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문제 정의
- 본 기술기사에서는 부산항대교 중 주교량인 강합성사장 교를 중심으로 실시설계(2007년 1월)의 주요사항에 대해 설명하였다.
- 실시설계에서는 상부의 가설단계를 총 210단계로 구분하여 가설 중 케이블의 도입장력을 가정한 순방향 시공단계해석을 반복적으로 수행하고 이를 통해 고정하중과 케이블 장력이 평형을 이루는 초기평형상태를 결정하였다. 초기평형상태는 완성계 하중조합과 가설계에서 부재의 안전성을 효율적으로 확보하고 주탑의 변위를 최소화하는 것을 목표치로 선정하였다.
제안 방법
- 1980년 미국의 Sunshine Skyway Bridge가 선박 충돌로 붕괴된 이후 선박충돌에 대한 합리적인 설계기준에 대한 요구가 높아지기 시작했으며, 이러한 요구에 따라 제정된 AASHTO LRFD(1994)의 AASHTO Design Method II에 의거하여 설계선박의 선정, 선박충돌 위험도 분석을 수행하였다.
- AASHTO Mothod II에 의한 항로이탈확율(1.9×10-4), 기하학적 충돌확율(0.0929), 선박충돌속도(6knot) 등을 고려하여 주탑 각각에 대한 10,000년 빈도의 등가설계충돌선박과 설계하중을 표 5와 같이 결정하였고, 이를 교량 설계 시 기초에 작용하는 하중으로 적용하였다.
- 교량 완공 후 뿐 아니라 상부 가설 중의 내풍안정성 검토를 위해 상사율 1/160의 전교모형에 대한 대형경계층 풍동 (폭:23.0m)에서 실험을 수행하였다. 발산진동에 대해서는 앞의 설계풍속에 안전율 1.
- 동축 주탑(MP3)은 직접기초(20×40m, h=12.7m)를 적용하고 차수공법은 Strut로 보강된 지중연속벽을 적용하였다.
- 또한 케이블이 정착되는 부분이나(그림 10), 지진 시 상 부구조물의 관성력을 두 주탑에 균등하게 작용시키기 위한 지점구속장치( LUD,Lock-Up Device) 등 응력집중이 예상되는 구간에 대한 FEM 상세해석을 수행하여 안전성을 확인 하였다.
- 73m)을 적용하였으며(그림 8(a)), 케이블이 설치되지 않는 단부 경간에는 중앙에 박스거더를 추가로 배치하여 충분한 강성을 확보하도록 계획하였다. 또한 프리캐스트 바닥판을 적용하여 크리프, 건조수축의 영향을 최소화하고 보강형 세그먼트의 표준 가설 Cylcle Time을 단축하도록 하였다.
- 부산항대교(사장교)에서 주탑 사이 거리인 중앙경간장은 항로 폭 350m의 확보와 선박통항 안전성, 주탑 기초의 시공성, 경제성 등을 감안하여 540m로 계획되었다. 또한, 내 풍안정성 향상을 위해 높이 190m의 주탑은 다이아몬드 형태로 계획하였으며, 사장케이블(stay cable)에는 풍하중의 영향을 축소할 수 있는 형식인 PWS(Parallel Wire Strand) 케이블을 적용하였다.
- 보강형의 공기력 진동 발생을 억제하는 최적의 단면형상을 선정하기 위해 Extension이 설치된 형상에 따라 상사율 1/80의 보강형 모형에 대해 2차원 풍동실험을 수행하였다.
- 보강형의 바닥판과 플랜지는 축력에 대해 전폭이 유효한 것으로 가정하고, 휨에 의한 전단지체 효과를 고려하기 위해 활하중에 의한 등가지간장을 산정하여 유효폭을 결정하 였으며, 도로교설계기준(2005년), 본주사국연락교공단 기준 (일본, 2001년) 등에 따른 완성계 하중조합(표 2)에 대해 충분한 안전성을 확보하도록 설계하였다.
- 사장교 주탑은 형상(形狀)에 따라 다양한 경관을 연출할 뿐 아니라 구조적 성능에도 크게 영향을 미친다. 부산항 대교 주탑 형상은 바람에 대한 비틀림 강성을 보다 효과적 으로 확보할 수 있고 기초구조물의 규모를 축소하여 경제성 측면에서 유리한 다이아몬드형으로 선정하였다.
- 부산항대교의 보강형은 주경간장 500m 내외의 사장교에 적용사례가 많고 도장면적과 강중이 작아 유지관리, 경제성 측면에서 유리한 Edge-I 거더 형식(형고 : 2.73m)을 적용하였으며(그림 8(a)), 케이블이 설치되지 않는 단부 경간에는 중앙에 박스거더를 추가로 배치하여 충분한 강성을 확보하도록 계획하였다. 또한 프리캐스트 바닥판을 적용하여 크리프, 건조수축의 영향을 최소화하고 보강형 세그먼트의 표준 가설 Cylcle Time을 단축하도록 하였다.
