홍예교
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목차
1. 개요
홍예교는 아치 형태를 사용하여 건설된 교량을 의미한다. 현존하는 가장 오래된 아치교는 기원전 1300년경의 아르카디코 다리로 추정되며, 고대 로마 시대에 아치교 건설 기술이 발전하여 330개의 석조 교량과 34개의 목재 교량, 54개의 수도교 교량이 건설되었다. 홍예교는 구조적 분류, 통행 위치, 리브 보강 여부에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 현대에는 강철과 콘크리트 등 다양한 재료를 사용하여 건설된다. 대한민국에는 불국사의 청운교와 백운교, 한강철교, 부산대교, 서강대교 등이 대표적인 아치교로 존재한다.
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| 홍예교 |
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2. 역사
아치는 인류 존재 이전부터 자연의 일부였다. 사막, 바다, 계곡 등에서 보이는 자연 아치는 오랜 시간 동안 아치 구조의 효율성을 보여주었다.
진정한 아치는 에트루리아인과 고대 그리스인에게 이미 알려졌지만, 고대 로마인이 볼트와 돔처럼 아치의 교량 건설 잠재력을 완전히 실현한 최초의 사람들이다.[4]
르네상스 시대 폰테 산타 트리니타의 세 아치는 세계에서 가장 오래된 타원형 아치교를 구성한다.
주철, 강철, 콘크리트 등 다양한 재료가 아치교 건설에 점점 더 많이 사용되었다.
일본에 돌 아치교 기술이 전해진 것은 중국에서 오키나와현(당시 류큐 왕국)을 통해서였다. 나가사키시에도 전해져 1643년 안경교가 건설되었다. 구마모토의 쓰준교는 관개용 수로교로 알려져 있다. 1673년에는 중국의 다리를 모델로 한 목조 아치교 긴타이 교가 독자적인 기술로 가설되었다. 일본에서는 아치교를 예로부터 반교, 타이코교 등으로 불렀다.
2. 1. 고대 ~ 중세
고대 로마(Ancient Rome)는 볼트와 돔과 마찬가지로 아치의 교량 건설 잠재력을 완전히 실현한 최초의 사람들이었다.[4] 로마인들은 퐁 뒤 가르(Pont du Gard) 및 세고비아 수도교(Segovia Aqueduct)와 같이 단일 경간과 긴 다중 아치 로마 수도교(Roman aqueducts)를 모두 건설했다. 그들의 교량은 로마의 폰스 파브리키우스(Pons Fabricius) (기원전 62년)와 같이 세계에서 가장 오래된 주요 교량 중 하나로, 초기부터 교각에 홍수 구멍을 특징으로 했다.
로마 아치교는 일반적으로 반원형이었지만, 알코네타르 다리(Alconétar Bridge)와 같은 수많은 세그먼트 아치 교량, 즉 반원보다 작은 곡선 아치를 가진 교량이었다.[7] 원형 세그먼트(segmental) 아치교의 장점은 많은 양의 홍수를 통과시킬 수 있어 홍수 시 교량이 휩쓸려 가는 것을 방지하고 교량 자체의 무게를 줄일 수 있다는 것이었다.[8] 일반적으로 로마 교량은 크기와 모양이 동일한 쐐기 모양의 주요 아치석 (아치형 돌(voussoir))을 특징으로 했다.
로마 엔지니어는 산업 혁명까지 로마 콘크리트(Roman concrete)라고 불리는 콘크리트로 다리를 건설한 최초이자 유일한 사람들이었다. 외부에는 일반적으로 알칸타라 다리(Alcántara Bridge)에서와 같이 벽돌 또는 애슐러(ashlar)로 덮여 있었다.
중세 유럽에서 교량 건설자들은 로마 구조물을 개선하여 더 좁은 교각, 더 얇은 아치 통, 교량의 더 높은 경간 대 상승 비율을 사용했다. 고딕 건축(Gothic architecture)의 뾰족한 아치도 도입되어 측면 추력이 감소했으며, 푸엔테 델 디아블로 (마르토렐)(Puente del Diablo) (1282)와 같이 경간이 증가했다.
