작성자 : 디엠엔지니어링 김창수전무 (사장교 설계 책임자, 정회원)

▪세계 최장의 콘크리트 사장교인 고덕대교

고덕대교(가칭)는 구리암사대교와 강동대교 사이에 위치하여 한강을 횡단하는 고속국도 제29호선 세종~포천(안성~구리) 고속도로 건설공사(제14공구:고덕~토평) 구간의 본선교량이다. 주경간교인 사장교는 주경간장 540m, 전체 연장은 1,000m으로써 완공된다면 세계 최장의 콘크리트 사장교가 된다. 전체 사업은 2016년에 T/K(확정가격최상설계)로 발주되어 현대건설 컨소시움이 수주였으며, 2017년에 착공되어 현재 시공중에 있으며 주경간교는 2022년 말에 완공 예정이다.

▪시종점 구간에는 확폭부와 곡선부가 포함 

주경간교의 폭원구성은 표준차로 구간에서 왕복 6차로이지만 시종점 구간에 올림픽대로와 강변북로와의 접속이 필요하므로 폭원이 37.6m에서 46.6m까지 변화된다. 또한 한강 상에 주탑과 교각 설치를 최소화하기 위한 경간계획을 수립하였으므로, 불가피하게 사장교 구간에 곡선의 평면선형이 발생하고 있으므로 엄밀하게 얘기하자면 곡선 사장교인 셈이다.

따라서 시공단계 해석을 수행하는데 있어서 주경간측과 측경간측의 폭원 차이로 인한 좌우 평형을 맞추는 반복적인 검토가 필요로 했으며, 평면 곡선에 따른 주탑의 비틀림 모멘트가 추가되는 등의 비대칭 곡선교에 따른 어려움이 있다. 향후 설계에 있어서는 사장교 구간에 평면곡선이나 폭원 변화는 가급적 피하는 계획이 설계나 시공 측면에서 매우 유리하다 하겠다.

▪80MPa 콘크리트, 2400Mpa 강연선이 적용된 초장대교량사업의 Testbed

전체적인 보강거더의 단면형상은 곡선형으로 외측 캔틸레버에 4m 마다 가로보를 두어 캔틸레버의 구조효율성 뿐만 아니라 미관 측면에서도 우수한 단면으로 계획하였으며, 박스 내부에는 폐합형의 다이아프램이 아닌 개방형의 가로보를 두어 자중을 감소시키고 박스의 비틀림 강성을 증가에 따른 상하부 슬래브의 안전성을 증가시켰다. 또한 보강거더의 재료적인 측면에서 압축강도 80MPa의 고성능 콘크리트가 적용되어 단면의 두께를 최소화하였으며, 이를 통하여 콘크리트 사장교에서 중량이 무거워지는 단점을 극복하였다. 보강거더 내부에는 인장강도 2,400MPa의 PS강연선이 적용되어 단면의 효율성이 증가되었다.

콘크리트의 압축강도가 높고 부재의 두께가 얇은 단면의 경우에는 공용 중 뿐만 아니라 시공 중 균열에 대한 검토가 필요로 한다. 특히 고덕대교와 같이 폭원이 넓은 경우에는 세그먼트 타설시 교축 방향의 수축 뿐만 아니라 교축직각 방향으로의 수축에 의한 균열이 발생할 수 있음에 유의해야 한다. 기존과 다른 새로운 단면을 계획할 경우에는 발생 가능한 다양한 거동특성에 대해서 충분한 검토가 필요로 하며, 특히 3차원 FEM 해석에 의한 국부검토가 유용하게 적용될 수 있다.

▪인장강도 2,160MPa의 초고강도 사장케이블

케이블 형식은 개별적인 긴장방식으로 긴장 장비를 최소화할 수 있고, 개별 스트랜드 교체가 가능하여 유지관리에 유리한 MS(Multi Strand) 형식으로 적용되었다. MS 형식은 초장대교량사업단의 연구성과인 인장강도 2,200MPa급 초고강도 케이블의 적용이 가능하였다. 초고강도 사장케이블은 기존에 사용되는 인장강도 1,860MPa의 케이블에 비하여 중량을 약 14% 정도 감소할 수 있으므로, 보강거더의 중량이 무거운 콘크리트 사장교에서 케이블 단면을 감소시킬 수 있으므로 적용성이 우수하다.

최종적으로 시공에 적용된 케이블은 각종 성능시험을 통해 양산단계의 효율성을 높인 인장강도 2,160MPa의 초고강도 사장케이블이 적용되었다. 초고강도 케이블을 적용하게 되면 기존 케이블에 비하여 단면적은 작고 장력이 높기 때문에 케이블의 새그(sag)가 작음을 알 수 있다. 또한 케이블의 진동발생에 있어서 장력 대비 케이블의 직경이 작아 유리한 측면이 있으며, 특히 와류진동의 경우 직경이 작을수록 유리하다. 그러나 초고강도 케이블의 경우 대량생산이 본격화되지 않아 경제성 측면에서 불리할 수 있으나, 점진적으로 계획되는 교량에서의 사용이 증가되고 있으므로 고강도화가 대세라고 할 수 있다.

