FCM 공법

왜 배우는가: FCM 공법은 교량 경간이 길어지고 교각이 높아져 동바리를 세우기 어려운 현장에서 가장 많이 쓰이는 가설공법이다. 시험에서는 공법의 원리, 시공 순서, 세그먼트 시공 중 위험요인이 반복해서 출제되므로 개념을 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제129회 4교시 4번, 제121회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

FCM 공법은 동바리 없이 교각 양쪽으로 세그먼트를 대칭 시공하여 지간 중앙에서 폐합하는 캔틸레버 가설공법이다.

답안 첫 줄에는 위 정의를 그대로 쓰고, 이어서 아래 키워드를 본문에서 함께 풀어 쓴다.

• FCM 공법(Free Cantilever Method): 외팔보 방식의 현장타설 교량 가설공법이다.
• 균형 캔틸레버(Balanced Cantilever): 교각 좌우에서 같은 조건으로 블록을 번갈아 쌓는 시공 방식이다.
• 이동 거푸집(Form Traveller): 완성된 세그먼트에 매달려 다음 블록의 거푸집을 지지하는 설비다.
• 세그먼트(Segment): 한 번에 타설하는 교축방향 블록 단위다.
• 포스트텐션(Post-tension): 콘크리트 강도 확보 후 긴장재로 프리스트레스를 도입하는 방식이다.
• 폐합(Closure): 양쪽 캔틸레버를 지간 중앙에서 연결하는 마지막 공정이다.
• 무동바리 시공: 하부 지보공 없이 교각만으로 상부구조를 지지하는 조건이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 강이나 계곡 위에 다리를 놓을 때 아래에서 받쳐 주는 동바리를 세울 수 없는 경우가 많다. FCM은 교각 위에 먼저 세운 기둥 머리 부분을 기준으로 양쪽에 한 블록씩 늘려 나가는 방식이다. 시소처럼 양쪽 무게를 맞추면서 앞으로 나아가기 때문에 교각 양쪽의 모멘트 평형이 시공 내내 유지되어야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 교각 위에서 시작하여 이동 거푸집을 교각 양쪽 캔틸레버 끝에 설치하고, 여기서 세그먼트를 현장 타설한다. 소정 강도에 도달하면 포스트텐션으로 프리스트레스를 도입하고, 이동 거푸집을 다음 위치로 내밀어 다음 블록을 시공하는 현장타설 외팔보 가설공법이다. 이 과정을 양쪽 캔틸레버에서 동시에 반복한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다. 균형 캔틸레버는 교각 좌우의 하중과 휨 모멘트를 균형 있게 유지하며 시공하는 원리를 뜻한다. 이동 거푸집은 자체 무게와 새 콘크리트의 무게를 기존 세그먼트에 전달하는 가설 장비다. 따라서 장비가 가볍지 않고, 세그먼트가 충분한 강도를 얻기 전에 장비를 움직이면 안 된다.

세그먼트 길이는 통상 2~5m 로 나누어 시공한다. 이 구조 덕분에 교각 위 근처는 거더 높이를 크게 하고 지간 중앙으로 갈수록 높이를 줄이는 변단면 구성이 쉽다. 변단면은 휨 모멘트 분포에 맞추어 자중을 줄이는 효과가 있다. 기준 방식과 비교하면 하부 지지 없이 자중을 상부 블록이 스스로 지지하도록 설계하는 것이 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 경간이 커지고 교각이 높아지면 재래식 동바리공법(FSM, Full Staging Method)을 적용하기 어렵다. 동바리는 지반 조건과 하천 유량, 선박 항해, 교통 통제에 따라 설치가 제약된다. 깊은 계곡, 유량이 많은 하천, 선박이 다니는 해상, 교통량이 많은 시가지 도로가 대표적인 예다. 이런 조건에서 동바리를 대신할 가설 방식이 필요해졌고, 그 결과 FCM이 적용 범위를 넓혔다.

고교각과 대경간으로 갈수록 동바리를 쓰지 않는 공법을 택하는 것이 일반적이다. 시공 방식은 현장타설과 프리캐스트로 나뉘며, FCM은 현장타설 계열의 대표 공법이다. 같은 계열에 MSS(이동식 비계 공법)와 ILM(연속 압출 공법)이 있다. 공법 선정은 교량 구조형식, 하부 공간 이용 여부, 지형과 지질 조건을 함께 고려한다.