중국에서 가장 오래된 현존하는 아치교는 서기 605년의 자오저우 다리(Zhaozhou Bridge)로, 5.2:1의 매우 낮은 경간 대 상승 비율과 스팬드럴 아치 (철제 브래킷으로 버팀)를 사용했다. 자오저우 다리는 세계 최초의 완전한 석조 개방형 스팬드럴 세그먼트 아치교로, 홍수 시 더 큰 통로를 허용한다.[12]
일본에는 돌 아치교 기술이 중국에서 오키나와 (당시는 류큐 왕국)로 전해진 것이 처음이라고 여겨진다. 또한 나가사키에도 전해져, 1643년에 안경교가 건설되었다. 이를 계기로 규슈 각지에 석조 아치교가 건설되었다.
2. 2. 근대 ~ 현대
18세기 산업 혁명 이후, 철재가 교량 건설에 사용되기 시작하면서 아치교는 새로운 전기를 맞이했다. 근대 시기에는 토목 기술자들에 의해 석재, 벽돌, 주철, 강철, 콘크리트 등 다양한 재료를 활용한 아치교가 건설되었다.2. 3. 홍예의 변모 (현대 아치교의 발전)
현대의 아치교는 기존 아치교의 틀에서 벗어나 여러 가지 시도를 하고 있다. 대표적인 예는 구조적인 간결성을 강조한 Unbraced 아치교와 Tubular 단면의 채택이다. 1964년에 가설된 독일 Kaiserlei교는 Tubular 단면을 채택한 Unbraced 아치교의 대표적인 형태다. 이 교량은 지간 220m의 장대 아치교임에도 불구하고 φ2.0 m의 강관 Tube로 된 리브를 채택한 획기적인 교량이다. 이와 같은 Tubular Unbraced 아치는 구조적 간결성 이외에도 기존 아치교의 브레이싱으로 제약받던 통과 차량, 또는 철도의 건축한계를 고려하지 않아도 되기 때문에 구조적인 효율성을 증대시킬 수 있다.[1]Unbraced 아치교는 여러 곳에서 찾아볼 수 있는데, 이는 Unbraced 아치교의 장점을 보여주는 예이다. 특히 최근에는 Mono-plane 아치교가 증가하면서 Bracing의 의미를 퇴색시키고 있다.[1]
최근에는 단면력을 많이 받는 고정 앵커부 등에 기존 단순 원형 강관 Tube를 보강한 CFT(Concrete Filled Tube) 단면을 많이 채택하고 있다. 이와 같은 CFT 단면은 구조적인 효율성이 높을 뿐 아니라 제작, 설치도 용이해서 다른 교량의 주형 구조에도 적용되고 있다. 향후 많은 형태로의 변형이 용이한 단면 형태다.[1]
3. 종류 및 분류
홍예교는 지지 조건에 따라 여러 종류로 나뉜다. 힌지 아치는 구조를 단순화하여 잔존 응력을 억제하고 연약한 기초를 지점으로 사용하기 위해 고안되었다.
- 2힌지 아치: 지점부에 힌지 받침을 설치하여 회전력(모멘트)을 흘려보내는 방식이다. 강철 솔리드 리브 아치에 많이 쓰인다.
- 3힌지 아치: 지점부와 아치 크라운부(최고점)에 힌지를 설치한 형식이다. 정정 구조로, 지점이 이동해도 불리한 2차력이 작용하지 않는다. 사쿠라노미야 다리(은교)가 이 형식이지만, 힌지부 내구성 문제로 최근에는 잘 사용되지 않는다.
