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Engineer LARRY/1) 4차산업혁명과 건설기술

철근제로, 올탄소섬유 첫 도로교 PC바닥판

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철근제로, 올탄소섬유 첫 도로교 PC바닥판

도쿄제강인터내셔널(도쿄·츄우오)과 오리엔탈 시라이시는 부식되지 않는 탄소섬유 복합재 케이블(CFCC)을 긴장재로 사용한 도로교용 프리캐스트 PC(프레스토레스트·콘크리트) 바닥판을 공동으로 개발했다. 오리엔탈 시라이시에 따르면 긴장재나 보강재로서 강재를 전혀 사용하지 않고 순수하게 CFCC만으로 만든 도로교용 PC 바닥판은 처음이다.해안 부근이나 동결 방지제 살포 하에서 바닥판에서의 활용을 전망한다

CFCC를 긴장재로 사용한 "CFCC 바닥판"의 개요(자료: 오리엔탈 시라이시)



CFCC 바닥판의 공시체 제작 전.CFCC의 긴장재 배치 상황(자료: 오리엔탈 시라이시)

 

2017년에 개정한 도로 교시 방서의 공통편에서는, 내구성 설계 방법의 하나로 「열화의 영향이 없다고 볼 수 있는 재료의 사용」이 포함되었던 바로 직후이다. 오리엔탈 백석 등은 열화의 영향이 없다고 볼 수 있어 탄성 계수가 높고, 공급 능력이 높은 신소재의 CFCC에 주목하였다. CFCC를 사용한 PC 바닥판의 내구성이나 내하성등의 구조 성능에 관한 시험을 끝내 실교에 적용할 수 있는 것을 확인했다. CFCC 바닥판은 일반적인 PC 바닥판에 비해 공사비용이 오르지만 교체공사 기간을 단축할 수 있다.

도로교시 방서의 개정 내용. 내구성 설계를 위해 내식성이 뛰어난 재료를 사용하도록 포함되었다(자료: 국토교통성)



긴장 후 금속제 정착 도구는 절단

개발한 CFCC 바닥판은 교축 직각과 교축 두 방향으로 CFCC를 긴장재로 도입한 것이다.긴장재에 강재를 사용한 기존의 PC 바닥판에서는 누름돌 전단 내력 확보를 위해 최소한의 철근을 배치할 필요가 있었다. 한편 CFCC 바닥판에서는 폴리프로필렌제의 단섬유를 섞은 보강 콘크리트를 사용함으로써 철근을 사용하지 않아도 되었다.

교축 직각 방향으로 PC강재, 교축 방향으로 철근을 배치하는 '1방향 PC바닥판'(왼쪽)과 '2방향 CFCC바닥판'(오른쪽)과의 단면 비교.최근 고속도로 바닥판의 갱신 사업이 활발해지고, 차선의 규제 기간을 단축하기 위해서 교축 방향에도 긴장재를 이용한 프리캐스트의 '2방향 PC 바닥판'이 제안되게 되었다(자료: 오리엔탈 시라이시)

 

또한 현장에서 교축방향 CFCC를 긴장시킬 때 필요한 금속제 정착구를 바닥판에 남기지 않는 구조로 만들었다. 바닥판의 제작 방법은 다음과 같다.

우선, 공장에서 교축 직각 방향으로 CFCC를, 교축 방향으로 원통의 시스관을 각각 배치해, 사전에 CFCC에 텐션을 가하면서 콘크리트를 타설한다. 긴장을 풀고 콘크리트와의 부착으로 CFCC의 긴장력을 콘크리트에 전달한다. 다음으로, 현장에서는 제작한 바닥판을 나란히 하고, CFCC를 시스관내에 삽입한다. 양끝에 금속제 정착구를 부착하여 긴장한다. 그 후 시스 관내에 줄눈을 주입해 금속제 정착구를 절단하면 된다.

지금까지의 PC 바닥판에서는, 금속제의 정착구를 남겨 콘크리트로 덮고 있었다. 긴장재에 부식되지 않는 재료를 사용해도 금속부가 부식될 우려가 있었던 것이다. 정착 구조의 변경으로 강재를 전혀 사용하지 않는 바닥판을 실현시켰다.

위 2점은 긴장재의 양 끝에 금속제 정착구를 남기는 방법.아래는 정착 도구를 절단한 새로운 정착 방법(사진:오리엔탈 백석)


바닥판의 휨파괴 전단 내력이나 밀어내기 전단 내력은, 강철제 긴장재를 교축과 교축 직각의 2 방향으로 배치해 철근도 가한 「2 방향 PC 바닥판」과 동등한 것을 실험으로 확인하고 있다. 윤하중 주행 피로시험에서는, 내용연수 100년에 상당하는 재하로 파괴에 이르지 않는 것을 실증 완료했다.

 


바닥판교체공사기간15%단축

CFCC 바닥판은 철근을 사용하지 않기 때문에 PC 바닥판과 동일한 두께로 비교하면 6% 정도 중량을 줄일 수 있다.

1방향 PC 바닥판과 2방향 CFCC 바닥판의 공사비 비교 (자료: 오리엔탈 시라이시)


염해가 심한 지역의 다리길이 240m 바닥판을 갱신하는 시산에서는 기존의 '1방향 PC 바닥판'과 비교하여 '2방향 CFCC 바닥판'은 13~22% 정도의 공사비가 증가한다. 현재 일반적으로 보급되어 있는 CFCC의 최대 직경은 20mm 미만이다. 새로운 태경화의 개발이 진행되고 있으며, 실현되면 CFCC의 배치 간격이 넓어져 비용을 절감할 수 있다.

또한 '1방향 PC바닥판'에서는 교축방향으로 프리캐스트 바닥판끼리 연결할 때 현장에서 칸막이 콘크리트를 타설할 필요가 있어 형틀이나 철근을 배치하는 번거로움이 있었다. '2방향 CFCC 바닥판'에서는 프리캐스트 바닥판 사이를 무수축 모르타르로 연결하기만 하므로 바닥판 교체 공사의 기간은 15% 정도 짧아진다.

1방향 PC 바닥판과 2방향 CFCC 바닥판의 바닥판 교체에 필요한 기간의 비교 (자료: 오리엔탈 시라이시)


공용중인 고속도로의 바닥판 갱신에서는 차선규제 기간을 짧게 하는 것이 가장 중요한 과제로 오르는 경우가 많다. 오리엔탈 시라이시는 국내에서 CFCC 바닥판을 제안해 실적을 쌓을 방침이다. 도쿄제강인터내셔널이 미국에도 공장을 가지므로 해외로의 전개도 고려한다.

 

「鉄筋ゼロ、オール炭素繊維」で初の道路橋PC床版 | 日経クロステック(xTECH) (nikkei.com)

 

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xtech.nikkei.com

 

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