< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 18 그러므로 설계단계에서는 무조인트 교량의 도입 또 는 방수성능이 우수한 조인트가 적용되어야 하고 신축 이음장치가 기본적으로 방수성능을 가진다 하더라도 다양한 원인에 의해 신축이음부의 누수를 피할 수 없으 므로 이에 대한 대책이 마련되어야 한다. 또한, 염화물의 침투 확산을 지연시킬 수 있도록 설 계기준 강도의 상향(물-결합재비 감소), 고내구성 콘 크리트(치밀도 향상)의 적용, 피복두께의 증가 등의 기 본적인 조치 이외에 추가적인 대책으로 표면 보호재 적 용, 방청제 사용, 방식 철근의 적용 등도 검토할 필요가 있다. 또한, 건설단계에서는 압축강도 이외에도 물-결 합재비, 공기량 등을 확인하고 필요한 내구성 관련 항 목(콘크리트의 기포간격계수, 확산특성 등)의 품질관리 가 필요하다. 유지관리 단계에서는 누수 부위의 유도배수 또는 차 단 조치와 더불어 염화물의 침투가 많지 않은 경우 표 면보호의 적극 시행이 예방적 유지관리 조치로 필요한 항목이 되며, 이미 염화물에 의한 철근 부식이 발생하 여 보수 조치가 필요하다면 염화물 오염부위 콘크리트 제거 및 방청처리 철저 후 단면복구 조치를 실시하거나 부식을 정지시키기 위해 국부적인 전기방식법 적용 등 의 조치가 가능하다. 특집 1 | SPECIAL ARTICLES 1. 한국도로공사 도로교통연구원, 교량 손상분석을 통한 점 검 효율화 방안 연구, 2013. 2. 한국도로공사 도로교통연구원, 교량 내구수명 100년을 위한 유지관리 전략개발 연구, 2015. 3. 김홍삼, 김진철, 정해문, 제설제 환경에서의 콘크리트 구 조물 열화 및 대책, 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, 전문위원회 연구발표집, 2013. 4. 김홍삼, 제설환경 교량 구조물의 열화 특성, 한국콘크리 트학회 봄학술대회 내구성위원회(KCI-401), 2015. 참고문헌 담당 편집위원 : 김우석(금오공과대학교) kimw@kumoh.ac.kr 연정흠(가천대학교) jyeon@gachon.ac.kr 최성((주)현아이) csomy1113@naver.com 김성겸(금오공과대학교) skim@kumoh.ac.kr 김홍삼 연구위원 은 전기화학적 기법을 이용한 콘크리트 확산평가 및 철근 부식 개시시기 예측에 관한 연구 로 한양대학교 토목공학과에서 박사 학위를 취득하였다. 한국도로공사 도 로교통연구원 구조물연구실에 근무 중이며 콘크리트 구조물의 염해 내구 성 평가 및 설계 등 콘크리트 구조물의 내구성 관련 연구를 수행하고 있다. 본 학회의 특수환경콘크리트위원회 위원 장으로 활동 중이다. hskim68@ex.co.kr 이일근 실장은 강풍구간 도로안 전성에 관한 연구로 한양대학교 토목 공학과에서 박사학위를 취득하였다. 차량에 의한 교량 진동성, 고성능 콘크 리트 중분대개발, 도로교량 손상특성 분석, 교량 유지관리전략 등에 관한 연 구를 수행하였다. 현재 제설염해를 받 은 콘크리트 단면복구공사 품질향상 에 관한 연구를 수행하고 있다. lik@ex.co.kr 박양흠 원장은 노후 콘크리트포 장의 팽창특성에 관한 연구로 금오공 과대학 토목공학과에서 박사학위를 취득하였다. 1989년 한국도로공사 입사 이후 설계, 시공 및 유지관리부 서에 근무하면서 고속도로 전반에 대 한 실무를 수행하였다. 현재 도로교통 연구원 원장으로 고속도로 구조물, 포 장, 교통, ICT 융합기술 등에 관한 연 구를 총괄하고 있다. hywayman@ex.co.kr제 33권 4호 2021. 