1. 서 론

2000년 개최된 Stonecutters 교량 설계공모에서 선정된 교량의 기본계획은 298m 의 단일 기둥 주탑으로 지지되는 2중 강상형 바닥판을 가지는 중앙경간 1018m 의 사장교로서 Rambler 해협을 통과하는 교량이다. 이 Stonecutters 교량은 전 세계적으로 최초의 1Km 의 경간장 이상을 확보하는 사장교 형식의 교량으로 자리매김 하게 된다. 이 교량의 설계에서는 태풍의 영향권에 자리 잡은 지리적 특성과 매우 복잡한 항구와 인접된 연유로 인한 많은 시공제약조건을 극복해야만 하는 쉽지 않은 사업이다.

주 경간장 1,018m 의 총 연장 1,596m 의 장대 사장교로서 측경간장은 콘크리트 교량으로 각각 79.75m, 70m, 70m 및 69.25m로 구성되어 있다. 원형 테이퍼 형상의 단일 기둥 형식의 주탑은 2주형 강상형 바닥판의 종방향 중심선 위를 지나가도록 계획되어 있다. 이 주탑은 지상에서 175m 까지는 콘크리트 구조로 구성되었으며 이 그 이후 293m 까지는 외측에 스테인레스 강판을 두른 복합구조로 적용되고 마지막 298m 까지는 조명등 시설로 계획되어 있다. 지지 케이블은 변형 팬 형식의지지 방식으로 2면 지지형식을 취하고 있으며, 바닥판 거더의 외측면에 부착되도록 계획되었다. 바닥판 거더는 주 경간에 18m 간격의 횡방향 보강재를 연결하여 케이블 정착단과 같은 간격을 유지하도록 계획하였고, 측경간의 횡방향 보강재 간격은 20m, 케이블 정착단의 간격은 10m 로 각각 계획하였다. 측경간의 바닥판 콘크리트 구조는 교각과 일체화 구조로서 계획하였다.

본 보고서는 이 Stonecutter 교량의 주탑, 그 중 에서도 복합구조의 상부 주탑부분에 중점을 두고 기술하였다.

< 그림 1. 시공 최종 단계의 Stonecutters 교량 전경 >

2. 주탑의 기본계획

설계 공모에서 채택된 기본계획의 (RS(reference scheme)) 주탑은 중공 콘크리트 단면을 가진 주탑을 167m 가설 한 후 나머지 115m 구간은 전부 강재단면의 케이블 정착단으로 제작하는 형식이었다. 2001년 수행된 주탑에 대한 최종 상세설계 단계에서 이 RS 주탑에 대한 기술적 타당성 검증이 수행되었다. 검증내용은 RS 주탑에 대한 구조 거동분석, 시공성 및 내구성 검토이며 풍동실험과 단계별 해석이 포함되었다. 검토결과는 제안된 원형단면의 RS 주탑의 Vortex shedding에 대한 응답특성은 도저히 적용할 수 없을 만큼 크게 발생되었는데, RS 주탑의 사용상태에서의 최대진폭이 주탑 상단부에서 0.45m 나 발생하였다. 이러한 응답특성은 RS 주탑의 1차 고유주기가 사장교 케이블의 고유주기와 공진을 일으켜서 케이블에 진동을 유발할 가능성이 높은 것으로 분석되었기 때문이었다. 이러한 검토결과를 바탕으로 전체 주탑구조를 콘크리트 재료로 바꾸어 중량증가 및 감쇄효과로 인한 Vortex shedding 에 대한 응답특성을 낮추도록 결정하였다. 추가적으로 전체 주탑의 고유주기를 장대 케이블의 진동주기와 공진을 발생하지 않도록 조정하여 지지 케이블에도 진동현상이 발생하지 않도록 하였다. 추가적으로 시공성 및 공기확보 차원에서 전체구조를 강구조로 계획 하였을 경우의 방대한 양의 용접 작업물량과 중량구조의 인양작업 난해성 등이 추가적으로 지적되었다.

