장경간 교량 형식·가설공법

왜 배우는가: 장경간 교량은 해협·계곡·도심 교차로처럼 중간 지점에 교각을 세우기 어려운 곳에 적용되는 형식이라 설계자가 형식과 가설공법을 함께 판단해야 한다. 기술사 시험에서는 경간장별 적용 형식과 가설공법의 연계를 묻는 문항이 반복해서 나온다. 형식 선정 기준과 가설 방법의 원리를 함께 알아두면 여러 문항에 응용할 수 있다.

출제 이력: 제132회 3교시 2번, 제120회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

장경간 교량 형식은 경간장이 커서 상부구조의 자중과 활하중을 효율적으로 지지하도록 선택한 교량 구조형식과, 동바리 없이 상부를 세우는 가설공법을 묶어 부르는 개념이다.

장경간 교량은 경간장·지형·하부 공간 조건에 맞춰 형식과 가설공법을 함께 선정하는 교량이다.

핵심 키워드: 경간장, 경간 분할, 캔틸레버 가설(FCM), 압출공법(ILM), 이동지보공(MSS), 사장교, 아치교, 현수교, 다리밑 공간, 도로계획고

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 다리를 얼마나 길게 한 번에 건너게 하느냐의 문제다. 교각 수가 적어지면 하부 공간이 넓어지고 수면이나 도로 위 제약이 줄어든다. 대신 상부 부재는 커지고 구조 해석은 복잡해진다.

정식 정의는 교량의 경간 길이가 일반 연속 거더교의 범위를 넘어서는 경우, 그 경간을 지지하는 주형·케이블·아치 등 구조 체계와 이를 세우는 시공법을 포함하는 개념이다. 장경간 교량에서는 자중 감소와 강성 확보가 핵심 과제가 된다.

경간장은 인접한 두 지점 사이의 길이이며, 형식 선정의 가장 기본 입력값이다. 다리밑 공간은 교량 하부에 확보해야 하는 통행·이격 높이다. 도로계획고는 교량 상면 높이를 정하는 기준선으로, 교량 형식의 구조 높이를 제한한다.

가설공법은 교량 상부를 현장에서 세우는 방법을 말한다. 동바리를 쓰는지, 교각 위에서 캔틸레버로 세우는지, 밀어내는지에 따라 적용 조건이 갈린다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 건설에서 동바리 방식은 높은 교각이나 깊은 계곡, 해상, 교통량이 많은 도로 위에서 사용하기 어렵다. 그래서 1950년대 이후 유럽에서 캔틸레버 공법이 개발되어 장경간 교량에 확산되었다. 국내에서도 장경간 PSC 박스 거더 교량이 이 방식으로 많이 가설되었다.

장경간화는 노임 상승에 대응하는 기계화 시공과도 맞물린다. 표준 공정을 반복하면 시공성과 품질이 높아진다. 또한 하부 공간을 확보하여 하천·선박 통항·교차 도로의 제약을 줄이는 효과가 있다.

형식은 경제성, 안전성, 기능성을 우선 고려하고 미관은 부가적으로 본다. 교통량이 많은 도로 위 교량이라면 가설 중 교통 통제 가능 시간과 우회 가능 여부가 공법 선택을 좌우한다.

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4. 구성요소·원리·절차

장경간 교량은 상부구조, 하부구조, 기초로 나뉜다. 형식에 따라 사장교는 케이블과 주탑, 아치교는 아치리브가 추가된다. 가설공법은 상부구조를 어떻게 지지하고 이어 붙이느냐를 정하는 방법이다. 동바리를 쓰는지 여부가 공법 선택의 첫 기준이 된다.

상부구조는 차량 하중과 자중을 받아 하부로 전달한다. 경간이 길어지면 자중이 커지므로 강성과 비틀림 저항이 큰 박스 단면이 많이 쓰인다. 하부구조인 교각과 교대는 상부 하중을 기초에 넘기고, 기초는 지반에 하중을 분산시킨다. 교각 높이와 지반 조건은 가설 장비와 기초 형식을 함께 결정한다.

