 이용하는 일반

크레인에 비하여 하중 및 공간적 , 기능적 , 비용 측면에서의 장점을 갖는다 . 이러한 크레인의 공간적 특성상 , 중앙부에 케

이블이 위치하지 않는 일반적인 케이블 지지 교량에서 이와 같은 데릭 크레인을 사용할 때에 , 크레인 측부 공간을 자유 롭게 사용할 수 있기 때문에 자재 및 작업을 위한 교량 상 판을 적재할 수 있게 되어 공사 현장의 공간 활용을 극대화 할 수 있다 . 기존의 데릭 크레인 및 무한궤도 크레인은 앞 서 언급한 바와 같이 그 규모로 인하여 교량 상판 공간의 대부분을 차지하여 자재 및 상판 이동에 추가적인 장비를 이용한 수작업이 필요하였다 . 또한 그림 3 에서 유추할 수 있는 수평 붐의 광범위한 가동 범위를 가능하게 하는 크레 인의 구조적 특성으로 인하여 , 수상으로 교량 상판을 이동하 여야 하는 하상 혹은 해상 공사에서도 상판의 육지 수송을 가능하게 하여 공사 비용을 절감을 이룰 수 있다 .

3. 개선된 데릭 크레인을 이용한 시공 단계 해석 본 청풍대교의 주 교량인 강합성 복합 사장교의 중앙 경 간측 보강형은 강합성 판형으로 구성되었으며 , 본 사장교 시 공 중 가장 중요한 공정은 주형 및 케이블 설치를 위한

Free Cantilever ^{공법의 수행이다} . ^{케이블 배치형식이} Semi-

Fan Type 인 본 교량은 우선 주탑 공사가 완료된 후 캔틸레

버 시공이 가능하다 . 교량의 특성상 측경간 비가 짧고 육상 부에서 시공이 가능한 지형 조건에 착안하여 접속교를 선시 공하여 자재 반입을 위한 운반로를 확보하였다 . 사장교의 측

경간은 콘크리트 Edge 거더교로서 교각 기초를 이용하거나

별도 기초 위에 가설 벤트를 거치하고 거푸집을 설치하며 ,

특히 주탑부에 위치한 강콘크리트 복합부의 세그먼트 설치 를 위한 벤트작업 및 거푸집 작업을 동시 수행토록 계획하 였다 . 이는 수상 작업을 최소화하여 작업의 효율을 높이고 품질을 확보하기 위한 방안으로 적절한 시공 계획이라 할 수 있겠다 . 교각 하단부에 확보된 작업로 , 주탑부에 설치된 타워크레인 등을 통해 측경간 콘크리트를 타설하고 소정의 양생 기간을 거쳐 본 교량의 가장 중요한 공정인 중앙 경간 측 보강형 가설을 위한 운반로로 이용토록 하였다 .

중앙 경간측 보강형 세그먼트의 시공은 선 시공된 측경간 측 보강형의 상부를 통해 자재 및 장비가 반입되도록 계획 그림 2. 편중 가능한 데릭 크레인의 사시도

그림 3. 편중 가능한 데릭 크레인의 평면도

함으로써 안전하고 신속한 자재 운반이 되도록 하였으며 아

울러 별도로 주두부 (Pier Table) 를 설치해야할 필요가 없게

되었다 . ^{이러한 중앙 경간측 보강형 세그먼트는 앞서 언급한}

바와 같이 수상 작업을 배제함으로서 운반 비용 및 공사 기 간을 단축할 수 있게 하였으나 , 이를 위해서는 교량 후방부 에서 자재 및 교량 상판을 인양하여 회전할 수 있는 크레인 이 필요하게 되었다 . 이러한 경우 일반적으로 회전 붐을 갖

는 육상 Hydraulic 크레인을 사용하여 기 시공된 세그먼트

의 선단에서 Plate 거더 , Floor Beam, Stringer 및 PC 바닥 판의 순서로 거치토록 계획된다 .