07 19 특집 2 | SPECIAL ARTICLES 고속도로 교량 콘크리트의 내구성 기준 및 염해 내구성 평가 절차 Durability Requirements and Assessment Procedures for Chloride Attack of Expressway RC Structures under De- icing Salts Environments 김홍삼 Hongsam Kim 한국도로공사 도로교통연구원 구조물연구실 연구위원 1. 머리말 콘크리트는 경제적이고 내구성이 우수한 건설재료로 인식되어 왔으나 다양한 요인 등에 의해 최근 조기열화 ()현상이 빈번히 발생하고 있다. 조기열화 현상 중 염해는 염화물에 의해 콘크리트 중 철근의 부식으로 균열 발생과 부재의 내력 저하를 수반할 수 있으므로 콘크리트 구조물의 안전에 영향을 미치게 된다. 유지관리 단계에서 염 화물 침투에 의해 콘크리트 중의 철근 부식이 발생하면 이에 대한 보수가 쉽지 않고 단면 보수 등의 조치를 실시하더 라도 제대로 시행되지 않을 경우 반복적인 재열화가 발생한다. 콘크리트의 염해는 염화물의 공급원에 따라 내재 염화물과 외부 침투 염화물에 의한 철근 부식으로 나눌 수 있으며, 건설단계에서 콘크리트의 전염화물량에 대한 철저한 관리를 실시할 경우 대부분은 외부 침투 염화물에 의해 발생한 다. 또한 외부 염화물의 공급환경에 따라 해양환경과 제설환경으로 구분할 수 있다. 해양환경은 콘크리트 구조물이 직 간접적으로 해수와 접하는 환경이며, 제설환경은 염화물계 제설제에 의해 직간접적으로 접촉되는 교량 상판, 난간방 호벽, 신축이음 하부 교대 및 교각 등에서 발생됨을 확인하였다. 제설환경에 노출되는 철근콘크리트 부재 역시 콘크리 트 중의 철근이 부식하게 되어 부재 또는 구조물의 내구수명이 현저히 저하될 수 있음이 확인되었으므로, 이에 대한 설계상의 대책을 마련하기 위해서는 해양환경의 철근콘크리트 교량에 대한 염해내구성 평가 개념을 제설환경 철근콘 크리트 부재 또는 구조물에 적용할 필요가 있다. 본고에서는 제설환경에 노출된 고속도로 교량의 내구수명을 확보하기 위해 요구되는 콘크리트의 내구성 요구조건 과 한국도로공사에서 적용되고 있는 제설환경 콘크리트 구조물의 염해 내구성 평가절차를 소개하고자 한다. 2. 고속도로 콘크리트의 내구성 요구기준 강화 이력 습염식 제설방식이 도입된 2000년대 초반에는 주로 제설제 사용량이 많은 강원지역 등을 중심으로 측구, 다이크 등 의 배수시설물 콘크리트와 중앙분리대, 난간방호벽 등의 기계타설 소구조물 콘크리트에서 콘크리트 표면의 스케일링 과 콘크리트 자체 열화(강도소실) 등의 열화현상이 보고되었고, 이러한 현상은 최근 국도는 물론 도심지 아파트 단지 등에서도 관찰되고 있다<그림 1>. 이는 비교적 설계기준 압축강도가 낮은 콘크리트에서 주로 발생되므로 이들 부재에 대한 콘크리트의 설계기준 압축강도를 상향하였다.Magazine of the Korea Concrete Institute 20 한국도로공사는 2010년에 콘크리트의 제설염해에 대응하기 위하여 염해 노출환경을 일반지역과 특수지 역으로 구분하고 배수시설 콘크리트 및 난간방호벽과 같은 기계타설 부재의 설계기준 압축강도를 각각 24 및 30 MPa 상향하였다. 이들 부재는 2015년 도로교 한계상태설계법의 도입 에 따라 지역 구분 없이 무근콘크리트 부재는 30 MPa, 철근콘크리트는 35 MPa 이상으로 설계기준 압축강도 를 상향한 바 있으며, 바닥판 및 슬래브 콘크리트의 설 계기준 압축강도를 35 MPa 이상으로 상향하였다. 한 편, 최근에는 포장콘크리트의 설계 휨강도를 4.5 MPa 에서 5.0 MPa로 상향하였다. 