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2022년 5월 25일 (수) 11:19 판
교량건설은 강이나 바다, 해협, 혹은 다른 도로 위를 건너갈 수 있도록 만드는 고가구조물을 건설하는 것이다. 다리를 건설할 때에는 충분한 내구성을 가질 수 있도록 튼튼한 강도를 가진 소재로 만들어야 하는데, 과거에는 나무나 돌을 이용했다. 어떻게 하면 더 튼튼한 다리를 만들 수 있을지 연구하는 과정을 거쳐, 목조와 철제를 혼합한 트러스교나 철제 케이블을 이용한 현수교 등 다양한 형식으로 짓기 시작했다.
교량건설의 종류
현수교(suspension bridge)
현수교는 주탑과 케이블, 교상으로 구성된다. 양쪽 주탑에서 주케이블을 늘어뜨린 뒤 보조 케이블로 교상을 연결하는 구조, 케이블이 교량의 하중을 지지하게 된다. 울산대교가 현수교에 해당하는 다리이다.
울산대교는 주탑과 주탑 사이 거리가 1,150m로, 울산 남구와 동구를 최단거리로 연결하는 다리이다. 다리를 지탱하는 케이블은 최대 8,001가닥으로 구성된 초고강도 PPWS케이블로, 총 7,493개 사용되었다고 한다.
이외에도 국내에 건설된 현수교로는 영종대교, 광안대교, 이순신대교, 예당호 출렁다리 등이 있다.
사장교(Cable stayed bridge)
사장교의 '사' 는 '비낄 사(斜)' 라는 의미이다. 사장교는 주탑 양쪽에 직접 케이블을 달아 하중을 지탱하는 구조로, 주탑과 함께 상판 전체가 다리의 하중을 지탱하게 된다.
외관적인 차이로는 현수교와 달리 케이블이 주탑에서 비스듬히 연결된다는 점이 있다.
국내에서는 인천대교와 올림픽대교, 돌산대교 등 다양한 다리가 사장교에 속한다.
트러스교(truss bridge)
트러스교는 여러 개의 작은 부재를 조합해 건설되기에, 자재를 실어나르기 어려운 산간지역 등에 주로 지어진다.
옥순대교는 1996년 12월부터 2001년 10월까지 한화건설이 시공에 참여해 완성된 다리로 빨간색 삼각형의 트러스 구조물과 총 6개의 교각으로 구성된 2차선 다리이다.
이외에도 국내에서는 성산대교, 동호대교, 마곡대교 등 다양한 트러스교를 찾아볼 수 있다
해상교량 시공방법
주탑 기초 시공
거대한 주탑의 무게를 견디기 위해서는 주탑의 밑동이 세워지는 곳의 지반을 단단하게 만들어 주어야 한다. 바다 밑, 다량의 수분을 포함하고 있는 연약지반을 메우고 다져주어야 하는데, 심층혼합처리공법(DCM)과 모래다짐말뚝공법(SCP)으로 지반을 보강할 수 있다.
●연약지반
- 상부구조물의 기초로써 충분한 지지력이 없는 지반
●심층혼합처리공법 (DCM ; Deep Cement Mixing Method)
- 시멘트와 물을 적당히 배합한 안정처리제를 연약지반에 주입해 단단히 다지는 공법
●모래다짐말뚝공법 (SCP ; Sand Compaction Pile Method)
- 연약지반에 모래 말뚝을 삽입하고, 위로부터 하중을 가하여 흙 속의 물을 빼냄으로써 지반을 강화시키는 공법. 지반이 메워지면 그 위로 벽체를 만들어 블록을 조성하고, 안을 콘크리트를 채우면 인공섬이 만들어진다. 이 안정적인 인공섬에서 주탑의 기초 작업이 본격화 되는데, 수십 개의 말뚝을 박아 지반을 더욱 안정시킨 후, 역순환 굴착공법(RCD)으로 주탑의 기초를 만들어 준다.