강 콘크리트 복합 부는 이종 재료인 강과 콘크리트가 교 축방향으로 접합되어 보강형의 과대한 축력 및 휨 모멘트에 저항하도록 배치되었다 . 접합부에는 강형의 Plate 거더와 콘

크리트 Edge 거더가 일체로 거동할 수 있도록 충분한 보강

이 이루어져 있는데 접합면에 스터드 , 강봉이 설치되어 콘크 리트 타설시 상당한 주의를 요하게 된다 . 본 과업에서는 가 벤트 상면에서 작업하도록 하여 비교적 작업 여건이 양호하 도록 계획하였다 . ^{이러한 합성형 사장교 형식은 사장교가 자}

정식 구조 특성상 데크에 큰 압축력이 작용하고 장경간을 실현하기 위해 자중의 부담이 적지 않다는 두 가지 측면을 볼 때 , 초 장대교량을 가능하게 하는 합리적인 해결 방법이 될 수 있다 . 또한 프리 캐스트로 제작 , 설치되는 교량 바닥 판의 가설은 시공 과정 중의 불필요한 작업을 줄이고 , 품질 관리가 가능하게 하여 구조 해석상 / 구조물 관리상 불확실성 을 상당부분 제거하였다 .

3.1 시공 단계 해석

FCM(Free Cantilever Method) 를 사용하여 진행되는 사장

교의 시공은 매 시공 단계마다 구조계 , 처짐 , 케이블 장력 및 부재력의 상당한 변화가 발생하게 된다 . ^{구조물을 완전}

탄성 구조로 가정하면 , 시공 중 하중이 제거될 경우 처짐과 부재력이 완전 회복 되지만 , 합성형 교량의 경우 단계별 시 공을 고려할 경우 완전 탄성을 보장할 수 없기 때문에 하중

이 제거된 이후에도 잔류 응력이 존재하게 되며 이를 Lock-

in-stress 라고 한다 . 이는 제작 캠버의 형상 및 부재 응력에

영향을 미치기 때문에 설계 단계에서 고려되어야 한다 . FCM 을 사용하는 사장교는 일반적으로 가설 장비 및 시공 공정 등에 의하여 시공 중 구조물의 안정성이 결정되기 때 문에 가설 장비의 선정 , 작업 계획 등을 고려한 시공 단계

해석이 필요하다 . 특히 교량 상판을 인양하는 크레인 장비의 중량은 일반적으로 발생하는 교량의 사용 하중보다 크게 발 생하기 때문에 시공 중에 불완전한 구조물에 손상을 입힐 가능성이 큰 요인 중에 하나이다 .

시공 단계 해석은 시공 단계에 따라 변화하게 되는 전체 구조물 강성 - 하중변화 관계에서 기인하는 응력 - 변위 등으로 나타나며 , 이는 수치 해석 상 강성 행렬의 변화를 통해 하 중 증분을 재분배하여 중첩해 나가는 과정으로 표현된다 . 이

와 같은 강성 - 변위 - 하중 증분에 대한 관계는 다음 식 (1, 2)

와 같이 나타낼 수 있다 .

(1) (2)

여기서 , [ K ]

는 강성 행렬 (Stiffness Matrix), { ∆ u } 는 변위 증분 , { ∆ P } 는 하중 증분이며 , i 는 i 번째 시공단계를 의미한다 . 임 의의 시공 단계 i 에서 하중 증분 { ∆ P }

에 의한 구조물의 변위증분 { ∆ u }

는 그 시공 단계에서 구조물의 기 가설 부재 와 경계 조건에 맞춰서 새로이 구성된 구조물의 강성 행렬

[ K ]

를 이용하여 식 (1) 과 같은 관계를 도출할 수 있다 . 이

때 변위 는 바로 전단계인 i -1 번째 시공 단계의 변위 에 식 (1) 에서 구한 변위 증분 를 합산하여 구한다 . 이 외에 케이블 지지 교량의 시공 단계를 모사하기 위한 케이블의 재 긴장 , 단면의 합성 , 지점의 변화 등을 고 려하는 과정 역시 , 해당 단계의 하중 증분에 따른 변위를 고려한 강성 행렬의 변화로 나타내어진다 .

또한 합성형 사장교의 경우 콘크리트의 장기 거동으로 인 한 크리프 및 건조 수축이 교량 전체계의 변형을 유발시키 며 , 이는 각 부재에 추가적인 하중으로 작용하게 된다 . 강형 거더 및 콘크리트 바닥판으로 이루어진 단면에서 강형 거더 에는 축방향 구속에 의한 탄성 변형이 발생하며 콘크리트 바닥판에서는 탄성 변형과 함께 크리프가 발생하여 정확한 초기 장력 산정을 어렵게 한다 . 시공되고 있는 사장교의 경 우 , ^{제작 후 장기간 적치시킨 프리 캐스트 바닥판을 사용하}

여 크리프 및 건조 수축에 의한 추가적인 휨 모멘트에 대한 불확실성을 제어하고 있으나 , 교량의 사용 기간을 고려할 때 시공 후 발생하는 크리프 및 건조 수축은 설계 및 해석 단 계에서 반드시 반영되어야 한다 . ^{크리프에 의한 영향은 추가}

모멘트에 대한 역방향 모멘트를 산정하여 고려하도록 한다 .