결과적으로 스테인레스 강판을 입힌 콘크리트 주탑을 상부 정착구에 적용하는 방안이 최종 상세설계 단계에서 채택되었다. 이러한 변형된 계획은 당초의 RS 주탑의 계획의 기본적인 설계목적을 훼손하지 않는 범위 내에서 구조적 성능과 시공성을 개선한 것이다.

3. 최종 주탑 설계

최종 주탑의 일반도는 그림 2 에 나타난 바와 같다. 말뚝기초 덮개 부분에서부터 77.75m 상단부 까지의 하단부 주탑은 수평방향으로 연장된 2m 두께의 변형원형 중공 콘크리트 단면을 가지고 있다. 이 단부 원형의 직경은 기초부 에서는 18m 이나 점점 작아져서 바닥판 위치인 77.75m 에서는 14m를 나타내고 있다. 높이 77.75m에서 175m 까지의 주탑 형상은 원형단면의 주탑형상 으로서 직경 14m에서 10.9m 로 변화되는 단면형상을 나타내고 있다. 이때 주탑의 단면두께도 역시 2.0m에서 1.4m 로 감소한다. 내부 콘크리트 격벽이 바닥판 높이 위치에 설치되어 바닥판에서 주탑으로 전달되는 하중을 분산시키는 역할을 한다.

지지 케이블의 정착구가 설치되는 주탑의 상단부는 원형 콘크리트 단면을 가지며 이 단면도 역시 175m 높이 에서는 10.9m 의 직경을 가지고 있으나 점차적으로 감소하여 293m 높이 이르러서는 7.16m 의 직경을 나타내고 있다. 그리고 이러한 단면에서의 벽체두께는 1.4m에서 0.82m 로 계획되었다. 상부 주탑의 외측 표면은 높이 175m에서 293m 까지 20mm 두께의 스테인레스 복합 강판으로 둘러싸여 있다. 상부의 25쌍 지지 케이블은 그림 2의 단면 2와 같이 주탑 내측의 복합 강재 정착박스에 의해 정착되었다. 하단부의 3쌍의 지지케이블은 그 경사도가 매우 급하여 주탑 단면 내부에 정착 박스를 설치하는 것이 불가능하였다. 따라서 그림 2의 단면 3과 같이 케이블 하중이 주탑 내부의 벽체에 형성된 브레킷에 직접적으로 전달되도록 배치하였다. 케이블 정착부 상부의 최상부는 기계장치 및 전기장치 용도의 공간으로 활용하였고, 향후 발생할 지도 모르는 중량 감쇄장치의 예비공간으로 계획하였다. 최상부 5m 첨단부는 원형 유리형상을 가지며 최종 주탑의 높이인 298m 까지 구성되어 있다. 이러한 유리 형상물에는 당초 RS 제안설계시 계획한 그대로 미적인 조명장치를 부착하였고, 외부에서 주탑 안쪽으로 접근시 사용할 수 있는 인양 데릭 크레인을 부착하였다.

< 그림 2. 최종 주탑 설계 : 배치 일반도 >

4. 주탑 하부의 설계

주탑의 수직방향의 철근 보강비율은 저면에서부터 상부 주탑 연결부 까지 3.6%에서 1.4%로 점차 보강비율을 감소시켰다. 하부 주탑의 철근 보강은 외측 단면의 경우 다단 보강을 적용하였고 내부 단면의 경우는 1단 보강을 적용하였다. 내구성 향상을 위해 S50 규격의 스테인레스 강재 철근을 최 외곽부에 175m 높이 까지 적용하였으며 그 외의 보강부분에는 T50 및 T40의 일반 철근을 사용하여 보강하였다.

5. 주탑 상부의 설계

상세설계의 초기단계에서 상부 주탑의 피복 강재에 대한 유지관리가 대단히 어려운 점 때문에 일반 재래식 피복처리로 시공시 고가의 유지관리비용이 발생된다고 판단되었다. 결국 이러한 피복재로서 적당한 스테인레스 강판의 재질과 적절한 표면처리 방법, 상세설계를 반영한 시험 피복재의 단면을 결정하였는데, 여기에는 연결부의 상세와 안쪽부분의 강재표면의 부착물 및 지하형상과 전체 규모가 같이 포함되었다.

