콘크리트 바닥판의 아스팔트 두께에 따른 강박스거더교의 최저 설계 유효 온도 산정

1. 서 론

최근 여름에는 점점 폭염이 더해지고, 겨울에는 이상 한파가 발생하여, 주요 사회간접 시설인 교량구조물의 온도 변형에 대한 여유도(Redundancy)를 감소시키고 있다. 설계 평균온도(TU)는 여름의 최고 온도와 겨울의 최저 온도에 따라서 결정되는데, 이를 반영하기 위하여 Euro code^[1]에서는 유효온도 개념이 도입된다. 유효온도는 교량전체의 평균온도를 나타내는 개념으로 도로교 설계기준(한계상태 설계법)^[2]의 평균온도와 같은 개념으로 최고 유효온도, 최저 유효온도로 구분된다. 온도하중에 대한 현재의 도로교 설계기준(한계상태 설계법)^[2]은 교량형식을 강교, 합성교, 콘크리트교로 구분하고, 온도구분을 한랭지역과 보통지역으로 나누어 최고 온도와 최저온도 범위를 제시하고 있다. 반면 유럽의 Euro code나 미국의 AASHTO LRFD에서는 좀 더 체계적이고 세분화된 온도하중에 대한 규정을 제시하고 있다^[1],[3]. Euro code에서는 설계지역의 최고 및 최저 온도에 따라 유효온도를 산정할 수 있도록 대기온도별 유효온도를 제시하고 있다. Shin et al.^[4]은 기상청 기상관측 데이터를 기반으로 지역별 최고, 최저 기온에 대한 Contour map을 제시하여 교량 설계시 각 지역의 특성을 고려한 유효온도를 연구하였다. Lee et al.^[5]은 강박스거더교의 시험체와 실교량의 온도 측정결과를 바탕으로 대기온도에 의한 최고 및 최저 교량 유효온도를 연구하였으며, 그 외의 연구가 진행되었다^[6],[7],[8]. Euro code의 온도 설계기준은 교량 상판의 아스팔트 두께에 따라서 온도를 조정한 설계기준이 적용되고 있다. 실제 교량에서는 상판 콘크리트의 아스팔트 표면두께에 따라 단면내 온도의 차이가 발생하고 있으며, 이를 고려하여 상판 아스팔트 두께에 따른 온도하중의 영향을 파악하는 것이 요망되어지며, 이와 관련된 최고 설계 유효온도 산정에 대한 실험적 연구가 진행되었다^[9]. 이 연구는 여름철의 측정기온을 바탕으로 바닥판 아스팔트 두께에 따른 최고 유효온도를 연구한 논문이다. 본 논문은 같은 교량모형을 사용하여 겨울철 동안 온도를 측정하고, 바닥판 아스팔트 두께에 따른 최저 유효온도의 기준값을 제시하여, 최고기온과 최저기온의 아스팔트 두께별 영향에 따른 온도기준을 완성하고자 하였다.

본 연구에서는 측정 년차별로 상이한 아스팔트 두께의 강박스거더교 모형 시험체 4개를 설치한다. 2년간 겨울철 온도를 연속 측정하여, 바닥판 아스팔트 두께에 따른 겨울철 최저 유효온도를 측정 분석하고, 온도 설계기준을 위한 기초자료를 마련하고자 한다.

2. 시험체 모형 및 온도 측정

2.1 시험체 모형

2.1.1 시험체 모형 제작

시험체는 강박스거더 콘크리트 바닥판에 아스팔트 두께 0mm, 50mm, 100mm, 150mm를 갖는 교량 시험체 모형을 제작하였다. 아스팔트 0mm, 50mm, 100mm 시험체는 2016년에, 아스팔트 150mm 시험체는 아스팔트 0mm 시험체와 같이 2017년 1년간 측정하였다. 교량 모형의 제작 및 측정은 경제적 및 공간적인 이유 등으로 인하여 동시 시험은 3개 모형으로 한정되었다. 아스팔트 오버레이가 없는 0mm 시험체는 2016년 ~ 2017년 2년간 온도를 측정하여 상이한 두께의 시험체 결과와 비교 분석하기 위한 기준이 되도록 하였다. 제작된 강박스의 폭, 높이, 길이는 각각 2m, 2m, 3m이고, 상부 콘크리트 슬래브는 폭 4m, 길이 3.6m, 두께 0.2m이다. Fig. 1.은 2016년 3조의 시험체 모형을 보인다. 겨울철의 긴 그림자를 보이고 있으며, 시험체는 지면에서 1m 높게 설치되어 있다.