이러한 일련의 조치는 최근의 콘크리트 구조설계기 준 및 콘크리트 표준시방서가 콘크리트의 노출환경 을 상세히 구분하고 각각의 노출범주에 대해 설계단계 에서부터 콘크리트의 내구성 요구조건을 충족시킬 수 있도록 하는 시방기준의 강화 추세와도 부합한다. 참 고로, 2021년 개정된 콘크리트구조 내구성 설계기준 (KDS 14 20 40)의 노출환경 구분의 범주와 각각의 내 구성 확보조건은 <표 1>과 같다. 이외에도, 한국도로공사는 단순히 설계기준 압축강 도의 상향만으로는 제설환경 콘크리트의 동해저항성을 확보하기 곤란하므로 건설단계에서 사용되는 굵은골재 의 최대치수에 따른 요구공기량<표 2>을 엄격히 관리 하고 있으며, 포장콘크리트의 경우는 공기량의 관리 이 외에 별도로 기포간격계수 200 ㎛ 이하를 요구하고 있 다. 또한, 2012년부터 콘크리트의 품질확보와 시방배합 의 추종성을 확인하기 위하여 콘크리트의 단위수량 관 리기준을 도입하여 자체 콘크리트 배치플랜트를 대상 으로 시행하고 있다. 3. 제설환경 콘크리트 구조물의 염해내구성 평가절차 3.1 제설환경 염해와 내구성 평가절차 고속도로 철근콘크리트 구조물의 성능 저하는 염해 를 주된 요인으로 고려한다. 염해는 콘크리트 중 강재 의 부식이 시작하기까지의 잠복기, 부식 발생 후 부식 으로 인한 균열 발생까지의 진전기, 부식균열의 영향으 그림 1. 소구조물 콘크리트의 열화 사례 특집 2 | SPECIAL ARTICLES 표 1. 노출 범주 및 등급(콘크리트구조 내구성 설계기준, 2021) 범주등급조건 최소 설계기준 압축강도 (MPa) 일반E0 • 물리적, 화학적 작용에 의한 콘크리 트 손상의 우려가 없는 경우 • 철근이나 내부 금속의 부식 위험이 없는 경우 21 EC (탄산화) EC1 • 건조하거나 수분으로부터 보호되는 또는 영구적으로 습윤한 콘크리트 21 EC2 • 습윤하고 드물게 건조되는 콘크리 트로 탄산화의 위험이 보통인 경우 24 EC3 • 보통 정도의 습도에 노출되는 콘크 리트로 탄산화 위험이 비교적 높은 경우 27 EC4 • 건습이 반복되는 콘크리트로 매우 높은 탄산화 위험에 노출되는 경우 30 ES (해양 환경, 제빙화학제 등 염화물) ES1 • 보통 정도의 습도에서 대기 중의 염 화물에 노출되지만 해수 또는 염화 물을 함유한 물에 직접 접하지 않는 콘크리트 30 ES2 • 습윤하고 드물게 건조되며 염화물 에 노출되는 콘크리트 30 ES3•항상 해수에 침지되는 콘크리트35 ES4 • 건습이 반복되면서 해수 또는 염화 물에 노출되는 콘크리트 35 EF (동결융해) EF1 • 간혹 수분과 접촉하나 염화물에 노 출되지 않고 동결융해의 반복작용 에 노출되는 콘크리트 24 EF2 • 간혹 수분과 접촉하고 염화물에 노 출되며 동결융해의 반복작용에 노 출되는 콘크리트 27 EF3 • 지속적으로 수분과 접촉하나 염화 물에 노출되지 않고 동결융해의 반 복작용에 노출되는 콘크리트 30 EF4 • 지속적으로 수분과 접촉하고 염화 물에 노출되며 동결융해의 반복작 용에 노출되는 콘크리트 30 EA (황산염) EA1 • 보통 수준의 황산염이온에 노출되 는 콘크리트 27 EA2 • 유해한 수준의 황산염이온에 노출 되는 콘크리트 30 EA3 • 매우 유해한 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트 30 (a)표면 스케일링(초기) (b)측구 콘크리트 열화 (c)경계석 열화 (d)방호벽 하단부 열화제 33권 4호 2021. 07 21 로 부식속도가 급격히 증가하는 가속기 및 강재의 상당 한 단면 감소에 의해 내하력 등의 성능이 크게 저하하 는 성능 저하기로 기간을 구분한다. 