크리프에 의하여 조정될 장력 및 모멘트의 크기를 나타내는 K

[ ]

⋅ { } ∆ u = { } ∆ P

u

{ }

= { } u

+ { } ∆ u

u

∆ { }

u

∆

{ }

{ } ∆ u

그림 4. 청풍대교 개요도

보정 행렬 D

은 다음 식 (3) 과 같이 나타낸다 . 아래 첨자

t 및 m 은 장력 및 모멘트를 나타낸다 .

(3)

여기서 , M

는 크리프에 의하여 발생되는 모멘트를 상쇄시 키기 위하여 도입된 물리량이며 , T

는 도입 장력의 조절 범위이다 . M

의 크기는 크리프에 의하여 발생되는 모멘트 와 같고 부호는 반대이다 . 따라서 다음 식 (4) 와 같이 나타 낼 수 있으며 , 이는 식 (5) 와 같이 크리프 효과를 고려하지 않은 완성 구조계에서 발생하는 사하중 모멘트와 크리프를 고려하여 완성된 구조물에서 발생하는 사하중 모멘트의 차로 나타낼 수 있다 .

(4) (5)

여기서 , ∆ M

은 크리프에 의하여 발생되는 모멘트 , M

은 크리프를 고려하여 완성된 구조물에서 발생하는 사하중 모멘 트이며 M 은 크리프 효과를 고려하지 않은 완성 구조계에서 발생하는 사하중 모멘트이다 . 또한 크리프에 의하여 발생하는 모멘트에 의한 추가 장력 , T

는 다음 식 (6) 과 같이 반영 할 수 있다 .

(6)

여기서 , F

은 조정 장력 및 모멘트의 영향 행렬이며 W

는 가중치 계수의 내적 값이다 .

3.2 시공 단계 해석 알고리즘

그림 5 에 사장교 시공 단계 해석을 위한 알고리즘을 정리

하였다 . 우선 교량의 초기 평형 상태 (Initial Equilibrium

State) ^{를 구현하기 위하여 완성 구조계의 사하중 상태에서 최}

적의 부재력을 갖는 구조계를 구성한다 . 시공 단계 및 크리 프 등 시공 및 사용 중에 발생하는 환경의 변화를 고려하지 않고 가장 이상적인 상태의 케이블 도입 장력을 도출하는 과정이다 . 이는 목적 장력으로 사용되어진다 . 목적 장력을 시

공 완료된 구조물에서 구현하기 위한 선형 초기 장력 값을 선정한다 . 이는 크리프 및 건조 수축 효과를 고려하지 않고 가설된 부재와 하중을 시공의 역순으로 제거해 나가면서 장

력 값을 산정하는 역해석 (Backward Analysis) 을 이용하여

구하도록 한다 . 선형 초기 장력에 크리프에 의한 모멘트를 상쇄할 수 있는 식 (6) 과 같은 추가 장력을 도입하여 시공 중 초기 도입 장력을 산정하게 된다 . 그러나 각 시공 단계 를 거치면서 구조계의 상호 영향에 의하여 그 값의 크기가 변하게 되므로 , 반복 계산을 통하여 구조계가 최적의 상태를 갖는 장력을 구하도록 한다 .

3.3 청풍대교 시공 단계 절차

본 연구에서 고려되어진 청풍대교는 캔틸레버 공법을 사용 하여 교량 중앙 경간을 가설한다 . 캔틸레버 시공은 공정 계 획상 시·종점측 주탑 구간을 동시 시공하는 것으로 계획하 였으며 종점측 마지막 세그먼트를 폐합시켜 사장교 전 구간 을 완성시키는 것으로 하였다 . 사장교 형식의 청풍대교 상부 공 시공 순서는 크게 측경간 타설 및 중앙 경간 세그먼트 시공의 2 ^{공정으로 나누어 고려할 수 있으며} , ^{본 연구에서}

는 주탑 및 접속교 시공을 제외한 중앙경간 시공에 따른 시 공 단계 해석에 초점을 맞추도록 한다 . 구조물의 개요를 그 림 6 에 나타내었으며 , 좌·우측 경간에 각각 14 블록으로 이 루어져 있는 청풍대교는 거더 선단에 위치한 데릭 크레인은

접속교를 통하여 운반된 plate girder 등의 구조물을 인양 ,

조립하게 된다 .