- 고정 아치: 지점부를 완전히 강결한 구조이다. 지점부에 수평력, 연직력, 회전력이 모두 작용하므로 견고한 기초가 필요하다. 강철 브레이스 리브 아치나 콘크리트 아치교에 많이 쓰인다.
- 타이드 아치 (자정식 아치): 활처럼 지점부끼리 인장 부재(타이)로 연결하여 수평력을 전달하는 형식이다. 지점부에 수평력이 발생하지 않아 하로식 아치에 자주 쓰인다.
아치가 두 개인 아치교는 안경처럼 보여 안경교라고 불린다. 아치 개수와 관계없이 2개 이상 이어지는 연속 콘크리트 아치교도 안경교라고 불린다.[19][20]
북의 몸통처럼 위로 솟아있는 아치교를 '''태고교'''라고 부른다.[21] 돌로 된 것이 많지만, 금속제나 목재로 된 것도 있다. 중국 정원, 일본 정원에서도 자주 사용된다. 특히 다리 하부의 반원형이 수면에 반사되어 보름달을 형상화하도록 계획된 것은 원월교라고 불린다.
돌, 벽돌 등은 압축에는 강하지만 인장력에는 약하다. 따라서 석조 아치교는 지속적으로 압축을 받도록 설계되었다. 각 아치는 센터링이라는 임시 가설 구조물 위에 건설된다. 석조 아치교는 아치 위에 채움재(다져진 잡석)를 사용하여 사하중을 증가시키고, 하중이 이동할 때 인장이 발생하지 않도록 한다. 석조 외에 벽돌, 비보강 콘크리트도 사용되었다.
전통적인 석조 아치는 내구성이 좋고 침하나 침식에 강하다. 그러나 현대적인 다리에 비해 무거워 광범위한 기초가 필요하고, 인건비가 높으면 건설 비용이 많이 든다.
- 아치가 수로 바닥에 기초하는 경우, 자갈을 파내고 튼튼한 재료로 기초를 대체하기 위해 물길을 돌린다. 기초 교각은 아치의 시작점까지 세워진다.
- 가설 센터링은 목재와 판자로 제작된다. 다중 아치 다리는 모든 아치를 동시에 올리거나 매우 넓은 교각을 사용해야 한다. 끝 아치의 추력은 협곡 벽의 튼튼한 기초나 경사면으로 전달된다.
- 센터링 위에 여러 아치(또는 단일 아치)를 건설한다. 각 아치 배럴이 완성되면 수평 코스로 놓이는 채움 석조로 안정화된다. 이는 '''스팬드럴'''이라는 두 개의 외부 벽을 형성하고, 느슨한 재료와 잡석으로 채워진다.
- 도로가 포장되고 난간 벽이 다리로 교통을 보호한다.
내민보 아치 다리는 각 상위 코스가 이전 코스보다 약간 더 캔틸레버로 된 석조 다리이다.[13] 석조 구조 단계를 다듬어 둥근 모양을 만들 수 있다.[14] 내민보 아치는 아치 하단에 밖으로 미는 압력(추력)을 생성하지 않아 진정한 아치로 간주되지 않는다.[15] 안정적이지만 넓은 경간에는 적합하지 않다.[15]
3. 1. 리브에 따른 분류
홍예교량은 주 구조인 아치 리브(Arch rib), 통과 하중을 1차적으로 부담하는 상판(보강형, Stiffened girder), 그리고 리브와 보강형 사이의 공간인 스팬드럴(spandrel)로 구성된다. 이 중 주 구조체인 아치 리브의 보강 여부와 단면 형식에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- Solid rib arch
- Braced rib arch
- Spandrel braced rib arch
Solid rib arch는 단일 부재로 아치 리브를 구성한 것으로, 보통 지간 200m 이하에 이용된다. 미관이 우수하여 다소 비경제적이더라도 이 이상의 지간에 적용되는 예도 있다. Solid rib arch는 흔히 볼 수 있으며 특히 대부분의 콘크리트 아치에서 적용되고 있다.