Fig. 1.

Complete view of bridge specimens (2016)

2.2.2 측정 위치 및 게이지 배치

Fig. 2.는 시험체 배치 및 계측장치 연결도를, Fig. 3.은 설치모형의 방위각을 모형 평면도과 같이 보인다. 제작 모형은 경상남도 양산시 물금읍의 부산대학교 양산캠퍼스에 설치하여 온도를 측정하였다.

Fig. 2.

Placement of bridge specimen and connection of instrumentation

Fig. 3.

Plan of the bridge models with azimuth angle

온도 게이지는 2016년 시험체에는 24개∼25개씩 온도게이지를 설치하였고, 2017년 시험체에는 17개의 게이지를 부착하여 측정하였다. 이중 1개는 시험체 내부, 1개는 대기 기온을 측정한다. 측정기간은 매년 12월 1부터 2월 28일까지이다. Fig. 4.는 2016년 50mm모형의 온도게이지 설치 위치 및 측정번호를 나타낸다.

Fig. 4.

Gauge location and numbers (2016, 0mm)

2.2. 측정 온도 데이터

2.2.1 측정 대기 온도 비교

데이터로거의 자동 시간 간격 기능(time interval)을 사용하여 각 모형의 측점에서 30분마다 온도를 측정하여 1일당 48개의 데이터가 수집되었다. 2016년 겨울의 최저기온는 2017년 1월 23일의 –7.3°C였고, 2017년 겨울의 최저기온은 2018년 2월 7일의 –11.1°C 였다. 2년의 겨울기간동안 각 월별 대기 최저 평균기온은 Table 7에서 볼 수 있다. 2018년 최저기온을 보이는 2월 7일 전후 5일간의 대기온도를 Fig. 5.에 그래프화 하였다. 측정했던 현장 온도 게이지의 온도와 양산 기상청 대기온도를 비교하였다. 측정 대기온도는 기상청 대기온도와 비교하여 상당히 근접하게 측정됨을 볼 수 있다.

Fig. 5.

Temperature data of the bridge specimen and the measured bridge

2.2.2 측정 데이터 분포 예시

Fig. 6.은 2017년 2월 12일에서 14일까지 강박스거더 좌우 복부 하단부 측점의 온도 변화를 기온과 함께 나타낸다. Fig. 1.∼Fig. 3.에서와 같이 0mm 모형은 최 우측, 동측 방향에 위치하고, 50mm 모형은 최 좌측, 서측 방향에 설치된다. 0mm 모형은 아침에 해가 비침에 따라 17번 게이지에서 온도가 먼저 올라감을 볼 수 있고, 50mm 모형은 옆 모형에 가림으로 이러한 현상은 볼 수 없고, 반대 측면의 서측 직사광선으로 온도가 30°C이상으로 올라감을 볼 수 있다.

Fig. 6.

Temperature variation of the left and right lower web in steel box girder (2017)

각 모형의 측정된 온도가 각 측점에서 도시되고, 회귀분석을 통하여 추세선이 구해진다. Fig. 7.∼Fig. 9.는 2016년 0mm, 50mm, 100mm시험체 측점 중 콘크리트 부(SC1) 강재 부(SC16)의 2개 지점을 도시한 것으로 각 지점마다 2960개의 데이터 분포를 나타낸다. Fig. 10.은 2017년 150mm 시험체 모형의 2개 지점 측정 데이터를 보인다. 여기서 콘크리트 속 측점의 분포는 추세선을 중심으로 넓은 띠 모양을 보이고 있고, 강박스에 부착된 측점은 좁은 띠 모양을 보여 상관 관계가 매우 높게 나타난다. 각 도표에서 0mm에서 150mm로 아스팔트 두께가 증가됨에 따라 각 콘크리트부의 추세선 은 점차 완만해 짐을 볼 수있다.

Fig. 7.

Temperature distribution of 0mm specimen

Fig. 8.

Temperature distribution of 50mm specimen

Fig. 9.

Temperature distribution of 100mm specimen

Fig. 10.

Temperature distribution of 150mm specimen

3. 유효온도 분석

3.1 관련 설계기준

Euro code에서는 교량의 최저 유효온도를 Table 1과 같이 제시한다. 바닥판의 상부 아스팔트 두께에 따른 최저 유효 온도의 조정값은 Table 2와 같다. 연구대상인 강박스거더교는 Table 1, 2의 Group 3에 속한다. 반면 국내 도로교설계기준은 Table 3과 같이 구분된 지역별 최고 최저 유효온도 범위만 제시하고 있고, 콘크리트 바닥판의 상부 아스팔트 두께에 따른 유효온도 조정의 설계기준은 따로 마련되어 있지 않다.