●역순환 굴착공법 (RCD ; Reverse Circulation Drill Method)
- 또 다른 방법으로, 케이슨 기초(Caisson Foundation)가 있는데요. 지상에서 제작한 케이슨을 예인선으로 정해진 위치에 이동시킨 후, 물을 주입해 서서히 침강시킵니다. 그 다음, 모래나 자갈로 속을 채우고 콘크리트로 뚜껑을 덮어 기초를 만들어주는 것이다.
● 케이슨 (Caisson)
- 철근 콘크리트로 만들어진, 뚜껑이 없는 상자나 통 형태의 기초 구조물
● 예인선 (Tugboat)
- 다른 선박이나 부양 물체를 끌어 이동시키는, 강력한 엔진으로 추진되는 보트
주탑 시공
주탑은 거대한 철근콘크리트 구조물로, 그 높이와 너비가 어마어마하다. 시공 품질을 유지하면서도, 공사기간을 단축시키는 것이 관건이다. 이를 위해, 우리나라의 대표적 장대교량인 인천대교와 이순신대교에 동일하게 적용된 공법이 있다.
육지에서 펌프와 압송관을 통해 주탑 제작장으로 콘크리트가 압송되면, 미리 설치한 철근망 사이로 콘크리트를 채운다. 이 때, 콘크리트를 굳히는 작업도 동시에 이루어 지는데요. 이렇게 콘크리트와 철근 작업을 동시에 진행하는 방법이 바로, 슬립 폼 공법(Slip Form Constructi on Method)이다.
앵커리지 시공
앵커리지(Anchorage)는 현수교 케이블 가닥의 끝을 땅 속에 모아서 묶어두는 것으로, 몇만 톤에 달하는 케이블을 지탱해주는 역할을 한다. 지형의 차이에 따라 앵커리지의 형태도 달라지는데, 지중정착식과 중력식이 그 예 이다.
● 지중정착식 앵커리지
- 케이블을 땅 밑에 꽂기 위해 암반에 구멍을 뚫고, 지하에 만든 터널로 연결시키는 형식
● 중력식 앵커리지
- 앵커리지의 형태가 완성되면 스탠드를 설치하고, 거기에 케이블을 정착시키는 형식
케이블 설치
현수교의 주탑과 앵커리지가 완성되면 케이블을 장착할 차례이다. 먼저 주탑의 꼭대기에 크레인을 설치하고, 헬기나 예인선을 이용해 파일럿 로프(Pilot Rope)를 가설한다. 그 다음, 캣 워크(Catwalk) 등의 대형장비를 설치하고 에어리얼 스피닝 공법으로 케이블을 가설한다. 그 후, 행어로프(hanger rope)로 케이블과 교량 상판을 연결시키면 케이블 작업은 완료된다.
● 파일럿 로프 (Pilot Rope)
- 케이블 시공을 위해 가장 처음 가설되는 로프
● 캣워크 (Catwalk)
- 케이블을 가설하기 위한 공중발판. 그 밑을 지나는 선박에 대한 낙하물을 방지하는 역할도 함.
● 에어리얼 스피닝 공법 (Aerial Spinning Method)
- 스키장 리프트의 도르래와 같은 시스템에 자동차 바퀴 와 같은 스피닝 휠(Spinning Wheel)을 부착하고, 주탑과 주탑 사이를 왕복하며 케이블을 가설하는 공법
사장교는 현수교와 달리 앵커리지를 시공하지 않는다. 주탑의 꼭대기에서 사방으로 뻗어 나온 케이블이 교량의 상판과 바로 연결되는 형식인데 일반적으로 주탑의 상부에 케이블을 먼저 정착시킨 후, 짧은 케이블은 크레인을 이용해 상판에 연결시킨다. 하지만 긴 케이블의 경우 상판의 정착 위치까지 장비를 이용해 이동시킨다.
