일체식교대 교량

왜 배우는가: 일체식교대 교량은 신축이음장치를 없애 유지관리비를 줄이고 내진·내구성을 높이는 방식으로 최근 설계에 널리 쓰인다. 신축이음 파손에 따른 누수·부식 문제를 푸는 대표 형식이라 시험에서도 구조 형식 비교와 함께 반복해 출제된다.

출제 이력: 제118회 1교시 7번, 제90회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

일체식교대 교량은 상부구조를 교대에 강결하고 신축이음장치를 두지 않아, 온도 변화에 따른 상부 신축과 교대 변위를 교대·뒷채움 지반과 함께 흡수하는 교량이다.

• 일체식교대(Integral Abutment)
• 신축이음 생략(Jointless Bridge)
• 온도 신축(Thermal Movement)
• 뒷채움 래칫팅(Ratcheting of Backfill)
• 말뚝 기초 휨(Pile Bending)
• 반일체식교대(Semi-integral Abutment)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 다리 끝의 신축이음을 없앤 다리다. 다리 상판과 교대를 한 덩어리로 묶어 상판이 늘고 줄 때 교대가 함께 움직이게 한다.

정식 정의는 상부구조와 교대를 강결(강하게 일체화)하여 상판의 온도 신축을 교대 및 기초의 변형으로 흡수하는 교량 형식이다. 상부 하중은 교대와 기초, 뒷채움 토압으로 전달된다.

핵심 용어는 다음과 같다.

일체식교대는 상판과 교대가 강결된 교대다. 교대 상부가 상판과 함께 수평으로 움직이므로 별도의 교좌장치와 신축이음이 없다.

온도 신축은 온도 변화로 상판 길이가 늘고 줄어드는 현상이다. 일체식교대에서는 이 변위가 교대 상부, 말뚝, 뒷채움 지반에 나누어 걸린다.

뒷채움 래칫팅은 교대가 반복해서 밀고 당기면서 뒷채움 흙이 다져져 강성이 점차 커지는 현상이다. 이 강성 증가는 교대에 작용하는 힘을 키운다.

반일체식교대는 상판과 교대 사이에 교좌장치를 두되 신축이음은 두지 않은 형식이다. 상판 수평 변위의 일부만 교대로 전달된다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 교량은 교대 위에 신축이음장치를 두었다. 이음부는 차량 충격과 빗물, 제설염의 영향을 받아 파손되기 쉽다. 빗물이 교대 상부와 교좌부로 스며들면 철근 부식과 콘크리트 열화가 진행된다.

이 문제를 줄이기 위해 신축이음을 없애는 방향으로 설계가 발전했다. 교대 상부를 상판과 강결하면 이음부 유지관리가 사라지고, 교좌장치 교체 공사도 줄어든다. 생애주기비용 측면에서 장점이 크다.

다만 신축이음을 없애면 온도 변위가 교대와 기초로 넘어간다. 말뚝 두부의 휨 응력과 뒷채움 토압이 커지므로, 교대 설계 방식과 지반 조건을 함께 검토해야 한다.

일체식교대 교량의 교대 변위는 신축이음 교량보다 한 자릿수 이상 크다 는 문헌 설명이 있으나, 정량 수치는 설계 기준으로 확인이 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

일체식교대 교량은 상부구조와 교대를 일체식 접합으로 연결하고, 신축이음과 교좌장치를 두지 않는 구조다. 온도 변화에 따른 상부구조의 신축은 교대와 기초말뚝의 휨, 그리고 뒷채움 흙의 반복 압축으로 흡수한다.

교대와 상부구조를 강결하여 신축이음과 교좌장치를 없애는 것이 일체식교대 교량의 핵심이다.

표의 구성요소는 서로 힘을 주고받는 하나의 계로 본다. 상부 신축이 교대에 전달되면 교대는 그 변위를 말뚝 두부의 휨으로 받고, 교대 배면 흙은 교대가 밀려 나갈 때 수동 저항을 낸다. 따라서 말뚝 설계와 뒷채움 설계를 따로 떼어 검토하면 안 된다.

원리는 온도 변화에 따른 길이 변화량을 구조가 흡수하는 것이다. 온도 고정점 간 길이 L과 온도 변화량 ΔT에 대해 신축량은 다음과 같다.

$\Delta L = \alpha \cdot \Delta T \cdot L$

여기서 ΔL은 신축량(m), α는 콘크리트 열팽창계수(1/℃), ΔT는 온도 변화량(℃), L은 온도 고정점 간 길이(m)다.