Table 1.

Minimum effective temperature of Euro code[1] (°C)

Table 2.

Adjustment value of minimum effective temperature according to surface thickness (Euro code)[1](°C)

Table 3.

Minimum effective temperature of Design Specification for Highway Bridges[2] (°C)

3.2 유효온도 산정절차

계측된 각 지점에서 측정된 데이터를 회귀 분석하여 추세선을 도출한다. 콘크리트부는 2차 다항식으로, 강재부는 1차 선형으로 추세선을 산출하였다. 콘크리트부는 2차, 3차, 4차 다항식을 검토하였지만, 상관관계를 고려하여 2차식으로 결정하였다. 유효온도 산정 절차의 일례는 Table 4와 같다. 이 표에서 2017년 0mm 시험체중 콘크리트부와 강재의 6개 지점을 샘플로 보여주며, 이 지점의 추세선과 표준오차를 보인다. 각 지점의 추세선 식에 대기온도 -5°C~15°C를 대입하여, 각 대기온도별 온도를 산정하면 Table 5와 같다. 그리고 계산된 온도에 각 지점별 표준오차를 감한 값을 각 지점의 최저 유효온도로 산정하였다. 이와 같은 산정방법의 선택 이유는 Euro code가 오랜 시간 축적된 데이터를 기반으로 유효온도를 산정한 것과 달리 본 연구에서는 측정기간이 제한적이므로 데이터의 극값을 이용하여 유효온도를 구하기 위함이다. Table 6은 2017년 시험체의 각 부착게이지가 대표하는 단면의 면적이며, 각 측점에서 산정된 온도에 이 면적을 곱하고, 이 값들의 합을 총면적으로 나누어 유효온도를 산정한다.

Table 4.

Regression line of 0mm specimen (2017)

Table 5.

Sample of effective temperature of 0mm specimen (2017)

Table 6.

Each part area of the specimen in 2017(mm2)

3.3 유효온도 산정

3.3.1 0mm 유효온도 산정

2016년과 2017년의 겨울 3개월 동안 경상남도 양산 기상청 최저기온의 평균을 정리하면 Table 7과 같다. 2017년도 겨울은 최저기온 평균이 –3.27°C로 2016년도 겨울 –0.8°C보다 2.47°C가 더 추웠음을 알 수 있다. 2016년과 2017년의 0mm 시험체 최저 유효온도를 분석하면 Table 8과 3, 4열과 같다. 2년의 측정기간 동안 최저기온의 차가 2.47°C임을 감안하여 2017년도 유효온도에서 이 값만큼을 감하여 2016년을 기준으로 유효온도를 수정하였다(Table 8의 5열). 온도가 더 낮은 값을 기준으로 해야 하나 본 연구의 목적이 상부 아스팔트 두께에 따른 조정치 산정이므로 측정 모형이 3종인 2016년을 기준으로 분석하였다. 0mm 모형의 대표 값을 산정하기 위하여 2016년 측정값과 2017년 수정 온도를 평균하면 Table 8의 6열과 같으며, 이 값을 0mm 모형의 유효온도로 산정하였다.

Table 7.

The average minimum atmospheric temperature of the weather station

Table 8.

Effective temperature of 0mm specimen

3.3.2 포장 두께별 유효온도 산정

아스팔트 두께 50mm, 100mm, 150mm 시험체의 유효온도를 각각 산정하여 Table 9에 정리하였으며, 양산지방의 역대 관측 최저기온은 –11.7°C(2011년), -11.1°C(2018년)를 고려하여 이를 상회하는 –15°C까지 온도에 대하여 유효온도를 분석하였다. Table 9에서 Euro code의 값은 Table 2의 아스팔트 두께에 따른 보정치를 고려한 값이다. 본 연구에서 측정한 50mm, 150mm 교량 시험체는 해당하는 Euro code의 보정치가 없음으로, Euro code 40mm, 100mm, 200mm의 값을 직선 보간법으로 계산하여 –1.7°C, +1.5°C로 산정하였다. Table 7에서 2016년과 2017년 기상청 최저 평균온도의 편차가 있음으로 이를 고려하여, 2017년에 측정한 150mm 모형의 유효온도는 0mm 모형의 2016년, 2017년 온도차와 같다고 가정하였다. 따라서 150mm 모형 측정값은 0mm 모형의 2016년, 2017년 온도차(Table 8의 3열과 4열의 온도차)를 감하여 산정하였다(Table 9의 10열).