표의 특수 부재는 형식을 정하는 핵심 요소다. 사장교는 케이블 장력으로 주형을 지지하고 그 힘을 주탑으로 모은다. 아치교는 아치리브의 압축력으로 하중을 양단 지점에 전달하므로 양단 지반이 양호해야 한다.

균형 캔틸레버는 양쪽 블록을 번갈아 붙여 불균형 모멘트를 줄이는 원리다. 교각 위 지점에서 양쪽으로 블록을 붙이면 양측 모멘트가 거의 같아진다. 이 원리로 지보공 없이 장경간을 만들 수 있다. 블록 한 개만큼 캔틸레버가 자랄 때마다 시공 단계별 응력을 해석해야 한다. 캔틸레버 뿌리의 최대 휨모멘트는 다음 식으로 개략 확인한다.

$M = \frac{wL^2}{2}$

여기서 M은 뿌리 모멘트(N·m), w는 블록 단위길이당 하중(N/m), L은 캔틸레버 길이(m)다. 길이가 두 배가 되면 모멘트는 네 배가 되므로 블록 길이와 긴장재 배치를 함께 검토해야 한다.

FCM 가설 절차는 다음과 같다.

• 교각 상부에 0번 블록을 설치한다.
• 양쪽 캔틸레버 끝에 이동 거푸집(form traveller)을 설치한다.
• 블록 콘크리트를 타설하고 소정 강도에 도달할 때까지 양생한다.
• 포스트텐션으로 긴장재를 긴장하고 블록을 연결한다.
• 이동 거푸집을 다음 블록 위치로 전진시키고 3~4단계를 반복한다.
• 지간 중앙에서 양측 캔틸레버를 폐합(closure)한다.

적용 경간은 공법마다 다르다. 참고 자료에는 현장타설 FCM이 80~250m 범위로 제시된다. 직선 또는 단일 곡선에만 적용되고 단면 변화 구간 시공이 곤란하다는 점도 함께 기억한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지진 설계의 기본 틀은 「지진ㆍ화산재해대책법」 제14조와 같은 법 시행령 제10조의2의 내진설계기준 공통적용사항이다. 폐기물매립시설에는 「폐기물매립시설 내진설계 기준 등에 관한 고시」가 따로 적용된다. 이 고시는 폐기물매립시설을 대상으로 하므로 교량 자체에 직접 적용되지는 않는다. 다만 고시 2.1(3)은 진·출입 교량처럼 개별 시설물에 더 강화된 기준이 있으면 그 기준을 따르도록 한다. 따라서 교량은 해당 교량 내진설계기준을 기본으로 삼는다.

내진등급은 원칙적으로 내진 II등급이다. 상수원보호구역 등 지진 시 중대한 2차 피해가 예상되는 곳은 내진 I등급을 적용한다. 붕괴방지수준의 설계지진은 평균재현주기 500년(II등급), 1000년(I등급)이다. 이 지진은 기능수행수준과 함께 설계의 두 축이 된다.

붕괴방지수준은 II등급 500년, I등급 1000년 평균재현주기 지진으로 검토한다.

지반분류는 기반암 깊이와 기반암 상부 토층의 평균 전단파 속도로 6종류를 나눈다. 토층 전단파 속도는 탄성파시험 결과가 있으면 그 값을 우선 쓴다. 기반암은 전단파 속도가 760m/s 이상인 지층으로 정의한다. S1은 암반 지반, S2는 얕고 단단한 지반, S3는 얕고 연약한 지반, S4는 깊고 단단한 지반이다. 깊은 연약지반이나 부지 고유의 특성 평가와 지반응답해석이 요구되는 지반은 해당 기준에 따라 분류한다.

지반분류는 설계지반운동 결정의 출발점이다. 교량 기초 지반이 어떤 지반분류에 속하는지에 따라 설계 스펙트럼이 달라진다. 연약지반이나 액상화 가능 지층이 있으면 지반 개량이나 상세 평가를 먼저 수행해야 한다.