- 7m)를 적용하고 차수공법은 Strut로 보강된 지중연속벽을 적용하였다. 서측 주탑과 마찬가지로 시공 중 및 공용 중에 선박이 충돌하는 경우에 대한 대책으로 지중연속벽 시공 전에 사석 축도를 조성하여 기반암 굴착 및 기초 구조물 시공이 육상화 작업이 되도록 하였으며, 사석축도의 경사면이 인근 부두의 접안구역에 접하는 부분은 호안블록으로 계획하였다 (그림 5(b)).
- 설계선박 이상의 예상치 못한 선박 충돌에 대비하여 대형선박의 충돌에 가장 효과적인 인공섬식(Island Protection 형식) 충돌방지공을 적용하였다(그림 15). 이 형식은 뛰어 난 에너지 흡수 능력을 보유하고 있으며, 충돌 시 주탑과 충분한 이격거리를 확보할 수 있어 2차 피해에도 예방할 수 있으며, 다른 형식에 비해 선박의 피해를 최소화 할 수 있다.
- 시공단계해석은 장대교량 전용해석 프로그램인 RM2004 를 이용하였으며 보강형과 가로보를 3차원 격자구조로 모 델링하고(그림 11), 고정하중의 실중량을 산정하여(표 3) 해당 위치의 부재별로 분산하여 재하하였다.
- 부산항대교와 같이 다수의 케이블(강선)로 강과 콘크리트의 합성으로 된 보강형을 지지하는 사장교는 고차부정정 (高次不靜定)구조의 특성과 콘크리트 바닥판의 시간의존 적인 특성을 모두 지니고 있어 이를 고려한 시공단계해석이 반드시 필요하다. 실시설계에서는 상부의 가설단계를 총 210단계로 구분하여 가설 중 케이블의 도입장력을 가정한 순방향 시공단계해석을 반복적으로 수행하고 이를 통해 고정하중과 케이블 장력이 평형을 이루는 초기평형상태를 결정하였다. 초기평형상태는 완성계 하중조합과 가설계에서 부재의 안전성을 효율적으로 확보하고 주탑의 변위를 최소화하는 것을 목표치로 선정하였다.
- 이 설계풍속을 기준으로 보강형의 2차원 풍동실험, 독립 주탑 풍동실험, 3차원 전교모형 풍동실험을 수행하였으며 버페팅(buffeting) 해석을 통해 변동공기력에 의한 주요부재의 안정성을 검토하였다.
- 측경간장은 매개변수분석을 통해 사장교 앵커케이블의 설계와 교량의 강성이 최적화되도록 227m(측경간비 : 0.42) 로 결정하였으며, 3경간 사장교에 비해 교량의 수직강성 증가, 부반력 감소, 부재력 감소가 가능하도록 측경간에 중간 교각을 설치하여 60+227+540+227+60m의 경간구성을 갖는 5경간 사장교로 계획하였다(그림 4).
- 케이블이 정착되는 주탑의 상단부는 주탑 내부에서 케이블을 긴장할 수 있도록 작업 공간(내부, 3.0×3.5m)을 확보하고, 케이블 장력에 의해 콘크리트 단면에 발생하는 인장응력을 제어하기 위해 강봉(PT Bar)을 설치하였다(그림 7).
- 특히, 북항의 고시항로를 준수하고 선박통항 시 교량의 안전성 확보를 위한 선박운항 시뮬레이션, 선박충돌방지공 설계 등을 수행하였으며, 3차원 전교모형 풍동실험(風洞實 驗) 등을 통해 태풍에 대한 안전성을 확보하였다.
- 폭 28.7m(6차로)의 보강형은 압축강도 45MPa의 프리캐스트 콘크리트 바닥판을 갖는 Edge-I 거더를 적용하였으며, 보강형 쪽 케이블 정착구는 1:10으로 경사진 거더의 복부 판 확장 형식으로 계획하여 케이블과 부재축선이 일치되도록 하였다.
대상 데이터
- 당시 기본설계에서는 부산항을 통과하는 주 교량을 총 연장 850m (200+450+200m)의 강사장교(鋼斜張橋)로 계획하였다. 초기 검토 단계에서는 교량 계획 노선이 부산항 내 항(內港)에 위치한 해군함대의 작전지역에 포함되어 교량 이 아닌 침매터널이 검토되기도 하였으나 해군함대가 이전 함에 따라 교량으로 계획되었다.
- 부산항 입․출항 기록 등 선박 교통량 검토, 통항로 분석과 장래 항만개발계획 등을 종합적으로 검토한 결과 표 4와 같이 2011년의 선박운항을 예측하였다.