성능 저하 과정과 기간을 결정하는 요인은 <표 3>과 같고 염해에 있어 철 근 부식과 부재의 내력저하 관계는 <그림 2>와 같이 설 계단계의 내구수명은 잠복기로 간주하며, 이는 외부침 투 염화물이 임계염화물량에 도달하여 철근의 부식이 개시되는 시점을 의미한다. 위와 같은 기본 개념을 토대로 KDS 14 20 40(콘크리 트구조 내구성 설계기준, 2016. 6)을 참조하고, 2016년 기술심의를 거쳐 “제설환경 철근콘크리트 구조물의 염 해내구성 평가절차”를 <그림 3>과 같이 도입하였으며, 2017년부터 고속도로 설계 실무에 적용토록 하였다. 단, 이 절차는 콘크리트 자체로 염해에 대응하는 것 으로 필요시 추가 조치는 별도로 검토한다. 3.2 염해내구성 평가의 기본개념 및 설계변수 염해내구성 평가의 기본개념은 식 (1)과 같다. (1) 여기서, : 염해에 대한 환경계수(1.11) : 염해에 대한 내구성 감소계수(0.86) : 철근 부식이 시작될 때의 임계염소이온 농도(kg/㎥) : 철근 위치에서 염소이온농도의 예측값 (kg/㎥) 철근 부식에 대한 평가는 염소이온농도의 예측값( ) 에 환경계수를 곱한 값이 철근 부식 임계 염소이온농도 ()에 내구성 감소계수( )를 곱한 값보다 작은 조건 을 만족하는 콘크리트의 피복두께 이상으로 설계 피복 두께를 설정한다. 환경계수는 시공될 콘크리트 구조물의 열화 환경조 건에 대한 안전율로서 적용하며, 내구성 감소계수는 내 구성능 특성값 및 내구성능 예측값의 정밀도에 대한 안 전율( )로서 적용된다. 염해 내구성 평가에 사용되는 환경계수와 내구성 감소계수는 <표 4>와 같다. 표 2. AE콘크리트 공기량의 표준값 굵은골재의 최대치수(mm) 공기량(%) 심한 노출 1) 보통 노출 2) 10 15 20 25 40 7.5 7.0 6.0 6.0 5.5 6.0 5.5 5.0 4.5 4.5 주 1) 동절기에 수분과 지속적인 접촉이 이루어져 결빙이 되거나, 또는 제빙화학 제가 사용되는 경우 2) 동절기에 가끔 수분과 접촉하여 결빙이 되지만, 제빙화학제가 사용되지 않 는 경우 표 3. 철근 부식에 의한 콘크리트 구조물의 열화 과정 구분(염해의 예) 열화과정정의기간 결정 요인 잠복기 (잠재기) 표면에서 강재 위치까지 염화물 이온 침투 기간 확산계수, 내재 염화물 농도 진전기 강재 부식 개시에서 부식 균열 발생까지 기간 강재 부식 속도 가속기 (촉진기) 부식균열 발생에 의해 부식속도가 증대 하는 기간 강재 부식 정도 (중량 감소율) 열화기 강재 부식량 증가에 의해 내력이 저하하는 기간 그림 2. 철근콘크리트 구조물의 철근 부식에 의한 부재의 성능 저하 구분 그림 3. 제설환경 RC구조물의 염해내구성 평가절차(2016.12)Magazine of the Korea Concrete Institute 22 3.3 염해내구성 평가에 사용되는 주요 변수 염해내구성 평가에 사용되는 주요 변수는 콘크리트 표준시방서 및 Life 365 모델을 차용하였으며, 평가 시 가정 사항은 다음과 같다. (1) 임계염화물량 철근 부식을 일으키는 임계 염소이온농도()는 전 염소이온농도(산가용성 염소 이온량)로서 콘크리트의 단위결합재량에 대하여 식 (2)와 같이 계산한다. (2) 여기서, 는 단위결합재량(kg/㎥) (2) 표면 염소이온농도 표면 염소이온농도 시간의존성(선형증가 후 일정)을 갖는 것으로 가정하였으며, 지역별 차등을 두기 위하여 기상청 30년 통계자료를 활용하여 <표 5>와 같이 4단 계로 구분하였다. (3) 콘크리트의 염소이온 확산계수 콘크리트의 염소이온 확산계수 역시 시간의존성(25 년까지 감소 후 일정)을 고려(식 (3))하였으며, 온도의 존성(지역별 연평균 기온 사용)을 고려(식 (4))하였다. (3) (4) 또한, 콘크리트의 기준 확산계수는 물-결합재비(식 (5)) 및 광물질혼화재료(플라이 애시 및 슬래그미분말) 의 혼입률(식 (6))에 따라 시간의존계수( )을 결정할 수 있도록 하였다. (5) 여기서, : 28일 재령의 기준 확산계수() : 물-결합재비(-) (6) 여기서, : 시간의존계수(-) 는 각각 플라이 애시와 슬래그의 치 환율(%) 한편, 제설제 환경에서 사용되는 콘크리트의 혼화재 최대 혼입률은 <표 6>을 따른다. 