아치 지간이 길어지는 경우에 rib는 힘을 많이 분담하게 되고, 따라서 보다 강한 단면을 채택할 수 밖에 없다. 그럴 경우 Solid rib를 적용하면 단면이 중량 대비 단면의 효율성이 떨어지게 되므로 보강된(braced) rib 구조를 갖는 것이 유리하다. 관점에 따라 다소 차이는 있겠지만 Braced rib arch는 Solid rib arch에 비해 미관이 떨어진다. 그러나 경제성과 강도가 크기 때문에 지간 200m가 넘는 강아치교에 많이 적용된다. Braced rib arch는 구조적인 효율성이 높기 때문에 세계적인 장대 아치교는 대부분 이런 구조를 채택하고 있다.
아치교에서는 일반적으로 전단력이 작기 때문에 braced spandrel은 구조적으로 큰 의미가 없다. 이런 종류의 아치는 지간 100m 이상에서는 거의 이용되지 않는다. 주로 오래된 아치교량에서 볼 수 있으며 석조 아치의 경우에는 Spandrel을 꽉 채운 Solid spandrel 구조를 채택하고 있다.
3. 2. 구조계에 따른 분류
홍예교는 구조계에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- 2힌지 아치: 아치 이론에 가장 가까운 형태로 널리 사용된다. 200m 정도까지는 솔리드 리브 아치(Solid rib arch)가 경제적이며, 그 이상은 트러스 형태의 브레이스 리브 아치(Braced rib arch)가 일반적이다. 스튀시(Stüssi) 교수는 SM520 재료를 사용할 경우 2힌지 브레이스 리브 아치교의 최대 지간이 570m 정도가 될 것이라고 예측했다.[1] 하지만 솔리드 리브 아치임에도 2힌지 구조로 200m 이상의 아치 지간을 갖는 경우가 많은데, 프리몬트 다리(382.8m), 포트만 교(366m) 등이 대표적이다.[1]
- 3힌지 아치: 지반 조건이 좋지 않은 곳 등에 주로 설치되지만, 중앙 힌지 부분의 장기적인 처짐으로 인해 주행성과 유지관리 측면에서 불리하여 최근에는 잘 사용되지 않는다.[1] 3힌지 구조는 정정 구조이므로 해석이 용이하여 구조 해석 기술이 발달하지 않았던 과거에 종종 사용되었다.
- 고정 아치: 구조적으로 가장 경제적이지만, 양쪽 끝에 큰 고정 모멘트가 발생하므로 지반이 양호해야 한다. 따라서 적용 범위가 제한적이다.[1] 고정 아치는 다른 형식에 비해 강성이 커서 처짐량이 작다. 강아치인 아치 지간 289.56m의 나이아가라 레인보우 다리는 2힌지 구조로 계획하면 처짐에 의한 2차 단면력이 크게 발생하여 고정 구조로 계획되었다.[1] 힌지 구조를 갖기 어려운 많은 콘크리트 아치교가 고정 구조를 채택하고 있다.
