썬로드의 교량이야기

한강의교량(9)...성수대교


한강교량 시리즈 간만에 다시 시작합니다.
상류에서 9번째 교량인 성수대교입니다.


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남단에서 바라본 성수대교

성수대교는 서울시 성동구 성수동과 강남구 압구정동을 연결하는 다리로 길이 1,161m, 너비 35m(8차선)의 교량입니다.
한강의 11번째의 교량으로 영동의 신도시 개발에 따른 서울 동부권의 균형있는 발전을 도모하고 서울의 부도심으로서의 기능을 촉진하며 인구분산과 교통난 해소를 위해 1977년 4월 착공하여 1979년 10월 준공하되었습니다.
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성수대교 하부전경

최대 경간장은 120m인 Gerber Truss 교로서 상부구조는 강재로 구성되어 있고 하부구조는 콘크리트로 되어 있습니다. 기초는 하상구간에 우물통, 기타 고수부지 구간에는 말뚝기초를 사용하였으며 교각은 π형과 T형을 사용하였습니다.
 불행이도 성수대교는 1994년 10월 21일 교각10번과 교각11번 사이의 내부 힌지부 상현재 핀플레이트와 수직재의 용접불량(용접면적 부족)에 의한 "피로균열"로 내부힌지 사이 48m가 붕괴되었습니다.
32명의 귀중한 생명을 앗아간 성수대교 붕괴사고는 우리사회의 부실관행에 경종을 울린 비극적인 사건이었으며 건설기술인에게는 반성의 계기가 되기도 하였죠...(전 그때 군대에서 속보를 봤던 기억이 나네요..)
그당시 언론은 모두 '시공부실'로만 몰아버렸죠...
성수대교 붕괴의 원인이 된 "피로균열"은 성수대교를 건설할 당시 개념조차 없었으며 붕괴될 당시에도 실무에 적용되지 않았습니다. 아마 "피로"라는 개념은 아마 학계에서나 알고 있었을 겁니다.
물론 용접불량이 1차적인 원인이겠지만 제가 생각하는 가장 큰원인은 유지관리 불량이라고 생각합니다.
설계하중을 초과하는 중차량 통행을 방치했기도 했으며 지은지 20년 가까이 되는 강교에 대해 요새는 그 흔한 점검조차 없었습니다.
멀쩡하던 부재가 갑자기 끊어지는건 아니니까요... 분명 붕괴전 징후가 있었을 겁니다.

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성수대교 붕괴 개요



성수대교는 1998년 복구가 완료되었고 2004년 에 8차선으로 확장공사가 완료되어 있습니다.

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확장공사중 성수대교(2002년)

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확장공사중 성수대교(2002년)


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성수대교 남단 램프

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성수대교 야경


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성수대교 붕괴사진

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성수대교 붕괴사진



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상부구조에 따른 교량의 종류(4)...트러스교②(트러스의 종류)


1. Warren트러스

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상로의 단지간에 사용. 지간 60m정도까지 적용

2. Howe트러스
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사재가 만재하중에 의하여 인장력을 받도록 배치한 트러스
 
3. Pratt트러스
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사재가 만재하중에 의하여 인장력을 받도록 배치한 트러스 상대적으로 부재길이가 짧은 수직재가 압축력을 받는 장점이있다. 보통 45 ~ 60m에 적용

4. Parker트러스
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Pratt트러스 상현재가 아치형의 곡선인 경우, 보통 지간 55 ~ 110m에 적용

5. K트러스
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외관이 좋지 않으므로 주트러스에는 사용않함. 2차응력이 작은 이점이 있다. 보통지간 90m이상에 적용



6. Baltimore트러스
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Subdivided(분격) 트러스의 일종으로 90m 이상의 지간에 적용한다.


수학자 중에 트러스교에 대해 이런것도 하는 사람이 있다고 하네요...


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상부구조에 따른 교량의 종류(4)...트러스교①


먼저 트러스란 무엇인가에 대해 알아봅시다.
트러스(Truss)는 몇 개의 직선 부재를 한 평면 내에서 연속된 삼각형의 뼈대 구조로 조립한 것을 말합니다.

