1. 서 론
2. 설계 조건
3. 개념 설계 개발
3.1 사이트 분석 및 주제 개념 개발
3.2 개념 형상화 및 발전
3.3 제안된 3경간 곡선 아치 보행교
4. 구조 해석
4.1 해석 모델
4.2 반복적 선형해석 방법에 의한 초기 평형상태 평가
5. 결 언
1. 서 론
이 논문에서는 저자들이 2025년 5월 18일에 일본 도쿄에서 개최된 IABSE Young Engineers Colloquium East Asia and Germany in Tokyo 2025 대회에 참가하여 제안한 새로운 형태의 보행교 개념 설계 개발 과정을 소개한다. 국제교량및구조공학회(IABSE)의 국가 지회 중에서 동아시아의 4개 지회인 한국, 중국, 일본, 홍콩의 지회가 돌아가면서 개최하는 YEC(Young Engineer Colloquium)에서는 만 35세 또는 40세 이하의 젊은 엔지니어들이 주도하는 학술논문 발표와 더불어 개최지의 특정 현장에 교량 또는 구조물을 설계하는 설계 경진 대회 (design competition)가 개최되어 오고 있다. 특히, 다양하고 창의적인 디자인이 가능한 보행교가 주요 주제로 제시되어 해마다 흥미로운 작품들이 발표되고 있다. 우리나라에서도 학부, 대학원생 및 설계 실무에 종사하는 엔지니어들이 매년 참가하여 새로운 아이디어를 축적해 나가고 있다.
이 논문은 학부 또는 석사과정 정도의 구조공학 지식을 가지고 있는 학생들이 특정 교량의 설계 개념을 발전시켜 나가는 과정을 제시한다. 발주기관의 요구사항, 현장의 제약 조건에 기반하여 설계 개념을 만들고 이를 교량 구조로 형상화시켜 나가는 초기 개념 설계 과정과 학부 수준의 구조 해석을 통해 교량의 역학적 거동을 이해하는 과정을 제시함으로써, 교량 공학의 교육적인 목적에 활용될 수 있는 자료를 제시하고자 하였다. 초기 개념 설계 과정에서는 교량의 모양을 잡는데 있어서 사물, 풍경, 동식물 등의 상징물을 직접적으로 형상화하는 대상 기반 추상화를 지양하고, 추상적인 개념과 주제어에도 상응할 수 있고 교량미학적으로 우수하면서 공학적으로 합리적인 디자인을 만들어 나가는 과정을 수립하고자 하였다. 교량의 구조적인 측면에서 보자면, 이 논문에서 제안하는 교량은 일종의 상호 결속식 경사 곡선 아치교(inter-tied inclined curved arch bridge) 형식이다. 경사 아치의 전도 모멘트를 저항하기 위해 모든 아치를 중앙에서 하나로 묶는 케이블- 링 구조를 사용하여 상호 결속(inter-tied)된 평형 상태를 만드는 새로운 형식의 교량을 제안한다. 일반적으로, 이 형식의 구조해석을 위해서는 케이블 포함하는 구조 때문에 기하 비선형 문제를 해석해야 한다. 교량해석에 사용되는 상용 유한요소해석 소프트웨어에서는 초기 평형상태를 구하는 과정을 수행할 수 있는 기능이 있는 경우가 많지만, 이 논문에서는 학부수준의 구조해석 지식만을 이용해 개념 설계를 수행해 보려는 교육적인 목적을 고려해 기하비선형을 고려한 정확한 초기 평형상태를 구하는 방법을 사용하지 않고 반복적 선형 해석을 통해 개략적인 초기 평형상태를 구하는 방법을 제시하였다.
이 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에 설계 경진 대회 주제로 주어진 일본 토쿄 시부야 교차로와 환형 보도교 설계 조건에 대하여 소개한다. 3장에서는 주어진 조건으로부터 설계 개념을 발전시켜 가는 과정을 소개한다. 4장에서는 제안하는 보도교의 구조해석 부분을, 그리고 마지막 5장에 요약 및 결언을 제시한다.