상판설치
지난 1940년, 미국에서 타코마 다리(Tacoma Bridge)가 붕괴되었다. 이는 공진현상의 대표적인 예로, 아주 약한 바람이 불었음에도 불구하고 거대한 교량이 속수무책으로 무너져 내렸다. 원래 현수교는 교량 상판의 경량화가 가능하다는 이론이 있었지만, 이 사건을 계기로 장대교량에는 중량화된 상판이 적합하다는 교훈을 얻게 되었다고 한다.
● 공진현상
- 물체의 고유진동수와 같은 진동수의 힘이 외부에서 가해졌을 때, 약간의 힘으로도 대단히 큰 진동을 일으키는 현상. 육상의 제작장에서 미리 만든 상판은 바지선으로 운반되어, 크레인을 이용해 설치하게 된다. 이 때, 케이블도 함께 순차적으로 가설해 나가면 공사기간을 줄일 수 있어 훨씬 효율적인 공사가 가능해진다. 상판과 케이블 작업이 동시에 진행되는 이 첨단기술은 인천대교 건설에도 적용되어 그 효과를 톡톡히 보았다.
● 바지선 (Barge) : 해상에서 화물을 운반하는 소형 선박.
교량가설 공법의 종류 및 특징
MSS공법
MSS공법은 'Movable Scaffolding System'의 약자이다. Movable은 이동을 의미하며 Scaffolding은 비계를 의미한다. 그래서 한국어로 이동식 비계공법이라고 부른다. 이 공법은 거푸집이 부착된 특수한 이동식 비계를 이용하여 상부 교량을 시공하는 방식이다. 교량은 상부구조와 하부구조가 있는데 하부구조에는 상부를 지지하는 교각과 교대가 있고 상부구조는 거더와 슬래브가 있다. 이 공법은 독일에서 처음 개발 되었다. 1959년 독일의 KANG교에 처음 시공되었고 이후 많은 발전이 있은 후 1970년대 초반 선진국에서도 많이 사용되었다. 국내 첫 도입은 1983년 1월의 노량대교에서 였으며 현재는 고속철도 교량 상부구조 시공에 많이 사용되고 있다. 특히나 경부고속철도 제 7-1공구 교량 상부 구조 시공용으로 노루웨이 Norconsult의 Struktruras-aas사가 설계했고 국내 현대정공에서 제작 공급한 MSS를 사용했다고 한다.
FCM공법
FCM공법(Free Cantilever Method)이라 함은 동바리 없이 기시공되어 있는 교각을 이용하여 교각의 좌ᐧ우로 하중의 균형을 맞추면서 이동식 작업대차(Form traveller)나 이동식 가설 트러스(Moving gantry)를 이용하여 3m~5m 길이의 세그먼트(Segment)를 순차적으로 콘크리트 타설, 프리스트레싱(Prestressing) 도입을 반복하여 교각과 교각 사이의 경간 중앙 연결부에 도달하여 교량 상부 구조를 완성하는 공법을 말한다.
ILM공법
ILM공법(Incremental Launching Method)은 교대 후방에 설치된 작업장에서 한 세그먼트씩을 제작하여 연결한 후 교축을 압출하여 점진적으로 교량을 가설하는 공법으로 교량의 평면 선형이 직선 또는 단일 원호일 경우에만 적용이 가능하며 교량의 선단부에 추진코어를 설치하여 가설시의 단면을 감소시킴과 동시에 가설용 강재를 별로 설치하여 이에 저항하도록 하고 있습니다. 이 공법은 작업조건이 좋은 작업장에서 제작을 하기 때문에 품질에 대한 신뢰도가 높고 공기가 빠르며 고각의 높이가 높을 경우에는 경제성이 아주 높은 장점이 있다. 압출방식에 따라서 분류가 되며 또한 압출잭의 위치에 따라 집중압출방식과 분산압출방식으로 분류된다. 안정성 검토의 주요 사항으로는 압출시 안정검토 압출노즈의 설계검토 하부플랜지의 펀칭파괴 검토 등이 있다.
