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5-10 고강도 콘크리트(40MPa) 교각 설계적용 검토 설 계 처-5922

(2009. 11. 30)

Ⅰ. 개 요

1. 검토 배경

고속도로 교량의 교각에 고강도 콘크리트(40MPa) 적용을 검토하여 단면감소를 통한 미관개선 및 경제성 증진에 기여코자 함

※ 고강도 콘크리트 정의

o 콘크리트 표준시방서 : 설계기준강도 40 MPa 이상

o ACI 363 : 설계기준강도 41 MPa(6,000psi)이상

☞ 1 MPa= 10kgf/㎠ = 145psi , psi = pound/in2

2. 추진경위

o 2008. 1 : 고강도 콘크리트 실용화 추진계획 수립

o 2007~2008 : 고강도 콘크리트 TF팀 회의 개최 (3회)

o 2008. 4 ~ 7 : 시험시공 교각 재설계(음성충주 5공구 신효교)

o 2008. 7 ~12 : 교각 시험시공

o 2009. 5 : 콘크리트 학회 논문 발표

o 2009. 8 : 고강도 콘크리트 시공지침(안) 수립

Ⅱ. 현 설계 기준

1. 도로교 설계 기준

부재의 종류 최저설계기준강도(MPa) 비고

무근콘크리트 부재 18

철근콘크리트 부재 21

프리스트레스트

콘크리트 부재

프리텐션 방식 35

포스트텐션 방식 30

2. 우리회사 방침(기술심사실-2059호, 2005.12.29)

교각의 콘크리트 설계기준강도는 27MPa이상을 원칙으로 한다

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Ⅲ. 교각 기둥 및 코핑 단면의 구조적 특성

1. 휨-압축부재(기둥)

o 외력이 균형파괴구간(C영역)에 가까울수록 콘크리트 강도 상향 조정시 단면의 공칭강도(축력, 모멘트) 증가

＊A~C영역(압축파괴구간) : 철근항복하기전 콘크리트가 항복상태 도달

C 영역(균형파괴구간) : 철근과 콘크리트가 동시에 항복상태 도달

C~D영역(인장파괴구간) : 콘크리트가 항복하기전에 철근이 항복상태 도달

o 강도변화에 따른 구조계산 결과

※ 40MPa 콘크리트 적용시 공칭축력 증대로 단면 축소

구 분

직경

(m)

극한축력

[Pu(kN)]

공칭축력

[ΦPn(kN)]

안전율

(ΦPn/Pu)

비고

27MPa 1.9

상시 : 14,728

지진 : 10,190

상시 : 17,788

지진 : 26,510

1.21

2.60

H=15m

40MPa 1.8

상시 : 14,612

지진 : 10,098

상시 : 17,973

지진 : 30,583

1.23

3.02

〃

2. 휨-전단부재(코핑, 기초)

  ) (1 1.7 )

2

(

×

× - = × × -

r

fAs fy d a f r fy

fy

fck



＊(1.7․P․fy/fck)의 값이 0에 가까우므로 단면의 공칭휨강도는 fy에 의해서 결정

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Ⅳ. 고강도 콘크리트 적용시 고려사항 검토

1. 수화열에 의한 균열발생 여부 검토

o 사전 온도응력 해석결과 유해균열 미발생

결합재 타설높이 (m) 최고온도 (℃)

최대응력

(Mpa)

균열 지수

보통시멘트 3단 (6m)

기둥 79.8

코핑 83.3

2.5 0.93

FA 혼합 〃

기둥 77.9

코핑 83.2

2.5 1.01

저열시멘트 〃

기둥 68.2

코핑 70.1

1.8 0.98

＊균열지수 0.7～1.2 : 유해균열 발생을 제한

＊균열지수 = 콘크리트 인장강도 /수화열에 의한 인장 주응력

2. 지진시 거동 검토

o 고강도(40MPa) 적용에 의한 지진시 거동 변화 미미

콘크리트 강도 기둥직경 고유치 교대변위 교대수평력

27MPa 2.5m 1.927초 101㎜ 243KN

40MPa 2.3m 1.939초 102㎜ 245KN

3. 코핑부 휨균열 검토(콘크리트 구조설계기준 p125)

o 필요철근 최소간격(215㎜)이하로 배근(125㎜)하므로 휨균열 O.K

콘크리트 강도 필요철근최소간격(S) 적용간격 비고

27MPa 213㎜ 125㎜ O.K

40MPa 215㎜ 125㎜ O.K

＊필요철근 최소간격 (S) = 300(210/fs) ․fs : 철근의 응력

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4. 단면 및 공사비 분석

o 대상교량 : 충주~제천간 고속도로 산척3교 등 10개 교량

o 분석결과

- 기둥에서는 단면축소 및 공사비 절감 효과가 있음

- 코핑은 휨응력에 좌우되므로 콘크리트 강도 증가에 의한 단면 감소효과가 기둥보다 적음

구분 기둥 코핑 비고

단면축소 비율 -5 ~ -8％ 0 ~ -6％ - : 감, + : 증

공사비 변화비율 -2 ~ -7％ +2 ~ -2％

Ⅴ. 교량 재설계 및 시험시공 결과

1. 재설계 현황

o 대상교량 : 음성충주 5공구 신효교

- 형 식 : IPC거더 (30m+40m+30m=100m), T형교각(h=20m)