2. 설계 조건
이 설계 프로젝트는 일본 도쿄의 대표적인 초고밀도 보행 공간인 시부야 스크램블 교차로(Shibuya Scramble Crossing) 상부에 설치되는 정원형 보행교(pedestrian bridge with garden)를 대상으로 한다. 대상지인 시부야 스크램블 교차로는 하루 수백만 명의 보행자가 통과하는 세계에서 가장 붐비는 교차로로 알려져 있으며, 이 프로젝트에서는 이곳에 설치할 보행교가 단순한 보행 연결 시설을 넘어 도시 상징성과 공공성을 동시에 갖춘 입체적 보행 인프라로 제안해 줄 것을 요구하고 있다.
제안해야 할 보행교는 교차로 상부를 환형(ring-shaped) 보행 데크로 만들고, 세 개의 지지 구조물(교각, 계단 및 수직 동선 포함)을 통해 지상과 연결되도록 한다. 이러한 구조적 구성은 보행자의 흐름을 분산시키고, 교차로 중심부에 개방된 중공(open central void)을 형성함으로써 도심의 개방감과 시각적 연속성을 확보하는 것을 목표로 한다.
또한 이 프로젝트에서는 단순한 교량 설계를 넘어, 정원과 휴식 공간이 결합된 도시 녹색 인프라(Green Infrastructure)로서의 역할을 강조한다. 구조적 안전성, 보행 동선의 효율성, 그리고 교통 간섭 최소화를 전제로 하되, 설계자는 재료 선택, 구조 형식, 공간 구성에 있어 높은 자유도를 갖는다. 이를 통해 본 프로젝트에서는 엔지니어링, 건축, 도시 공간 디자인의 통합적 해법을 제시하는 것을 핵심 목표로 하였다. 이 프로젝트에서 제시하는 설계 조건을 Table 1 및 Fig. 1에 나타내었다.
Table 1.
Design constraints for the IABSE YEC East Asia & Germany Design Competition in Tokyo 2025
3. 개념 설계 개발
3.1 사이트 분석 및 주제 개념 개발
이 연구에서는 보행교의 개념 설계를 위해 대상 부지에 대한 사이트 분석을 수행하였다. 대상 지역인 도쿄 시부야(Shibuya)는 신주쿠(Shinjuku), 이케부쿠로(Ikebukuro)와 함께 도쿄를 대표하는 3대 부도심(sub-centers) 중 하나로, 특히 젊은 세대를 중심으로 한 최신 유행과 문화가 집약･발신되는 고밀도 상업･문화 중심지로 알려져 있다. 이러한 도시적 특성은 본 설계 대상이 단순한 교통 인프라가 아니라, 도시 아이덴티티와 공공성을 동시에 반영해야 하는 공간 구조물임을 시사한다.
또한 시부야는 지명에 ‘곡(谷)’ 자가 포함되어 있듯이, 주변 지역에 비해 해발고도가 낮은 골짜기형 지형을 형성하고 있으며, 이는 보행 흐름, 시각적 개방성, 구조물의 입체적 배치에 중요한 공간적 제약 조건으로 작용한다. 골짜기형 지형 조건으로 인해 시부야역 일대는 본질적으로 복잡하고 비효율적인 수직 동선 체계를 내포하고 있다. 특히 철도 및 지하철 환승 과정에서 이용자는 최대 7~8층 규모의 고저차를 반복적으로 이동해야 하며, 이는 보행 편의성, 접근성, 그리고 공간 인지 측면에서 상당한 부담으로 작용한다. 이러한 구조적 문제를 해결하고 대규모 보행 흐름을 보다 효율적으로 수직･수평으로 조직하기 위해 최근 시부야 재개발에서는 ‘어반 코어(Urban Core)’ 개념을 도입하여 지하-지상-상부를 관통하는 입체적 보행･교통 체계 구성을 시도하고 있다. 이러한 맥락에서 이 논문에서 제시하는 개념 개발 과정에서는 상부 보행 공간을 단순한 교량이 아니라, 자연 지형 위에 중첩되어 형성되는 ‘솟아오른 인공 지형’으로 해석하여 주제 개념을 잡고자 우선 시도 하였다.