- 부산항대교(釜山港大橋)는 부산광역시 영도구 청학동에서 부산항(釜山港)을 가로질러 남구 감만동까지 총연장 3.331km의 교량으로(그림 1), 부산신항과 기존의 부산항을 잇는 항만배후도로(港灣背後道路)의 일환으로 계획되었다
- 서측 주탑(MP2) 기초 형식은 현장타설말뚝(ϕ2.5m, 48본) 을 적용하고 차수공으로 2열 Sheet Pile을 적용하였다. 주변으로는 사석 축도를 시공하여 시공 중 및 공용 중 선박 충돌에 대한 안전성을 확보하였다.
- 초기 검토 단계에서는 교량 계획 노선이 부산항 내 항(內港)에 위치한 해군함대의 작전지역에 포함되어 교량 이 아닌 침매터널이 검토되기도 하였으나 해군함대가 이전 함에 따라 교량으로 계획되었다. 이후 현대산업개발(주) 컨소시엄의 민자설계와 실시설계를 거쳐 지금과 같은 총 연 장 1,114m(60+227+540+227+60)의 강합성사장교(鋼合成斜張橋)로 설계되었다. 부산항대교라는 교량명은 기본설계 이후 북항대교(北港大橋)로 불려 지다가 지난 2014년 2월 시민공모를 통해 결정되었다
- 주탑기초 형식은 주변 수심, 지지층 분포 등을 고려하여 선정하였다. 서측 주탑(MP2)의 경우 주변 수심은 평균 8m 이고 지층분포는 상부에 느슨한 모래층이 평균 8.
- 주탑의 높이는 유사교량 사례 조사와 높이를 매개변수로 한 구조해석결과 및 문헌에 의한 조사된 내용을 통해 보강 형 위에서부터 높이가 135m인, 전체 주탑 높이 190m의 콘크리트 주탑으로 계획하였다(그림 6).
- 케이블은 소켓, 소선, 케이블이 일체로 공장에서 제작되어 품질이 우수하고 직경이 작아 MS형식에 비해 풍하중이 22%감소하는 등 내풍안정성이 우수한 PWS 케이블을 적용하였다(그림 8(b)).
이론/모형
- 주변으로는 사석 축도를 시공하여 시공 중 및 공용 중 선박 충돌에 대한 안전성을 확보하였다. 기초가 놓이는 지역은 느슨한 모래층이 최대심도 10.5m(평균8.5m)까지 확인되어, 지반 액상화 방지와 더불어 말뚝의 수평저항력 증대를 위해 쇄석다짐말뚝공법을 적용하였다(그림 5(a)). 2열 Sheet Pile 은 이후 지중연속벽으로 변경하여 시공하였다.
- 내풍안정성 검토를 위한 설계풍속의 산정(算定)이나 하 중조합의 결정을 위한 설계기준으로 국내 도로교설계기준 과 본주사국연락교공단기준(일본, 2001) 및 BS Code(영국, 2003)를 적용하였고, 이에 따라 보강형 높이에 대한 설계풍속(Vd)으로 60.5m/sec(가설중은 52m/sec)가 적용되었다.
성능/효과
- 검토결과 허용응력에 대해 보강형은 최대 99%, 케이블은 80%~97%의 응력수준을 나타내고 있으며(그림 9), 시공 중에 보다 정확한 구조물 자중, 가설하중, 시공계획 등을 재검토하여 독립적인 시공단계해석을 수행 후 그 결과를 시공에 반영하였다.
- 또한 보강형 단면에 대한 공기력 실험 결과 영각 0o에서 항력계수 1.18, 양력계수 -0.09, 피칭모멘트계수 0.01로 산출되어 도로교 설계기준에서 제시하고 있는 값보다 작아 정적내풍설계의 안전성이 충분함을 확인하였다.
- 선박충돌방지공이 설치된 경우를 가정한 충돌에 대한 비선형 동적 시간이력해석 결과(그림 17), 주탑에 전달되는 충돌하중은 설계하중 80MN의 60%수준(50MN)으로 교각의 안전성이 충분히 확보되었으며, 선수변형에 따른 2차 충돌을 방지할 수 있었다.
- 실험결과 Extension을 설치하지 않은 기본단면의 경우와 류진동이 저풍속(10~20m/sec)에서 발생하고, 비틀림 플러터 (flutter)가 풍속 50m/sec미만에서 발생하고 있어 제진대책이 필요한 것으로 나타났으며, 그림 13에 나타난 바와 같이 2m×1.5m 크기의 Extension을 설치하는 것이 버페팅 진폭이 작고 한계풍속 내 플러터가 발생치 않아 제진효과가 가장 우수한 것으로 검토되어 최종 단면으로 선정하였다.
- 실험결과 가설계, 완성계 모두 설계풍속(플러터한계풍 속)을 상회하는 풍속에서도 와류진동 및 플러터는 발생치 않아 매우 안정된 내풍성을 나타내고 있어 별도의 내풍대 책은 필요치 않는 것으로 검토되었다.
- 이에 따라 MP3의 경우 기초깊이를 50%이상 축소할 수 있었고, 육상화 시공이 가 능하게 되어 시공성 향상과 공사비 절감이 가능하였다.
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