- 타이드 아치 (자정식 아치): 아치에 작용하는 수평 반력을 기초 지반이 아닌 보강형에서 부담하는 형식이다. 활처럼 양쪽 지점부를 인장 부재(타이)로 연결하여 수평력을 전달하므로, 지점부에는 수평력이 발생하지 않는다.[1] (타이드 아치의 종류는 #타이드 아치교의 세부 분류 참고)
3. 2. 1. 타이드 아치교의 세부 분류
타이드 아치교는 아치 리브와 보강형의 강성 분담, 행어 배치 형상에 따라 타이형, 랭거형, 로제형, 닐센계로 구분된다.[1]| 형식 | 설명 | 예시 |
|---|---|---|
| 타이형 아치교 | 리브의 강성이 보강형보다 커서 리브가 축력과 휨모멘트에 주로 저항하고, 보강형에는 주로 축력이 발생하는 구조이다. | 한강대교 |
| 랭거형 아치교 | 보강형의 강성이 리브보다 커서 보강형이 축력과 휨모멘트에 주로 저항하고, 리브에는 축력이 발생하는 구조이다. 1926년 이후 본격적으로 적용되기 시작했으며, 적용 지간은 보통 50~100m 정도이다. | 동작대교 |
| 로제형 아치교 | 리브와 보강형의 강성이 비슷하여 리브와 보강형이 축력과 휨모멘트를 같이 분담하는 구조이다. 랭거형과 솔리드 리브의 충복 타이 아치의 중간적인 성격을 갖는다. | |
| 닐센계 아치교 | 수직재를 사방향으로 배치하여 교량 전체의 강성을 향상시킨 형식이다. 일반적인 수직재를 갖는 아치교보다 장지간 교량에 적용된다. 닐센 아치교의 적용 지간은 60~300m 정도이며, 지간이 클수록 강중은 작아지는 특성이 있다. | 서강대교 |
3. 3. 통행 위치에 따른 분류
아치교는 통행 위치에 따라 다음과 같이 분류할 수 있다.- 상로 아치교: 아치 위에 노면을 설치하는 형식이다.
- 충복식(filled-spandrel) 상로 아치교: 아치와 노면 사이를 재료로 채운 형태이다. --
- 개복식(open-spandrel) 상로 아치교: 아치 위에 기둥을 세워 노면을 설치하는 형태이다. -- --
- 하로 아치교: 아치를 노면보다 위에 가설하고, 아치 부재에서 노면을 매다는 구조이다. 주로 타이드 아치교 형식으로 건설된다. --
- 중로 아치교: 아치와 노면이 교차하는 위치에 있는 형식이다. --
강철과 콘크리트라는 근대 재료를 사용하면서 현대 아치교는 구조적 자유도가 넓어졌다. 아치교는 활 모양의 특성상 장지간 가교가 가능하지만, 사람이나 차가 통행하기 위해서는 별도의 평탄한 노면이 필요하다.
근대까지는 석재를 주재료로 사용했기 때문에 충복식 상로 아치교가 주류였다. 하지만 강철이나 콘크리트를 사용하면 아치 위에 기둥을 세우고 노면(바닥판, 보강 거더)을 설치하는 개복식 상로 아치교가 가능해졌다.
아치교에 하중이 작용하면 아치 부재가 바깥쪽으로 벌어지는 힘이 발생한다. 따라서 장대한 상로 아치교는 이 힘을 견딜 수 있는 강력한 암반이 필요하다. 충복식은 교량 자체의 무게가 커서 지간을 늘리는 데 한계가 있었지만, 개복식은 교량이 경량화되어 더 긴 아치교를 건설할 수 있다.
강교를 중심으로 하로 아치교도 현대에 많이 사용된다. 하로 아치는 노면을 받는 구조에 의해 아치의 양단을 묶는 타이드 아치교 형식으로 만들 수 있다. 따라서 지점부에 큰 힘이 작용하지 않아 연약 지반에도 장대 아치교를 건설할 수 있다.
현대에는 개복식 상로 아치교와 하로 아치교가 주류를 이루며, 그 중간 형태인 중로 아치교도 사용된다. 한편, 받침, 신축 장치, 배수 장치 등 유지 보수가 필요한 부재가 없는 충복식 상로 아치교도 일부 재검토되어 고속도로 고가교 등에 사용되기도 한다.
3. 4. 기타 분류
아치가 두 개인 아치교는 안경처럼 보이기 때문에 안경교라고 불린다.하나의 아치라도 위로 솟아있는 다리는 단안경과 비슷하기 때문에 안경교라고 불리는 경우가 있지만, 실제로는 아치의 개수와 관계없이 2개 이상이 이어지는 연속 콘크리트 아치교도 안경교라고 불린다.[19][20]
북의 몸통처럼 위로 솟아있는 아치교를 '''태고교'''라고 부른다.[21] 돌로 된 것이 많지만, 금속제나 목재로 된 것도 있다. 중국 정원, 일본 정원에서도 자주 사용된다. 특히 다리 하부의 반원형이 연못 등의 수면에 반사되어 보름달을 형상화하도록 계획된 것은 원월교라고 불린다.
