2.1 일반잔교의 특성

잔교는 선박의 정박 및 선박으로의 진입 등을 목적으로 설치하는 교량 또는 접안시설이다. Fig. 1은 잔교의 종류이며, 잔교는 형식적으로 크게 부잔교(floating pier)와 고정잔교(landing pier)로 구분된다.

부잔교는 하부구조를 부력체를 사용하여 부유하고, 계류 또는 말뚝을 사용하여 고정하는 방식으로 수위 변화에 따라 위치가 변하는 특징을 가지고 있다.

고정잔교는 해안선에서 직각 또는 일정한 각도로 돌출시킨 교량 형태로 일반 교량의 형식을 도입하여 잔교의 구조 안전성 및 사용성을 향상한 형식이다.

2.2 프리캐스트 코핑을 적용한 합성형 잔교의 특성

2.2.1 프리캐스트 코핑을 적용한 합성형 잔교

프리캐스트 코핑을 적용한 합성형 잔교는 프리캐스트 콘크리트 부재를 적용하여 개발한 잔교 형식이다. 프리캐스트 코핑을 적용한 합성형 잔교는 하부구조를 프리캐스트 코핑으로 구성하고 기존의 PSC 거더와 데크를 활용하여 잔교를 완성하는 방식이다. 프리캐스트 코핑과 PSC 거더, PSC 테크의 형태 및 합성형 잔교의 구성은 Fig. 2에 나타내었다.

합성형 잔교는 지반에 격자형으로 설치된 강관파일 상부에 하부지지대를 설치하고 말뚝 상부에 프리캐스트 코핑을 설치하고 코핑 상부에 PSC 거더와 데크를 단순거치한 후 토핑 콘크리트를 타설하여 잔교를 완성한다. PSC 거더와 PSC 데크는 프리텐션 콘크리트 부재의 제작 방식 중 하나인 롱라인 공법(long line method)을 적용하여 제작하였다. 롱라인 공법은 하나의 라인에서 여러 개의 프리텐션 콘크리트 부재를 동시에 프리스트레스하는 공법이다.

2.2.2 프리캐스트 코핑의 구성 및 특징

합성형 잔교의 코핑을 제작하는 구체 콘크리트는 프리캐스트로 제작하여 상부구조로부터 전달되는 하중에 효과적으로 저항할 수 있도록 구성하고, 교각과 합성하기 위해 일부 속 채움 콘크리트로 합성한다. 프리캐스트 코핑은 PSC 거더에 가설하기 위해 Fig. 3과 같이 말뚝 가설 후 연결 부재 설치하고 프리캐스트 코핑 가설한 후 속 채움 콘크리트를 타설하는 순서로 제작한다.

프리캐스트 코핑의 내부는 Fig. 4(a)와 같이 프리캐스트 콘크리트의 거푸집 역할을 하는 원뿔대형 강판(ring finish palte)을 삽입하였고, 원뿔대형 강판 내부는 Fig. 4(b)와 같이 말뚝과 연결 시 합성거동을 유도하기 위해 연결 부재, 받침 부재, 철근을 배치하였다. 또한, 원뿔대형 강판 하부는 콘크리트 타설 시 거푸집 역할을 유도하기 위해 링 마감판을 원뿔대형 강판에 용접하여 연결하였다.

프리캐스트 코핑의 모든 제작공정은 공장에서 수행하며 현장으로 운반된 프리캐스트 코핑은 원뿔대형 강판 내부로 말뚝이 삽입되고 받침 부재에 의해 단순 거치 된다.

3.1 압축내력

압축내력에 의한 코핑 콘크리트의 수직지압응력은 도로교설계기준 해설(KRTA 2008)에서 제시한 식(1)과 같다. 식(1)에서 콘크리트의 허용지압응력은 상시와 지진 시에 대하여 식(2)와 식(3)과 같이 고려하였다.

여기서, $f_{cv}$는 수직지압응력이고, $P_{N\max}$는 상시와 지진 시, 교각머리에 작용하는 최대 수직력, $D_{B}$는 교각의 외경, $f_{ca1}$는 상시 콘크리트의 허용지압응력, $f_{ca1}'$는 지진 시 콘크리트의 허용지압응력, $f_{ck}$는 콘크리트의 설계기준압축강도, $f_{ca}$는 상시 콘크리트의 허용휨압축응력, $f_{ca}'$는 지진 시 콘크리트의 허용휨압축응력이다.

3.2 휨내력

가상 철근콘크리트의 단면의 응력은 도로교설계기준 해설(KRTA 2008)에 언급되어 있듯이 Fig. 5와 같이 상부 구조물의 하중에 의해 각 열의 말뚝머리로 작용하는 하중의 형태로 검토할 수 있다. 하나는 말뚝머리에 작용하는 축방향 최소 압축내력과 설계휨모멘트이고, 다른 하나는 말뚝머리에 작용하는 축방향 최대 인발력과 설계휨모멘트이다.

해당 구조물의 말뚝머리의 하중 조건에 따라 가상 철근콘크리트 단면을 가정하여 콘크리트와 철근의 응력을 검토한다. 여기서 가상 철근콘크리트 단면의 직경은 말뚝 직경에 200 mm를 더한 길이로 하며, 계산할 때 상시와 지진 시로 구분하여, 교축방향과 교축직각방향에 생기는 외력에 대해서 실시하였다. 콘크리트의 휨압축응력과 보강철근의 휨인장응력은 식(4)와 식(5)이다(KRTA 2008). 식(4), 식(5)에서 콘크리트의 휨압축응력계수($C$), 보강철근의 휨인장응력계수($S$)는 $e/r$($e$: 편심)의 함수이다.

