1. 서 론

 

새로운 교량을 건설하는 사업은 대단히 복잡한 기술적인 도전이다. 일반적으로, 교량사업은 사회적-경제적-정치적 필요논리에 의해서 시작된다. 교량기술자들은 인간의 꿈을 형상화 하고 가장 저렴한 비용으로 미적으로 뛰어나면서 안전하고 완벽한 기능을 수행하는 교량을 탄생시킨다.

최근의 교량기술자들은 중요한 노후 구조물들의 보수보강 및 수명연장에 대한 과업도 병행하여 수행하고 있으며, 설계 결함이 있거나 구시의 교량구조물을 개선 또는 업그레이드 작업을 수행하고 있다.

항상 그래왔던 것처럼 교량기술자들은 기존의 방법과 기법들에 대해 의문을 제기하며, 이것들을 개량해 나가고 있다. 이들은 창조적이고, 창의적이며 기술적인 선구자들이며, 이들은 항상 최신의 기술을 서로 공유한다.

 

2. 개념의 정립

 

사회적-경제적-정치적 필요를 바탕으로 잠정적인 교량의 위치가 선정된다. 사업 운영체계가 조직되며, 각 주무 담당자가 결정된다. 여러 분야의 다양한 전문가들이 소집되어 개념정립을 구체화 한다. 교통기술자는 과거부터 현재까지의 자료들을 바탕으로 미래의 교통수요를 예측한다. 환경 전문가들은 교량설치로 인한 영향을 검토하고, 건설되는 교량으로 인한 지상, 수중, 해양 생태를 포함하는 기존의 일반적인 생태환경에 대한 부작용을 정량화 한다. 기타 다른 전문가들은 소음, 산사태, 부식, 홍수, 지진, 태풍 및 지질학적 영향 등에 대해 여러 가지 가능성에 대해 정량화하고 분석한다. 사업의 비용, 재무, 입찰, 계약 및 사업의 위험도 등이 그 이후에 검토된다. 만일 긍정적인 시나리오일 경우에는 해당사업은 기초설계단계로 진행하게 된다. 기존의 교량에 대한 보수보강 및 구조개량 사업일 경우에는 이러한 개념정립 절차는 매우 간소하게 진행된다.

 

3. 기초설계

 

기초설계는 성공적인 작품이 되기 위한 필수적인 단계이다. 기초설계의 시작단계에서는 항로 여유공간, 최고수위에서 부터의 수직 여유 공간, 차로 수, 도보 및 철도 트랙 등 기하형상에 관련된 사항들이 확정된다. 고속도로, 철도, 도보, 온도, 바람, 조류, 선박충돌 및 지진하중을 포함한 모든 하중들이 정량화 된다. 사용성 및 안전성 한계도 결정된다.

 

기초설계에서는 교량 시스템, 사용재료, 경간분할, 기초형식, 시공성 등에 대한 적정성 검토를 수행하게 되며 이 단계에서 최종 교량형식을 결정하기 위해 대안형식들을 구체화 하게 된다. 기초설계에서도 최종 상세설계와 마찬가지의 최신의 과학적 구조해석 방법을 통해서 해석을 수행하게 된다. 기초설계에서는 각 대안구조물의 작용하중에 의해 발생하는 구조적인 거동특성을 파악하게 된다. 기초설계에서 수행하는 해석절차는 상세설계에서 수행하는 구조해석 절차와 모든 면에서 동일하지만 다만 2차 부재(교좌장치, 신축이음장치 등)에 대한 상세해석이 누락될 뿐이다. 최근에는 이러한 모든 일반적인 해석 및 설계계산은 컴퓨터를 이용하여 수행한다. 

 

4. 상세설계

 

상세설계 단계에서는 선정된 교량구조물에 대해서 좀 더 자세한 해석을 수행한다. 모든 교량구조물이 검토되고, 해석되며 상세하게 설계된다. 설계기준은 기하형상, 기초형식, 풍하중 안정전성 및 시공성 등을 포함한 모든 설계절차가 재 검토된다. 최종 교량구조 상세가 결정되고, 계약 설계도서가 준비된다. 어떤 경우에는 최종 상세설계는 제 3 자에 의해 검토되기도 한다.