o 결과 분석

- 기 둥

구분 원설계(27MPa) 재설계(40MPa) 비고

기둥 직경 2.8m 2.2m

적용철근비 1.356% 1.065%

총공사비 3.3천만원 2.7천만원 원설계대비 80%

- 코 핑

구분 원설계(27MPa) 재설계(40MPa) 비고

콘크리트 강도 27MPa 40MPa

코핑높이 3.0m 2.6m

공사비 3.67 천만원 3.55 천만원 원설계대비 97%

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- 기 초

콘크리트 강도 증가로 인한 단면 감소효과가 미미하고, 단면이

매시브하여 수화열의 영향이 예상되므로 기존 콘크리트 강도

(27MPa) 적용함

2. 시험시공 결과

o 배합 설계

- 수화열에 의한 온도균열 검토를 위하여 1종시멘트, 플라이 애쉬 및 저열포틀랜드시멘트 사용 배합 제시

구 분 Gmax

슬럼프

(cm)

공기량

(%)

W

(Kg)

C

(Kg)

고성능 AE 감수제

(시멘트 중량 비)

1종 시멘트

25㎜ 15±2.5 5～7

163 454 1.0%

FA 20 (20%) 165 382 1.0%

저열시멘트 158 438 0.8%

＊시험시공시 현장여건 등을 감안하여 1종 시멘트를 사용함

o 수화열 및 균열 실측 결과

- 4개 모든 교각에서 균열이 발생하지 않음

구 분 해 석 실 측 비 고

콘크리트 온도 18~27℃ 18~27℃

콘크리트압축강도 58MPa 58MPa

양생방법 양생포+살수 은박보온재+천막비닐

최고온도 84.6℃ 89.6℃

최대응력 3.38MPa

균열발생 없음

최소균열지수 0.84

＊거푸집 탈형시기 및 보온양생 등의 양생관리가 주효

o 배합강도 이상의 조기 강도 발현 → 고강도 콘크리트 강성 확보

- 재령 7일 강도 44Mpa, 28일 강도 56Mpa

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o 촉진중성화와 동결융해저항성은 27Mpa 콘크리트 대비 우수함

구분 원설계(27MPa) 재설계(40MPa) 비고

촉진중화성 깊이 12.2mm 3.3mm 낮을수록 수밀함

동결융해저항성

(상대동탄성계수)

76.3% 80.4% 높을수록 우수함

Ⅵ. 자문의견

1. 자문내용 : 40MPa 콘크리트 교각 적용에 대한 의견

2. 자문위원 : 고려대 윤영수 교수 등 4명

3. 자문결과 요약

항목 자문의견 및 조치사항 자문위원

구조성능

◦고강도 콘크리트를 활용함으로써 단면슬림화를 통한 미관개선 및 부분적인 경제성 향상이 가능할 것으로 판단됨.

◦단기적으로는 시행착오 등 여러 가지문제가 있을

수 있으나 장기적으로 필요한 사항임.

※기둥부(압축부재)는 콘크리트 강도증가에 의한 공칭축력의 증대로 단면축소가 가능

◦교각(기둥, 코핑)에 40MPa을 사용하는 경우, 공칭 축하중강도 및 공칭휨강도의 증가로 인해 단면 감소 및 공사비 절감을 통한 경제성 향상 가능.

허석범

이성근

서석구

콘크리트

품질관리

◦코핑부 휨균열 검토시 콘크리트 강도변화에 따라 철근 간격(S)가 달라지는 원인이 철근피복두께 변화에 의한것인지?

→ 철근 응력(fs)은 콘크리트 강도를 고려하여 구조 해석후 구한값으로 철근간격(S)은 철근응력에 의해서 달라짐.

윤영수

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Ⅶ. 결 론

1. 교각(기둥, 코핑)에 고강도 콘크리트(40MPa) 적용시 단면 감소로 인한 공사비 절감과 미관개선 효과가 기대되고

2. 시험시공 결과 수화열에 의한 균열 발생이 없는 등 시공성에는 문제점이 없는 것으로 분석되므로

3. 향후 교각(기둥, 코핑) 설계시는 설계기준 강도 40MPa 콘크리트 적용을 원칙으로 함

단, 교각규격과 현장여건 등을 고려하여 27MPa 콘크리트 적용이 바람직할 경우에는 27MPa 콘크리트 적용이 가능함

4. 콘크리트 생산․운반․타설 등에 관한 품질관리는 “고강도 콘크리트 시공지침(안)” 및고강도 콘크리트 품질관리 방안(건설계획처-1638, 2009.5.20) 참조

Ⅷ. 기대효과

o 공사비 절감 : 4,096백만원

12백만원 × 341.3Km = 4,096백만원

Km당 절감액 2010년이후 발주물량

☞ 산출근거 : 첨부참조

Ⅸ. 적용방안

o 본 방침 시행이후 실시설계중인 노선부터 적용