일체식·반일체식 교대

왜 배우는가: 일체식 교대는 신축이음을 없애 누수와 유지관리 비용을 줄이려는 신설 교량의 대표 방식이다. 교대가 상부구조와 흙, 기초 지반과 함께 거동하므로 설계와 시공 시 교대 거동을 이해해야 한다. 기출에서도 신축이음 최소화와 교대 거동이 함께 다뤄졌다.

출제 이력: 제127회 3교시 1번, 제114회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의:

일체식 교대는 신축이음 없이 상부구조와 교대를 일체로 연결하여 온도 변위를 교대와 기초의 휨 변형으로 흡수하는 교대 형식이다.

핵심 키워드

• 일체식 교대
• 반일체식 교대
• 신축이음 제거
• 온도 변위
• 뒷채움 래칫팅
• 교대 기초 말뚝
• 엔드스크린 교대

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 다리 끝의 신축이음을 없애고, 상판과 교대 벽을 하나의 구조물처럼 묶는 방식이다. 기온에 따라 상판이 늘고 줄어도 이음 대신 교대와 말뚝이 휘면서 그 움직임을 받아낸다.

정식 정의는 다음과 같다. 일체식 교대(Integral Abutment)는 상부구조와 교대가 신축이음 없이 강결 또는 일체로 연결된 교대다. 교대 뒤의 흙과 기초 지반이 함께 거동을 제약하므로 교량 전체가 한 덩어리로 움직인다.

반일체식 교대(Semi-integral Abutment)는 상부구조와 교대 사이에 받침을 두되 신축이음은 두지 않는 형식이다.

교대 형식은 영국 Highways England 기준에서 네 가지로 구분한다. 각 형식의 역할은 다음 표와 같다.

표에서 보듯 프레임과 매립 형식은 교대가 직접 구속에 참여한다. 뱅크패드와 엔드스크린 형식은 상판의 이동을 허용하거나 연직하중을 분리해 받는 방식이다.

뱅크패드 교대는 부등침하에 의해 들림이 생기지 않도록 충분한 자중이 있거나 상판이 충분히 유연해야 한다. 이 조건을 만족하지 못하면 교대가 흙에서 떠오르는 문제가 생긴다.

일체식 교대에서는 신축이음 대신 교대와 기초의 변형으로 온도 변위를 수용한다. 변위의 크기는 상부구조와 교대 배면 흙의 강성에 따라 달라진다. 교대 변위의 분포는 설계 시 검토해야 한다. 온도 변화가 가장 크게 작용하는 부분이기 때문이다.

배면 뒤채움은 반복되는 팽창·수축으로 점차 다져져 강성이 커진다. 이를 래칭팅(Ratcheting)이라 하며, 래칭에 따른 강성 증가는 반복 거동에 따라 진행된다. 따라서 교대에 작용하는 토압은 시간에 따라 변한다. 실측 연구에서도 계절별 온도 변화에 따른 교대 변위와 토압의 관계가 확인되었고, 3차원 유한요소 해석에서 교대가 회전하고 횡방향으로 변위하는 거동이 나타났다.

3. 등장 배경과 필요성

교량의 신축이음은 누수, 노면 단차, 소음, 유지관리 비용의 원인이다. 이음부로 스며든 빗물과 제설제는 하부의 받침과 교대 두부를 부식시킨다. 이음 교체는 교통 통제를 수반하므로 사회적 비용도 크다.

일체식 교대는 이 문제를 구조적으로 해결하려는 방식이다. 이음을 없애면 누수 경로가 사라지고, 상판 신축을 교대와 말뚝의 휨 변형이 흡수한다. 결과적으로 교량 수명 주기 동안의 유지관리 부담이 줄어든다.

연약지반이나 교대 기초 조건이 불리한 현장에서도 교대와 흙의 상호작용을 설계에 활용하려는 요구가 있다. 교대 기초를 말뚝으로 하고 배면 흙과 함께 거동하도록 설계하면, 별도의 이음 구조 없이 교량 전체의 연속성을 확보할 수 있다.