 

5. 컴퓨터 프로그램 “BRIDGES"

 

최근 공학계에서는 컴퓨터가 진정한 일꾼역할을 한다. 다양한 상업용 교량 설계 및 해석 프로그램들이 출시되어 있으나 본 보고서 에서는 Ammann & Whitney 사의 BRIDGES 프로그램을 사용하였다. 이 프로그램은 시작화면에서 다음과 같은 메시지를 보여준다. “교량설계는 기술자가 하는 것입니다. 컴퓨터가 하는 것이 아닙니다.” 또한 최근의 모든 컴퓨터 프로그램은 다음과 같이 경고하고 있다 “컴퓨터의 결과는 틀릴 수도 있다는 것을 알아야 합니다.” 컴퓨터 프로그램을 사용하는 기술자는 반드시 직감적으로 교량구조의 응답특성을 파악하고 있어야 하고, 첨단 공학기술 및 역학에 대한 혜박한 지식이 있어야 한다. 저자는 교량기술자 이다. 그는 BRIDGES 프로그램과 상호 호환이 가능한데 그 이유는 그가 프로그램 내부작업에 대해 완벽하게 이해를 하고 있기 때문이다.

BRIDGES 프로그램은 합성 및 비합성 거더교량, 평면 또는 3차원 트러스교량, 라멘교량, 사장교, 곡선교, 프리스트레스 콘크리트 세그먼트교 등에 대한 해석 및 설계를 수행할 수 있다. 또한 이 프로그램은 정적해석, 동적해석 및 이동하중 해석을 수행할 수 있으며, 자체적으로 활하중에 의한 영향선 및 영향면을 생성할 수 있다. 기타 또 다른 특징들로는 기하적 비선형성, 재료 비선형성, 진동 모드형상 및 진동수, 모멘트-곡률 관계식 정립, 푸쉬오버 해석, 스펙트럼 해석, 다중지지 시간이력해석 및 교량진동해석 등을 수행할 수 있으며, 부재 역량해석도 수행이 가능하다.

이 BRIDGES 프로그램은 New San Francisco Oakland Bay 교 사업, 조지 워싱턴 교, 부룩클린 교, 윌리엄즈 교, Tagus River 교, New Carquinez 교, 제 3 타코마 교, Storebelt 교, 메시나교, Bear mountain 교, Bronx-Whitestone 교, Throgs Neck 교, Skagit River Crossing, 파나마 운하횡단교, Ogdensburg, 광안대교, 아산만교, Sham Tseng Link, Chesapeake Bay 교, 제 2차 타코마 교, Riegelsville 교, 제 4차 Forth Road 교, Duarte 교, Lion's Gate 교, 금문교, Brahmapurta 교, Burlington-Bristol 교, Blennerhasset Island 교 등 세계적으로 다양한 교량사업의 설계, 해석, 연구, 가설 및 보수보강 과업에 사용되었다.

 

6. 적용 사례

 

최근의 교량공학 발전의 모델로서 수백 가지의 경이적인 교량사업이 여러 가지 공학문헌에 기술되어 있다. 본 저자는 세계적으로 유명한 다수의 교량사업에 해석, 설계, 가설, 시공 및 보수보강에 대한 책임구조기술자로 참가하였다. 여기에 그러한 첨단 교량공학의 실 예로서 다음과 같은 4가지의 교량사업을 제시한다.

