솔루션 | 아치교 (Arch Bridge)

1. 아치교란?

아치교란 주 구조가 아치 또는 보강아치로 구성된 교량으로서 연직하중의 재하로 인해 생기는 수평반력이 효과적으로 작용하고 부재의 단면력을 줄일 수 있도록 알맞게 설계된 경우 대단히 유리하고 경제적인 교량이 될 수 있습니다.

아치교는 독특한 곡선의 아름다움 때문에 옛날부터 널리 사용되었고 현수교와 사장교 다음으로 장대지간으로 사용되고 있습니다.

그림. 아치교(Sydney Harbour Bridge)

아치의 구조적인 성질을 보면 아치의 모양과 만들어진 힌지의 수에 따라서 변화하는데 일반적으로 힌지의 수가 적을수록 아치는 강해지나 지점의 이동이나 침하의 영향을 크게 받게 됩니다.

2. 아치교의 주요 구성 요소

아치교의 주요 구성 요소는 다음과 같습니다.

• 데크 아치교(Deck arch bridge)

• 아치 리브(Arch rib)

• 교대/서포트(Abutments/Supports)

• 행거 및 스팬드럴(Hangers and Spandrels)

아치교는 가장 오래된 교량 유형 중 하나로 간주됩니다. 예를 들어, 기원전 1600년경에 지어진 미케네 다리는 지금까지 지어진 코르벨 아치 다리 중 가장 오래된 것으로 간주되었습니다. 그러나 이 글에서는 현대식 아치교와 그 구성 요소만 검토합니다.

그림. 미케네 교량(The Mycenaean bridge)

아치교의 경우 아치는 압축력으로 지지대 또는 지지대에 직접 하중을 전달하는 주요 구조 부재 역할을 합니다. 또한 거더교에 비해 휨모멘트와 전단력이 작아 경제적입니다. 현재 건축되고 있는 아치교에는 세 가지 주요 유형이 있습니다. 데크 아치교, 통과 아치교, 타이 아치 또는 현 아치교입니다. 데크 아치 교량에서 데크는 아치 리브 위에 있습니다. 데크는 여러 개의 수직 기둥으로 구성된 스팬드럴(개방형 스팬드럴 데크 아치교) 또는 단단한 스팬드럴 벽(폐쇄형 스팬드럴 데크 아치교)으로 지지할 수 있습니다. 또한 아치리브의 상부가 데크를 직접 지탱하는 경우에는 대성당 아치교라고도 합니다. 관통 아치 교량에서 데크는 아치 구조 아래에 있으며 수직 행거로 지지됩니다. 또한, 아치 리브는 양쪽 끝에 있는 지지대/지지대에 의해 지지됩니다. 마지막으로, 타이아치 교량에서는 아치 리브의 끝을 타이로 연결하여 데크가 1차 지지 역할을 합니다. 타이 아치교의 구조적 측면에서 지지대의 한쪽 끝은 경첩 역할을 하고 다른 쪽 끝은 롤러 역할을 하여 종방향 이동이 가능합니다.

A. 데크 아치교(Deck Arch Bridge)

그림. 데크와 다리(Deck and bridge)

그림. 관통 아치교(Through arch bridge)

그림. 타이 아치교(Tied-arch bridge)

아치교량을 손상시키는 다양한 구성요소가 있지만 주요 구성요소는 다음과 같습니다.

B. 아치 리브(Arch Rib)

아치 리브는 아치의 주요 구조 부재이며 구조물에서 발생하는 다양한 하중을 전달하는 역할을 합니다. 아치 리브는 일반적으로 철근 콘크리트 또는 강철을 사용하여 시공되지만 콘크리트로 채워진 강철 튜브형, 고성능 콘크리트, 강철 콘크리트 복합재 등을 포함하여 아치 리브에 새로운 혁신적인 재료가 사용되었습니다. 아치 리브는 용도에 따라 트러스, 상자 대들보, 판 대들보 또는 속이 빈 부분으로 사용할 수 있습니다. 장대교량의 경우 아치리브는 교량을 횡단하는 다양한 차량에 의한 교통하중에 대응하기 위해 트러스 단면으로 구성됩니다. 아치 리브는 아치교의 주요 하중 지지 요소를 나타낼 뿐만 아니라 교량의 가장 미학적 구성 요소를 나타냅니다.

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그림. 카반베이 바티르 가에 있는 람스토어 아치교 (Ramstore Arch bridge on Qabanbay Batyr Ave)

C. 교대/서포트(Abutments/Supports)

지대주/지지대는 아치 리브에 의해 전달되는 대부분의 하중이 지대주로 전달되기 때문에 아치 교량의 가장 중요한 구성 요소 중 하나입니다. 따라서 지대치는 아치에서 수평 추력을 지탱할 수 있을 만큼 무겁고 커야 합니다. 교대에는 철근콘크리트와 철근이 일반적으로 사용되나 원가절감을 위해 기포철근콘크리트, 매스콘크리트 등의 신소재를 사용합니다. 예를 들어, 기포 철근 콘크리트 교대에서 교대의 다공질 부분은 교대의 필요한 무게를 조정하기 위해 토양으로 채워집니다.

그림. 블랙프라이어스 철도 교량의 접합부(Abutment of the Blackfriars Railway bridge)

D. 행거(관통 아치교) 및 스팬드럴(데크아치교)

아치교의 종류에 따라 데크는 수직 행거에 매달려 있는 아치 리브 위에 스팬드럴로 지지될 수 있습니다. 데크 아치교의 경우 견고한 스팬드럴 벽을 아치 리브 위에 배치하여 교량 데크를 지지할 수 있습니다. 벽의 채우기는 대부분 석조 또는 콘크리트로 만들어집니다. 그러나 현대 교량은 교량의 데크를 직접 지지하는 강철 또는 콘크리트로 만든 수직 기둥을 추가하여 다른 접근 방식을 사용합니다.

관통 아치교의 경우 교량의 데크는 장력을 받는 행거에 의해 매달려 있습니다. 행거는 아치교가 위치하는 조건에 따라 I-섹션, 원형 중공 섹션 또는 케이블로 설계할 수 있습니다. 또한 행거 배열 최적화에 대한 최근 연구에 따르면 스파스 행거 시스템은 더 나은 기계적 성능과 같은 이점을 제공합니다.

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