[논문]시공 중 교량붕괴와 구조해석(I)

류형근

문제 정의

붕괴의 원인은 시공 이음부의 전단 슬립과 가교각 자체의 결함과 편심재하에 의한 것으로 알려져 있다. 이에 대해서는 “시공 중 교량붕괴와 구조해석 (II)"에서 시공단계해석과 함께 좀 더 자세히 고찰해보고자 하였다.
과거와 최근의 시공 중 발생한 교량 붕괴사고로부터 시공단계 해석 시 고려해볼 사안에 대해서 생각해보았다. 궁극적으로 우리가 원하는 구조물을 안전하게 건설하고, 제 기능을 발휘할 수 있도록 하기 위해서는, 그 구조의 기능, 설계 및 시공법에 대한 철저한 이해 및 소화가 필요하다는 것을 알 수 있다.
이 러한 실패들은 교량 기술자들이 강박스 거더교의 설계에 관해 의문을 갖게 하였다. 따라서 시공 중에 발생할 수 있는 문제들에 대해 많은 연구자들이 의문을 제기하고 연구하였다.
붕괴의 원인이 부실공사로 인해서든, 지식이나 기술이 부족해서든, 근본적으로는 불완전한 인간이 그 원인이라고 생각된다. 본 기사에서는 과거와 최근에 일어난 일련의 교량붕괴사고를 살펴보고, 이를 통해 시공과 관련된 구조해석에 관해 조명해보고, 시사점을 도출해보고자 한다.

제안 방법

West Gate 박스거더의 경우 시공의 용이성을 위하여 각 캔틸레버 박스 단면은 두 개의 단면으로 조립되어 제 위치에 올려놓고 볼트로 접합했다. 90m 가량 밀어내었을 때 서쪽 캔틸레버 단면의 두 단면 사이의 선형이 맞지 않아, 상판의 반쪽을 다른 반쪽과 연결하는데 충분히 처질 수 있도록 지간을 잭업하는 대신 시간을 벌기위하여 60톤의 콘크리트로 조정하기로 결정하였다. 결국, 분리된 상판양쪽을 연결한 중앙연결 판에 좌굴이 발생하여 붕괴 사고가 발생한 것이다.

대상 데이터

특히, 토목공사 사고의 발생 중에서 시공 상에서발생되는 문제가 큰 것으로 조사되었다. 토목구조물의 계획, 설계, 시공, 운영의 단계 중에 문제의 원인이 어느 단계에 있으며 이들 문제점이 어떤 단계에서 노출되는 것인가에 대해 사우어 교수는 500건의 실패사례를 분석하였다. 그 결과, 시공 중에 노출된 문제 또는 사고 중의 50%는 설계에 잘못이 있었으며 나머지 50%는 시공 잘못이었다.
실종되는 사고가 일어났다. 후난성 펑황현 강을 가로지르는 길이 320m, 높이 42m인 아치형 교량 디시돤(堤溪段)대교가 완공을 앞두고 갑자기 무너져 내렸다. 다시돤대교는 후난성 펑황현과 구이저우(貴州)성 다싱(大興) 공항을 연결하는 고속화 국도 구간에 있는 다리로 관광객 유치를 위해 아치형으로 설계된 것이었다.

성능/효과

그 결과, 시공 중에 노출된 문제 또는 사고 중의 50%는 설계에 잘못이 있었으며 나머지 50%는 시공 잘못이었다.2) 설계 잘못으로 인한 문제 또는 사고 중 3분의 1은 시공 중에 노출되었으며 나머지 3분의 2는 운영 중에 노출되었다. 따라서, 시공 중에 발생한 사고가 전체 조사된 사고 건수의 63%에 이른다는 것이다.
바닥판 콘크리트 타설이 부분적(Segment별)으로 타설되어 있는 상태에서는 돌풍 등에 따른 공기동력학적 외력에 의해 편심과 비틀림변형이 일어나기 쉬운 상태로서 붕괴사고가 발생된 것으로 분석되었다. 결론적으로, 팔당대교 붕괴 당일은 이상기상 상태에서 지형적 특성에 따른 바람의 여울현상 및 돌풍에 의해, 가설 중에 있는 장대교가 공기의 소용돌이와 와류에 의해, 공기 동역학적 진동현상이 발생하게 되었고, 시공 시 지보공 Bent구조상단부와 교량상판 거푸집의 연결부의 취약한 원인 요소들이 복합적이고 동시다발적으로 상승 작용되어 붕괴 사고와 재해가 일어났으며, 근본 붕괴원인은 공기의 소용돌이 또는 와류에 의한 진동(Vortex- induced Vibration)에 따른 것으로 판단하였다.
토목구조물의 계획, 설계, 시공, 운영의 단계 중에 문제의 원인이 어느 단계에 있으며 이들 문제점이 어떤 단계에서 노출되는 것인가에 대해 사우어 교수는 500건의 실패사례를 분석하였다. 그 결과, 시공 중에 노출된 문제 또는 사고 중의 50%는 설계에 잘못이 있었으며 나머지 50%는 시공 잘못이었다.2) 설계 잘못으로 인한 문제 또는 사고 중 3분의 1은 시공 중에 노출되었으며 나머지 3분의 2는 운영 중에 노출되었다.
팔당대교는 지형적인 상습돌풍지역으로 붕괴사고 당시 풍속 15nMsec이상으로 추정되었고, 높이가 30m나 되는 Bent의 강재 지보공을 연결하는데 따른 구조적 결함으로 인한 수평력, 수직력, 동적하중 등의 외력하중에 대한 저항이 약화된 것으로 조사 분석되었다. 바닥판 콘크리트 타설이 부분적(Segment별)으로 타설되어 있는 상태에서는 돌풍 등에 따른 공기동력학적 외력에 의해 편심과 비틀림변형이 일어나기 쉬운 상태로서 붕괴사고가 발생된 것으로 분석되었다.

후속연구

시공 현장의 바람 특성을 정확히 파악하고 이를 하중으로 정확히 반영하여, 여러가지 시나리오를 바탕으로 한 구조해석이 사전에 수행된다면, 대처방안을 마련하고 사전에 붕괴를 방지할 수 있을 것이다.
이처럼 시공단계해석이 갖는 의미는 매우 크다고 생각된다. 실제 현장에서 일어나는 매 단계별 구조상의 변화와 작용하중을 엄밀히 고려하고 실제 상황을 적극 반영한 구조해석을 수행한다면 시공 중 붕괴되는 사고를 최소화할 수 있을 것이다.
이처럼 새롭게 등장하는 기술의 적용 시에는 여러가지 문제에 대해 사전에 많은 고려가 필요할 것이다. 운반 도중에 발생한 사고의 예에서도 알 수 있듯이 정확한 하중의 산정과 운반 시 발생가능한 응력과 연결부에서의 부담능력 등에 대해서 사전에 충분한 인지가 필요할 것이다.

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