3.2 개념 형상화 및 발전
교량 형상에 대한 초기 아이디어는 시부야라는 지명의 골 ‘곡(谷)’ 자의 문자 형상에서 착안하고, 일본의 전통적인 분위기와 성곽의 모양을 그대로 교량에 도입하고자 하였다(Fig. 2(a)). 특히 곡‘곡(谷)’자의 팔(八)자 머리가 2중으로 되어 있는 점에 착안하여 기와로 된 맞배지붕을 두 겹으로 쌓아 올리고 아래 쪽에 사각형의 공간을 확보하는 형상을 제안하였다. 수직 이동 공간은 교각부에 엘리베이터를 설치할 수 있는 큰 원형 구조로 공간을 확보하고, 필요한 경우 지하공간과도 연결 될 수 있는 구성을 생각하였다. 이 초기 디자인에 대해서는 다음과 같은 분석 결과를 도출하였다. 첫째, 교량미학적인 측면에서 글자의 모양을 그대로 형상화하는 것은 너무 1차원 적이고 자칫 유치할 수 있다. 둘째, 사방이 고층 빌딩으로 둘러쌓인 도심 한복판에 기존 전통 구조물이 아니라 현대에 새로 만든 랜드마크를 전통적 형상으로 만드는 것은 미적인 조화를 이루기에 매우 어려울 수 있다. 샛쩨, 도심속의 정원이라는 요구 사항을 수용하기에 어려운 디자인이다. 넷째, 구조적인 측면에서 고공에 위치한 무거운 기와 지붕은 내진 성능에 매우 불리할 수 있다. 다섯째, 데크를 지지하는 거더의 형식을 상부의 기와 및 목구조와 어울리게 만드는 것이 도전적일 수 있다. 특히 이 교량이 공중에 올라가 있는 모양을 고려하면 하부에서 바라볼 때 거더의 형식이 매우 중요할 수 있다. 이러한 분석 결과 이 초기 디자인은 채택되지 않고, 새로운 방향에서 다시 개념 개발을 진행하였다.
새로운 디자인은 주변 사이트를 탐색하며 착안한 추상적 개념을 토대로 만들어졌다. 시부야역 서쪽 출구에는 Moyai 라는 이름의 석상이 있는데, 이 석상은 도쿄에서 160 km 떨어진 태평양에 있는 니이지마(新島, Niijima) 섬을 도쿄시에 편입한 것을 기념하여 세운 석상이다(Fig. 2(b)). 니이지마 섬의 방언인 Moyai는 “힘을 합치다”라는 뜻을 가지고 있어 도쿄와 니이지마 섬 두 지역의 화합의 의미로 세워졌는데, 잘 알려진 이스터 섬의 거대 석상인 Moai 석상의 발음과 Moyai의 발음이 비슷한 것에 착안하여 비슷한 모양으로 만들었다고 한다. 이 석상의 “힘을 합친다”라는 개념에서 착안하여 이 교량 프로젝트의 목적인 “도심 공간에서 자연과 인간의 조화”를 누리는 교량을 떠올렸고, 도심 공간-자연-인간의 공집합을 벤 다이어그램으로 표현한 형상(Fig. 2(c))에서 착안하여 곡선 삼각형 형태의 디자인으로 교량을 설계 하기로 하였다(Fig. 2(d)). 이 새로운 디자인에 대해서는 다음과 같은 분석이 이루어졌다. 첫째, 주변의 맥락을 이용하였으며 요구하는 주제에 적합한 주제 개념으로 보인다. 둘째, 추상적인 개념을 형상화 한 것은 직관적이진 않지만 의미를 부여하기엔 유리하다. 셋째, 링형 교량을 원형으로 하는 것 보다 곡선 삼각형으로 하는 것이 보행 동선도 짧고 미학적인 측면을 고려할 때 원형의 단순함에서 오는 지루함을 덜 수 있다. 이러한 분석을 바탕으로 최종 개념 설계안을 개발하였다.
