썬로드의 교량이야기

상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교⑩(콘크리트 아치교가설공법)


①지보공
접지식 지보공
접지식 지보공은 비교적 평탄한 지형의 중・소 경간의 콘크리트 아치교에 적용되며, 전면적에 지보공(동바리와 거푸집을 조합한 지보공도 포함)을 설치하고 아치리브 콘크리트를 현장 타설하는 공법이다.

· Center재 가설공법

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明池大橋 (CENTER재 가설공법)

Center재 공법은 접지식지보공을 적용하기 곤란한 산악지대나 하천통과구간의 중・소 경간의 콘크리트 아치교의 가설에 적용가능한 공법으로 아치리브 하면에 Center재(아치형상을 한 강재지보재로서 일반적으로는 아치 abut상에 pin받침인 2 hinge 아치구조로 되어있다)를  설치한 다음 이를 지보재로 하여 아치리브 콘크리트를 현장 타설하는 공법이다.
아치리브 콘크리트 폐합후 Center재를 철거하고 연직재,보강형을 시공하므로 아치리브는 자립에 필요한 강성이 필요하게 된다.


· 강재아치 선행공법(합성 아치공법)

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城地橋 (합성아치공법)

강재아치 선행공법은 콘크리트의 아치리브를 직접 타설하지 않고 먼저 콘크리트보다 가벼운 철골 혹은 강관을 아치로 가설한 다음 이동작업차등을 이용하여 양측의 아치abut 에서 크라운부를 향해 강재 아치를 콘크리트로 둘러싸 마감하는 공법이다.
강재 아치용으로 철골 부재를 사용하는 공법을 Melan공법이라 하고, 강관과 강관내부를 콘크리트 로 충진시킨 합성부재를 사용하는 공법을 합성 아치공법이라 한다.
강재아치 선행공법의 특징은 Pylon공법,Truss공법에 비해 가설재의 양이 적고, 강재아치가 선행 가설되므로 인해 아치리브 콘크리트 타설 시에 구조적으로 높은 안정성을 가짐과 동시에 계곡 양안의 조기 통행이 가능하고, 시공성이 양호한 점을 들 수 있다.


②캔틸레버 가설공법
아치교에 있어 캔틸레버 가설의 특징으로는 사장교나 PSC거더교의 형태로 교각 좌우양측에서 균형을 이루면서 동시에 가설되는 형태가 아니라 아치 지점부에서 크라운을 향해 캔틸레버식으로 가설된다는 것이다.  따라서, 아치 지점부가 앵커나 카운터 웨이트의 역할을 위해 기초의 자중을 확보할 필요가 있으며 최근에는 장대화에 수반하여 대단히 규모가 커지는 경향이 있다.

·Pylon 공법
Pylon공법은 아치Abut상의 연직재 또는 Pylon에 경사케이블을 설치하고 케이블에 의해 아치리브 콘크리트를 지지하면서 캔틸레버로 가설하는 공법이다.
아치리브의 콘크리트 타설은 이동작업차로 수 미터의 block을 제작 타설하고, 타설완료후에는 완료된 Block선단까지 작업차를 이동시킨후 다음 Block을 시공하는 것을 반복하여 아치리브를 완성시킨다.

·Truss 공법

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赤谷川橋 (TRUSS 공법)

트러스 공법은 아치리브상의 연직재(연직강재)와 보강형(수평강재)의 교점에 경사 Cable을 설치하여 아치리브를 결합시킨 캔틸레버 트러스 형태로 아치리브 콘크리트를 가설하는 공법이다.
캔틸레버로 가설시의 특징은 Pylon공법과 동일하고, 트러스 형성부분의 가설시의 강성은 Pylon 공법보다 크다.


·Pylon-Melan 병용 공법

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宇左川橋 (Pylon-Melan 병용 공법)

Pylon-Melan 병용 공법은 말 그대로 Pylon공법과 Melan공법의 병용공법으로 아치리브 전구간을 Pylon공법에 의해 캔틸레버식으로 가설하지 않고, 아치리브 단부 양측은 Pylon공법에 의해 캔틸레버식으로 시공하고, 중앙부는 철골(melan재)로 임시 폐합시킨다음 콘크리트를 덧씌워 완성시키는 공법이다.
Melan재를 병용하는 공법은 아치경간이 길어 Pylon공법으로 시공시 경사 cable의 경사각이 작아져 가설시 안정성이 감소되어 효율이 떨어져 비경제적이 되는 것을 해결하기 위해 고안된 공법이다.


·Truss-Melan 병용 공법

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別府明礬橋 (Truss-Melan 병용 공법)

그림 129. Truss・Melan 병용 공법도 Pylon・Melan 병용 공법과 동일한 형태로 트러스 공법과 Melan 공법의 병용 공법으로 아치리브 전구간을 트러스 공법에 의해 캔틸레버식으로 가설하는 것이 아니라 아치리브 양측에서 트러스공법으로 가설하다 중앙부에 와서는 철골(Melan재)로 임시 폐합시킨후 콘크리트로 마감시키는 공법이다.



