장경간 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 보의 파괴

세장한 프리캐스트 프리스트레스트 보의 약축 방향 휨 또는 과도한 처짐 발생, 심지어 시공 현장에서 인양 단계 중 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 거더교의 붕괴는 드문 불행이 아닙니다. 그런데 모든 안전 규정, 지침, 그리고 이전의 엔지니어링 경험이 있음에도 불구하고 오늘날에도 여전히 이런 일이 발생하고 있을까요? 네, 그렇습니다. 어떻게 된 일일까요? 문제는 무엇일까요?

장경간 프리스트레스트 보의 횡방향 불안정성

프리캐스트 콘크리트 보 또는 거더는 일반적으로 산업용 홀, 대형 마트, 창고, 또는 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트로 만들어진 거더교 등 다양한 프로젝트에 사용됩니다. 사용 재료, 보다 효율적인 단면 형상, 더 큰 프리스트레싱 강연선과 같은 여러 기술적 발전으로 더 큰 경간을 실현할 수 있게 되었습니다. 경간의 증가로 인해 이러한 보의 총 자중도 증가하며, 그림 [3]에 나타난 바와 같이 운반 및 취급 단계가 구조 설계에서 결정적인 하중 케이스가 되는 경우도 있습니다.

이 문제를 극복하기 위한 일반적인 전략은 플랜지 폭을 줄여 보의 자중을 최소화하는 것입니다. 그러나 이는 부재의 약축 강성과 비틀림 강성도 감소시켜 횡방향 불안정성의 위험을 증폭시킵니다. [1]

횡방향 불안정성으로 인한 사고 및 손상 보고는 일반적으로 일시적 하중 상황(인양, 운반, 지지대 위 거치) 중 2차 효과를 유발하는 편심과 관련이 있습니다. 이러한 편심의 전형적인 원인은 제작 허용 오차, 강연선의 횡방향 위치 변동, 국부 균열, 크리프 및 건조 수축에 의한 휨, 그리고 한쪽 면의 일조 가열로 인해 거더가 휘는 현상입니다. 프리스트레스트 콘크리트 보는 약축 강성에 충분한 여유가 있다고 가정되었기 때문에, 이 현상에 대해 전통적으로 제한적인 주의만 기울여 왔습니다. [1]

장경간 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 보의 사고

1965년에 건설된 키이우의 데흐티아리우스키 교량은 2023년 6월 13일 보수를 위해 폐쇄되었다가 붕괴되었습니다 [2]. 여섯 개의 보가 이미 설치된 후 작업자들이 일곱 번째 보를 설치하기 시작했을 때, 보가 안정성을 잃고 나머지 보들을 밀어 모든 것이 붕괴되었습니다. 다행히 인명 피해는 없었지만, 물론 막대한 재산 피해가 발생했습니다.

또 다른 사례는 인양 단계에서의 파괴입니다. 높이 2m, 상부 플랜지 폭 1.2m의 I형 등단면을 가진 길이 45.6m의 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 거더입니다. 첫 번째 인양 작업 후 변형된 형상과 최대 300mm(L/150)에 달하는 횡방향 변위의 급격한 증가를 상상해 보십시오. 거더는 손상 가능성을 평가하기 위해 다시 지면에 내려놓았습니다. 검사 후 왼쪽 상부 플랜지에서 수직 균열이 관찰되었습니다. 균열 폭은 0.4mm를 초과하였으며, 해당 부재가 최종적으로 승인되기 위해서는 내구성 요건을 충족하도록 보수가 필요했습니다.

이후 두 번째 인양 시도가 수행되었습니다. 그러나 L/400 이상의 횡방향 휨이 나타났으며, 이는 이 보가 원래 형상을 회복할 수 없음을 의미했습니다. 이는 아마도 인양 작업 중 발생한 소성 변형에 의한 것으로 판단됩니다. 따라서 이 보는 불합격 처리되었고, 새로운 거더가 제작되어 현장으로 운반되었습니다. [1]

세장한 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 보의 안전한 설계

이러한 사고와 손상을 어떻게 예방할 수 있을까요? 장경간 프리스트레스트 콘크리트 보 설계를 중단해야 할까요? 물론 그렇지 않습니다. 그것은 후퇴이며 매우 안타까운 일일 것입니다(필자는 프리스트레스트 콘크리트의 열렬한 팬입니다)! 구조 엔지니어에게 있어 안전하고 경제적인 설계를 단시간에 완성하는 것은 쉬운 일이 아닙니다.