PSM공법
PSM공법(Precast Span Method)은 일정한 길이로 제작된 교량 상부구조(Segment)를 제작장에서 균일한 품질로 제작한 후 가설장소에서 가설장비를 이용하여 소정의 위치에 거치한 후 Post-Tension장착에 의하여 Segment들의 연결을 하여 상부구조를 완성시키는 공법이다.
- ① Segment는 지정된 공장 또는 제작장(Casting Yard)에서 제작이 되므로 콘크리트 품질관리가 용이하고, Segment를 연속적으로 제작하므로 인력관리 및 거푸집 전용이 가능하다.
- ② Segment 제작을 하부공정과 병행할 수 있으므로 현장타설방식에 비해서 공기를 단축시키는 효과를 볼 수가 있다.
- ③ 상부구조 가설시 콘크리트는 상당한 재령에 도달해 있으므로 가설 후에 발 생하는 Creep, Shrinkage 등에 의한 소성변형이 작게 발생하여 Prestress의 감소량이 적어져 유리하다.
- ④ 가설용 거더 등으로 제작된 상부구조물을 가설하므로 교량 하부의 지장물에 영향을 받는 일이 없이 가설이 가능하다.
- ⑤ Segment의 운반, 가설을 위해 비교적 대형 장비가 필요하며, Segment 제작 및 야적을 위한 넓은 장소가 필요하다.
FSM공법
FSM공법(Full Staging Method)은 콘크리트를 타설하는 경간전체에 동바리를 설치하여 타설된 콘크리트가 소정의 강도에 도달할 때까지 콘크리트의 자중 및 거푸집, 작업대 등의 중량을 일반적으로 동바리가 지지하는 방식으로 PS콘크리트 가설공법 중 가장 일반적인 공법이며, 동바리 설치 시 사용되는 조립재는 종래에는 목재가 주로 사용되어 왔으나 최근에는 공장에서 규격제품으로 생산되는 강재 등이 사용되고 있다.
최근에는 MSS, ILM, FCM, PSM등에 밀려 그 사용 예가 줄었으나, 사용 장비의 비용이 저렴하고 비교적 간편한 장점이 있기 때문에, 지금도 평탄 한 지형에 적당한 높이의 짧은 교량을 가설할 경우에는 보편적으로 많이 이용되고 있다.
- ① 전체 지지식
- 지면이 평탄하고 교량하부 공간을 이용하지 않아도 되는 경우에 적용하는 방식으로 교량 가설동바리를 사용하여 상부로부터 전해 내려온 하중을 지지하도록 하는 방식이다.
교량건설 시장
시장조사업체 리포트오션(Report Ocean)이 내놓은 '교량 건설시장 연구 보고서'에 따르면전 세계 교량 건설시장이 오는 2027년 1조2126억 달러(약 1324조원)에 이를 것이란 전망이 나왔다. 세계 주요 도시의 인구 증가 등으로 교량의 수요가 크게 늘어날 것으로 예상되는 데 따른 것이다. 보고서는 삼성물산을 교량 건설시장에서 경쟁력을 갖춘 주요 기업으로 선정했다. 삼성물산은 국내 최대 크기·길이·높이를 자랑하는 사장교 형식 세계 톱5 규모 교량인 인천대교를 건설했다. 세계 최초 자정식 현수교인 영종대교도 삼성물산 작품이다. 이러한 기술력을 인정받아 카타르 루시알 CP3A 교량, 영국 머시 게이트웨이 등도 시공했다.
삼성물산 이외에 ACS그룹, 애이콤, 밸푸어비티, 중국교통건설, 중국철도그룹, 빈치 등을 교량 건설시장의 주요 기업으로 꼽혔다.
메가시티와 교량 건설
미래의 교량건설
미국 도시 내에 교량들은 대부분 2차 세계대전 이후 철재 부족 현상으로 최대한 가볍게 건설하는 것이 목표였다. 경량화를 위해 교량에 구멍을 뚫고 장지간 트러스(long-span truss)로 각 구역을 연결하는 구조였는데, 이렇게 건설된 교량은 넓은 표면을 손수 도색해야 하고 끊임없이 유지 보수 공사가 필요하여 경제적으로 매우 비효율적이었다. 심지어 상태가 양호한데도 불구하고 보수 비용을 감당하지 못해 교량을 철거하는 사례도 발생했다.