특집 2 | SPECIAL ARTICLES 표 5. 제설염해 노출등급을 고려한 4단계 분류 및 축적 계수(안) 노출 등급 분류 표면 염소이온농도 강설량 (mm)* 대상 지역 [광역시, 도(시, 군)] 축적 계수 (kg/m 3/year) 최대값 (kg/m 3) ClassⅠ0.5 20 < 150 부산, 대구, 울산, 전남(광양, 여수, 남해, 고흥, 완도), 경북(영덕, 청송, 포항, 영천, 경 산, 청도, 칠곡, 고령, 경주), 경남(창녕, 밀양, 의령, 양산, 함안, 진주, 창원, 김해, 하동, 사천,고성, 거제, 통영, 진해, 마산) ClassⅡ1.0150 ~ 300 인천, 경기(김포, 부천, 시흥, 강화),경북(영주, 울진, 예천, 안동, 영양, 의성, 구미, 군위, 성주 ), 경남(합천, 산청),전남(순천, 보성, 장흥, 강진, 해남, 진도) ClassⅢ1.5300 ~ 600 서울, 대전, 경기(김포, 부천, 시흥 제외 전역), 강원(철원, 화천, 양구, 인제, 춘천, 횡성, 원주, 영월, 동해), 충남 및 충북 전역, 경북(봉화, 문경, 상주, 김천 ), 경남(거창, 함양 ), 전북(군산, 익산, 완주, 전주, 진안, 무주, 남원), 전남(함평, 무안, 목포, 영암, 나주, 화순, 곡성, 구례, 신안 ) Class Ⅳ2.0 > 600 광주, 전남(영광, 장성, 담양), 전북(김제, 부안, 정읍, 임실, 장수, 고창, 순창 ), 강원(고성, 속초, 양양, 강릉, 평창, 홍천, 정선, 삼척, 태백 ) 표 4. 염해에 의한 환경계수, 내구성 감소계수와 안전율의 설정 콘크리트 구조물콘크리트 1.110.861.31.110.861.3제 33권 4호 2021. 07 23 4. 맺음말 염화물계 제설제에 직접 접촉되는 부재 또는 부위는 염화물의 침투 확산으로 염해손상이 발생한다. 따라서, 제설환경의 콘크리트 구조물에서 염해 내구성을 확보하 기 위한 기본적인 방법은 부재의 염화물 접촉 차단 또는 지연 조치가 핵심이다. 또한, 최근의 강화된 시방기준 등에서 요구하는 콘크 리트의 최소 요구 기준인 콘크리트의 설계기준 압축강도 의 상향만으로는 염소이온의 침투를 지연 또는 억제하기 곤란하므로 반드시 밀실한 콘크리트를 만들기 위한 노력 이 필요하며, 콘크리트의 피복두께의 증가는 기본적으로 한계가 있다. 그러므로 부재 또는 구조물의 목표 내구수 명을 명확히 설정하고, 제시된 염해 내구성 평가 절차에 따라 콘크리트 치밀화 등에 의한 기본 대응을 검토한 후 필요 시 추가조치(표면보호, 방청제 사용, 방식철근 등) 를 적용할 수 있도록 하였다. 한편, 외국의 경우 방식철근(에폭시 피복철근 , FRP보 강근 및 스테인레스 철근 등)에 대한 연구가 많이 진행되 었으며, 관련 설계기준 등이 마련되어 실교량에 적용 실 적이 있는 것으로 알려져 있다. 반면, 국내의 경우는 최근 에야 비로소 한국콘크리트학회에서 관련 국책 연구과제 의 성과물로 “에폭시 피복 철근의 제조 · 설계 ·시공 지침 (2019)” 및 “FRP 보강근 콘크리트 구조설계지침(2019)” 을 제시한 바 있다. 