트러스 구조를 성립시키기 위해서 몇가지 가정을 합니다.
 ① 트러스 부재의 연결은 핀으로 연결되어 모든 부재는 축력만을 전달한다.
 ② 모든 하중과 반력은 트러스격점에 재하된다.
 ③ 모든부재는 직선이며 격점은 해당부재의 교차점에 위치한다.
 ④ 트러스의 축방향 변형은 미소하여 전체 구조에 영향을 주지 않는다.

 

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위의 가정을 만족하도록 만든 트러스 모형을 보며 트러스의 거동을 더욱 자세히 살펴봅시다.
옆의 트러스 모형에 연직방향으로 하중을 주면 아래그림처럼 변형이 될겁니다.
휘어진 곳은 압축을 받는 부재이며, 휘어지지 않은곳은 인장을 받는 부재입니다. 부재가 휘어진 것은 휨이 전달되어서가 아니라 압축에 의한 좌굴입니다.
상현재(상부에 있는 부재)는 인장을 받고, 하현재(하부에 있는 부재)와 사재(대각으로 위치한 부재)는 압축을 받는 것을 알수있습니다.
하지만 실제 트러스교의 거동은 이러한 가정을 만족하지 않으며 부재간의 연결도 볼트연결로 휨이 전달되는 구조로 되어 있습니다.
그럼에도 불구하고 이렇게 가정하는 이유는 수계산이 가능하도록 하기 위함일 겁니다. 하지만 요새는 컴퓨터의 발달로 이러한 가정을 하지 않아도 구조계산을 수행할수 있습니다.

트러스교는 바로 이러한 트러스를 주부재로 한 교량이며 트러스교의 구성은 아래 그림과 같습니다.
(볼트까지 그리느라고 조금 힘들었는데.. 줄여놓고 보니 잘 안보이네요..-.-;;)

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트러스교의 구성


현재(상,하현재)와 수직재, 사재를 합쳐 주트러스(Main Truss)라고합니다.
바닥판은 가로보와 세로보의 격자구조로 지지하며 바닥판 하중은 이 격자구조를 통하여 주트러스에 전달됩니다.
트러스교는 60~200m의 중장경간 교량에 적합하여 예전에는 많이 사용되었으나 부재구성이 복잡하고 가설비가 비싸며 유지관리비가 많이 들어 최근에는 그리 사용되지 않습니다. 그러나 트러스는 강성이 크고 내풍안전성이 좋아 최근에는 주로 장대교량의 보강형(영종대교, 세토대교등)으로 많이 사용됩니다.

트러스는 트러스의 형상에 따라 Warren트러스, Howe트러스, K트러스, Pratt트러스, Parker트러스, Baltimore트러스등이 있습니다.

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한강철교 - Warren트러스

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영종대교 보강형 - 수직부재가 있는 Warren트러스




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포스교(Forth Railway Bridge)...3


포스교의 또다른 이야기....^^
포스교의 유지보수중 교체된 리벳을 판다고 하네요...^^
하나당 40파운드(약 8만원) 하네요...
하나 장만해볼까요? ^^

바로가기 : http://www.forthbridges.org.uk/rivet.htm


포스교의 구조이야기....^^
포스교의 구조는 캔틸레버 트러스 형식입니다.
얼마전 포스교 홈페이지 갔다가 재밌는 사진이 있어서 올려봅니다.
포스교의 구조계의 예를 들은 사진입니다. ^^

이 사진은 설계자인 벤저민 베이커(Benjamin Baker)가 왕립 과학원(The Roya Institution)에 Catilever Truss 구조를 알기 쉽게 설명할 때 사용한 사진이라고 한다.
이 사진에 대하여 일본 토목기술자 타케이 켄이치는 다음과 같이 설명하고 있다.
의자에 앉아 있는 두 사람이 팔을 뻗어 의자를 받치고 있는 지팡이를 잡고 있다. 이는 두 개의 캔틸레버를 나타낸 것이다. 양쪽 인물의 안쪽 손에 잡혀 있는 작은 지팡이가 중앙부이고, 인물의 바깥 손에 매달려 있는 두 개의 벽돌을 쌓은 것이 캔틸레버 양쪽의 앵커 블록을 표시하는 것이다. 중앙부의 하중에 의하여 이 시스템에 단면력이 전달될 때, 두 사람의 손과 앵커 블록의 로프에는 인장력이 작용하고 지팡이와 의자의 다리엔 압축응력이 작용한다.
즉, 양쪽으로부터 중앙을 향해 솟아나온 트러스에 의해 중앙의 트러스가 지탱되고 있는 것이다.
이 사진에서 재미난 것은 중앙에 있는 주인공은 일본인으로 일본 고우부 대학(현 도쿄대학의 전신)을 수석졸업한 '와타나베 요시이치'라는 사람이다. 그가 이 사진의 주인공이 되는 바람에 포스교을 설계했다 혹은 설계에 관여했다고 오해를 불러일으켰다고 한다.
그러나 사실은 와타나베 요시이치는 보조기사로 연수차 참관(일명 구경?)한 것에 불과 했다..
모델이 된 이유는 체중이 가벼워서라나? 아뭏튼 그는 나중에 일본 토목사에 많은 공적을 남겼다고 하고 이 사진은 현재 뉴욕 철도 박물관에 전시되고 있다.