③ 기타 특수 가설공법 (Lowering공법)

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倉橋 (Lowering공법)

Lowring 공법은 아치 Abut상에 아치리브 콘크리트를 연직으로 Climbing form등을 이용하여 시공한 다음 아치리브 선단부를 가설케이블로 결합 시키고, 가설케이블을 풀어 아치리브를 소정의 위치까지 강하시켜 크라운부 및 스프링잉부의 콘크리트를 타설 완료 시키는 공법이다.



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상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교⑧(스팬드럴 형상에 따른 분류)


충복식 아치교

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충복식 아치교아치리브 연단에 측벽을 두고 아치리브 위에 토사를 성토한 아치교로 강교에서는 고려될 수 없는 콘크리트 아치교 고유의 구조형식입니다.
충복식 아치교의 특징은 성토재의 영향이 크고 상로식 이외에는 불가능하다는 점에 있습니다. 또, 힌지식 아치의 사례도 있긴 하지만 고정식 아치가 적당합니다. 지간장은 로마의 Risorgimiento교와 같이 지간 100m의 충복 아치교의 사례도 있으나 대부분은 50m 이하로 계획합니다.  국내에도 화진포교(고성), 신리하교(강릉) 등이 있습니다.
이 형식은 일반 토공부와 같이 동일 구조로 연속적으로 도로단면을 형성할 수 있으므로, 신축이음이 필요 없고 배수설비도 간단하여 결과적으로 유지관리가 용이합니다.
최근에는 성토재로서 EPS (발포스티로폼)을 사용하여 성토자중을 줄이는 방법도 사용되고 있다고 합니다.

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충복식 아치교 횡단면도

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충복식 아치교 - Risorgimiento교(로마)



개복식 아치교
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구조물의 작용하중(자동차하중, 보행하중, 열차하중 등)을 직접 지지하는 수평부재, 이를 지지하여 하중을 아치리브로 전달하는 역할을 하는 연직부재 및 아치리브의 3가지 부재로 구성된 아치교개복식 아치교라 합니다.
충복식과 개복식은 스펜드럴이 막혔는가(충복식) 뚫렸는지(개복식) 여부에 따라 분류됩니다.
개복식 아치교는 가장 실적이 많은 아치교 형식으로 각종 형식의 아치교개복식 아치교로 시공되어 있습니다.
콘크리트 개복식 아치교는 소교량부터 지간장이 가장 긴 중국의 Wanxian교(425m)까지 분포되어 있습니다.

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개복식 아치교 - 중국의 Wanxian교(425m)



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상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교⑦(아치리브 형식에 따른 분류)


Solid-Rib Arch

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Solid-Rib Arch는 단일한 부재로 아치리브를 구성한 것으로 아치리브가 날렵하여 미관이 우수합니다.
(부재가 간결해서 미관이 우수하다 하는데, 이건 개인차가 있습니다. 개인에 따라서는 브레이싱이 복잡한것이 더 미관이 우수하다고 하는 사람도 있습니다.).
지간이 긴 경우에는 단면이 커져 비경제적이므로 보통 Braced-Rib Arch를 사용합니다. Solid-Rib Arch는 주로 콘크리트 아치교에 사용된됩니다.(당연하겠죠..^^)

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Solid-Rib Arch - Russian Gulch Bridge



Braced-Rib Arch

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아치 지간이 길 경우 Solid-Rib Arch는 단면의 효율성이 떨어지므로 아치리브를 Brace로 보강하여 아치리브 강성을 증가시킨 형식입니다. 경제성 및 아치리브 강도가 크고 고정 아치교인 경우 지점부 처리가 용이하여 장지간의 아치교에 주로 사용되는 형식이지요. 보는 사람의 관점에 따라 다르겠지만 보통 Brace 부재가 복잡하게 교차하여 미관이 떨어진다고 합니다.

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Braced-Rib Arch - 일본 西海橋



Spandrel Braced Arch

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아치 복부(Spandrel)를 보강한 것으로 미관이나 강성측면에서는 Braced-Rib Arch와 비슷한 특징을 갖습니다. 지간 100m 이상에서는 거의 사용하지 않으며 아래 사진과 같이 같이 연속구조이고 FCM 공법을 이용할때는 유리하다고 합니다.