가설 단계 해석의 1 차적인 목적은 대상 구조물의 가설 시 에 안전성을 확보하고 실제 시공의 가능 여부를 검증하는 것이다 . 구조물의 안전성에 판단의 기준을 두고 , 가설 장비 운용계획 및 시공 순서의 적정성 , 가설 벤트 및 내풍 케이 블과 같은 가시설의 사용유무 및 적용할 위치의 선정 등이 가설단계 해석을 통해 결정되고 검증된다 . ^{이 교량의 프리캐}

스트 바닥판의 경우 이미 가설 전에 충분한 건조 수축이 일

어난 상태이고 일반 PSC 박스 거더와 비교하여 크리프의

영향이 작으나 , 주 경간장이 327 m 이고 측경간은 현장 타설

되는 FSM ^{구간인 점을 고려하면 주탑 및 보강형의 형상}

및 부재력의 변화를 무시할 수 없다 . 따라서 가설시 및 가 설 완료후의 시간 경과에 따른 콘크리트의 시간 효과를 고

려하기 위하여 순방향 해석 (Forward Analysis) 으로 가설 단

계를 구성하여 검토하였다 .

개선된 데릭 크레인을 이용한 시공 순서는 그림 6~9 에 개 D

{ } = { M

} T ⁄ {

}

M

{ } = – { ∆ M

} M

∆

{ } = { M

} M – { }

T

{ } = ( [ F

]

[ ] F W

[

] )

[ F

]

[ ] D W

{

}

그림 5. 사장교 시공 단계 해석 알고리즘 그림 6. 데릭 크레인 작업 순서 - 1. 러그 (Lug) 설치 및 크레인

조립

략적으로 도시하였다 . 우선 중앙 경간 시공을 위하여 주탑

상단에 데릭 크레인의 러그 (Lug) 를 설치하여 크레인을 조립 ,

고정한다 ( ^그림 6). ^{이후 기 시공된 측경간 접속교를 통하여}

운반된 plate girder 및 floor beam, stringer 등을 인양하여

조립 ( 그림 7) 한 다음 pre-cast panel 의 가설 및 현장 콘크리

트를 타설한다 ( 그림 8). 데릭 크레인의 이동은 바닥판과 강

형의 합성 후 이동하며 레일을 설치하여 다음 블록을 설치 하기 위한 위치로 옮겨 고정 ( 그림 9) 한 후 , 그림 6~9 의 과

정을 Key segment 조립 시까지 반복한다 .

3.4 청풍대교 시공 단계 해석 조건

본 연구는 기존 데릭 크레인 및 무한궤도 크레인보다 특 성화된 데릭 크레인을 이용하여 실제 교량의 시공 단계 해 석 수행을 목적으로 함에 따라 다음과 같은 수치 해석상 가 정을 수반한다 . 본 해석에서 가설 초기 단계인 ‘ 주탑 가설→

측경간 타설→접합부 설치 ’ 의 과정들은 구체적인 모사를 생 략하고 하나의 가설 공정으로 가정하며 , 4 개월 이상 충분히 양생된 precast panel 을 이용하여 1 segment 가설에 7 일의 시간이 소요되는 것으로 한다 . 또한 프리 캐스트 바닥판은

11.1 m 단위로 강형 위에 얹어 놓고 합성시키며 , 케이블은

강형 설치 후 1 차 긴장 , 강형과 바닥판의 합성 후 2 차 긴 장하는 것으로 가정한다 . ^{보강형의 가설시 모든 부재는 기}

설치된 부재의 접선 (tangential) 방향으로 가설되며 , 데릭 크

레인은 케이블의 2 차 긴장 후 이동하게 된다 .