Table 9.

Effective temperature of each bridge specimen

4. 유효온도 분석

4.1 유효온도 산정 결과 및 비교

최저 대기온도 -15°C에서 산정된 유효온도는 0mm에서 -15.7°C, 50mm에서 –12.8°C, 100mm에서 –11.0°C, 150mm에서 –9.9°C가 제시되었다. 아스팔트가 포장된 교량에서 최저 유효온도는 아스팔트 50mm에서 -12.8°C이며, 이는 도로교설계기준의 보통기후 최저 온도범위 –10°C보다 2.8°C가 더 낮은 온도로 평가된다.

Table 9에서 아스팔트가 없는 0mm 시험체는 대기온도 -15°C에서 Euro code보다 0.3°C 높게 산정되었다. 아스팔트 50mm, 100mm, 150mm 시험체는 각각 대기온도 -15°C에서 Euro code보다 1.9°C, 2.0°C, 1.6°C 높게 산정된다. 전체 모형의 모든 대기온도에서 측정 시험체의 유효온도가 Euro code보다 높게 산정된다. 최하위 온도(–15°C)와 전체 평균온도에 대한 Euro code와의 온도차를 정리하면 Table 10과 같다. 측정 시험체에서 유효온도가 Euro code보다 더 높게 측정되며, 그 온도차는 최저 온도인 –15°C에서는 0.3∼ 2.0°C, 전체평균에서는 0.9 ∼1.6°C 온도차를 보인다.

Table 10.

Temperature difference between measured value and Euro code

4.2 포장 두께에 따른 유효온도 조정치

Table 9의 4개 시험체 모형의 유효온도를 그래프화하면 Fig. 11.과 같다. 전체적으로 4개 모형은 0mm, 50mm, 100mm, 150mm 순으로 유효온도가 낮게 분석되었다. 상판의 아스팔트가 두께가 깊을수록 유효온도가 낮아짐을 보인다. 이는 아스팔트가 일종의 보온효과를 발휘하는 것으로 판단된다. 100mm를 기준으로 보면 최저온도 –15°C와 측정온도 전 구간 평균기온에서 아스팔트 두께에 따른 온도차를 정리하면 Table 11과 같다. 각 두께에서 측정된 유효 온도차는 Euro code 제시 온도차와 근접한 값을 보인다. Table 11의 최저온도 –15°C와 측정온도 전 구간 평균 중 가장 차이가 많은 온도를 Table 12와 같이 최종 적용 값으로 선정하고자 한다. 선정된 조정치의 값은 Euro code 값과 비교하여 0mm는 약간 차이가 있으나, 50mm와 150mm에서는 매우 근접함을 보인다.

Fig. 11.

Comparison of effective temperature of 4 specimens

Table 11.

Adjustment value of effective temperature according to surface thickness in each specimen(°C)

Table 12.

Adjustment value of effective temperature presented in this study

5. 결 론

강박스거더교에 대한 겨울철 아스팔트 두께에 따른 유효온도 조정값과 최저 유효온도를 제시하기 위하여 4종의 강박스거더교 시험체를 제작하고 2년 동안 온도 데이터를 측정하고 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 아스팔트 두께에 따른 최저 유효온도의 조정값은 100mm를 기준으로 했을 때, 0mm, 50mm, 100mm, 150mm 대하여 각각 –4.7°C, -1.8°C, 0°C, 1.5°C로 도출되었다.

(2) 측정 시험체에서 유효온도는 Euro code보다 더 높게 측정되며, 그 온도차는 최저 온도인 –15°C에서는 0.3∼2.0°C, 전체 측정온도 구간에서는 0.9∼1.6°C온도차를 보였다.

(3) 아스팔트 두께 50mm 일 때 최저 유효온도가 –12.8°C로 산정 되고, 조정값은 –1.8°C로 계산되었다. 양산지방을 보통기후로 본다면, 도로교설계기준의 최저 온도범위 –10°C를 –4.6°C초과하는 온도가 제시되며, 측정온도가 더 낮은 2017년을 기준으로 하면 현 설계기준의 최저 기온 범위는 –15°C이하로 조정되어야 할 것으로 판단된다.

Acknowledgments

본 연구는 한국연구재단(NRF-2015-R1D1A1A010606 16)의 지원으로 수행되었습니다.

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