교량의 구성 및 종류

1. 교량의 구성
  - 상부구조 : 차량하중을 직접 지지하는 부분으로 상판 바닥틀, 주형으로 구성됨
  - 하부구조 : 상부구조를 지지하며, 상부구조로 부터의 하중을 지반으로 전달하는 역할을  하는 부분으로 교대,
                    교각 및 기초로 이루어짐.

  1.1. 상부구조 

     - 상       판    : 차량 하중을 직접 받는 부분(철근 콘크리트 슬래브, 강바닥판)

     - 주       형    : 상부구조의 주체를 이루는 부분으로, 상판을 지지하며 상부구조에 작용하는 모든 하중을 지점
                          에 전달하는 역할을 함

     - 브레이싱      : 수평 브레이싱(횡방향 하중에 저항)
                           수직 브레이싱(Diaphragm, 하중분배의 역할)

     - 교량받침      : 상부구조와 하부구조를 연결하는 구조부분으로, 상부구조로부터의 모든 힘은 이 받침을 통해
                           하부구조에 전달됨 (가동받침(Roller), 힌지받침(Hinge), 고정받침(Fixed))

     - 신축이음장치 : 교량의 온도 변화, 활하중에 대한 이동, 등을 수용할 수 있는 장치

     - 방호 울타리   : 사람이나 차량의 추락 방지를 위하여 설치하는 난간, 방호책, 방호벽


  1.2 하부구조
      교대와 교각의 총칭이며, 지상에 적립한 부분을 구체, 지반에 적합는 부분을 기초라 한다.(말뚝기초, 우물통
      기초 등)


2. 교량의 종류

  2.1 교면의 위치에 따른 분류
       - 상로교(차선이 주형 위에 있는 경우, 대부분의 한강 교량)
       - 중로교(차선이 주형 안에 있는 경우, 구 당산철교)
       - 하로교(차선이 주형 아래 있는 경우, 동호대교, 한강철교 트러스 구간)

  2.2 사용 재료에 따른 분류
       - 목교(Wooden Bridge)
       - 석교(Stone Bridge)
       - 강교(Steel Bridge)
       - 철근 콘크리트교(Reinforced-Concrete Bridge)
       - PSC 콘크리트교(Prestressed Concrete Bridge)
       - Preflex-Beam교(Preflex Beam Bridge)

  2.3 상부구조 형식에 따른 분류

    (1) 거더교(Girder Bridge)
     거더교는 들보의 성질을 이용하는 교량으로 외부의 차륜하중을 부재내의 휨과 전단 또는 비틈저항에 의하여 지점으로 전달시킨다. 거더교에는 단순교, 연속교 및 게르버교 등이 있으며, 게르버교는 힌지의 구조적 문제 때문에 근래에는 피하는 경향이 있다.  세계 2차 대전후 서독을 중심으로 개발된 합성형교는 거더교의 특수한 형태이다.
     합성형교는 주형과 콘크리트 슬래브와 일체로 거동할 수 있는 구조 형식이다. 합성형으로 시공하게 되면, 단면의 강성이 커지게 되 훨씬 효과적으로 부재를 사용할 수 있으며, 강재 상부 플랜지의 압축 좌굴 문제등을 고려하지 않아도 된다. 표준 도로교 시방서에서는 합성형인 경우 압축 플랜지의 좌굴을 고려하지 않고 인장부재와 마찬가지로 전허용응력을 사용할 수 있게 했다.  또한 합성형교는 크게 활하중 합성형(Unshored)과 사하중/활하중 합성형(Shored)으로 나뉜다. 
활하중 합성형은 콘크리트 슬래브의  자중은 강재가 부담하고, 활하중만을 합성형이 부담하도록 하는 방법이며, 대부분의 합성형에서 적용된다. 사하중/활하중 합성형은 사하중, 활하중 모두를 합성형이 부담하도록 하는 방법이며, 콘크리트 슬래브 타설시 지점사이에 동바리등을 놓아 하중을 일시적으로 지지하게 한다.

    (2) 아치교(Arch Bridge)
     아치교는 부재 내에 압축력만 발생케 하는 아치 구조의 성질을 이용한 교량 형식으로 기본적으로 2힌지 아치, 3힌지 아치 및 고정 아치의 형식이 있다.  어떤 교량 형식에서나 자중 상태에서는 부재에 휨이 발생하지 않도록 설계하는 것이 바람직하다.  강도로교의 경우에는 아치리브에 필연적으로 휨이 발생하므로 아치리브의 부재는 압축력과 휨에 동시에 저항할 수 있게 설계되어야 한다.
     아치교는 바닥판에 작용하는 차륜하중을 행거 또는 기둥을 이용하여 가능하면 등분포로 아치리브에 전달하고, 이 아치리브를 통하여 지반으로 전달케 하는 구조체계를 갖고 있다.  하로 아치교는 바닥 구조와 아치리브 구조의 연결방법에 따라 타이드 아치교, 랭거 아치교, 로제아치교 또는 닐슨 아치교 등으로 나누기도 한다.  상로 아치교는 하로 아치교의 랭거형교, 또는 로제형교에 해당하는 교량형식 이외에 트러스 아치형의 형태가 있다.
   