보강형 및 주탑은 3 차원 beam 요소를 사용하였으며 , 사재

는 3 차원 cable 요소를 이용하여 모형화하였다 . 보강형 및

주탑의 실제 제작 및 가설 길이에 맞춰 부재를 배치하고 절 점은 단면의 도심에 위치하도록 하였으며 , 케이블의 하중 작 용점은 주탑부 케이블 분력의 실 작용점을 고려하였다 . 합성 형 보강형의 특성을 고려하여 슬래브와 강형부를 분리하여 절점 및 부재를 정의하였다 . 수치 해석은 합성형 사장교 시 공에 수반되는 크리프 및 건조 수축 등의 영향을 반영할 수 있는 범용 구조 해석 프로그램인 RM2006(TDV) 및 MIDAS

Civil 2007 을 사용하였다 . MIDAS Civil 2007 을 이용한 수

치 해석 모형은 다음 그림 10 과 같다 .

청풍대교는 지점을 기준으로 좌우측 측경간 57 m, 중앙

경간장 327 m 로 총 441 m 의 3 경간 연속 사장교이다 . 주탑

은 기초 규모를 축소하기위에 레그 (Leg) 를 안쪽으로 모은 H

그림 7. 데릭 크레인 작업 순서 - 2. Plate Girder, Floor Beam 및 Stringer 인양 및 조립

그림 8. 데릭 크레인 작업 순서 - 3. Pre-cast Panel 인양 및 가설 , 현장 콘크리트 타설

그림 9. 데릭 크레인 작업 순서 - 4. 데릭 크레인 이동을 위한 레일 설치 후 레일 상부에 크레인 거치 , 이동

형 콘크리트 주탑으로 높이 103 m 이며 설계 하중으로 DB- 24 와 DL-24 하중을 사용하는 1 등교이다 . 그림 11 및 12 에 보강형 표준 단면도 및 변단면을 보이는 주탑의 단면도를

도시하였다 . 또한 표 1, 2 에 해석에 사용된 보강형 및 케이 블의 물성 값을 요약하였다 .

이와 더불어 본 연구에서 고려되어진 개선된 데릭 크레인 은 기존의 크레인과 달리 교량 일 측에 편중되고 가동 붐 및 고정 장치의 영향으로 선단에 고르게 하중이 전달되어지 는 기존 데릭 크레인과는 하중 발생 양상이 다르다 . 이를 위하여 편중된 고정 지점 4 곳과 가동 붐의 최대 회전각을 고려하여 하중을 산정하도록 한다 . 그림 13 은 그림 3 을 주 탑부에서 도시한 데릭 크레인의 하단부이며 그림 14 에 그림

3 ^{을 고정점} 4 ^개소 (A, B, C, D) ^{및 가동 붐으로 단순화하여}

나타내었다 . A-B 및 C-D 의 길이는 5.8 m, B-C 및 A-D 는

11.1 m 이며 표 3 에 하여 하중을 붐의 최대 회전각을 나타내

었다 . 표 3 에서 Boom Angle 은 붐의 수직 상하 회전각이며

Rotation Angle 은 수평 회전각이다 . Boom Angle 에 따라

그림 10. 청풍대교 3 차원 유한 요소 모형

그림 11. 청풍대교 보강형 표준 단면도 ( 콘크리트 Edge 거더부 )

그림 12. 청풍대교 주탑 변단면도 (mm)

표 1. 청풍대교 보강형 부재 물성값

구분 단면적

(m

) ^단위중량 (kN/m

) (kN/m) ^중량

중앙경간

프리캐스트 바닥판 3.720 25.00 93.000

강재 주형 0.135 78.50 10.598

부부재 할증 (30%) 0.040 78.50 3.140

Floor Beam 0.046 78.50 3.611

부부재 할증 (30%) 0.014 78.50 1.099

Stringer 0.018 78.50 1.413

측경간

Edge 거더 (H=2 m) 10.072 25.00 251.800

충실단면 (H=2 m) 30.334 25.00 758.350

확폭단면 (H=3 m) 51.903 25.00 1297.575

표 2. 청풍대교 케이블 물성값

구분 소선수 단위중량

(kN/m

) ^비고

케이블

CA01~07 73 1012.20

각 케이블간 길이차 존재

CA08~09 37 516.00

CA10~14 22 315.90

CA15~19 31 437.40

CA20~23 37 516.00

표 3. 개선된 데릭 크레인 붐의 최대 회전각

Boom Angle (

) Rotation Angle (

)

α β α+β

0~41.4 0~75 190~360 245

41.4~64.6 0~75 195~360 240

64.6~84 0~60 210~360 210

210~245 ^의 Rotation Angle ^{범위를 보인다} . ^{시공 시 붐의}

회전 범위를 고려하여 총 중량 576.23 kN 의 데릭 크레인의

수직 반력을 계산하였으며 작업을 하지 않는 상태 . ‘ 휴지시 ’

와 ‘ 강형 인양시 ’ 로 나누어 표 4 에 요약하였다 . 후자의 경우

강형의 무게를 고려하게 되며 휴지 시와 비교할 때 A, B,

C, D 각 지점에 -13.58, 218.28, 49.15 및 -158.47 의 하중

이 재분배되었다 . 강형의 이동에 따라 회전축의 직 후방에 위치한 D 지점에 인장력이 발생하고 있다 .

