아치교 구조형식

왜 배우는가: 아치교는 장경간 교량의 대표 형식이며, 상로·중로·하로 구분과 타이드·닐센·로제 등 분류가 기술사 시험에서 반복해 출제된다. 단순보와 달리 수평반력으로 축력 중심 거동을 한다는 원리를 이해해야 구조형식 비교 문항에 답할 수 있다.

출제 이력: 제128회 2교시 4번, 제98회 1교시 5번, 제96회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

아치교는 곡선형 아치 리브가 주로 축압축력으로 하중을 저항하고, 양단 지점의 수평반력(추력)으로 보강되는 교량이다. 아치교는 곡선 아치리브의 압축 거동으로 하중을 지지하고 지점에 수평반력이 발생하는 교량 형식이다.

핵심 키워드

• 아치리브(Arch Rib)
• 수평반력(Horizontal Thrust)
• 라이즈비(Rise Ratio)
• 상로교·중로교·하로교
• 타이드 아치(Tied Arch)
• 닐센 아치(Nielsen Arch)
• 로제 아치(Lohse Arch)
• 아치효과(Arching Effect)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 아치교는 휘어진 다리가 무게를 옆으로 밀어내며 버티는 다리다. 곡선 부재가 하중을 축방향 압축으로 바꾸어 전달하므로 재료의 압축 강도를 활용할 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 아치는 곡선형 부재가 양단에서 지지되고, 지점이 수평으로 구속되어 수평반력을 받는 구조물이다. 수평반력은 하중에 의한 휨모멘트를 상쇄하므로 이상적인 아치 부재에는 축력만 남는다. 이를 아치효과(Arching Effect)라 한다.

아치리브(Arch Rib)는 아치의 주부재로서 휨모멘트, 전단력, 축력을 함께 받는다. 실제 구조에서는 순수 축압축이 아니라 축력과 휨이 복합된 부재로 설계한다.

라이즈비(Rise Ratio)는 아치의 높이(라이즈, f)를 지간(L)으로 나눈 값이다. 라이즈비가 클수록 수평반력이 줄고 부재력 분포가 달라진다. 닐센 아치교의 라이즈비는 설계 조건에 따라 정한다.

단순보와 비교하면 차이가 분명하다. 단순보는 휨과 전단이 주로 발생하고 지점에는 수직반력만 생긴다. 아치는 지점에 수평반력이 추가로 생기며, 이 추력이 휨모멘트를 줄인다. 그래서 같은 지간에서 더 가볍고 긴 지간에 적합하다.

3. 등장 배경과 필요성

아치는 고대부터 사용되었다. 이후 에트루리아와 로마 건축에서 완전한 형태의 아치가 일반화되었고, 고대 이집트·그리스의 상인방식(기둥과 대들보) 구조와 함께 석조건축의 2대 기본형식이 되었다.

근대에 철과 철근콘크리트가 등장하면서 아치는 교량 형식으로 확장되었다. 콘크리트는 압축강도가 높아 아치 부재에 적합하다. 강재를 함께 쓰면 세장하고 가벼운 아치를 만들 수 있다. 장경간 아치교 사례로 완저우 양쯔강교(철근콘크리트 아치교)가 소개되어 있다.

교량 형식을 구분하는 기준은 노면 위치다. 노면이 아치 위에 있으면 상로교, 아치 중간이면 중로교, 아래에 있으면 하로교이다. 이 구분은 아치교 분류의 기본 축이므로 답안 첫 부분에서 정리한다.

4. 구성요소·원리·절차

아치교는 곡선 아치리브가 주로 압축력을 받아 하중을 양단의 지점으로 전달하는 교량이다. 아치리브에 수평반력이 생기므로 양단 기초나 교대가 이 수평력을 받아야 한다. 구성요소를 먼저 나누어 보면 이해가 쉽다.