하부구조 (Substructures)

1. 하부구조란?

하부구조물은 아래 그림과 같이 다양한 종류와 형태가 있으며, 그에 따라 설계 및 해석방법이 다르지만 교량이 계획된 높이에 설치될 수 있도록 하면서, 상부구조로부터 전달되는 하중을 견디기 위한 목적으로 설치되는 구조물이라는 점은 동일합니다.

하부구조는 상부구조의 종류, 시공방법, 지반조건 그리고 미관요소를 고려해서 정하게 됩니다. 반대로 상부구조의 경간장을 결정하는 가장 큰 요인은 주변 도로나 지반조건에 따른 하부구조의 배치계획 등 입니다. 그렇기 때문에, 상부/하부를 따로 계획하는 것이 아니라 전체를 하나의 시스템으로 검토해서 계획해야 합니다.

2. 교대: Abutment

교대는 상부구조물을 지지하기 위해 교량의 시점과 종점에 설치되는 구조물입니다.
도로나 철도는 교량과 연결되기 위해서 도로 및 철도가 끝나는 위치(교량이 시작되는 위치)에 토공구간이 필요합니다.

교대의 각 부분의 명칭은 아래 그림과 같습니다.
교대의 몸체는 벽체와 흉벽으로 구성되어있으며, 흉벽은 뒷채움의 토압과 교대 위를 지나는 활하중을 지지하는 역할을 합니다. 흉벽에 연결된 브라켓(코벨)은 접속슬래브를 지지하는 역할을 하며, 브라켓은 휨설계를 하기도 하지만 설계기준에 따라 스트럿-타이 모델(STM)로 설계해야 하는 경우도 있습니다.

벽체는 교량받침을 통해 전달되는 하중 뿐만 아니라 토압에 저항하는 역할을 하며, 기초(footing)는 모든 하중을 지반 또는 말뚝으로 전달하는 역할을 합니다. 직접기초의 경우 지지력 검토 및 전도, 활동, 침하량 검토 등 안정성 검토를 수행해야 합니다.

상부구조에서 교대로 전달되는 하중은 교량받침을 통해 전달됩니다. 교량받침이 없는 경우도 있으며, 이러한 유형의 교량을 상부구조와 교대가 일체화된 일체식 교량(Integral Bridge)이라고 합니다.

교대 설계에 사용되는 하중은 상부구조에서 교량받침을 통해 전달되는 반응, 수평토압, 활하중, 재하중 등이 있습니다. 교량 뒤에 채워지는 재료를 뒷채움이라고 하며, 아래 그림과 같이 뒷채움의 종류와 구조물 높이에 따라 수평토압이 발생하게 됩니다.

수평토압은 설계기준에 따라 계산되어야 하며, 정토압과 지진토압이 각각 고려되어야 합니다.
지진토압을 계산하는 식은 설계기준마다 차이가 있기 때문에 반드시 확인이 필요하고,
AASHTO의 경우 섹션 11, 부록 A11에서 내진설계에 적용할 수 있는 Mononobe-Okabe 방식에 대한 설명을 제공하고 있습니다.
Eurocode는 EN 1998-5 Annex E에서 “지지 구조물의 단순화된 해석”이라는 내용을 제공 하고 있고, 여기서 제공하는 식 역시 Mononobe-Okabe 공식을 기반으로 하고 있습니다.

3. 교각: Pier

교각은 상부구조물을 지지하는 구조물이며, 2경간 이상의 교량에 사용됩니다. 상부구조의 하중은 교량받침과 코핑을 통해 상부구조의 하중을 전달 받게 되는데, 경우에 따라서는 코핑과 상부구조가 일체화 되어 교량받침이 없는 경우도 있습니다.
상부형식이나 공법, 인접 도로조건, 지반조건 등에 따라 다양한 형태의 교각을 적용할 수 있으며, 그 중 대표적으로 사용되는 교각의 몇 가지 종류에 대해 알아보겠습니다.

A. T형 교각

시공성과 경제성이 좋아 가장 많이 사용되는 교각 형식입니다. 단, 풍하중, 지진하중 등 교축직각방향 하중에 대해서는 불리합니다.

미적인 측면을 향상시키기 위해 코핑부를 곡선으로 만들기도 하는데, 이런 형태를 횃불형 교각이라고 합니다. 미관적인 측면은 향상되었으나 시공이 어렵다는 단점이 있습니다.

기존 도로나 장애물로 인해 교각 위치가 교량 중심이 될 수 없는 경우 비대칭의 캔틸레버 교각을 사용하기도 합니다.

B. 문형 교각

교량의 폭이 넓거나 도로 같은 장애물을 피해 교각을 설치해야 하는 경우에 사용되는 방식입니다. 하나의 기초 또는 각각의 기초위에 기둥이 설치됩니다.
T형 교각에 비해 풍하중, 지진하중 등 교축직각방향 하중에 저항력이 우수하지만, 기둥수가 많기 때문에 미관이 불리합니다.

C. 벽식 교각

기둥부가 중공형태의 교각이며, 규모가 매우 크고 높이가 높은 교량에 주로 사용되는 형태입니다.
풍하중, 지진하중 등 교축직각방향 하중에도 저항력이 우수하지만 시공성이나 경제성은 좋지 않습니다.

이 밖에도 현장 상황이나, 미적인 부분을 고려해 많은 종류의 교각이 사용되고 있습니다.

코핑부의 경우 보통 휨 설계를 많이 하지만, 설계 기준에 따라 스트럿-타이 모델(STM) 방법을 사용하기도 합니다.

4. 기초: Foundation

상부구조로부터 전달되는 하중과 코핑부, 기둥의 자중은 기초로 전달됩니다. 교량에서 주로 사용되는 기초는 직접기초와 파일기초입니다. 기초는 교량의 규모에 따른 하중 크기에 따라 결정되기도 하지만 지반조건이 가장 큰 영향을 미칩니다.

파일기초는 외말뚝과 군(무리)말뚝으로 나눌 수 있습니다. 각 구조물의 거동이 다르고 취약한 부분이 다르기 때문에 설계 기준에 따라 설계를 진행해야 합니다. 피복 두께와 보강상세 특히 제한은 말뚝의 종류, 사용되는 재료, 설계기준에 따라 달라지기 때문에 반드시 확인을 해야 합니다. 구조해석에 파일기초를 포함하는 경우 경계조건은 지반-구조물 상호작용 해석을 고려해야 합니다.

파일기초는 휨설계를 하기도 하지만,전체 해석을 통해 얻은 말뚝 상단 반력이나 교각 하부 부재력을 이용해 스트럿-타이 모델(STM)로 설계하기도 합니다. 파일기초의 STM은 종방향과 횡방향을 구분해서 2D STM 설계를 하기도 하지만, 정확한 계산을 필요로 하는 경우에는 위해 3D STM을 해야합니다.