3.3 제안된 3경간 곡선 아치 보행교
개발한 곡선 보행교 개념을 바탕으로 최종적으로 제안된 교량을 Fig. 3에 나타내었다. 제안된 교량은 경사진 아치에 행어 케이블로 지지되는 3경간의 곡선 거더교이다. 이 교량의 가장 큰 특징은 3개의 기울어진 아치가 중앙부의 링 구조물에 케이블로 연결되어 있다는 것이다. 경사 아치는 아치 구조물의 전도가 일어나지 않는 평형 상태를 유지해야 하는데, 일반적인 경사 아치교에서는 거더의 자중과 함께 아치 지점 외부의 지지 구조를 통해 아치의 전도에 저항하는 구조를 취한다(Fenu et al. 2016; Ning et al. 2023). 그러나 아치에 하부지지구조물을 설치할 경우 보행자의 시선에서 답답해 보일 수 있고, 세계 최고 수준 밀도의 인원이 통행하는 도심지 공간을 고려할 때 보도교 하부의 공간 효율이 떨어진다고 판단되었다. 따라서 아치의 전도를 다른 방법을 통해 막는 방향으로 설계하고자 하였고, 아치와 연결된 케이블을 통해 중앙에 링을 띄운 형태의 구조를 생각하였다. 즉, 이 교량은 3개의 교량이 삼각형 형태로 서로 마주보고 있는 점에 착안하여, 중앙에서 케이블을 통해 경사 아치를 안쪽으로 당겨서 전도에 저항하는 형식을 취하였다. 특히 중앙의 링 구조물은 케이블에 긴장력을 도입할 수 있는 지점 정착구의 역할을 할 뿐만 아니라, 자체의 자중으로 아치를 지지할 수 있다. 또한 공중에 떠 있는 링의 형태는 도심지의 현대적 분위기와 미래지향적인 느낌을 잘 나타낼 수 있는 미학적 특징이 있다. 통행 데크의 중심에는 정원을 형성하는 수목을 배치한 휴식 공간을 마련하고, 내부 통행로의 바닥에는 잔디를 식재하여 충분한 녹지 공간을 확보하였다. 보행교에 진입하는 계단은 주변의 지상 연결 도로의 통행에 따라 교량의 내부 또는 외부로 이어지도록 배치하였다.
제안하는 교량의 제원을 Fig. 4에 나타내었다. 직선 길이 42 m, 45 m, 49 m로 구성된 각 곡선 경간은 두 개의 튜브 거더로 구성하였으며 양단 교각에서 단순 지지하고, 경사진 아치구조에 각 거더 당 5개의 행어 케이블로 하중이 전달되는 형식으로 하였다. 곡선 거더는 아치에 가까운 바깥쪽 튜브 거더는 지름 0.8 m, 아치에서 먼 안쪽 튜브 거더는 지름 0.6 m의 원형 강관으로 설계하였다. 각 경간의 두 거더는 16개의 가로보를 통해 연결하였다. 경사 아치는 지면과 60°의 경사를 갖도록 하였고, 전도 모멘트 저항을 위해 아치 상단부를 통해 중앙 링에 연결한 각 3개의 케이블로 지지하는 구조를 취하였다.
경사 아치, 케이블 및 중앙링에 작용하는 하중 경로는 Fig. 5에 나타낸 것과 같은 자유 물체도 및 힘 다각형으로 해석 할 수 있다. 수평면에서는 곡선 경사 아치에 작용하는 압축력, 케이블의 인장력, 중앙 링의 인장력이 평형을 이루게 된다. 수직면에서는 아치의 경사 케이블을 통해 전달되는 인장력, 데크의 하중, 그리고 중앙 케이블을 통해 전달되는 인장력이 평형을 이루게 되고, 중앙 케이블의 수직 성분과 링의 수직 성분, 그리고 케이블의 수평 하중 성분과 중앙 링의 수평 성분이 평형을 이루는 구조를 취한다.
