ILM 교량 설계

왜 배우는가: ILM(연속압출공법)은 교량 상부구조를 한쪽 교대 후방 제작장에서 세그먼트 단위로 만들어 밀어내는 가설공법으로, 장경간 PSC 박스거더 교량에서 동바리 없이 시공할 수 있어 실무 설계 검토에서 빠지지 않는다. 시험에서는 가설 단계 응력, 노즈 처짐, 신축이음 처리 등 설계 고려사항을 묻는 형태로 반복 출제되었다.

출제 이력: 제118회 2교시 1번, 제99회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

ILM은 교량 상부구조를 한쪽 교대 후방 제작장에서 세그먼트 단위로 제작하여 압출장치로 교각 위를 밀어내 가설하는 공법이다.

핵심 키워드

• 연속압출공법(Incremental Launching Method, ILM)
• 가설 노즈(Launching Nose)
• 압출장치(Launching Jack, 미끄럼판)
• PSC 박스거더
• 가설 단계 응력
• 신축이음
• 종단선형
• 교각 간 마찰력

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 다리를 한쪽 끝에서 조금씩 밀어서 건너편까지 보내는 방법이다. 동바리를 깔지 않고 교각 위에서 상판을 미끄러뜨리므로 하천이나 깊은 계곡에서 유리하다.

정식 정의는 다음과 같다. 교량의 상부구조를 교량의 한쪽 끝(교대 후방) 제작장에서 세그먼트 단위로 연속 제작하고, 압출장치로 각 교각 위의 미끄럼판을 따라 순차적으로 밀어내어 전체 경간을 완성하는 가설공법이다. 현재 적용 사례는 기계화 수준이 높고 프리스트레스트 콘크리트를 주로 사용한다.

가설 노즈(Launching Nose)는 선단에 붙이는 강재 또는 강합성 가설 보조부재다. 캔틸레버 상태의 상판 선단 처짐을 줄이고 다음 교각에 접근할 때 응력 변화를 완화한다. 노즈의 길이와 강성은 설계의 핵심 변수다.

압출장치(Launching Jack)는 수평 잭과 미끄럼판으로 구성된다. 교각 상단에 설치된 미끄럼판 위에서 상판을 전진시키며, 황산대교 사례에서도 교각의 미끄럼판과 수평 잭을 이용해 상판을 앞으로 밀어냈다.

PSC 박스거더는 ILM에서 가장 많이 쓰는 단면이다. 단면 중립축이 상판 전체 길이에서 교번 응력을 받으므로 상·하 플랜지에 긴장재를 배치해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 가설은 지간 길이, 지형, 교통 제약에 따라 동바리식, 캔틸레버식, 압출식 등으로 나뉜다. 깊은 계곡이나 하천 위에서 동바리를 세우기 어렵거나 교통을 막을 수 없는 경우 ILM이 선택된다. 교대 후방에서 제작하므로 현장 작업이 안전하고 품질 관리가 쉽다.

제작 단위가 일정하므로 공정이 반복되어 공기를 줄이는 효과가 있다. 다만 장경간에서 압출 중 응력이 시공 단계마다 변하므로, 설계 단계에서 가설 상태의 단면력을 완공 상태와 함께 검토해야 한다. 이 점이 ILM을 일반 PSC 교량과 구별하는 설계 포인트다.

국내에서는 연속압출공법을 호남고속도로 확장구간 원곡천교와 황산대교 등에 적용하였다. 이 적용 사례는 상부구조 공사비 절감과 공기 단축을 목적으로 한 것이다.

한편 IPC 거더처럼 시공 단계별로 긴장력을 나눠 도입하는 빔은 장경간에서 자중을 줄이는 방향으로 발전한 것이다. ILM은 이와 달리 가설 방법 자체가 단면 응력 변화를 만든다는 점에서 구분해 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

ILM 교량은 교대 뒤쪽 제작장에서 상부구조를 세그먼트 단위로 만들고, 완성된 부분을 압출장치(Launching Jack)로 교축 방향으로 밀어내 가설하는 공법이다. 교각 위에는 미끄럼 받침을 두어 압출 마찰을 줄이고, 선단에는 가설 노즈를 달아 처짐을 억제한다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 압출 중 단면 위치가 계속 바뀐다는 데 있다. 하나의 단면은 경간 안에서 부모멘트와 정모멘트를 번갈아 받는다. 특히 선단이 다음 교각을 넘는 순간 캔틸레버 모멘트가 최대가 된다. 설계는 이 모멘트 포락선을 기준으로 PS 강재 배치와 노즈 제원을 정한다. 캔틸레버 선단 모멘트는 다음과 같이 개략 산정한다.

$M = \frac{1}{2} w L_n^2$

여기서 M은 지점 모멘트(kN·m), w는 단위길이당 자중(kN/m), L_n은 돌출 길이(m)다. 실제 설계는 가설 단계별 하중 조합으로 검토한다.

시공 절차는 다음과 같다.

• 교대 후면 제작장에서 세그먼트 1회분을 타설하고 단계별로 긴장한다.
• 압출장치로 완성된 상부구조를 한 세그먼트 길이만큼 전진시킨다.
• 다음 세그먼트를 타설·긴장하고 1, 2 단계를 반복한다.
• 노즈 선단이 임시 교각 또는 다음 교각에 도달하면 받침에 정착시킨다.
• 노즈를 해체하고 최종 받침을 설치한 뒤 잭다운, 신축이음을 처리한다.

압출 중 모멘트 포락선 역전과 노즈 선단 캔틸레버 모멘트가 설계의 핵심이다.

5. 관련 법령·기준·표준

ILM 교량의 설계는 도로교 설계기준(한계상태설계법)과 콘크리트구조 설계기준을 기본으로 한다. 시공 단계의 하중과 응력은 이 기준의 시공단계 검토 규정에 따라 별도로 확인한다. 설계 안전 관리는 「건설기술 진흥법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」의 절차를 따른다. 가설 장비와 압출장치의 안전 기준은 산업안전 관련 기준을 함께 확인한다.

기준 수치와 조건은 다음 표로 정리한다.

표의 값은 기준 원문과 대조해야 한다. 세그먼트 길이는 현장마다 제작장 여건에 따라 다르다. 기준이 개정되면 시공단계 검토 항목이 달라질 수 있으므로 설계 시점의 현행 기준을 적용한다.

6. 유형과 비교

ILM 공법은 압출 방식과 교량 형식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 압출 방향과 가설 노즈의 사용 여부다. 아래 표는 단일 압출과 양방향 압출, 그리고 노즈 사용 여부를 비교한 것이다.