5.1 스테인레스 피복 강재

5.1.1 재료의 등급

스테인레스 강재의 장기적 내구성 확보시 가장 중요한 요소는 적절한 재료형식의 선정과 예상되는 환경상황에서의 사용재료의 등급이다. 사용상태의 환경조건은 오염된 해양환경으로서 주탑 표면은 산업오염물질 및 해양 염소물을 포함한 대기질의 오염물질에 노출되어 있다. 더욱이, 주탑 표면의 설계는 사용 스테인레스의 항복강도가 450N/mm² 이상인 재질을 사용해야 하기 때문에 강재의 선정시 많은 제약사항이 따를 수 밖에 없다. 이러한 검토조건에 따라 오스테나이트 계열 및 듀플렉스 계열의 스테인레스 강판을 주탑 외피로 사용하도록 잠정 결정하였다.

재래적인 오스테나이트 강재인 등급 1.43xx 와 1.44xx 는 일반적으로 빌딩구조에 많이 사용하는데 부식저항성이 높고 평균적인 기계적 특성을 가지고 있는 재료이다. 이 강재의 부식저항성은 크롬합금을 통해서 강화되는데 2% 내지 3% 의 몰리브덴을 첨가하여 저항성을 향상시키기도 한다. 여기에 니켈을 첨가하면 완전한 오스테나이트 강재구조가 형성되어 필요한 기계적 성능을 발휘하게 된다. 비록 기본적인 등급의 강재 부식저항성만을 가지고도 대부분의 자연적인 환경 오염물질이나 대기중의 부식에 대한 저항성은 충분히 가지고 있지만 앞서 언급한 심한 오염상황이 언제 어떻게 발생 할지 모른다는 점과 이러한 고성능의 강재를 사용할 경우 그 구조적 성능도 같이 우수하기 때문에 이러한 강재를 사용하는 것이 바람직하다. 바탕재로 사용하는 오스테나이트 강재는 일반적인 탄소강재에 비해 기계적인 특성이 약간 떨어진다. 이러한 성질은 소량의 니트로겐을 첨가하여 얻어질 수가 있지만 이는 대량의 강재에 적용하기에는 쉽지 않고 비용도 대단히 많이 소요된다.

듀플렉스 강재는 오스테나이트와 페라이트를 합성한 재료이며, 이 합금의 합금성분이나 온도조절은 적정 분자구조를 확보하기 위해 오스테나이트 50%와 페라이트 50% 로 대단히 세밀하게 조절되어야 한다. 이러한 성분의 조절은 내 부식성과 기계적 성질을 확보하는 데 대단히 민감하게 작용하며 그 이후의 작업인 제련과정이나 가열 등의 작업도 신중하게 수행되어야 한다.

듀플렉스 강재의 합금재료는 오스테나이트 합금재료와 동일하나 그 비율은 용도에 따라 다르게 된다. 듀플렉스 스테인레tm 강재는 내 부식성이 일반 환경 하에서 오스테나이트 강재에 비해 대단히 강하다. 따라서 이 강재는 대양한 환경 하에서 오스테나이트 강재에 비해 많이 사용되고 강재의 표면처리 상태에 의해 장기 역학적 거동의 영향이 적다. 이러한 표면처리 상태에 따른 폭넓은 관용성은 스텐인레스 강판과 같이 고품질의 매끈한 광택을 얻기가 쉽지 않은 상황을 고려하면 매우 중요한 특징이다. 듀블렉스 강판의 항복강도와 같은 기계적 특성은 일반적인 열연강판 및 오스테나이트 강판보다 높은 특징을 가지고 있다. 듀플렉스 1.4462 및 일반적인 오스테나이트 장재의 기계적 설질 및 합금비율 등이 다음 표 1 에 나타나 있다.

< 표 1. 비교대상 강재의 기계적 성질 및 화학적 함량 >

상기에 기술한 내용을 바탕으로 듀플렉스 1.4462 가 선정되었다. 이 듀플렉스 강재는 다수의 보도교량에 적용되었는데, 이러한 구조물에 사용된 양은 이 Stonecutters 교량에 사용된 양인 1,600 ton 보다 매우 작은 100~500 ton 가량이었다.