4. 현대 아치교의 구조
현대 아치교는 주로 강철과 콘크리트를 사용하여 만들어진다.
강철은 질기고 늘어나거나 줄어드는 힘(인장, 압축) 모두에 강하기 때문에, 아치교의 기둥 사이 거리(경간)를 크게 늘리는 데 사용된다. 강철 아치교는 최대 경간이 500m를 넘기도 한다.[3] 강판을 조합한 상자형 단면을 가진 아치는 '솔리드 리브 아치'(Solid-rib arch)[3], 삼각형으로 조합한 트러스 구조의 아치는 '브레이스드 리브 아치'(Braced-rib arch)[4]라고 부른다.
콘크리트는 누르는 힘(압축력)에는 강하지만 당기는 힘(인장력)에는 약하다. 그래서 압축력만으로 다리를 지탱하는 아치교 구조에 적합하다. 콘크리트 아치교는 철근 콘크리트 구조로도 200m가 넘는 경간을 만들 수 있다.[3]
아치교는 아치 외에 노면을 만들기 위한 부재(보강 거더)를 설치하는데, 이 부재에 강성을 부여하여 아치와 힘을 분담하는 방식을 보강 아치교라고 한다. 보강 아치교는 힘을 분담하는 방식에 따라 다음과 같이 나뉜다.
- 로제교(Lohse Bridge): 보강 거더와 아치 부재 모두 굽힘 모멘트를 분담한다.
- 닐센 로제교(Nielsen Lohse Bridge): 로제교에서 아치와 보강 거더 사이에 케이블을 비스듬하게 배치한 형식이다.
- 랑거교(Langer Bridge): 보강 거더는 굽힘 모멘트를, 아치는 압축력만 분담한다.
| 형식 | 아치 부재 | 노면 구성 부재 (보강 거더) |
|---|---|---|
| 아치교 | 두꺼움 | 얇음 |
| 로제교 | (중간) | (중간) |
| 랑거교 | 얇음 | 두꺼움 |
이 외에도 단현 로제교, 버스켓 핸들형 닐센 로제교, 트러스드 랭거교, 균형 아치교 등 다양한 형태의 아치교가 있다.
4. 1. 구조 재료
현대 아치교의 구조 재료로는 주로 강철과 콘크리트가 사용된다.강철은 인성(질김)이 풍부하고, 인장 응력과 압축 응력 모두에 강하기 때문에 아치교에 많이 사용되어 경간(다리 기둥 사이의 거리)을 비약적으로 늘렸다. 강철 아치교의 최대 경간은 500m를 넘으며, 현수교나 사장교에 이어 긴 경간을 자랑한다. 강판을 조합한 상자형 단면을 '''솔리드 리브 아치'''(''Solid-rib arch'')[3], 삼각형을 조합한 트러스 구조의 아치를 '''브레이스드 리브 아치'''(''Braced-rib arch'')[4]라고 부른다.
콘크리트는 압축력에 강하지만 인장력에는 약하다. 따라서 압축 응력만으로 지지하는 아치교 구조에 적합하다. 휨이 발생하는 교량 구조에서는 인장 응력 발생을 피할 수 없어 경간을 늘리기 어려웠으나, 미리 압축력을 가하는 프리스트레스 콘크리트(PC)를 사용하거나, 아치교와 같이 압축 응력만으로 지지하는 구조를 통해 경간을 늘릴 수 있다. 콘크리트 아치교는 단순한 철근 콘크리트 구조이면서도 최대 경간은 200m를 넘는다.[3]