1. FCM 교량의 개요
1) 개 요
FCM(Free Cantilever Method)은 교량 하부에 동바리를 설치하지 않고. 특수한 가설장비를 이용하여 각 교각으로부터 좌우로 평형을 맞추면서 포스트텐션(Post-tensioning)에 의해 세그먼트(Segment)를 순차적으로 접합해 나가면서 경간을 구성하며, 인접한 교각에서 진행해 온 세그먼트와 접합함으로써 상부구조를 완성하는공법이다.
2) 유 래
1950년대초 독일의 Dyckerhoff & Widman사에 의해 Dywidag공법이 개발된 이후 캔틸레버공법이 보급되기 시작하여 현재까지 활발히 사용되어 왔으며, FCM 가설공법이 국내에서 최초로 적용된 교량은 한강교량인 원효대교(1981년)로 주경간장이 100m이며, 이후 많은 교량이 이 공법을 적용하여 건설되었고, 이 공법중 국내 최대경간장은 서해대교(2000년;주경간장 165m), 신촌교(2007년 준공예정;경간장 170m)이고 세계 최대 경간장은 노르웨이의 Stolmasundet교(1998년)의 301m가 적용되었다.
캔틸레버공법을 이용한 P.S.C(Prestressed Concrete)교의 가설방법은 크게 두가지로 이동식작업대(Form Traveller)를 설치하여 세그먼트 콘크리트 타설 및 프리스트레스 도입을 연속적으로 할 수 있는 현장타설 캔틸레버(Cast-In-Place Balanced Cantilever)공법과 세그먼트를 사전에 제작한 후 가설장비(Launching Device)를 사용하여 소정의 위치에 설치하고 프리스트레스를 도입하는 프리캐스트 캔틸레버(Precast Balanced Cantilever)공법으로 나눌 수 있으며 현재 현장타설 캔틸레버 공법을 주로 적용하고 있다. 프리캐스트 캔틸레버 공법은 국내에서는 서울시 북부간선도로외 1개소에 적용 사례가 있다.
2. FCM 가설공법의 특성
1) FCM 적용범위
가. 적용지간
ㅇ 현장타설 FCM의 경우 80～250m
ㅇ Precast Segment 방식에서는 40～150m
ㅇ 사장교의 경우는 400m를 넘는 장지간 가능
나. 적용조건
ㅇ 해상 구간으로 선박통행을 허용하거나, 수심이 깊을 경우, 또는 홍수의 위험이 클경우
ㅇ 깊은 계곡 통과
ㅇ 건물, 주거지, 도로, 철도등을 횡단하는 장경간 교량
ㅇ 기반 조건이 교각 기초에 적당치 않을 경우
ㅇ 기타 조건으로 동바리의 사용이 불가능한 경우
다. 다른 특수 공사 방식과의 적용성 비교
2) 종류별 특성
(1) 현장타설 캔틸레버 공법
ㅇ 별도의 동바리를 필요로 하지 않으므로 깊은 계곡이나 하천, 해상 그리고 교통량이 많은 위치에 적용할 경우 경제성이 높다.
ㅇ 세그먼트 제작에 필요한 모든 장비를 갖춘 이동식 작업차(F/T)를 이용하여 시공하므로 대형가설장비를 사용하지 않아도 장대교량의 시공이 가능하다.
ㅇ 3～5m씩 세그먼트를 순차적으로 시공하므로 변단면 시공이 가능하다.
ㅇ 세그먼트 가설을 위한 거푸집설치, 콘크리트타설, 긴장작업 등 모든 공정이 동일하게 반복적으로 행해지므로 시공속도가 빠르고 작업원의 숙련도가 높아 효율적이다.
ㅇ 각 시공단계마다 시공오차의 수정이 가능하므로 시공 정밀도가 높다.
ㅇ 구조계가 변하므로 다른 교량형식보다 설계가 복잡하다.
(2) 프리캐스트 캔틸레버 공법
ㅇ 취급이 편리한 치수, 경량의 세그먼트로 분할하여 시공할 수 있으므로 대형 구조물 복잡한 형상의 구조물에도 비교적 쉽게 시공할 수 있다.
ㅇ 세그먼트는 일정한 장소에서 제작되므로 콘크리트의 품질관리가 용이하고, 세그먼트를 연속적으로 제작하므로 인력관리 및 거푸집 전용이 가능하다.