 

사례 #1 : 가설 해석

 

사례 #2 : 도로-철도 겸용 교량

 

사례 #3 : 미래를 위한 계획

 

사례 #4 : 경간장의 세계기록

 

 

6.1 사례 #1 ; 가설 해석

 

 

 

이 New San Francisco-Oakland Bay 교는 시각적으로 강한 인상을 주기 위해 설계된 교량이다. 이 570 미터 길이의 장경간 교량은 지진발생이 빈번한 지역에 가설된 자정식 대칭 현수교 형식이다. 이 교량의 구조계는 1개의 주탑과 교량의 서측단을 통과하여 동측단에서 정착되는 단일 연속케이블 구조로 구성되어 있으며, 2개의 개별 직교 박스거더가 광폭의 횡방향 거더에 의해 연결되어 차량하중을 지지하고 있다. 자전거 전용도로도 동측거더 끝단에 켄틸러버 구조를 도입함으로서 별도로 계획되어 있다.

시공사는 첨단의 해석 프로그램(BRDIGES)을 사용하여 모든 주 케이블의 형상을 계산하였으며, 모든 시공단계에서의 인장력 및 거더의 휨모멘트, 교량 거더의 사전 켐버형상, 하중 전달체계, 교량의 동역학적 특성 및 하중전달시의 구조시스템 응답 등에 대한 해석도 수행하였다. 이 교량의 건설을 위하여 제일 처음 공장에서 미리 제작한 박스거더 세그멘트들이 조립된 후 임시 트러스에 용접되게 되며, 이 단계에서 임시 트러스가 교량의 바닥판 고정하중을 지지하게 된다. 그 이후에 주 케이블이 가설되며, 이 때 임시 트러스가 지지하던 하중이 주 케이블로 예정된 공정에 따라 전달되게 된다. 하중이 전달됨에 따라 주 케이블은 최초의 “자유 케이블” 단계에서 최종 고정하중지지 단계로 진입하게 된다. < 그림 2 > 에 하중 전달 해석에 사용된 컴퓨터 모델을 제시하였다. 이 교량은 2012년에 개통될 예정으로 있다.

 

 

 

 

6.2 사례 #2 : 자동차-철도 겸용 교량

 

 

 

Tagus 강을 횡단하는 이 현수교는 1966년 고속도로 개통과 함께 운용을 시작하였다. 현수경간의 구성은 483m, 1,013m, 383m 로 구성되어 있다. 보강 트러스는 2,277m 의 길이로서 전체 현수경간 및 3개의 측경간을 포함한 연속구조로 가설되어 있다. 1992년에 이 교량의 확폭 및 철도교 추가 설계 과업을 Junta Autonoma de Estradas (JAE) 사에서 수주하였다.

새로 추가된 고정하중 및 활하중을 지지하기 위하여 2번째의 새로운 케이블 시스템이 도입되었다. 새로운 정착장치를 통해 지지되는 새로운 2개의 케이블은 기존의 주탑과 케이블 벤트로 연결되는데 이들이 모든 새로 추가된 하중을 지지하도록 계획되었다. 교량의 형상은 변화가 없게 설계되었으며, 각각 기존 케이블과 새로운 케이블은 도로 하중과 철도하중을 지지하도록 계획되었다.

이 교량은 2 개의 철도노선과 6차로의 고속도로 자동차 하중을 지지하도록 계획되었다. 풍하중, 지진 및 교량 진동으로 인한 사람의 반응 등이 교량설계의 가장 큰 해석적인 과제들 이었다. 철도가 통과할 때 교량의 기울기는 연속적으로 변화하게 된다. 이러한 기울기 및 기울기 변화량은 철도의 주행성에 가장 큰 고려요소이다. 정착단에서 트러스의 변위량은 0.8m 에 이르는 큰 수치를 보여주기 때문에 특수 신축이음 장치를 도입하여 철도 및 차량의 주행성을 강화하였다. 컴퓨터 프로그램 BRIDGES의 에니메이션 모듈을 이러한 하중 통과시 및 지진시의 교량의 응답형상을 가상으로 재현하여 이해를 쉽게 하였다.

하중 전달 및 가설절차는 시공 중 고속도로의 폐쇄조치가 필요 없도록 계획되었다. 첨단 공학적 해석기법 및 시공기법이 이러한 Tagus 교량의 가설이 가능하도록 적용되었으며 이 교량은 1999년도에 철도교통이 개통되었다.

