1. 서 론
2. 포천 Y형 출렁다리의 형식 및 교량 계획
2.1 비 등각 Y형 출렁다리
2.2 케이블
2.3 복층구조의 보강거더
2.4 중앙부 연속 케이블
2.5 앵커리지
3. 시공 및 형상관리
3.1 가설
3.2 GNSS를 이용한 형상관리
4. 결 론
1. 서 론
포천 Y형 출렁다리는 경기도 포천시 영북면 일대에 설치된 보행 현수교로써, 포천시의 대표 관광지인 한탄강 주상절리길을 조망하기 위한 동선을 최소화하여 관광객의 편의성을 증진시키고, 특색있는 교량형상으로 지역의 랜드마크시설로 자리잡아 관광객 유입 및 지역경제 활성화에 주 목적이 있다.
교량 연장은 1선형 130 m, 2선형 130 m, 3선형 140 m이며, 폭원 1.8 m의 트러스형 보강거더를 적용하였으며, 접속되는 산책로와의 연계 및 최대홍수위를 고려하여 3선형측에는 교각을 설치하여 교량 선형을 구성하였다. 보강거더는 풍하중 및 보행하중에 의한 비틀림 강성을 확보하기 위해 트러스구조의 복층 단면을 적용하였으며 케이블 장력이 집중되는 중앙부 프레임은 세 선형의 서로 다른 각도와 긴 경간장에 의해 케이블 장력이 크고, 그에 따라 중앙부에 응력집중이 예상되는바 외측 케이블을 중앙부에서 정착시키지 않고 새들을 통해 연속화시켜 힘의 방향을 전환시키고 크기를 감소시켰다. 교량의 1,2선형측의 급경사 지형에 설치되는 앵커리지는 산악 지형에서의 시공성 및 주변 환경에 미치는 영향 등을 고려하여 영구앵커를 사용한 지중정착식 앵커리지를 적용하였다.
본 교량은 세 선형간의 각도가 동일하지 않아 케이블 장력이 상이하고, 경간장이 다소 길어 완성계시 케이블 장력이 큰 구조로써 시공시 정밀한 형상관리 및 구조강성 확보가 요구되는 교량이다. 이에 따라 중앙부 복층구조, 중앙부 케이블의 연속화, GNSS를 이용한 형상관리 등 교량의 구조적 안전성 확보 및 정밀한 시공 관리를 위해 혁신적인 기술을 적용하여 교량을 완공하였다.
2. 포천 Y형 출렁다리의 형식 및 교량 계획
2.1 비 등각 Y형 출렁다리
본 교량의 설치위치인 한탄강 협곡의 지형적 특성으로는 가운데 흐르고 있는 폭 80 m의 한탄강을 중심으로 1,2선형측은 급경사 산지를 이루고 있으며, 3선형측은 완만한 평지구간으로 약 30 m의 높이차를 보이고 있다. 또한 1,2선형측의 급경사지는 골짜기를 형성하고 있어 각 선형간의 중심각을 120°의 동일한 각도로 계획할 수 없는 지형이다. 따라서 지형 여건을 고려하여 Fig. 1에서 나타난 바와 같이 144°, 72°의 각을 이루는 Y형으로 평면 선형을 계획하였으며, 시·종점간의 고저차를 해소하기 위해 Fig. 2에 제시된 3선형 구간에 21 m 교각 및 접속부를 설치하였다. 이를 통해 처짐비가 1/20(새그 = 13.0m)의 보행자 친화적인 종단 선형을 구현하였다.
2.2 케이블
주케이블은 직경 Φ40 mm, 각 선형당 12가닥으로 구성된 FLC(Full Locked Coil)을 적용하였다. FLC케이블은 아연+알루미늄 특수도금으로 별도의 피복구조 없이도 내식성이 우수한 장점이 있으며, 쐐기형 Z형 타입의 표면구성으로 인해 외관이 미려한 특징이 있다. 또한 부식 방지용 내부충진 구리스의 부재로 낙뢰에 의한 화재위험 및 화재에 의한 탄성계수의 저감이 없으며 별도의 HDPE 방수층을 사용하지 아니하여 자외선에 의한 열화가 없어 별도의 도장 및 유지관리가 불필요하다.