한국도로공사에서도 염해내구성 평가절차에 기반한 고내구성 콘크리트의 적용 이외에도 고속도로 건설사업 단의 일부 교량공사에 에폭시 피복 철근 및 FRP 보강근 을 시험 적용 중에 있다. 향후, 관련 시험적용 사례 등에 대한 추적조사를 실시할 계획이다. 제설환경은 해양환경과 달리 동해와 염해가 복합적으 로 작용하는 노출 조건이고 제설염해에 의해 손상된 구 조물의 보수보강에 필요한 유지관리비용이 지속적으로 증가하고 있으며, 노후 교량의 수가 급격히 증가하는 상 황을 고려할 때 제설염해를 방지하기 위한 예방적 유지 관리 조치도 필요하지만, 설계단계에서부터 콘크리트 구 조물의 내구성을 확보하기 위한 관련 대책이 적극적으로 반영되어야 할 것이다. 한국콘크리트학회 회원여러분의 지속적인 관심과 관 련 분야의 연구 활성화를 기대해 본다. 표 6. 제빙화학제에 노출된 콘크리트에서의 최대 혼화재 비율 혼화재의 종류 시멘트와 혼화재 전체에 대한 혼화재의 질량백분율(%) 플라이 애시25 고로슬래그 미분말50 실리카 퓸10 플라이 애시, 고로슬래그미분말 및 실리카 퓸의 합계 50 1) 플라이 애시와 실리카 퓸의 합계35 1) 주 1) 플라이 애시와 실리카 퓸은 시멘트와 이들 혼화재를 합한 질량에 대해 각 각 25 % 및 10 %를 넘지 않아야 한다. 1. Life-365 Service Life Prediction Model, Manual, 2001. 2. 콘크리트 표준시방서 내구성편(안), 한국콘크리트학회, 2004. 3. 콘크리트 표준시방서 해설집, 한국콘크리트학회, 2009. 4. 콘크리트 구조기준 해설, 한국콘크리트학회, 2012. 5. 김홍삼, 김진철, 유혁진, 제설제에 의한 콘크리트 구조물 의 열화 원인 고찰, 한국콘크리트학회 학술대회 논문집, 2013. 6. 김홍삼, 제설환경 교량 구조물의 열화 특성, 한국콘크리 트학회 봄학술대회 내구성위원회(KCI-401), 2015. 7. 한국도로공사 도로교통연구원, 제설환경 고려 콘크리트 구조물의 염해내구성 평가절차, 2016. 8. 한국도로공사 설계처, 2016년 고속도로 설계실무자료 집, 2017. 9. 한국도로공사 도로교통연구원, 제설환경 고려 교량의 부 재별 내구성 상세설계 방안 연구, 2019. 10. KDS 14 20 40, 콘크리트구조 내구성 설계기준, 2021. 참고문헌 김홍삼 연구위원 은 전기화학적 기법을 이용한 콘크리트 확산평가 및 철근 부식 개시시기 예측에 관한 연구 로 한양대학교 토목공학과에서 박사 학위를 취득하였다. 한국도로공사 도 로교통연구원 구조물연구실에 근무 중이며 콘크리트 구조물의 염해 내구 성 평가 및 설계 등 콘크리트 구조물의 내구성 관련 연구를 수행하고 있다. 본 학회의 특수환경콘크리트위원회 위원 장으로 활동 중이다. hskim68@ex.co.kr 담당 편집위원 : 김우석(금오공과대학교) kimw@kumoh.ac.kr 연정흠(가천대학교) jyeon@gachon.ac.kr 최성((주)현아이) csomy1113@naver.com 김성겸(금오공과대학교) skim@kumoh.ac.kr특집 3 | SPECIAL ARTICLES 제설제 침투 최소화를 위한 무조인트 교량의 기술 현황 State-of-the-art of Jointless Bridge to Minimize Penetration of De-icing Agents Magazine of the Korea Concrete Institute 24 남문석 Moon S. Nam 한국도로공사 도로교통연구원 구조물연구실 수석연구원 이영천 Youngcheon Lee 한국도로공사 설계처 부처장 1. 머리말 교량의 신축이음장치는 상부구조의 신축 거동을 원활하게 유지하기 위한 교량의 중요 부재 중에 하나이나 시간에 따라 누수가 발생할 수도 있다. 