※ 아치교의 구분
    - 타이드 아치교 : 지점상의 횡변위를 타이드 바가 잡아주는 구조 형식(한강대교)
    - 랭거 아치교 : 아치부가 축력만을 받도록 설계되는 형식(동작대교 철도교 구간)
    - 로제 아치교 : 아치부가 축력과 휨에 저항하도록 설계하는 방식
    - 닐센 아치교 : 아치부의 행거가 케이블로 이루어져 있으며, 약간 경사지게 배치되는 형식(서강대교)

    (3) 트러스교(Truss Bridge)
몇 개의 직선 부재를 한 평면 내에서 연속된 삼각형의 뼈대 구조로 조립한 것을 트러스(Truss)라고하며, 트러스를 이용한 교량을 트러스교라고 한다.  즉 트러스교는 곧은 부래를 부재 끝부분에서 마찰이 없는 힌지(hinge)로 결합한 삼각형의 뼈대 구조를 기본으로 하여 교량에 적합한 구조물로 조립한 것이다.  트러스교가 고안된 초기 무렵은 부재와 부재의 핀 결합이라는 이론상의 가정을 가급적 만족하도록 설계하였으나, 핀 결합된 트러스는 전체의 강성이 적으며 오랫동안 교통하중이 반복하여 작용하면 아이바의 구멍이 마모되기 때문에 타원형으로 넓어져서 핀 결합으로서의 기능을 다하지 못하고 내구성 면에서 좋지 않은 경우가 많이 있다.  따라서 근래에는 격점부를 용접 또는 고장력 볼트로 결합한 강결 트러스가 주로 사용되고 있다.  트러스교는 일반적으로 지간이 50∼100m 정도에 알맞는 형식으로, 비교적 작은 중량의 부재를 순차조립하여 큰 강성을 얻을 수 있으므로 외팔보 공법(Free Cantilevering Method)의 채용이 다른 형식보다 유리하며, 또한 개개 부재의 단면이 작기 때문에 운반이 용이하며, 해협이나 산간 계곡 등에 적합한 교량이다.  

※ 이상 트러스의 가정
    - 부재는 마찰이 없는 힌지로 연결되어 있으며, 각 부재에는 모멘트가 발생하지 않는다.
    - 부재는 직선이고 하중은 부재의 도심에 작용한다.
    - 하중은 격점에만 작용한다.
※ 트러스 형식이 널리 사용되는 까닭은 간단하면서도 역학적으로 이해하기가 쉽다는 장점 때문이다.
    또한 삼각형 구조는 외력이 작용할 때 가장 안정한 구조물이기도 하다.(어렸을 적의 기분으로 돌아가 수수깡으
    로 삼각형, 사각형, 그외 다각형 구조물을 만들어보자.  물론 연결부는 우리가 흔히 쓰는 핀으로 하면 외력이 작
    용할 때 사각형 이상의 다각형은 쉽게 변형되지만 삼각형만은 잘 버틸 것이다.)  과거에는 리벳 체결을 통해 이
    상 트러스의 가정을 만족시키려 노력했으나 최근에는 연결부를 용접이나 고장력 볼트 체결등으로 시공하고 있
    으며, 이로 인해 해석에 상당한 어렴움이 있다. (Rigid Connection, Semi-Rigid Connection, Flexible
     Connection의 문제)

    (4) 라멘교(Rahmen Bridge)
     라멘교란 교량의 상부구조와 하부구조를 강절로 연결함으로써 전체구조의 강성을 높임과 동시에 지간내에 발생하는 휨모멘트의 크리를 줄이는 대신 이를 교대나 교각이 부담하게 하는 교량이다.  
     이러한 형태의 교량은 50m 지간까지 신축이음(Expansion Joint)이나 지압판이 없이 가설이 가능하고, 유지 관리면에서 같은 지간의 단순교에 비해 유리하며 주형의 두께가 상대적으로 작게 설계될 수 있어 교량의 미관이 수려하며, 특히 중앙부로부터 지간의 양단으로 헌치 형태를 이룬 경우 더욱 날렵한 모양을 이룬다.  따라서 라멘교는 교각의 높이가 그리 높지 않고 단경간의 교량에서 사용하는 것이 경제적이다.  우리나라의 경우 고속도로 횡단교량에서 많이 볼 수 있다.    라멘교는 매우 다양한 형태의 설계가 가능하며, 보의 두께를 작게 하여 가늘게 보이도록 하는 것이 보통이므로 교대나 교각의 두께가 상대적으로 두껍다.