ㅇ 세그먼트 제작을 하부공사와 병행해서 실시할 수 있으므로 현장타설 방식에 비해 공기를 단축시킬 수 있다.
ㅇ 상부구조 가설시 콘크리트는 상당한 재령에 도달해 있으므로 가설후에 발생하는 크리프, 건조수축 등에 의한 소성변형이 적게 발생하여 프리스트레스의 감소량등이 작아져 유리하다.
ㅇ 세그먼트 운반, 가설을 위해 비교적 대형의 장비가 필요하다.
ㅇ 세그먼트의 제작 및 야적을 위해 넓은 장소가 필요하다.
ㅇ 선형관리가 현장타설 방식에 비해 복잡하고, 오차수정이 어렵다.
ㅇ 제작장, 가설장치 등 초기 투자비가 크므로, 비교적 연장이 긴 교량에 적합하다.
(3) 현장타설 캔틸레버(Cast-In-Place Balanced Cantilever) 공법의 가설방법
현장타설 캔틸레버 공법의 가설방법은 이동식 작업차(Form Traveller)에 의한 가설
방법과 이동 작업거더(Launching Girder)를 이용한 방법이 있다.
ㅇ 이동식 작업차(Form Traveller)에 의한 방법
이동식 작업차에 의한 가설방법은 작업차를 이용하여 한 세그먼트씩 현장타설을 실시하면서 교량을 시공해 나가는 방법으로 현장타설공법의 대표적인 방법이다.
ㅇ 이동 작업거더(Launching Girder)에 의한 방법
이동 작업거더를 이용한 가설방법은 교량 상부구조위에 위치하는 거더를 교각과 교각사이에 설치하고, 이 거더에 설치된 이동식 거푸집을 이용하여 한 세그먼트씩 현장타설을 실시하면서 시공해 나가는 가설법이다. 이 공법은 경간장 150m정도가 시공한계 이다.
다. FCM 교량의 구조형식
FCM의 구조형식으로는 크게 두가지로 라멘교형식과 연속교형식으로 분류할 수 있으며, 라멘교형식은 상부구조간의 연결방식에 따라 힌지식, 게르버식, 연속보식으로 구분한다.
1) 시공전 검토사항
가. 상부공정 검토
(1) 검토요인
ㅇ 선행공정
ㅇ 주두부 가설공기
ㅇ Segment 가설 Cycle
ㅇ Key Seg. 가설 공기 및 순서
ㅇ Form Travller의 사용 댓수
ㅇ Form Travller의 해체, 이동 및 설치 기간
ㅇ 후속 공정(교면포장, 난간 등)
(2) 주요공종의 공기
1) 주두부 가설공기
ㅇ 가시설 ( Pier Bracket 또는 강재동바리) : 약 20일
ㅇ 가시설 해체 : 약 15일(설치 와 해체 1달 소요)
ㅇ 주두부 시공 : 약 60～90일(2~3달 소요)
2) Form Traveller 설치, 해체
ㅇ 초기 Form Traveller 설치 : 약 30일
ㅇ Form Traveller 해체 이동 : 약 30일
ㅇ Form Traveller 해체 : 약 20일
* 절대공기(Calender day)를 기준할 경우 14～15일/seg
(3) 공정계획시 고려사항
ㅇ 상하행선이 근접해 있고, 동시에 시공할 경우 2～3Seg정도 차이를 두는 것이 좋다.
이 경우 Tower Crane 1대가 상하행선을 Cover하므로 1～2개월 차이를 갖게 된다.
ㅇ 인접한 교각의 Cantilever는 2～4Seg정도 차이를 두고 시공하는 것이 좋다
ㅇ 인접한 Key Seg.는 동시에 시공될 수 없다. (Key A1～P1 완료 이후 Key P1～P2 시공)
ㅇ 동절기에 가시설 및 콘크리트타설을 위한 제반준비가 될 수 있는 계획이 유리하다.
(4) 기타 중요사항
ㅇ 한번 작성된 공정표는 중간에 수정되기가 어려우므로 신중하게 모든 현장여건을 감안하여 작성되야 한다. (캠버관리에 시간적 요소가 고려되어 있음)
ㅇ Key Seg의 접합 순서, Form Traveller의 해체순서 및 시기 등과 같은 사항은 현장에서 변경하기 수월하나, Camber 값에 큰 영향을 미치므로 한번 계산에 반영된 순서는 지켜져야 한다.
ㅇ 콘크리트의 배합설계는 다음과 같은 사항을 고려하여 가능한 조기에 결정되어야 한다.