4. 구조 해석
4.1 해석 모델
이 연구에서 구조 해석은 주요 하중 조건에 대한 부재력을 설계 기준에 따라 검토하기 위한 것이 아니라, 제시하는 형상을 구조적으로 달성할 수 있는지를 확인하기 위해서 수행하였다. 따라서, 자중과 케이블 인장력 등 고정하중에 대한 정적 해석을 수행하여 구조적 타당성을 확인하고자 하였다. 구조해석은 Midas Civil을 사용하여 수행하였다(MIDAS 2023). 원형 단면의 강재 거더와, 아치, H600×200×11×17 단면의 가로보는 3차원 뼈대 요소를 사용하였고 강재는 가로보는 SM400, 아치 및 튜브 거더는 SM490을 적용하였다(Fig. 6). 아치의 행어 케이블과 메인 케이블은 트러스 요소를 사용하였으며 직경 4 cm의 solid round 단면으로 하고 탄성계수 E= 200×106 kN/m2인 강재를 가정하였다. 링에 연결하는 메인 케이블은 해석을 단순하게 하기 위해서 하나의 트러스 요소만으로 모델링 하였다. 이 경우 케이블의 처짐(sag)에 의한 비선형적 거동과 정확한 장력은 모델링 할 수 없지만 뒷 절에 설명하는 반복적 선형해석 방법을 적용할 때 단순화 된 모델로서 적절한 것으로 판단하였다. 다만 Midas Civil의 케이블 트러스 요소는 등가 탄성계수가 적용되므로 처짐 효과는 어느 정도 고려된다고 볼 수 있다. 경계조건은 아치 지점 6개, 튜브 거더 지점 12개, 중앙 링 부분의 케이블 연결부 지점 9개로 총 27개로 모델링 하였다(Table 2).
Table 2.
Boundary conditions of the proposed bridge
4.2 반복적 선형해석 방법에 의한 초기 평형상태 평가
이 논문에서 제안하는 보행교 구조에서 가장 중심이 되는 것은 중심부에 설치된 링 구조와 링과 아치를 연결하는 케이블을 통해 경사 아치의 전도 모멘트를 저감하는 구조 시스템이다. 이 구조의 핵심은 중앙 링의 자중 및 케이블의 무응력장 길이에 따라 케이블에 도입되는 인장력이 경사진 아치의 전도력을 감소 시키면서 전체적인 평형을 이룰 수 있도록 하는 것이다. 따라서 원하는 높이에 중앙 링이 위치하면서 아치에 원하는 수평력을 도입할 수 있도록 하기 위한 케이블의 초기 길이 및 장력을 결정하는 초기 평형 상태 해석이 수행되어야 한다. 즉, 고정하중 상태에서 목표 형상을 만족하는 케이블의 장력을 구하는 초기 평형 상태 해석을 위해서는 기하학적 비선형 해석이 필요하다(Kim and Lee 2001). 그러나 이 연구에서는 반복적인 선형 해석만으로 검토를 진행 하였다. 해석은 중앙부 케이블의 지점을 수평으로 이동시켜 케이블 요소에 인장력을 도입하면서, 아치 및 거더의 처짐, 아치 지점부 반력모멘트, 케이블에 작용하는 인장력과 응력을 분석하는 방식으로 진행되었다.
반복적 선형해석 방법은 다음과 같다. 먼저 중앙 케이블이 없는 상태에서 자중에 의해 경사 아치의 처짐과 지점 반력 모멘트를 확인한다(Fig. 7(a)). 이후 임의의 초기 무응력장 길이로 모델링 된 케이블 요소를 활성화 하고 MIDAS의 Load 탭 내 Specified Displacement 기능을 이용하여 트러스 요소로 모델링 된 케이블의 중앙부 단부 지점을 가상의 링 연결부 지점까지 연장시켜 인장력을 도입한다. 이는 우리가 미리 원하는 링의 수직 위치를 고정하고 이 위치에 케이블의 끝단이 위치하도록 하는 방법이다. 이렇게 함으로써 중앙의 링 요소를 모델링 하지 않고도 필요한 장력을 도입시킬 수 있다. 긴장력을 도입한 후 아치 상단의 변위(경사 아치의 처짐)와 지점의 모멘트를 확인한다. 이후 케이블의 초기 길이를 다시 조정하여 아치 상단의 변위와 지점부의 반력 모멘트가 만족할 수준에 올 때 까지 시행착오 방법을 통해 케이블의 초기 길이를 조절 한다. 이 연구에서는 최종적으로 하중 작용 시 케이블이 의도한 링 설치 위치까지 도달하도록 하였고, 아치 중심부 및 거더의 수직 변위가 0에 가깝게 수렴하는 케이블 인장력을 얻었다. Table 3에 케이블의 초기 길이와 최종 길이를 나타내었다. Fig. 7(a)는 링-케이블 시스템을 사용하지 않았을 때 아치 지점 모멘트와 상단부의 변위에 대한 해석 결과이며, Fig. 7(b)는 링-케이블 시스템을 사용하여 조정한 아치 지점 모멘트 및 상단부의 변위에 대한 해석 결과이다. 아치 지점부의 반력 모멘트 역시 초기 설계 대비 현저히 감소하여, 이 구조 시스템의 안정성과 실현 가능성을 확인할 수 있었다.
