타이드아치교

왜 배우는가: 타이드아치교는 아치의 수평 추력을 상판(보강형)이 인장으로 받아 기초에 수평력을 거의 전달하지 않는 형식이라, 연약지반에서 아치교를 쓸 수 있게 하는 대표 구조다. 아치 리브와 보강형의 강성 분담, 행어 배치형상에 따른 유형 구분이 설계 판단의 출발점이 되어 시험에서 정의와 유형 비교 문항으로 반복해 나온다.

출제 이력: 제117회 1교시 4번, 제103회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

타이드아치교는 아치의 양단 수평 추력을 보강형(타이)이 인장으로 받아 기초에 수평력을 거의 주지 않는 아치교이다.

• 타이드아치교(Tied Arch Bridge)
• 수평 추력(horizontal thrust)
• 보강형(stiffening girder, 타이)
• 아치 리브(arch rib)
• 행어(hanger)
• 자기정착(self-anchored)
• 연약지반 적용
• 타이드아치의 유형(타이형·랭거형·로제형·닐센계)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 아치는 양쪽 끝을 밖으로 밀어내려는 힘이 있고, 이 힘을 받으려면 튼튼한 교대나 기초가 필요하다. 타이드아치교는 이 밀어내는 힘을 땅으로 보내지 않고 아치 양끝을 잇는 줄(타이)에 묶어 해결한다. 이 줄 역할을 하는 것이 상판 또는 별도의 인장재이다.

정식 정의는 다음과 같다. 타이드아치교(Tied Arch Bridge)는 아치의 외측 방향 수평력이 아치 양단을 잇는 현(chord, 보강된 현)에 인장으로 작용하여 지반이나 교각 기초가 아닌 현이 부담하는 아치교이다. 이 보강된 현은 상판 구조 자체이거나 별도의 독립 타이로드로 구성될 수 있다. 이 형식은 활 줄(bowstring)과 같은 원리이므로 보우스트링아치교 또는 보우스트링 거더교라고도 부른다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 수평 추력은 아치가 연직 하중을 받을 때 양단에서 바깥쪽으로 작용하는 수평력이다. 보강형은 상판과 함께 인장 현을 이루는 부재로, 수평 추력을 인장으로 받는다. 아치 리브는 압축을 받는 곡선 부재이며, 상판은 행어를 통해 아치에 매달린다. 즉 아치는 압축, 보강형은 인장을 받는 구조이다.

하중 흐름은 다음과 같다. 상판에 작용한 연직 하중은 행어를 거쳐 아치 리브로 전달되고, 아치 리브는 압축으로 이를 받아 양단으로 보낸다. 양단의 수평력은 보강형으로 전달되어 인장으로 흡수된다. 따라서 지점 반력은 연직 성분만 남는다. 이 점이 연약지반에서 장점이 되는 이유이다.

아치 양단 수평력을 보강형이 인장으로 부담하므로 지점 수평 반력이 거의 없다.

3. 등장 배경과 필요성

일반 아치교는 양끝에 큰 수평 추력을 받기 위해 두껍고 무거운 교대와 기초가 필요하다. 계곡 같이 지반이 단단한 곳에서는 문제가 적지만, 연약지반이나 하천 연안처럼 기초를 크게 만들기 어려운 곳에서는 적용이 제한된다. 타이드아치교는 추력을 상부 구조 내부에서 해결하므로 이런 조건에서도 아치의 외관과 역학적 효율을 얻을 수 있다.

또 하나의 배경은 자기정착 구조의 필요성이다. 교대 위치나 지반 조건을 자유롭게 정하기 어려운 도심지 교량에서, 상판이 현 역할을 하면 기초 부담을 줄이면서 경간을 키울 수 있다. 이 때문에 도심 하천교량과 고가교에서 자주 검토된다.

그러나 아치 리브의 효율은 상대적으로 낮다. 수평력을 보강형이 맡으므로 아치 리브 자체가 추력을 지지하는 일반 아치보다 재료 효율이 떨어질 수 있다. 따라서 설계에서는 리브와 보강형의 강성 분담을 함께 검토해야 한다.

타이드아치교의 핵심 장점은 수평 추력을 기초가 아닌 보강형이 부담하여 연약지반 적용이 가능하다는 점이다.

4. 구성요소·원리·절차

타이드 아치교는 아치 리브, 보강형(타이), 행어, 바닥판, 받침으로 구성된다. 아치 리브는 주로 압축을 받고, 보강형은 양 단부를 잇는 인장재 역할을 한다. 두 부재가 수평력을 서로 상쇄하므로 수평력 자기평형 구조가 된다.

타이드 아치교는 수평력을 보강형이 부담하므로 기초 지반에 큰 수평력이 생기지 않는다. 지반이 나쁜 곳에도 적용할 수 있는 이유가 여기에 있다. 다만 아치 리브의 효율은 상대적으로 낮다.

원리는 아치 양단의 수평력이 보강형의 인장력과 같다는 데 있다. 등분포 하중 w, 경간 L, 라이즈 f인 포물선 아치에서 수평력(타이 인장력) H는 다음과 같다.

수평력은 하중·경간·라이즈를 고려해 산정한다.

하중, 경간, 라이즈는 수평력 산정에 고려되는 변수이다.

계산 예에서는 하중, 경간, 라이즈를 고려해 수평력을 산정한다. 산정된 수평력은 타이가 받는 인장력이므로 보강형 단면을 정할 때 고려한다.

절차는 다음과 같다.

• 경간과 라이즈(형상)를 정한다.
• 고정하중과 활하중을 산정한다.
• 수평력 H를 구하고 보강형 인장 단면을 정한다.
• 아치 리브의 면내·면외 좌굴을 검토한다.
• 행어 배치와 피로를 검토한다.
• 가설 순서를 정한다. 아치를 먼저 세우고 타이를 연결하는지, 타이를 먼저 설치하는지 확인한다.

타이드 아치교의 핵심은 수평력을 기초가 아니라 보강형이 인장으로 받는다는 점이다.

5. 관련 법령·기준·표준

타이드 아치교의 설계와 시공은 도로교 설계기준과 교량 시공 기준을 따른다. 도로교는 한계상태설계법 기반의 설계기준을 적용하며, 설계기준과 표준시방서는 각각의 코드 체계를 쓴다. 강재 부재와 가설 작업에는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」과 「건설기술 진흥법」이 함께 적용된다.

라이즈비는 실제 설계에서 적용 기준을 확인해야 한다.

6. 유형과 비교

타이드 아치교는 아치리브와 보강형(타이)의 강성 분담, 행어(hanger)의 배치 형상에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 형식별 행어 배치와 특징을 다음 표로 정리한다.