반일체식 교대는 일체식의 대안이다. 상부구조와 교대 사이에 받침을 두어 연직하중은 받침이 전달하고, 교대는 수평 흙압과 수평하중의 전달에 집중한다. 설계자가 상부 거동과 하부 거동을 분리해 검토할 수 있다는 장점이 있다.

일체식 교대와 반일체식 교대를 이해하는 것은 신축이음 최소화 설계의 출발점이다. 두 회차에 걸쳐 같은 주제가 출제된 것은 교대 거동과 적용 조건을 설명할 수 있어야 함을 보여준다.

4. 구성요소·원리·절차

일체식 교대 교량은 상부 거더와 교대 벽체를 강결 연결하여 신축이음과 교좌장치를 없앤 구조다. 온도 변화에 따른 상부 거더의 신축이 교대와 말뚝 기초로 직접 전달되므로, 각 구성요소가 그 변위와 토압을 견뎌야 한다.

위 표에서 말뚝 기초가 핵심이다. 교대가 상부 거더와 일체로 움직이면 말뚝 머리는 회전하고 수평 변위를 받는다. 따라서 말뚝은 축력보다 휨과 변위에 대해 검토해야 한다.

일체식 교대는 신축이음 대신 교대와 말뚝의 변형으로 온도 변위를 흡수한다.

일체식 교대의 원리는 온도 변화에 따른 반복 변위다. 온도가 오르면 거더가 늘어나 교대를 배면 쪽으로 밀고, 온도가 내리면 교대는 전면 쪽으로 복귀한다. 이 과정에서 배면 토압이 반복되고, 뒷채움은 반복 압축으로 점차 단단해진다. 이 현상을 래칭(ratcheting)이라 하며, 강성은 열팽창 사이클이 반복되면서 증가한다.

배면 토압은 정지토압으로 개략 산정한다. 식은 다음과 같다.

$P_0 = \frac{1}{2}K_0\gamma H^2$

여기서 P_0는 단위 폭당 정지토압(kN/m), K_0는 정지토압계수, \gamma는 뒷채움 흙의 단위중량(kN/m³), H는 교대 높이(m)이다. 래칭이 진행되면 토압 계수가 커지므로 반복 하중 단계의 토압을 따로 검토한다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 교량 길이와 설계 온도 변화폭을 정하여 교대 상단 변위량을 산정한다.
• 교대 강성과 말뚝 규격을 정하고 상부 거더와의 강결 조건을 확정한다.
• 뒷채움 재료와 다짐 조건을 정하고 배면 토압을 산정한다.
• 온도·토압 조합에 대해 말뚝의 휨과 변위를 검토한다.
• 접속슬래브와 포장 단차 대책을 정한다.
• 시공 후 교대 변위와 토압을 계측하여 설계 가정을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

일체식 교대의 설계는 도로교 설계기준의 교량 상부·하부 구조 규정과 교대 설계 규정을 따른다. 해외 자료로는 영국 Highways England의 자료가 있다. 이 자료는 교대 형식을 네 가지로 나눈다.

위 표의 교대 높이는 교대 형식 선택의 개략 기준이다. 역T형 교대는 흙의 중량으로 안정을 얻어 경제적이지만, 높이가 커지면 부벽식이 유리하다. 중력식 교대는 현재 거의 쓰지 않는다.

교대 상단 변위 크기는 교량 강성과 배면 흙의 상태에 따라 달라진다.

온도 변위 검토 시 교대 상단 변위를 기준으로 정함

6. 유형과 비교

일체식 교대는 교대 구조와 상부 지지 방식에 따라 세 갈래로 나눈다. 영국 도로청(Highways England)의 분류는 프레임 교대, 매립형 교대, 뱅크패드 교대, 엔드스크린 교대의 네 종류다. 이 중 상부 하중을 교대와 직접 일체로 받는 방식이 완전 일체식이고, 받침을 두고 수평 이동을 허용하는 방식이 반일체식에 해당한다. 아래 표는 두 방식의 구조적 차이를 정리한 것이다.