이러한 신축이음장치의 누수 부위를 따라 우수, 제설제 등이 교대, 교량받침, 거더, 바 닥판 등 교량의 주요 부재로 흘러들어가 교량 부재에 열화를 유발해 교량의 내구성을 저하시킨다<그림 1>. 그리고 신 축이음장치 본체와 후타부의 빈번한 파손으로 평탄성과 주행성이 저하시키며 소음도 유발된다. 국내 고속도로에서는 신축이음장치의 누수와 파손을 보수하기 위하여 매년 유지관리 비용을 약 82억 원 투입하고 있으며, 열화부 보수비용 도 지속적으로 증가하는 추세이다. 이러한 신축이음장치의 여러 문제들을 해결하기 위하여 신축이음장치를 제거한 다양한 무조인트 교량 형식들이 2000년대부터 국내 고속도로 교량에 도입되어 적용되고 있다<그림 2>. 이러한 무조인트 교량 형식 중에서 가장 대 표적인 형식은 신설 교량에 적용되는 일체식 교대 교량(완전일체식 교대 교량과 반일체식 교량)과 공용 교량에 적용 되는 무조인트화 교량 공법이다. 2018년 기준 국내 고속도로에 적용된 일체식 교대 교량은 202개교(공용 중 13개교, 시공 중 38개교, 설계반영 151개교)에 적용되었고<그림 3>, 무조인트화 교량은 2021년 기준 74개교에 적용되었다. 본고에서는 대표적인 무조인트 교량인 일체식 교대 교량과 무조인트화 교량의 기술 현황에 대하여 간단히 소개하고 자 한다. (a) 교대 오염 및 열화(b) 받침부 열화 및 부식(c) 상부구조 열화 그림 1. 신축이음장치 누수에 따른 교량 주요 부재의 열화 사례(한국도로공사-a, 2020)제 33권 4호 2021. 07 25 2. 일체식 교대 교량의 기술 현황 교량의 신축 장치를 제거하고 상부구조와 교대를 일체화한 일체식 교대 교량(IAB, Integral Abutment Bridge)은 1930년대 이후 미국에서 처음 도입되기 시작 한 이후 1990년대 중반까지 약 3,000개 교량에 적용되 었으며, 2004년 기준으로 약 13,000개교의 일체식 교대 교량이 계획 또는 반영된 것으로 조사되었다. 이러한 추세는 유지관리 업무의 저감을 위하여 신축이음장치 에 따른 문제를 사전에 배제함으로써 교량의 내구성 증 대 및 생애주기비용 절감을 효과적으로 대응한 결과로 보고되었다2). 국내는 2001년 대전-통영 간 고속도로에 국내 최초 로 일체식 교대 교량이 도입되었으며, 최근까지 약 200 여 개의 교량에 계획 또는 반영되었다. 이러한 고속도 로에서 일체식 교대 교량의 적극적인 도입은 신축이음 장치의 여러 문제들을 해결하기 위한 한국도로공사의 지속적인 기술 개발[설계기준 제 · 개정(2009년 제정, 2018년 개정), 고속도로공사전문시방서 반영(2018년)] 과 실용화[무조인트 교량 적용 활성화 방안(한국도로공 사-a, 2018)]에 따른 결과물이다. 2.1 일체식 교대 교량의 종류 일체식 교대 교량은 상부구조, 교대와 기초의 일체화 방식에 따라 완전일체식 교대 교량(FIAB, Full Integral Abutment Bridge)과 반일체식 교대 교량(SIAB, Semi Integral Abutment Bridge)으로 구분된다<그림 4 ~ 7>. 완전일체식 교대 교량은 신설 교량에 신축이음장치와 교량받침을 설치하지 않고 상부구조, 교대 그리고 말뚝 기초 등을 일체화시킨 구조로써, 일렬배치 말뚝의 유연 거동과 교대 배면의 무다짐 뒤채움 구간을 이용하여 상 부구조의 온도신축변위를 조절하는 교량 형식이다<그 림 4, 5>. 반일체식 교대 교량은 교량의 상부구조와 단부 벽체 를 일체화시킨 구조로써, 독립된 교대와 기초를 가지 고 교량 받침과 단부 벽체 배면의 무다짐 뒤채움 구간 을 이용하여 교량의 온도신축변위를 수용하는 교량 형 식<그림 6, 7>이다. 2.2 일체식 교대 교량의 거동 완전일체식 교대 교량은 상부구조, 교대 그리고 말뚝 기초를 모두 일체화하여 신축이음장치와 교량 받침을 그림 2. 