공법의 역사를 보면 1950년대 초반 독일의 Dyckerhoff & Widman사가 Dywidag 공법을 시초로 개발했다. 이후 여러 나라에서 장대교 가설에 쓰이며 발전했다. 국내에서는 한강 횡단교량인 원효대교가 FCM 공법의 최초 적용 사례로 알려져 있다. 이후 고속도로 교량을 중심으로 많은 교량이 이 공법으로 건설되었다.

국내 기록을 보면 새만금포항고속도로의 만덕교가 설계 당시 신촌교라는 이름으로 계획되었고, 경간장 170m 로 국내 FCM 공법 교량 중 최대 경간장을 갖는다. 세계 기록은 1998년 준공된 노르웨이 Stolmasundet교이며 경간장은 301m다. 이런 기록은 FCM이 장대교에 적합하다는 점을 보여 준다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 시공 기계를 크게 키우지 않고도 교량을 가설할 수 있다. 둘째, 장대교 시공에 적절하다. 셋째, 세그먼트 단위로 거더 높이를 바꿀 수 있어 자중을 줄이기 쉽다. 시험에서는 이 세 가지를 공법 선정 이유로 답안에 쓰면 된다.

동바리 없이 교각 위에서 양쪽으로 한 블록씩 쌓아 가는 것이 FCM의 본질이다.

4. 구성요소·원리·절차

FCM 공법은 교각 위에서 이동 거푸집(Form Traveller)과 포스트텐션 긴장재를 함께 써서 블록을 하나씩 잇는 공법이다. 동바리를 쓰지 않으므로 하부 공간 제약이 적다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 교각을 중심으로 좌우 대칭 시공을 하여 모멘트 균형을 맞추는 데 있다. 캔틸레버는 교각부에서 휨모멘트가 가장 크므로 교각 부근 거더 단면을 깊게 하고 박스 단면을 쓴다. 자중에 의한 교각부 모멘트는 다음과 같이 대략 구한다.

$M_{\text{pier}} \approx \frac{w L^{2}}{2}$

여기서 M_{\text{pier}}는 교각부 휨모멘트(kN·m), w는 캔틸레버 단위길이당 자중(kN/m), L은 캔틸레버 길이(m)다. 좌우 균형이 깨지면 교각에 편심 모멘트가 걸리므로 한쪽 블록 시공 속도를 반드시 맞춘다. 세그먼트는 2~5m 단위로 나누어 시공하므로 블록 길이에 따라 거더 높이를 바꾸는 변단면 설계가 가능하다.

절차는 다음과 같다.

• 교각 상부에 시공대를 설치하고 첫 세그먼트를 타설한다.
• 양쪽 캔틸레버 끝에 이동 거푸집을 설치한다.
• 양쪽에서 동시에 새 블록의 철근을 배근하고 콘크리트를 타설한다.
• 콘크리트가 소정 강도에 도달하면 포스트텐션 긴장재를 긴장한다.
• 이동 거푸집을 완성 블록 위로 전진시킨다.
• 3~5 단계를 지간 중앙까지 반복한다.
• 지간 중앙에서 폐합 세그먼트를 타설해 양쪽 캔틸레버를 연결한다.

동일 교각 양측 캔틸레버를 대칭으로 진행하는 것이 FCM의 안전 핵심이다.

5. 관련 법령·기준·표준

FCM 공법은 별도의 공법 고시보다 교량 설계·시공 기준과 안전 법령을 함께 따른다. 주요 근거는 다음과 같다.

• 「건설기술 진흥법」: 시공 중 안전 관리와 건설공사 안전 기준의 상위 법령이다.
• 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」: 거푸집·동바리, 고소작업, 콘크리트 타설 안전 조항을 적용한다.
• 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」: 완성 후 교량의 점검·유지관리 기준이다.
• 교량 설계기준(KDS)과 교량 시공 표준시방서(KCS): 프리스트레스 도입과 세그먼트 시공 기준이다.

기준 수치와 적용 범위를 표로 정리하면 다음과 같다.

표의 값은 FCM의 적용 범위와 사례를 보이는 참고값이다. 설계 단계의 허용응력, 긴장력, 처짐 한계는 교량 설계기준(KDS)에서 확인해 적용한다. 세그먼트 길이는 교량 규모와 장비 능력에 따라 달라지므로 표의 값은 일반적인 범위로 이해한다.