본 연구를 위하여 주탑의 시공 (stage 10) 부터 Key Segment

의 조립 후 30 년 (stage 1950) 까지 195 단계의 시공 절차를

구성하였으며 , 앞서 기술한 가정과 같이 주탑의 시공을 하나 의 단계로 가정하여 본 연구에서는 중앙 경간의 1 차 케이블

을 가설하는 stage 530 ^부터 stage 1950 ^{까지의 거동을 해석}

하였다 . 앞서 3.2 절에서 모사된 시공 절차에 따라 가감되는 하중 및 시공 경과 기간은 다음 표 5 와 같이 수치 해석상 입력되었다 . 편중 가능한 데릭 크레인을 사용함에 따라 자재 운반 및 적재 공간을 적극적으로 확보할 수 있어 시공 기간 이 단축된 결과이다 .

4. 시공 단계 해석 결과

해석 결과는 좌 , 우측 경간 대칭으로 이루어지는 관계로 좌측 경간에 대해서만 검토하도록 한다 . 그림 15 및 16 은

Midas Civil 2007 을 사용한 해석 결과이며 , 그림 17 에서는

Midas Civil 2007 및 RM2006 을 사용하여 그 결과를 비교

하였다 . 앞서 언급한 바와 같이 stage 530 부터 stage 1950

까지 142 단계 (13cycle-14 개 블록 중 초기 주탑부 연결 블록

제외 ) 의 수치 해석 결과를 토대로한 좌측 경간의 주탑 교축 방향 변위를 그림 15 에 나타내었다 . 그림 15 에서와 같이 총

14 개의 고점 (Peak) 이 나타나는데 이는 PC 슬래브 설치 및

그림 13. 편중 가설된 데릭 크레인 하단부

그림 14. 데릭 크레인 상측 단순도 ( 고정부 및 붐의 회전반경 )

표 4. 데릭 크레인 작업시 기시공 바닥판에 작용하는 반력

구분 Boom

Angle (

)

Rotation Angle

(

)

지점 반력 (kN)

A B C D

휴지시 65 -15 370.77 94.64 22.65 88.18

강형 인양시 50.27 35.95 357.19 312.91 71.79 -70.29

그림 15. 좌측 경간 주탑 (PY1) 교축방향 변위 (+: 중앙경간 방향 )

바닥판 합성 과정에서 슬래브의 하중에 의하여 주탑이 중앙 경간 방향 (+) 으로 기울어짐에 따라 발생하는 고점이다 . 시공 단계 해석은 그림 13 과 같이 편중된 데릭 크레인을 수치 해석 모형에 구현하여 표 4 에 요약한 휴지시 , 작업 중 데릭 크레인의 형향을 모두 고려하였다 .

보다 정확한 거동 분석을 위하여 stage 680~780 의 1

cycle 에 대하여 케이블 장력 변화 ( 그림 16a) 및 주탑의 교축

방향 변위 ( 그림 16b) 에 대하여 살펴 보도록 한다 . 그림 16

(a) 에서 No. 258~262 는 케이블의 고유 번호이며 , stage

680~780 에서 사용되는 케이블은 기설치 된 측경간부 No.

258 및 stage 730 에서 설치되는 중앙 경간부 No. 262 케

이블이다 . 측경간부 케이블은 긴장시 ( − ) 변위를 , 중앙 경간부 케이블은 긴장시 (+) 변위를 유발시킨다 . No. 259~262 케이 블은 추가 긴장 등의 작업을 필요로 하지 않는 케이블로서 추가 설치 및 긴장되어지는 주변 케이블의 영향에 직·간접

적으로 영향을 받게 된다 . stage 680~730 까지 주탑의 변위

가 증가하는 구간은 데릭 크레인을 이동하여 Edge girder

및 강형 , working platform 등의 설치 및 No. 262 의 긴장

으로 인하여 하중이 증가하는 구간이며 working platform

철거의 영향으로 stage 740 에서 변위가 다소 감소하는 경향

을 보인다 . 이후 PC 슬래브 설치 및 바닥판 합성으로

stage 750~755 에서 변위가 크게 증가하나 측경간부 No.