교량의 수명을 최대한 보장하면서 유지 보수 비용은 최소화하기 위해서 차세대 교량이 고안된다. 차세대 교량은 플레이트 거더(plate girder)와 교체 가능한 재료를 사용하여 여러 개의 보호층을 이루며 건설됐는데, 최근에는 교량건설에 고급 철강재 사용이 늘어 첨접(field splices), 수평 가새(lateral braces) 그리고 보호를 위한 철강 표면에 사용되는 소재 비중이 감소하고 있다.
철은 조립식 생산을 가능하게 해주면서 교각과 교량 기초 설계를 단순화시키고, 쉽게 재활용할 수도 있어 교량 건설에 핵심이 되는 재료이다. 특히 콘크리트와 비교하면 철은 무게 대비 강도가 훨씬 높아서 더 효율적인 모듈 교량 설계를 가능하게 한다. 최근 철강 기술의 발달로 철재 교량은 점점 더 강해지고 가벼워지고 있다.
메가시티가 늘어나면서 새로운 교량을 건설하거나 기존 교량을 재건하는 등 교량 건설의 수요가 자연적으로 증가하고 있다. 특히 복잡한 거대 도시 환경 속에서 최소한의 비용으로 최대한 빠르게 건설하는 방식을 찾아야 한다. 이러한 니즈에 맞춰 더 깨끗하고 친환경적이면서 가장 효율적인 교량 건설을 위한 철강재의 진화는 앞으로도 계속되어야 한다.
도시 교량 건설이 직면한 과제와 솔루션
도시 교량 건설의 주요 과제는 숙련된 노동력을 확보하는 것, 도시와의 접근성을 용이하게 하는 것, 그리고 환경친화적인 방법을 취하는 것이다.
이 세 가지 과제 중 숙련된 노동력을 확보하기가 쉽지 않은 현재 상황에서 대규모 교량을 건설하기 위해서 많은 양의 조립식 부품이 사용되고 있다. 무겁고 거대한 부품들은 소형 선박으로 운송하며, 대부분의 가벼운 모듈 부품은 혼잡한 도시를 뚫고 지상으로 운송할 수 있다.
더불어 교량의 상판을 조립하는 지역의 주변 인프라로 작업에 방해가 될 수 있기 때문에, 인접 지역 인프라의 가용성도 건설 과정에서 해결해야 할 또 다른 과제이다. 이를 해결하기 위해서는 먼저 세워진 교각 위에 레일을 깔고 여러 조각의 상판을 순차적으로 올려 밀어내는 압출공법을 사용할 수 있는데, 압출공법은 부품을 잇는 곳을 확인할 수 있고 현장에서 발행하는 첨접의 용접이나 분할을 최적화해 줄 뿐만 아니라 건설 비용도 줄일 수 있어 부품 제작 공차를 완화한다.
규모에 따라 최적화된 교량 건설 과정
소규모 교량 건설에는 대체로 적은 예산이 할당되기 때문에 교량 설계를 최적화하거나 건설 과정을 기계화하는 데 한계가 있어 더 많은 노동력을 필요로 하는 것이 현실이다. 따라서 소규모 교량들은 규모의 경제를 실현하기 위해 한 번에 여러 개의 교량에 적용할 수 있는 부품을 모아서 준비해야 한다.
압출공법으로 지어진 교량은 공사 중 부가적으로 상판을 지지할 필요가 없어 기존의 도로와 철로에 곧바로 연결할 수 있고, 덧붙여 공사가 이루어지는 지역도 도시 내 기반 시설과 멀리 떨어져 있어서 공사 인부와 일반인들의 위험이나 피해를 최소화할 수 있다.