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Spandrel Braced Arch - Eads Bridge



Pipe Arch

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파이프 아치교아치리브나 기타 부재가 파이프 단면으로 된 아치교를 말합니다. 파이프 아치교는 국내에는 보도교에 다수의 시공실적이 있으나 도로교에는 아직 시공실적은 없는 형식입니다.(제가 알기론 그렇습니다.)  해외에는 1964년 완공된 Kaiselei Bridge(220m)와 1966년 완공된 일본의 松島橋(126m, 아래그림)등이 있습니다.
파이프는 아치부재로써 종래 박스거더 단면이나 I형 단면과 비교하여 압축, 비틀림에 대해 유리하며 등방성으로 단면 2차 반경이 크고, I형이나 박스형 단면에 비해 풍압계수가 작다는 장점이 있습니다. 또한 미관이 수려하고 내후성이 우수하며 유지관리가 편리합니다. 그러나 파이프 아치교에서는 부재의 접속상태가 복잡하고, 현장용접으로 부재를 연결해야 한다는 단점이 있습니다.

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Pipe Arch - 일본 松島橋



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상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교⑥(구조계에따른 분류2)


랭거형(Langer Girder)

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랭거교는 고안자인 오스트리아의 Langer의 이름을 딴 것으로 아치리브 강성보다 보강형의 강성이 크고 수직재와 다른 부재와의 결합을 Pin 구조로 가정하여 아치리브가 주로 축력을 전담한다. 그러나 아치리브와 보강형의 접속부가 복잡하고, 로제 아치에 비해 아치리브의 강성이 작으므로 수직재(Hanger)의 간격이 좁아지는 단점이 있다. 50~200m까지 적용할수 있다고 알려져있다. Hanger를 수직재 대신 사재를 사용하는 교량은 트러스 랭거형(Truss Langer Girder)라고 한다.

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랭거아치교 - 동작대교



로제형(Lohse Girder)


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로제교는 <그림 27>과 같이 휨강성을 가지는 아치리브와 보강거더를 양단에서 연결하고 아치리브와 보강거더간을 양단힌지의 수직재로 연결한 구조이며, 랭거교와 타이드아치교의 중간적인 성질을 갖는다. 아치리브의 강성이 크기 때문에 랭거교에 비해 수직재 간격을 늘릴수 있으며 아치리브와 보강형의 접속부 연결이 용이하다.

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로제아치교 - 일본 泉大津大橋



닐센계(Nielsen System)
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Nielsen계는 스웨덴의 O.F Nielsen에 의해 제안된 교량형식으로 타이드아치, 랭거교, 로제교 등이 수직재를 Flexible한 사인장재 (Rod, 강봉) 및 Cable로 대신한 수직재를 Warren Truss형으로 조립한 교량을 총칭하여 Nielsen계 교량이라고 한다. 한강의 서강대교가 아치지간 150m로 대표적인 예이다. 닐센계 교량은 경사재가 교량의 전단변형 억제에 기여하여 일반아치교에 비해 처짐이 작으며 장경간에 유리한 구조이다.

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서강대교



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상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교⑤(구조계에따른 분류1)


① 2힌지 아치교 (2-Hinged Arch Bridge)

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일반아치교에서 가장 폭넓게 사용되는 형식으로 미관 및 경제성이 우수하나 지반상태가 좋은곳에서 적용가능합니다. 아치리브를 트러스구조의 Braced Rib를 적용하였을 경우 300m 이상의 교량에도 적용가능합니다.


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Cold Springs Canyon Bridge

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부산대교


② 3힌지 아치교 (3-Hinged Arch Bridge)

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3힌지 아치는 2힌지 아치의 크라운에 힌지를 추가한 것으로 정정구조입니다. 그러나 교량의 중앙에 힌지를 설치하는 것은 힌지에서의 처짐이 과다해지고, 내구성이 저하되어 초기 아치교 이후로는 거의 사용되지 않는 구조입니다.


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High Bridge (미국)

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High Bridge의 내부힌지


③ 고정 아치교 (Fixed Arch Bridge)

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아치교로서는 가장 경제적인 형식이나 지점에서 수평반력 외에 고정모멘트가 크기 때문에 지지력이 양호한 지반에서만 적용 가능합니다. 다른형식에 비해 강성이 크므로 처짐량은 적으나 장지간의 아치교에서는 부가응력이 상당히 커지는 단점이 있습니다.
고정아치교는 지점을 힌지로 처리하기 곤란한 콘크리트 교에 주로 사용됩니다.

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Alexander Hamilton Bridge

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Arrabida Bridge (포루투칼)


④ 타이드 아치교 (Tied Arch Bridge)

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타이드 아치교아치리브에서의 수평반력을 Tie로 부담시켜 아치 지점부에서는 연직반력만이 전달됩니다. 따라서 수평력이 크게 작용하지 않아 지반상태가 양호하지 않은 곳에서도 적용가능한 형식입니다.
그러나 아치리브가 과대해지는 경향이 있어 경제성 측면에서 불리한 단점이 있습니다.

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한강대교

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워싱턴의 tied-arch교



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교량은 단순히 건너가는 것이 아니라 사람과 사람을 연결하는 도구입니다. 공학적으로 어쩌구 저쩌구 보다는 일상생활에서 접할수 있는 쉽고 재미있는 "다리"를 이야기합니다.

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