Table 3.
Initial and final lengths of inter-tied center cables
5. 결 언
이 논문은 2025년 5월 18일 일본 도쿄에서 개최된 IABSE Young Engineers Colloquium East Asia and Germany in Tokyo 2025 설계 경진 대회에 참가하여 개발한 보행교 개념 설계 과정을 정리하고, 학부 및 석사과정 수준의 구조공학 지식을 바탕으로 창의적 설계 개념을 구조 시스템으로 발전시키는 절차를 제시하였다. 대상지는 초고밀도 보행 환경인 시부야 스크램블 교차로로, 환형 보행 데크, 3개의 지지·수직동선 코어, 중앙 중공 및 정원형 녹지 인프라라는 설계 조건을 동시에 만족하는 교량 개념을 도출하고자 하였다.
개념 설계 단계에서는 문자나 전통 형상의 단순한 모사를 지양하고, 시부야의 도시·지형적 맥락과 상징 요소를 추상화하여 형상으로 발전시키는 과정을 제시하였다. 초기의 전통 건축 기반 형상은 미학적·구조적·기능적 한계로 배제되었으며, Moyai 석상이 내포한 “힘을 합치다”라는 개념을 바탕으로 도시-자연-인간의 조화를 곡선 삼각형 형태의 링형 보행교로 재해석한 최종 개념이 채택되었다.
구조적으로는 3경간 곡선 거더를 경사 아치와 행어 케이블로 지지하고, 3개의 경사 아치를 중앙의 링-케이블 시스템으로 상호 결속(inter-tied)시켜 전도 모멘트에 저항하는 새로운 형식을 제안하였다. 이 시스템은 하부 지지 구조물을 최소화하여 도심 보행 공간의 개방성과 공간 효율을 확보하는 동시에, 중앙에 부유하는 링을 통해 구조적 평형과 미래지향적 조형성을 동시에 달성하도록 설계되었다.
제안 형상의 구조적 타당성을 검토하기 위해 MIDAS Civil 기반의 3차원 뼈대 모델을 구축하고, 자중과 케이블 장력에 대한 정적 해석을 수행하였다. 특히 링-케이블 시스템의 초기 평형 상태를 기하 비선형 해석 대신 반복적 선형 해석으로 근사하였다. 지정 변위를 이용하여 케이블 장력을 단계적으로 도입하고, 아치 상단 변위와 지점 모멘트의 변화를 기준으로 평형 상태에 접근하는 방법을 통해, 링-케이블 시스템이 경사 아치의 전도 거동을 효과적으로 저감할 수 있음을 확인하였다.
본 연구는 개념 설계 단계의 구조적 실현 가능성 검토에 초점을 두었으므로, 케이블 처짐과 비선형 거동, 시공 단계에서의 장력 도입, 풍하중･지진･보행 진동에 대한 동적 성능, 그리고 정착부 및 정원 요소의 영향 등은 향후 보다 정밀한 해석과 설계 기준 기반의 검토가 필요하다.
결론적으로, 본 논문은 시부야라는 복잡한 도시 환경을 배경으로 추상적 주제 개념을 구조 시스템으로 구현한 보행교 설계 사례를 제시하고, 경사 아치-링-케이블의 상호 결속 구조와 반복적 선형해석 기반의 초기 평형 평가 절차를 통해 개념 설계 교육 및 창의적 구조 설계 훈련에 활용 가능한 방법론적 예시를 제공하였다.