그리고 이 경우, 펜과 종이만으로는 충분하지 않다고 생각합니다. 최근 엔지니어링 실무에서 저는 세장한 프리스트레스트 보의 횡비틀림 좌굴(LTB)과 관련된 복잡한 계산을 도와줄 소프트웨어가 있었으면 하고 항상 바랐습니다. 당연히 불완전한 프로그램에서 입력값을 입력하고 결과를 해석하는 데 젊음을 낭비하고 싶지 않았습니다.

횡비틀림 좌굴을 위한 해결책

좋은 소식이 있습니다. 장경간 프리캐스트 프리스트레스트 콘크리트 보의 횡비틀림 좌굴(LTB)에 대한 복합 해석을 제공하는 IDEA StatiCa가 있습니다. 이 모든 것이 사용하기 쉽고, 명확한 결과를 제공하며, 자동으로 보고서를 생성하는 하나의 도구에서 가능합니다. 일반적인 IDEA StatiCa Beam 워크플로우를 따르기만 하면 됩니다:

• 형상: 단면, 경간 정보, 프리스트레싱 텐던, 시공 단계 이력은 전체 해석 및 설계를 위한 Beam 앱에서 이미 정의됩니다. 모든 데이터는 자동으로 반영됩니다.
• 횡방향 안정성 탭: 초기 불완전성, 슬링 상세, 최종 지지 유형 등 인양, 운반 및 기타 시공 단계에 대한 상세 입력 데이터를 정의합니다.  이 모든 항목이 LTB 해석에 영향을 미칩니다.
• LTB 해석 실행: 즉, 초기 불완전성을 포함한 재료적·기하학적 비선형 해석입니다. 단순화된 방법이나 공식이 아닌 고급 방법을 사용합니다.
• 결과: LTB 해석의 출력값은 반력, 내력, 처짐입니다.
• LTB 검토: 현재 RCS 앱에 수동 입력이 가능합니다. LTB 해석 실행 후 상세 결과(RCS 앱)로 이동하여 새 파일로 저장하고, 지배적인 극한 및 사용성 조합에 좌굴로 인한 추가 내력을 입력한 후 모든 검토를 실행합니다.
  참고: LTB 결과의 검토 조합 자동 입력 기능은 곧 개발될 예정입니다. 
• 보고서: 자동화된 규정 검토와 사용자 정의 출력으로 정확한 보고서를 생성하여 시간을 절약하고 오류 위험을 줄입니다. 

LTB 해석 및 검토에 대한 더 많은 기술적 세부 사항은 여기에서 확인하십시오.

마지막 말

보관, 운반, 인양에 이르는 모든 조건을 포함하는 통합 LTB 안정성 검토를 통해 모든 제조 및 시공 단계에서 보의 안전성을 확보하십시오. 세장한 프리스트레스트 프리캐스트 콘크리트 보가 횡방향 안정성을 잃을 위험이 있다는 이유로 설계를 걱정하거나 기피하는 일을 멈추십시오. 오늘날 IDEA StatiCa를 곁에 두고 자신 있게 설계할 수 있습니다!

참고 문헌

[1] A. de la Fuente, J.M. Bairán, S.H.P. Cavalaro, Case Study of Failure of Long Prestressed Precast Concrete Girder During Lifting, Engineering Failure Analysis, Volume 100, 2019, Pages 512-519, ISSN 1350-6307, https://doi.org/10.1016/j.engfailanal.2019.02.061, (https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1350630717302236)

[2] 온라인 참조 https://english.nv.ua/nation/photos-of-collapsed-kyiv-s-dehtiarivskyi-bridge-50357382.html

[3] 온라인 참조 https://www.prefa-praha.cz/tycove_prvky/