여기서, $f_{c}$는 콘크리트 휨압축응력, $f_{s}$는 철근의 휨인장응력, $f_{ca}$는 상시 콘크리트의 허용휨압축응력, $f_{sa}$는 상시 철근의 허용휨인장응력, $r$은 가상 콘크리트 단면의 반지름, $M$은 설계휨모멘트, $C$는 콘크리트의 휨압축응력계수, $S$는 보강 철근의 휨인장응력계수, $n$은 철근의 개수이다.

4.1 압축강도실험

4.1.1 실험방법

압축강도 실험체는 말뚝에 중력 방향으로 하중을 재하할 경우 수직지압 파괴가 발생할 수 있다. 따라서, 프리캐스트 코핑의 압축강도실험은 연결 부재와 받침 부재의 유무에 따라 1-A(연결 부재, 받침 부재 매입), 1-B(연결 부재, 받침 부재 배제)로 구분하여 기존 연구(Kim and Lee 2012)를 참고하여 수행하였다. 실험체의 연단에서 약 215 mm의 부분을 베이스 블록(base block)과 스크류 잭(screw jack)을 이용하여 고정하였으며, 말뚝에 수직하중을 재하하였다.

하중 증가에 따른 코핑의 구조적 거동을 분석하기 위해 Fig. 6(a)와 같이 코핑 하부에 변위계를 설치하였다. 또한, Fig. 6(b)와 같이 H 형강(S1~S2), 받침 부재(S3~S8), 상부 철근(S9~S12), 수직 철근 및 강관(S13~S16), 걸쇠판 용접부(S17~ S20)에 강재 게이지를 부착하였으며 실험체의 중앙부 및 중앙에서 사방으로 200 mm 떨어진 지점에 총 5개의 LVDT를 설치하였다(Kwon et al. 2018). 또한, Fig. 6(c)와 6(d)는 각각 1-A 부재, 1-B 부재의 단면도이다. 압축강도실험의 전경은 Fig. 7과 같다.

4.1.2 실험결과

프리캐스트 코핑의 압축강도실험 결과 Fig. 8과 같이 말뚝과 프리캐스트 코핑 연결부에서 수직 방향으로 변위가 발생하였다. 실험체의 파괴 형상은 지압 파괴로 나타났다. 또한, 지점 조건의 영향으로 실험체 측면에서 전단 균열이 일부 발생하였다.

실험체의 최대하중, 설계하중은 Table 1에 정리하였다. 연결 부재와 받침 부재의 유무에 따른 실험체의 압축강도는 약 1.17배 차이를 보였으며, 하부 철근이 항복할 때의 하중은 설계하중에 비해 각각 5.10배, 4.34배 크게 나타났다.

각 실험체의 하중-변위 관계는 Fig. 9에 나타냈다. Fig. 10과 Fig. 11의 하중-변형률 그래프를 분석한 결과 실험체 하부에 배치한 철근이 가장 먼저 항복강도에 도달하였다. 이러한 현상은 코핑 면외로 발생하는 변위로 인해 하부 철근이 저항하면서 발생한 것으로 판단된다.

4.2 휨강도실험

4.2.1 실험방법

휨강도실험은 연결 부재의 유무에 따라 2A(연결 부재 매입), 2B(연결 부재 배제)로 구분하여 수행하였고, 실험체의 연단에서 약 250 mm의 부분에 강재 볼트를 사용하여 바닥과 고정하였다(Kim et al. 2018). 하중은 2,000 kN 용량의 가력기(actuator)를 사용하여 3 mm/min의 속도로 재하하였다. Fig. 12는 휨강도실험 전경이다.

4.2.2 실험결과

프리캐스트 코핑의 휨강도 실험결과 Fig. 13과 같이 말뚝과 코핑의 연결부에서 휨파괴가 발생하였다. 링 마감판은 휨모멘트의 영향으로 인장측에서 변형이 발생하였다. 또한, 링 마감판은 강관 하부의 콘크리트를 구속하여 파괴가 지연되는 경향을 보였다.

연결 부재의 유무에 따른 휨강도 실험체의 최대 하중은 Table 2에 정리하였고, 휨강도실험의 하중-변위 관계는 Fig. 14에 나타내었다. 휨강도 실험체의 최대하중은 설계하중에 비해 큰 강도를 나타냈다. 그 결과 휨강도 실험체는 충분한 안전성을 확보한 것으로 나타났으며, 코핑 내부에 설치된 연결 부재는 프리캐스트 코핑의 휨강도의 1.88배 증가함을 알 수 있었다. 또한, 강관이 항복할 때의 하중(92.00 kN)은 설계하중에 비해 2A는 4.58배, 2B는 2.60배 크게 나타났기 때문에 충분한 안전성을 확보한 것으로 나타났으며, 강관이 항복하기 전까지 연결 부재는 프리캐스트 코핑의 휨강도를 약 1.76배 증가함을 알 수 있었다.

실험체 내에 설치한 변형률 게이지의 하중-변형률 관계를 분석한 결과 Fig. 15의 S7, S8 위치인 강관 하부에서 가장 먼저 항복에 도달하였고 코핑부에서는 파괴 거동을 보이지 않았다. 또한, 연결 부재 걸쇠판 위치에서 하중이 증가할수록 응력이 증가하였으며 항복변형률에 도달하지 않았다.