현수교의 주케이블은 탄성현수선케이블 시스템이 초기평형상태가 이루어진 후에는 현수교 전체의 초기평형상태가 이루어지도록 해야 한다. 이에 따라 현수교의 기하비선형 해석을 수행하여 얻어진 부재력을 초기부재력으로 도입하여 현수교의 초기평형상태에 대한 새그 조건을 만족할 때까지(수렴 허용오차 : 10-5) 기하 비선형 해석을 반복하였다. 해석을 위하여 구조해석 프로그램상 케이블은 케이블 요소로, 거더부재는 빔요소로, 새들부는 스프링으로 구현하였으며 앵커리지 및 주탑 하단은 고정단으로 가정하였다. 초기평형상태 해석을 위한 하중은 케이블 및 거더를 포함한 교량의 자중을 고려하였다. 교량의 새그점을 기준으로 한 주케이블의 초기평형상태 해석 결과 좌표는 Table 1에 제시하였다.
Table 1.
Main cable coordinates derived via form-finding method
| Span 1 elevation | Span 2 elevation | Span 3 elevation |
 |  |  |
주케이블의 설계는 출렁다리 설계 가이드라인에 제시된 한계상태별 저항수정계수와 저항계수를 적용하여 가설중 및 공용중에 대해 검토를 수행하였고, Table 2에 제시된 바와 같이, 각각의 한계상태에 대해 구조안전성을 확인하였다.
Table 2.
Result of the ultimate limit state analysis
| Span 1 cable analysis | Span 2 cable analysis | Span 3 cable analysis | |||
 |  |  | |||
| Maximum tension ratio | 0.565 | Maximum tension ratio | 0.565 | Maximum tension ratio | 0.918 |
2.3 복층구조의 보강거더
현수교 보강거더는 요구되는 보행통로를 확보함과 동시에 활하중에 의한 연직변위, 풍하중에 의한 수평변위에 효과적으로 저항하며 경제적이고 시공시 효율성을 감안한 계획이 필요하다. 또한, 구조 특성상 세장한 특수교량으로 분류되는 출렁다리의 경우 내풍안정성을 확보하는 것이 무엇보다 중요하다. 출렁다리의 경우 도로현수교에 적용되는 유선형 강박스 타입의 보강거더를 적용하는데 공사비의 한계성이 있고, 가설을 위한 크레인 및 인양장비의 접근이 쉽지 않으므로 인양중량 최소화를 고려한 단면 계획이 필요하다.
포천 Y형 출렁다리는 시종점 직선길이 273 m의 장경간 무주탑 출렁다리로 Φ40 mm - 12ea의 full locked coil cable을 사용하여 성인(70 kg) 2,570명이 동시에 지나갈 수 있도록 설계하였으며, 교량의 규모와 통행 밀집도를 고려하여 1.8 m의 보도폭원을 확보하였다. 또한 대형장비의 활용이 어려운 산악 지형의 시공여건을 고려하여 거더블럭은 3.0 m 세그먼트로 계획하여 인양중량을 낮추고 시공성을 확보하였다.
Fig 3과 같이, 풍하중 및 보행하중에 의한 비틀림 강성을 확보하기 위해 트러스구조의 복층 단면을 적용하였으며, 트러스 구조의 보강거더를 적용함에 따라 보강거더의 강성을 확보하고 케이블을 상하단으로 배치하여 교량 전체 거동의 비틀림 저항력을 향상시켰다. 나아가 추가적인 단면의 내풍성능 향상을 위하여 스테인레스 메쉬 난간 및 스틸그레이팅 발판을 적용하여 공기투과를 원활하게 하고 수풍면적을 최소화하였다.
교량의 내풍성능은 서울대학교 산학협력단을 통한 풍동실험을 실시하여 검토되었으며 단면 모델의 축척은 풍동의 크기와 Cauchy 상사 조건을 고려하여 1/10으로 정하였다. 2자유도 진동실험을 위한 등류 기류 조건에서는 기류 방향 난류 강도를 1 % 미만으로 유지하였으며, 난류 기류 조건에서는 난류 격자를 이용하여 2.5 %의 연직 방향 난류 강도를 맞추었다. 또한 교량에서 발생 가능한 진동특성을 명확히 관찰하기 위하여 0.12 % 연직 및 0.10 % 비틈 감쇠비를 적용하였다. 풍동실험을 통한 내풍안정성 평가는 케이블강교량설계지침에서 제안하고 있는 평가 기준을 기본으로 교량 특성에 맞추어 적용하였다. 실험 결과 한계풍속(32.2 m/s)을 상회하는 50 m/s 풍속 범위까지 등류 기류조건, 저감쇠 상태에서 와류진동과 플러터 현상이 관찰되지 않았으며 모든 Case에서 풍속 60 m/s 까지 감쇠비가 음의 영역으로 내려가지 않아 한계풍속을 충분히 상회하는 풍속까지 플러터 안정성을 확보하고 있다고 판단되었다(Seoul National University Research & Business Foundation, 2023). 부문모형실험에 사용된 풍동실험장치와 거더 단면 모델은 아래와 같다.