5.1.2 표면 처리공법

위에서 검토한 대로 듀플렉스 스테인레스 강판은 갈라짐이나 파임등과 같은 부식에 덜 민감하며 따라서 장기거동시 표면처리의 중요성이 상대적으로 덜 하다. 이러한 특징은 표면처리시 원하는 시각적인 효과를 얻기 위하여 여러가지 방법을 적용하는 것을 가능하게 하였다. 표면처리 방법의 목적은 다음과 같이 선정하였다.

- 지상부분의 표면처리 보다 덜 반사되도록 함

- 강판 패널의 조화가 어렵지 않게 방향성이 없는 무늬의 도입

- 오염물질이 부착되지 않도록 표면조도를 최소화

< 그림 3. 좌 : 스테인레스 외장 강판 시제품, 우 : 스테인레스 표면 처리 >

5.1.3 시제품

시제품은 영국의 쉐필드에서 제작하였다. 이 시제품은 실제의 구조요소인 용접접합부, 볼트접합부, 안쪽의 부착물, 기하형상 등 모든 실제 부분이 실제와 똑같도록 제작되었다. 부재의 높이는 실제의 부재 높이의 절반 크기로 제작하였고, 평면적인 둘레는 실제크기의 1/4 로 하였다. 제작 후 며칠 경과 후에 서서히 구조형상이 이완되는 것이 관찰되었는데, 이것은 강판의 재료적인 특성으로서 실제 제작시 반지름을 약간 작게 제작하는 것으로 극복이 가능한 것으로 판단되었다.

전체적으로 시제품 제작은 특별한 어려움이 없이 진행되었고 일반적인 용접방법 의 제작방법 및 기술이 적용되었다. 예상했던 대로 강판과 플렌지판 즉 수평방향의 연결플레이트는 가장 난해한 부분으로 드러났고 그림 4에서 보는 바와 같이 설계자와 제작자 간에 협의 끝에 볼트 접합을 하는 것으로 최종 반영되었다.

5.2 구조 설계

구조설계는 BS 5400 의 기준에 의해서 수행되었다. 주탑 상부의 일반단면은 그림 4에서 보는 바와 같다. 스테인레스 강판과 내부 강재 정착박스의 단면은 전체 역학적인 거동애서 철근 콘크리트 부재와 상호 합성작용을 하도록 설계되었다. 이러한 합성작용을 위해서 전단보강재가 콘크리트 부재 표면, 강판 및 앵커박스에 작용되는 장,단기 하중을 전달하도록 반영되었다. 수평방향 표면강판과 정착박스의 연결판은 복잡한 현장 용접이나 표면처리가 필요하지 않도록 밀착 접합이 이루어 지도록 반영하였다. 일반적인 연결부 설계는 그림 4와 같다. 정착부 박스도 비슷한 개념으로 설계에 반영하였다. 연결부는 표면강판의 항복 압축강도 이상의 응력을 전달하도록 반영하였다. 인장 SLS 응력은 모든 연결판에 작용하는데 상대적으로 크기가 작으므로 정착박스에 장착된 볼트에 의해 전달되도록 하였다. 전체 구조계의 ULS 인장응력은 콘크리트 벽체에 의해 저항하도록 하였고 정착 박스와 표면강판의 인장강도는 무시하는 것으로 하였다. 주탑 상부의 전체 구조계의 전단력과 비틀림은 일차적으로 수평방향 철근보강으로 지지되도록 하였다. 스테인레스 표면강판은 상부 220m 이상의 주탑부 에서는 전단저항과 비틀림 저항에 어느 정도 가여를 하게 되나 이 부분에서의 전체 구조계의 수직방향 휨강도 및 축력에는 발생크기가 매우 크기 때문에 그다지 도움이 되지 못한다. 이 부분의 표면강판은 수평방향의 보강철근과 같이 전단력과 비틀림에 저항하므로 볼트 연결된 연결판 으로는 전단력이 전달되지 않는 것으로 가정하였다.