다시 재현한 사진...^^



포스교(Force Rail Bridge)...1 보기
포스교(Force Rail Bridge)...2 보기


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포스교(Forth Railway Bridge)...2


포스교는 제가 좋아하는 교량중 하나입니다.
제 블로그 상단메뉴 위에 있는 그림도 포스교이지요..^^;
하지만 포스교는 '세상에서 가장 추악한 철의 괴물'이라는 악평을 받기도 합니다.
이유는 너무 무식하게(과잉) 설계되어 있기 때문이지요...
포스교에 대한 이야기를 하기전에 잠깐 다른 교량 예기를 해볼까 합니다.
그 교량은 바로 티교(Tay Bridge)입니다.

19세기 중엽 스코트랜드에서는 티교와 포스만 때문에 사람들이 내륙 깊숙히 우회하거나 도중에 배를 갈아타고 이동해야 했습니다. 그러나 2km가 넘는 이 만들을 교량으로 연결하는것은 당시로서는 엄두를 내지 못할 일들이었습니다.
이때 스코틀랜드의 철도회사 North British에서 설계기사로 근무 중이던 토마스 바우치(Thomas Bouch)가 티 교(Tay Bridge)를 건설을 제안하였고, 이 교량이 건설되면 엄청난 수익을 올릴 수 있었던 North British 회사는 즉시 건설을 추진하게 됩니다.
이렇게 하여 1871년 티 교의 공사가 착수되었으며, 당시의 기술로는 경간장 75m, 총연장 3,200m가 넘는 엄청난 장대교를 건설하게 되었습니다
그러나 티교가 완공되고 2년도 되지 않은 1879년 12월 티교는 열차와 함께 중앙 수백미터가 붕괴하는 사고가 발생 하였습니다. (티모센코 재료역학 책 표지에도 나왔었죠...^^)
이 사고는 이후 교량 건설에 커다란 영향을 미쳤습니다. (우리나라의 성수대교 처럼 말이죠...)



티교의 붕괴사고는 바로 뒤에 건설된 포스교에 많은 영향을 미쳤습니다. 먼저 재료적으로 티교의 주요 붕괴 원인이었던 주철을 탄소함류량을 높인 강철(당시로는 신소재였죠..)을 사용하였습니다.
원래 포스교는 티교의 설계자였던 바우치가 현수교로 계획하였으나 티교붕괴사고로 바우치의 계획은 무시되었고 당시 촉망받는 토목기술자인 존 파울러와 벤자민 베이커의 수정안이 받아들여져 지금의 트러스교가 되었습니다.
당시 영국정부는 티교의 붕괴로 "무조건 튼튼한 교량"을 요구하였으며 가뜩이나 과잉설계된 포스교는 시공도중에도 설계 변경을 통해서 설계당시 강재중량(42000톤)에서 20%가 넘게 증가하여 완공시 51000톤이 되어버렸습니다.
이러한 이유로 포스교는 세상에서 가장 '무식하게 튼튼한' 교량이 되었습니다. ^^;
훗날 기술자들은 포스교를 "이 세상에서 가장 추악한 철의 괴물", "포스교는 시대에 뒤떨어진 산물이다. 굳이 말하자면 유사 이전의 괴물공룡 브론톤사우루스의 기술이다."라고 악평을 하게 되었습니다.
하지만 차량하중이 당시와 비교하여 엄청나게 증가한 현재도 아직도 건재하게 사용되고 있는건 당시의 "과잉설계"가 아닌가 싶습니다. ^^


포스교(Force Rail Bridge)...1 보기
포스교(Force Rail Bridge)...3 보기


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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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