대규모 교량 건설 시에는 비교적 넉넉한 예산이 있기 때문에 특수 장비에 더 많은 투자를 할 수 있다. 따라서 모듈 부품을 더 쉽고 스마트하게, 친환경적인 방법으로 생산할 수 있다. 나아가 최종 완성품의 품질과 제품 수명을 증가시킬 뿐만 아니라, 현장 조립에 투입되는 노동력과 도시환경의 보조 인프라 시설에 대한 필요성도 절감시킬 수 있다.
차세대 도시 교량을 위한 새로운 재료
철과 콘크리트는 교량 건설에 가장 많이 쓰이는 재료이다. 고급 [[철강]을 사용하여 교량을 건설하게 되면 교량의 상부구조 자체의 하중을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 교각과 교량 기초에 들어가는 비용까지도 줄일 수 있다. 여기에 새롭게 융합된 시스템과 기계화된 플레이트 파형(plate corrugation)은 부품을 조이는 공간을 늘려주어 따로 용접된 보강재 사용을 줄여준다.
콘크리트의 경우, 고급 철강으로 만들어진 철근을 사용해 강도를 높이고 부식을 예방하여 수명이 긴 미래의 도시 교량에 적합하다. 콘크리트가 굳은 후에 인장하는 포스트 텐션 방식은 이미 매우 효율적이기에, 앞으로의 주요 과제는 새로운 수송관과 부식 방지를 위한 재료를 확보하여 시멘트 주입으로 인한 품질 저하를 방지하는 것이 될 것이다.
철강 교량과 콘크리트 교량 모두 메가시티의 대중교통 시설의 강제 갑판과 사용하기 적합하다. 생명주기에 따른 총 비용 분석을 본다면 고급 강철이 콘크리트보다 더 경제적인 선택이다.
미국에서 최근에 지어진 대규모 교량들은 최소 75년에서 100년까지 유지되도록 설계되었다. 재생 가능한 보호재를 사용함으로써 철강 교량 유지 기간의 목표는 쉽게 달성할 수 있지만, 도시 교량의 설계 하중이나 상태의 변화는 쉽게 예측하기 어렵다. 이런 상황에서 철강 교량은 콘크리트 교량보다 더 적응력이 높고, 추후에도 쉽게 변형하거나 강화할 수 있어 앞으로 교량 건설에서 철강재가 갖는 가치는 계속될 것으로 보인다.
동영상
참고자료
- 한화건설, 〈[EVENT 다리는 어떻게 건설할까? 교량 건설 양식의 종류와 특징]〉, 《네이버 블로그》, 2019-10-25
- 삼블리, 〈[해상교량 시공 방법 교량, 바닷길을 열다! - 물 위에 다리(Bridge) 만들기]〉, 《네이버 블로그》, 2015-07-18
- 삐박, 〈교량공사 F.C.M공법 작업절차(시공순서)〉, 《네이버 블로그》, 2015-11-12
- 〈MSS 공법 - 소개, 시공법, 장비〉, 《일리어스21》, 2020-05-08
- 교량공학, 〈ILM 가설공법〉, 《티스토리》, 2021-07-24
- 은아빠, 〈교량 공법 - PSM 공법〉, 《네이버 블로그》, 2012-01-11
- 은아빠, 〈교량 공법 - FSM 공법〉, 《네이버 블로그》, 2012-01-11
- 뉴스룸 편집팀, 〈메가시티 트렌드와 교량 건설의 미래 1편〉, 《포스코뉴스룸》, 2017-09-15
- 뉴스룸 편집팀, 〈메가시티 트렌드와 교량 건설의 미래 2편〉, 《포스코뉴스룸》, 2017-09-25
- 류찬희 선임기자, 〈예술이 된 롱~다리… 세계 최고 한국 초장대교량 기술〉, 《서울신문》, 2016-02-26
- 박성호 기자, 〈교량 건설의 역사를 바꾼 인천대교 `개통`〉, 《이데일리》, 2009-10-15
- 홍성환 기자, 〈"교량 건설시장, 2027년 1300조원"…삼성물산 경쟁력 갖춰〉, 《더구루》, 2020-12-29
같이 보기