예를 들어 α = 1.0×10⁻⁵/℃, ΔT = 30℃, L = 50m이면 ΔL = 1.0×10⁻⁵ × 30 × 50,000mm = 15mm다. 신축량 15mm 정도는 신축이음 없이 교대 변형과 말뚝 휨으로 흡수 가능한 수준으로 판단한다. 값을 대입한 뒤 결과가 수십 mm 범위인지 확인한다.

일체식교대는 변위가 교대 상부에서 가장 크게 나타난다. 상부 구조의 온도 변화가 교대 상단을 밀고 당기므로, 교대 상부 배근과 말뚝 두부 연결부를 가장 크게 검토한다. 또 반복 신축으로 뒷채움 흙이 다져져 강성이 점차 커지므로, 초기 설계 강성과 장기 강성을 함께 고려한다.

일체식교대 교량의 설계·시공 절차는 다음과 같다.

• 온도 변화, 건조수축, 크리프에 따른 상부구조 신축량을 산정한다.
• 온도 고정점을 정하고 교대별 변위량을 계산한다.
• 교대 변위에 따른 기초말뚝의 휨과 축력을 검토한다.
• 뒷채움 토압과 수동 저항을 산정하고 배면 흙의 강성 변화를 반영한다.
• 말뚝 두부와 교대의 강결부 상세를 설계한다.
• 접속슬래브와 배면 흙을 층별로 다져 시공한다.
• 시공 후 교대 변위와 상부 거동을 계측하여 설계 가정을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

일체식교대 교량은 국내에서 도로교설계기준(한계상태설계법)의 온도 하중, 신축 변위, 기초 설계 규정을 적용해 설계한다. 도로교설계기준은 한계상태설계법을 기본으로 개정되어, 온도 하중과 신축 효과를 강도한계와 사용성한계에 맞춰 검토한다. 완공 후 교량은 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」에 따라 정기점검과 정밀안전진단 대상이 된다.

표의 열팽창계수는 신축량 계산에 쓰는 일반 콘크리트 상수다. 온도 고정점 거리는 교대 받침 중심에서 재는 것이 원칙이다. 뒷채움 강성 증가 값은 영국 기준 자료에 근거한 것이며, 국내 설계 조건과 다를 수 있으므로 설계 적용 시 국내 기준을 우선한다.

영국 Highways England는 일체식교대를 프레임형, 매입형, 뱅크패드형, 엔드스크린형 네 가지로 구분한다. 프레임형은 교대가 뒷채움을 막는 옹벽 역할을 하며 휨모멘트, 전단력, 축력을 모두 전달한다. 매입형은 뒷채움 흙보다 깊게 묻힌 교대 길이로 구속력을 얻는다. 뱅크패드형은 수평으로 움직이도록 설계하여 들림을 막기 위해 충분한 중량 또는 유연한 상부구조가 필요하다. 엔드스크린형은 흙을 막는 기능만 가지며, 수직 하중은 별도의 지지 장치로 전달한다.

베어링을 사용하는 일체식교대는 종종 준일체식으로 분류된다. 이 경우 교대와 상부구조 사이에 수직 하중을 전달하는 지지부가 있어, 완전 일체식과 거동이 다르다.

국내 기준 적용 시에는 교대 변위를 말뚝 설계에 반영하는 방식과 교량 길이 제한 조건을 함께 확인한다. 기준의 세부 조항은 설계 기준의 최신 개정본으로 적용한다.

6. 유형과 비교

일체식교대 교량은 교대와 상부구조를 일체(Integral)로 연결해 신축이음장치를 없앤 교량이다. 교대의 형식과 상부구조의 연결 방식에 따라 여러 유형으로 나뉘며, 설계 시 이 차이를 구분해야 한다.

영국 Highways England의 분류는 교대 형식에 따라 네 가지를 든다. 골격 교대(Frame abutment), 매설 교대(Embedded abutment), 뱅크패드 교대(Bank pad abutment), 엔드스크린 교대(End screen abutment)다. 골격 교대와 매설 교대는 상부 슬래브와 휨모멘트·전단력·축력을 전달하며 완전한 일체 거동을 보인다. 뱅크패드 교대는 수평 이동을 허용하고, 엔드스크린 교대는 배면토를 지지하는 벽 역할만 하며 수직하중은 별도 지지장치가 받는다.