실험에 의한 크리프, 건조수축 및 탄성계수를 Camber 계산에 반영하고자 하는 경우 : 실험기간 6개월, 결과정리 2개월, Camber계산 1개월 내외 등의 기간을 감안하여 배합설계의 시기가 결정되어야한다.
또한, 도로교설계기준상 콘크리트의 이론적 물리계수와 실제 사용되는 물리계수의 차이가 있으므로 실질적인 고려가 될 수 있는 검토가 요구된다.
ㅇ Form Traveler의 해체, Key Seg. 작업 직후 Bottom Tendon의 인장 등에 의해 상부의 Elevation 변화가 큰 양으로 발생하므로, 방호벽 등의 후속작업이 상부구조 본체의 작업과 병행되기 어렵다.
나. 주요 자재
(1) 콘크리트
1) 설계기준강도
설계기준강도(28일 압축강도)는 구조적으로 가장 기본이 되는 값이 되고 있으나 설계기준강도가 공정상에 큰 영향을 미치므로 초기 압축강도에 많이 지배된다.
2) 인장시 초기 압축강도
ㅇ 초기 압축강도 ; 설계기준강도의 70%
ㅇ 도로교설계기준 규정 ; PS 도입직후 콘크리트에 발생하는 최대 압축응력의
1.7배 이상(일반적으로 최대 150, 150*1.7=255) 포스
트 텐션부재에서 270이상
3) 콘크리트 탄성계수
콘크리트의 탄성계수는 시방서의 값과 실험치가 차이를 보일 수 있다. 이 차이는 최대 20～30%까지도 벌어질 수 있으므로, Camber계산을 위하여 실험치를 적용할 필요가 있다.
4) 크리프 계수와 건조수축 계수
크리프 계수와 건조수축 계수에 대해 시방서에서 제시된 Model식은 CEB-FIP의 기준을 따르고 있다. 실제 실험을 통하여 얻는 값은 배합설계, 골재, 사용 시멘트, 등의 모든 요인과 관련하여 변화하게 되며, 국내에서 실시된 시험(신단양대교-고려대, 서해 대교-KAIST, 금강4교 - 고려대)결과에서도 최대 2배까지 Model식 보다 큰 값을 보이고 있다.
- Prestress용 강재 (예)
<사진 3.5> Prestress용 강연선 및 강봉
1) 강연선 (7-Wire Strand)
가) KS D 7002 SWPC7B 2종, 12.7mm or 15.2mm
나) AASHTO M203, M204, ASTM A416, A421, BS5896 의 주요 관련사항
ㅇ Packing : Minimum Core Dia. 610mm, heat number, 해당재질시방, 길이 등 표기
ㅇ Rust : 표면에 고르게 분포된 약간의 녹은 허용됨.
ㅇ 직선성 : Bow Height 25mm 이내(1m길이에서)
ㅇ 꼬임상태 : 꼬임의 Pitch는 직경의 12～16배 사이
2) 강봉
(1) 강봉의 종류
ㅇ Deformed Bar
ㅇ Threaded Bar - Full Threaded : 전체 길이에 Thread
- Smooth : 전착에 필요한 길이만 Thread
* 짧은 길이에는 Threaded Bar를 사용
(2) 강도
KS에도 규정을 하고 있으나, 국내에서 생산하지 않고 있으므로 생산품의 기준에 맞 출 수 밖에 없다. 주로 사용되는 재료의 인장강도는 1030～1080 MPa와 ～1230 Mpa내 외의 두가지가 사용되고 있다. (고강도는 취성이 강하여 사용에 주의)
3) 정착구 및 기타 PS 관련 자재
정착구와 기타 관련 자재와 단면내의 배치와의 상관관계가 면밀히 검토되야 함
다. 주요 가설장비 운용 계획
1) 타워 크레인 운용
ㅇ 주두부 가시설의 설치 및 해체
- Form Traveler의 설치 해체 (일반적으로 Bottom Form의 무게가 최대)
- 주두부의 시공관련(주두부 콘크리트 타설, 거푸집, 철근 운반 등에 이용됨으로 이를 감안하여 용량을 검토해야 한다)
2) 콘크리트 타설장비 운용
ㅇ 고교각의 경우 배관 및 토출위치를 정한다.
ㅇ 해상작업의 경우 수위면의 변화, 운송시간 등을 고려한다.
이상
- 교량 건설공법(FCM공법)
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