FCM공법

왜 배우는가: FCM공법은 장경간 교량과 고교각 교량 가설에서 동바리 없이 시공하는 대표 공법이라 실무 설계·시공 검토의 기본이 된다. 1교시 용어형과 2~4교시 논술형에 반복해서 출제되므로 정의, 원리, 가설 과정을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제111회 2교시 4번, 제110회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

FCM공법은 교각 위에서 동바리 없이 양쪽으로 세그먼트를 대칭 시공하여 캔틸레버를 만들고, 마지막에 지간 중앙에서 폐합하는 현장타설 가설공법이다.

• FCM(Free Cantilever Method)
• 외팔보(캔틸레버)
• 이동 거푸집(Form traveller)
• 균형 캔틸레버 시공
• 포스트텐션(Post-tensioning)
• 폐합(Closure)
• 세그먼트(Segment)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 다리 기둥(교각) 위에서 다리 상판을 양쪽으로 조금씩 밀어내며 붙여 나가는 공법이다. 아래에서 받쳐 줄 동바리를 세우기 어려운 깊은 계곡, 강, 바다 위 같은 곳에서 쓴다.

정식 정의는 다음과 같다. FCM공법은 교각을 중심으로 양쪽 캔틸레버 끝에 이동 거푸집을 설치하고, 여기서 한 블록(세그먼트)씩 콘크리트를 쳐서 소정 강도에 도달하면 포스트텐션으로 프리스트레스를 도입하는 가설법이다. 완성된 블록 위로 이동 거푸집을 전진시켜 다음 블록을 시공하며, 최종적으로 지간 중앙에서 양쪽 캔틸레버를 폐합한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 세그먼트(Segment): 한 번에 콘크리트를 치는 상부 구조의 단위 블록이다. 통상 3~5m 길이로 나눈다.
• 이동 거푸집(Form traveller): 캔틸레버 끝에 매달려 세그먼트 거푸집과 콘크리트 하중을 지지하며 앞으로 이동하는 장비다.
• 균형 시공(Balanced cantilever): 교각 양쪽의 캔틸레버 모멘트와 하중이 거의 같도록 대칭으로 시공하는 방식이다.
• 폐합(Closure): 양쪽에서 진행한 캔틸레버를 지간 중앙에서 연결하는 마지막 시공 단계다.

세그먼트 길이 3~5m이 일반적인 기준이다.

3. 등장 배경과 필요성

FCM공법은 1950년대 초 독일 Dyckerhoff & Widmann사가 개발한 Dywidag 공법에서 출발했다. 이후 유럽과 미국에서 장경간 교량에 널리 적용되었다. 국내에서는 한강 횡단교량인 원효대교가 최초 적용 사례로 알려져 있다.

등장 배경은 두 가지다. 첫째, 고교각과 대경간 교량에서는 전면 동바리 공법(FSM)의 설치 비용과 안전 위험이 급격히 커진다. 둘째, 교통 흐름이나 수면 위를 막지 않고 시공해야 하는 조건이 늘었다. 이 때문에 교각 위에서 상부 구조를 캔틸레버로 밀어내는 방식이 필요해졌다.

FCM공법의 장점은 상부 구조의 단면 변화에 대응하기 쉽고, 작업 대부분이 이동식 작업차 안에서 이루어져 기후 영향을 덜 받는다는 점이다. 각 단계마다 오차를 수정할 수 있어 시공 정밀도도 높다. 반면 단계마다 상판 두께가 변하므로 설계 검토가 까다롭다는 단점이 있다.

4. 구성요소·원리·절차

FCM공법은 동바리 없이 교각 위에서 좌우 균형을 맞추며 세그먼트를 한 블록씩 붙여 나가는 방식이다. 상부구조를 구성하는 주요 요소와 시공 원리는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 교각 위에서 양쪽으로 같은 길이의 캔틸레버를 대칭으로 뻗으면, 한쪽에 가해지는 시공 하중이 반대쪽 캔틸레버와 상쇄되어 교각에 작용하는 불균형 모멘트가 작아진다. 이때 교각 상부 단면은 부모멘트에 대응하도록 거더 춤이 중앙부보다 깊다. 좌우 균형 유지가 FCM 공법의 핵심 원리이다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 교각 위 주두부(Pier table) 블록을 동바리로 시공하고 받침을 설치한다.
• 주두부 양측에 이동 거푸집을 조립하고 좌우 대칭으로 세그먼트를 타설한다.
• 콘크리트가 소정 강도에 도달하면 포스트텐션 긴장재를 긴장하고 그라우팅한다.
• 이동 거푸집을 다음 위치로 전진시켜 다음 세그먼트를 시공한다.
• 지간 중앙에서 양쪽 캔틸레버를 폐합부로 연결하고 연속 구조를 완성한다.
• 거푸집을 해체하고 이동 거푸집을 다음 교각으로 옮긴다.

좌우 세그먼트의 무게 차이는 캔틸레버 끝의 처짐과 기울어짐으로 나타난다. 이를 막기 위해 한쪽 블록의 타설과 긴장 순서를 맞추고, 한쪽 편 불균형 하중을 임시 긴장이나 바닥 고정으로 제어한다.

5. 관련 법령·기준·표준

FCM공법의 설계와 시공은 콘크리트 구조 설계기준과 교량 시공측량 기준을 함께 따른다. 주요 기준은 다음과 같다.

설계 측면에서는 FCM 공법 교량이 라멘교, 연속교, 힌지식 또는 게르버식 구조로 분류된다. 세그먼트마다 단면과 두께가 바뀌므로 시공 단계별 구조계산을 해야 한다.

크리프와 건조수축에 따른 모멘트 재분배는 연속 해석으로 검토한다. 실무에서는 단순화된 시간의존 해석법과 단계별 해석을 함께 쓴다. 장경간 FCM 교량은 불균형 하중 한도를 시공 계획에 반영한다.

6. 유형과 비교

FCM공법은 시공 방식과 교량 구조형식에 따라 나뉜다. 시공 위치에 따라 현장타설 캔틸레버 공법과 프리캐스트 캔틸레버 공법으로 나뉘며, 완성된 교량은 라멘교 형식과 연속교 형식으로 분류된다. 라멘교 형식은 힌지식, 게르버식, 연속보식으로, 연속교 형식은 라멘연속교형식으로 세분된다.