258 케이블의 긴장으로 급격하게 변위가 감소하게 된다 ( 표 5

참조 ). 그림 17 은 교량 완성 30 년 후에 예상되는 교량 완성

그림 16. Stage 680~780 에서 케이블 장력 변화 및 주탑 변위

그림 17. 교량 완성 30 년 후 완성계 케이블 장력

표 5. 가설 단계에 따른 재하 및 제거 하중 (1 cycle)

가설하중 재하하중 제거하중 시공

( 일 ) ^경과 ( 일 )

stage n 데릭 이동 S- ^데릭 , ^{데릭 레일} ( ^{전 단계} ) S- ^데릭 , ^{데릭 레일} 1 1

stage n+10 Edge Girder 2EA 적재 Edge Girder 2EA 1 1

stage n+20 Edge Girder 1EA ^인상 A- ^데릭 , Edge Girder 1EA S- ^데릭 , Edge Girder 1EA 1 1

stage n+30 강형가설 Floor beam, Stringer, 점검차 ,

페어링 , 정착구 , S- 데릭 A- ^데릭 , Edge Girder 1EA 1 2

stage n+40 Working Platform ^설치 Working Platform 1 2

stage n+50 중앙경간 cable A 가설 케이블 1 차 긴장 (cable A) 1 2

stage n+60 Working Platform ^제거 Working Platform 1 2

stage n+70 PC 슬래브 설치 슬래브 자중 4 6

stage n+80 바닥판 합성 1 6

stage n+90 측경간 cable B 가설 케이블 2 차 긴장 (cable B) 1 7

stage n+100 중앙경간 cable A ^{긴장 케이블} 2 ^{차 긴장} (cable A) 1 7

S- 데릭 : 휴지시 데릭 크레인 (out of Service)

A- 데릭 : 강형 인양시 데릭 크레인 (Active)

계의 케이블 장력이다 . 그림 17 에서 좌·우측으로 상대적으 로 큰 장력을 보이는 구간은 측경간부 케이블이며 No.

260~288 케이블은 중앙 경간부의 케이블이다 .

5. 결 론

본 연구에서는 기존 데릭 크레인의 단점을 보완하여 교량 상판 일 측에 편중 가능하며 , 가동 붐이 설치된 데릭 크레 인을 적용한 사장교의 시공 단계 해석을 수행하였다 . 본 시 공 단계 해석에서는 개발된 데릭 크레인의 특성을 반영하여 크레인 측부의 공간을 활용 , 후방으로부터 이송되는 자재 등을 가동 붐을 통해 시공 지점으로 이동 , 직접 가설 및 조립할 수 있는 특성을 시공 단계 해석에 반영하였다 .

사장교 가설에 특성화된 본 데릭 크레인을 고정부 4 점으 로 단순화하였으며 , 가동 붐의 수직 / 수평 회전 범위를 고려 하여 반력을 산정하였다 . 또한 크레인의 ‘ 휴지 ’ 및 ‘ 작업

중 ’ 의 단계로 나누어 가동 붐 및 강형 , PC Slab 에 의하여

발생하는 휨 모멘트를 시공 단계에 반영하였다 . 편중 가능

하고 가동 붐을 설치한 데릭 크레인을 이용하여 11.1 m ^의

1 segment 를 가설하는 단계를 각 11 단계로 정의하였으며 ,

크게 강형가설 , PC 슬래브 설치 및 바닥판 합성 , 케이블

긴장 , 그리고 데릭 크레인 이동으로 구분할 수 있다 . 본 연 구에 고려된 데릭 크레인은 기존의 데릭 및 육상 크레인에 비하여 수상 및 육상 작업을 접속교를 통한 자재 이동으로 대체하여 시공 기간 및 비용을 줄일 수 있으며 , 장비 자체 의 작은 중량으로 시공 중 재하 하중 감소 , 또 이에 따른 캠버 관리 및 케이블 긴장 작업 용이를 꾀할 수 있는 장 점이 있다 .

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( 접수일 : 2010.1.13/ 심사일 : 2010.2.11/ 심사완료일 : 2010.3.9)