다양한 형태의 무조인트교량(한국도로공사-a, 2020) 그림 3. 일체식 교대 교량 적용현황(한국도로공사-a, 2020)Magazine of the Korea Concrete Institute 26 제거한 교량이다. 완전 일체화된 상부구조, 교대와 말 뚝기초는 온도변화에 의한 상부구조의 신축 거동으로 인하여 교대와 말뚝기초가 함께 움직인다<그림 8>. 이 러한 교량의 신축변위를 조절하기 위하여 말뚝기초는 수평과 회전 변위를 일부 허용하고 유연성을 확보하도 록 일렬로 배열하며, 교대 배면에는 무다짐 구간을 설 치하여 토압을 저감시킨다. 반일체식 교대 교량은 상부구조와 교대부의 단부 벽 체를 일체화하여 신축이음장치를 제거하며, 단부 벽체 와는 독립된 교대를 지닌 교량 형식이다. 반일체식 교 대 교량에서 발생하는 상부구조의 온도신축변위는 접 속슬래브 단부에 설치하는 신축조절장치에서 흡수하 며, 독립된 교대 벽체 상단에는 변위를 수용할 수 있는 가동 받침을 설치한다<그림 9>. 3. 무조인트화 교량의 기술 현황 공용 중인 기존 교량의 신축이음장치를 제거하고 상 그림 6. 반일체식 교대 교량 개요도(한국도로공사-b, 2018) 그림 7. 반일체식 교대 교량 주요 구조요소(한국도로공사-b, 2018) (a) 전체 거동 (b) 상세 거동 그림 8. 완전일체식 교대 교량의 거동(한국도로공사-a, 2020) 특집 3 | SPECIAL ARTICLES 그림 5. 완전일체식 교대 교량 주요 구조요소(한국도로공사-b, 2018) 그림 4. 완전일체식 교대 교량 개요도(한국도로공사-b, 2018)제 33권 4호 2021. 07 27 부구조와 교대 일부를 철근콘크리트로 일체화하는 무 조인트화 교량 공법은 2016년도에 처음 고속도로에 도 입되었다. 무조인트화 교량 공법은 2008년 일본에서 RC 연결조인트 공법이란 이름으로 최초로 개발되었는 데<그림 10>, RC 연결조인트의 적용 범위는 콘크리트 의 크리프, 건조수축이 끝난 거더의 신축량이 20 mm 이하이고 직교인 콘크리트 교량를 대상으로 하였다. 이 러한 일본의 RC 연결조인트 공법은 2차원 해석모델을 근간으로 개발되어 사각이 존재하여 3차원적인 거동을 하는 교량과 신축량이 많은 다경간 교량에는 적용할 수 가 없다. 이러한 일본 RC 연결조인트 공법의 한계를 개선하고 자 한국도로공사에서는 2번의 시험시공(2016년 동해 선 망상 3교, 2018년 서해안선 장교 2교)을 통하여 국내 적용성을 검토하였으며, 지속적인 기술개발을 통하여 사교, 신축량 20 mm 이상의 다경간 교량 등에 적용할 수 있도록 대폭 개선하였다. 이러한 기술개발을 토대로 2020년에 ‘기존 교량 교대부 무조인트화 공법의 설계 및 시공 지침<그림 11>’을 수립하여 현재 74개의 고속 도로 교량에 확대 적용 중이다. 3.1 무조인트화 교량의 거동 무조인트화 교량은 기존 조인트 교량의 양측 또는 편 측 교대의 신축이음장치를 제거한 후 상부구조 일부 와 교대 흉벽을 현장타설 철근콘크리트로 연결하여 기 존 교량의 교대부를 무조인트화 시킨 교량 형식<그림 그림 10. RC 연결조인트 공법의 2차원 해석모델(한국도로공사-c, 2018) 그림 11. 기존 교량 교대부 무조인트화 공법의 설계 ·시공 지침 (한국도로공사-b, 2020) (a) 전체 거동 (b) 상세 거동 그림 9. 반일체식 교대 교량의 거동(한국도로공사-a, 2020) 그림 12. 기존 교량 교대부 무조인트화 교량(한국도로공사-b, 2020)Next >