▪하부규모 감소가 가능하고 미관이 우수한 1주 형식의 콘크리트 주탑

1주 형식의 주탑은 비틀림 강성이 큰 박스형 보강거더의 단면 중앙부에 위치하므로 기초규모를 최소화할 수 있다. 또한 콘크리트 사장교에서는 케이블 간격이 상대적으로 좁고, 2면 케이블인 경우에는 케이블 개수가 많아지며 이에 따른 케이블 간의 간섭으로 자칫 번잡해질 수 있으나, 1주 형식의 주탑은 미관을 단순화시키는데 유리하다. 1주 주탑의 특성상 케이블이 1면으로 배치되므로 교축직각 방향으로 지지되지 않아 세장한 부재가 되므로 이에 따른 세심한 검토가 필요하다.

주탑 단면은 일반적으로 미관이 우수한 형상을 선정하지만, 케이블 정착구의 배치에 따른 구조 효율성 측면에 따라서 결정될 수 있다. 가장 일반적인 주탑 단면은 4각형의 중공단면으로 구조 효율은 유리하지만 미관이 좋지 않다. 고덕대교에서는 케이블 정착구 배치에 효율적이며, 외측 미관의 향상에 도움이 되는 6각형 단면 형상을 선정하였다. 주탑 케이블 정착부는 케이블에 의한 인장력에 저항하기 위하여, 정착부 위치의 국부적인 철근 보강 이외에 휨인장과 직접 인장에 저항하기 위한 곡선형의 강연선 배치를 고려하였다. 주탑 단면이 6각형의 형상을 가지고 있으므로 강연선의 곡선 배치가 가능하였으며, 스트럿-타이 모델에 의한 검토와 더불어 FEM 상세해석으로 관용적인 검토 결과를 검증하였다.

(a) 케이블 정착부 모델링

 (b) 곡선 강연선과 보강철근

케이블이 정착되는 주탑 단면에서는 기둥의 주철근과 횡방향 철근이 배치되고, 케이블 정착부의 국부보강을 위한 보강철근이 배치되며, 케이블력에 의한 휨과 인장력에 저항하기 위한 강연선 정착구의 보강철근과 곡선부 보강철근이 배치된다. 따라서 각 철근의 배치가 매우 복잡하므로 BIM을 통해 간섭을 최소화시켰다.

▪지지암반의 심도가 깊지 않은 지반에 유리한 직접기초

한강 상에 놓인 교량들은 지지암반의 깊이가 깊지 않아 직접기초와 우물통 기초가 대부분 적용되었다. 고덕대교에서의 지반 현황도 이와 유사하게 지지암반이 조기에 돌출되므로 가물막이를 적용하는 우물통 기초와 직접기초 형식을 고려하였다. 우물통 기초는 수평 지지력에 의한 저항으로 활동 및 전도에 우수하나, 기반암의 발파량이 과다하다는 단점이 있다.

또한 주탑 기둥 하단(혹은 기초 상면)의 위치를 수면 위 또는 아래로 결정하는 가에 따라 기초형식이 결정될 수 있다. 고덕대교가 위치한 하상 조건은 왕래하는 대규모의 선박이 없으며, 홍수 시에 주탑 기둥의 일부분(평수위 EL. 7.01m, 홍수위 EL. 19.77m)이 수중에 잠기게 되므로 기초의 상면이 평수위 위로 돌출될 필요가 없다. 따라서 한강 상에 놓이는 주탑(PY1, PY2) 및 종점부 접속교각(P4)의 기초는 지지암반의 깊이가 깊지 않고 기반암의 굴착을 최소화할 수 있는 직접기초 형식을 적용하였다.

▪기술발전을 향한 토목구조 기술자의 자세

세계 최장의 콘크리트 사장교인 고덕대교의 계획에 대한 내용을 간략하게 소개하였으며, 설계/시공 중에 발생했던 문제점을 언급하였다. 새롭게 시도되는 기술이 많은 교량인 만큼 시행착오와 예기치 않은 문제점이 발생하여 이를 해결하면서 시공을 진행하고 있다. 보강거더에서는 80MPa의 고강도 콘크리트에서의 배합, 양생 및 타설 그리고 균열 제어 등의 문제들이 발생하였다. 또한 주탑에서는 케이블 정착부 보강을 위한 곡선형의 강연선 등 항상 처음 시도되는 기술에는 어려움이 있으나 이를 극복하기 위한 과정에서 기술의 발전과 노하우가 축적될 것으로 판단된다.

기존에 경험했던 기술을 답습한다면 큰 어려움은 없겠지만 기술발전에서는 한계가 있을 수 밖에 없다. 새로운 설계법, 재료 및 시공방법 등을 끊임없이 연구하여 적용하는 것이 토목구조 기술자가 앞으로 계속 노력해 나가야 하는 방향으로 보인다.