 

6.3 사례 #3 : 미래를 위한 계획

 

 

 

최초의 타코마 교는 1940년에 붕괴하였다. 제 2 타코마 교는 1950년에 가설되어 현재의 교통량을 수용하지 못하고 있었다. 따라서 1990년대에 제3 타코마 교가 제안되었으며, 제2 타코마교의 재령을 고려하여 이 주 경간 930m 의 대형교량은 향후 하단부의 추가 바닥판을 지지할 수 있도록 별도의 케이블 시스템의 설치가 가능하도록 반영하였다. 이 교량의 설계시 정적, 동적해석, 풍동해석 및 다중지지 시간이력 해석을 지진하중 도래시 정량적으로 교량의 응답을 분석하기 위해 수행하였다. 이 제 3 타코마 교는 기존의 제 2 타코마 교와 불과 60m 밖에 이격되어 있지 않기 때문에 수리학적 세굴에 대한 안전성이 정밀하게 검토되었고 모델 테스트도 수행하여야만 하였다. 또한 이 교량의 가설지역은 지진 다발지역으로서 이 교량의 시공 및 설계에는 최 첨단의 교량설계기술이 총 망라되어 반영되었다.

이 제 3 타코마 교는 2007년 개통되어 현재 운용 중에 있다.

 

6. 4 사례 #4 : 최대 경간장 기록(제안)

 

 

본 저의 저자는 이탈리아의 메시나 해협을 횡단하는 교량에 대한 해석 및 제 3 자 검토 과업의 책임기술자로서 참여하게 되었으며 이때 상세설계 및 시공까지 담당하는 세계 최고의 연장을 자랑하는 교량을 설계하는 전문기술자들과 협업을 수행하였다. 이 교량의 주 경간장은 3,300m 에 이른다.

이 교량의 설계는 과거의 전례가 없는 엄청난 경간장을 도입함으로서 첨단 교량공학 기술의 도입이 불가피하였다. 설계 작업에는 보다 실제적인 자동차-철도 하중에 대한 설계기준이 요구되었고, 다양한 성능의 한계상태의 재정립 및 여러 가지 구조 상세에 대한 보강계획이 필요하였다. 고속도로-철도의 운행성 및 지진하중, 풍하중 등을 포함한 당양한 하중에 대한 교량의 응답특성이 사용시 및 극한시에 대해 정량화 되어 검토되었다. 이러한 첨단 공학기술 작업의 상세내용은 많은 엔지니어링 저널 지나 최근에 발간된 단행본인 “The Messina Strait Bridge, A challenge and a Dream by CRC Press"에 자세히 수록되어 있다. 이 메시나 교는 현재 상세설계를 수행 중에 있다.

 

7. 결 론

 

교량공학의 최신 경향은 그 어느 때 보다도 첨단화 되고 있으며, 이러한 최 전선 에서 참여하고 있는 기술자들은 가능한한 최소의 비용으로 미적인 아름다움과 함께 안전하고 튼튼한 교량을 건설하기 위해 노력하고 있다.

교량기술자들은 구조물의 내구연한이 다가오는 구조물의 보수보강 및 주요한 구조물의 내구수명 연장 작업을 수행하고 있으며, 설계 결함이 있거나 구시대적인 교량구조물을 개선 또는 업그레이드 작업을 수행하고 있다. 이들은 또한 기존의 운용중인 교량의 성능을 모니터링 하며, 유지보수를 담당하기도 한다.

최근의 첨단 교량공학지식은 이제 대중적인 영역으로 접어들었다. 세계의 모든 기술자들은 이러한 교량기술을 습득하여 적용할 수 있으며, 모든 지역적인 문제들은 회피하지 말고 이러한 첨단 기술을 통하여 극복할 수 있어야 한다.

 

▣ 원문제목 : A few examples of the advances in bridge engineering

    

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서 론

2. 개념 정립

3. 기본 설계

4. 상세 설계

5. 교량 설계 소프트웨어

6. 사례분석

7. 결론