썬로드의 교량이야기

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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상부구조에 따른 교량의 종류(5)...아치교④(아치교의 분류)



아치교아치교의 구성요소인 상판, 스팬드럴, 아치리브등의 단면형식과 특성, 그리고 구조형식에 의해 분류할 수 있습니다.
아래 그림은 아치교의 분류를 나타낸 것입니다.(엄청 많죠? 여기 없는 것들도 꽤나 많습니다.)
①주행노면, ②아치리브의 지지상태, ③아치리브의 형상, ④보강형의 구조, ⑤보강형의 단면, ⑥바닥판 구조, ⑦현재 배치, ⑧사재 형상, ⑨사재의 특성으로 아치교를 분류하였고 ⑩은 ①~⑨를 조합한 것입니다.
여기서 a는 기본형식, c와 d는 응용된 형식입니다.

①주행노면위치에 따른 분류
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아치리브의 지지상태에 따른 분류
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아치리브의 형상에 따른 분류
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④보강형의 구조에 따른 분류
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⑤보강형의 단면에 따른 분류
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⑥바닥판 구조에 따른 분류
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⑦현재 배치에 따른 분류
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⑧사재 형상에 따른 분류
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⑨사재의 특성에 따른 분류
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⑩①~⑨를 조합
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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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