    (5) 사장교(Cable Stayed Bridge)
   사장교는 1784년 C.J.Loscher에 의하여 세상에 처음으로 교량으로서의 모습을 선보인 후, 1818년과 1824년에 두 개의 교량이 연속해서 붕괴되면서 그 발달이 지체되었다가 1955년 스웨덴에 Stromsund교가  건설되면서 다시 교량 기술자들에게서 각광을 받아오고 있는 교량 형식이다.
   사장교는 중간의 교각위에 세운 교탑으로부터 비스듬히 내려 드리운 케이블로 주형을 매단 구조물이다.  연속 들보형교, 연속 트러스교 또는 아치교에서는 그 경간이 장대해지면, 사하중이 급격히 증가하며 결국 적용한계에 달하게 된다.  그래서, 경간의 장대화에 수반하는 사하중을 경감하기 위하여 위에서 말한 것과 같은 구조계로 고안된 것이 사장교이다.  따라서 사장교에 작용하는 하중의 일부가 케이블의 인장력으로 지탱되기 때문에 주형은 케이블 정착점에서 탄성 지지된 구조물로서 거동한다.  그 때문에 사장교는 현수교와 근본적으로 역학적 특성이 다른 구조물이다.

   사장교는 케이블의 장력을 조절함으로써 휨모멘트를 현저하게 감소시킬 수 있으므로 경간이 장대한 사장교를 경제적으로 설계할 수 있다.  이 때 고려해야 할 설계 인자들은 다음과 같다.
     ① 케이블의 배열 및 장력
     ② 케이블 수
     ③ 주탑 및 보강형에 케이블이 정착되는 위치
     ④ 탑 기초부의 지지조건
     ⑤ 탑과 케이블의 결합조건

     (6) 현수교(Suspension Bridge)
     19세기 후반 들어 Roebling에 의해 Brooklyn교(1883년)등 근대 현수교가 완성된 이후, Moisseiff, Steinman 등에 의해 20세기 초 현수교 전성기가 시작되었다.  이후 현수교의 시행착오를 반복하며 발전해 오늘날 장대교량 형식의 선두주자가 되어 있다.   현수교란 주탑(Tower) 및 앵커리지(Anchorage)로 주케이블(Main Cable)을 지지하고 이 케이블에 현수재 (Suspender 또는 Hanger)를 매달아 보강형(Stiffening Girder)을 지지하는 교량형식을 말한다.
     현수교의 주케이블 형상은 아치교와 유사하나 인장력만을 받는다는 점에서 크게 다르다.  이와 같이 부재에 인장력만이 발생하도록 하는 것이 재료의 효과적인 사용방법임.  지간 1,000m 이상의 장대교가 거의 현수교라는 점도 이러한 역학적 특성을 잘 반영하는 것이다.
     전형적인 현수교는 경간수 및 보강형의 지지조건에 따라 단경간 현수교, 3경간 단순지지 현수교 및 3경간 연속지지 현수교, 다경간 현수교 등으로 나눌 수 있다.   또한 보강형의 형식에 따라 트러스 형식 및 박스형식 등으로 나눌 수 있다.  대부분의 현수교는 주케이블을 앵커리지에 고정시키는 타정식(earth-anchored)이지만 최근들어 보강형이 주케이블을 지지하는 자정식(self-anchored, 영종대교)현수교도 시도되고 있다.  

     활하중과 같이 집중하중은 일단 바닥틀에 의해 지지되고 다시 보강형에 의해 분배되며 이 힘은 행거(hanger)를 통해 주케이블로 전단되고 최종적으로 앵커리지에 전달된다.  현수교에 활하중 등이 재하되면 보강형과 주케이블이 이 하중을 분담하여 지지하게 된다.  이 때, 사하중에 의한 주케이블의 수평장력을 크게 하면 보강형의 휨모멘트를 감소시킬 수 있다.  수평 장력을 크게 하려면 케이블의 새그(f/l)비를 줄이거나 자중을 늘리면 된다.

     따라서 주케이블의 수평장력에 관계되는 주요 변수들을 적절히 결정함으로써 보강형의 부담을 효율적으로 줄일 수 있으며 장대 현수교를 가능케 할 수 있다.  
현수교의 계획 및 설계시 고려되어야 할 주요 항목을 정리하면 다음과 같다.

     ① 보강형의 연속성
     ② 중앙 경간과 측경간의 비
     ③ 중앙 경간과 새그(sag)의 비
     ④ 행거의 배치
     ⑤ 보강형의 형식
     ⑥ 주탑의 형식
     ⑦ 강바닥판과 들보의 합성 및 비합성

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