2.4 중앙부 연속 케이블
중앙부 프레임은 세 방향의 케이블 장력이 집중되는 지점으로, 가장 큰 인장력을 받는 구조부재이다. 따라서 중앙부에 케이블을 핀타입으로 연결할 경우 케이블의 장력이 그대로 중앙부 프레임에 인장력으로 작용하여 이에 저항하기 위한 단면으로 설계할 시, 단면이 과다해져 강재량 증가로 경제성 및 시공성이 불리해진다.
이를 해소하기 위해 본 교량에서는 외측 케이블 8본(4본X2개소)을 중앙부에서 정착시키지 않고 새들을 통해 연속화시켜 힘의 방향을 전환시키고 크기를 감소시켰다(Fig.6). 케이블 교량의 주탑에 주로 사용되는 새들을 Y형 출렁다리의 중앙부 케이블에 적용함으로써 중앙부에 작용하는 인장력의 부담을 줄일 수 있는 기술을 본 교량에 새롭게 적용하였다.
또한 핀연결부와 새들연결을 복합 적용함으로써, 극단상황에서 핀 연결부가 파단되더라도 연속케이블은 파단되지 않고 유지되므로, 구조물 전체의 붕괴유발을 방지할 수 있는 구조로 계획하였다(Fig. 7).
중앙부 프레임에서 핀 타입 정착과 새들을 사용한 연속 케이블 적용 시 각각의 한계상태에 대해 발생하는 응력을 비교한 결과는 Table 3에 제시하였다.
Table 3.
Stress at the centre frame by cable anchoring method
|
Von-Mises Stress in the centre frame with conventional anchorage system |
Von-Mises Stress in the centre frame with continuous cable system |
 |  |
| f = 634.7 MPa | f = 273.2 MPa |
2.5 앵커리지
산악부에 설치되는 앵커리지는 교량 구조물의 특성상 일부 표층을 제거하면 양질의 연암이 노출되는 지형적 조건을 고려하여 지중정착식 앵커리지를 적용하였다. 지중정착식 앵커리지는 기존의 중력식 앵커리지에 비하여 토양 및 식생 훼손을 최소화하여 생태계 보전에 기여하며 장기적인 구조 안정성을 제공한다. 이는 추가적인 유지보수 작업을 줄여 결과적으로 자원의 낭비를 방지하고, 탄소 배출 감소 효과를 가져온다. 지중정착식 앵커리지는 초기 설치 비용은 다소 높을 수 있으나, 유지비용이 적어 장기적으로는 비용 절감 효과를 기대할 수 있다.
포천 Y형 출렁다리의 1,2선형측의 급경사 지형에 설치되는 앵커리지는 프리스트레스 도입이 가능한 직경 40 mm 디비닥 Pre-stress Thread bar를 사용하였으며(Fig. 8) 앵커리지 개소당 총 33본, 길이 20 m로 기반암에(연암 – 단위중량 : γ = 25.0 kN/m3, 내부마찰각 : Ø = 39.5°, 극한주면마찰저항 : 1000.0 kN/m2) 지중정착하여 전도, 활동, 지지력에 대한 외적 안정성을 관용적 방법에 의해 검토하고 FEM 해석을 통해 주요 부위의 보강철근량을 산정하였다. 앵커볼트는 시멘트 그라우팅을 실시하여 부식에 대비하였으며 각 앵커볼트당 773.6 kN의 긴장력이 도입되었다.
앵커리지에 설치되는 케이블 정착부는 케이블 장력을 지지하는 주요 구조로써 케이블 장력에 의해 응력집중이 예상되므로 이에 대한 상세 검토가 필요하다. 따라서 3차원 FEM 해석을 수행하여 전반적인 응력 및 구조적 안전성을 검토하였다(Fig. 9).
3. 시공 및 형상관리
3.1 가설
본 교량의 가설은 Fig. 10에 나타난 바와 같이 크레인 및 윈치 시스템을 이용하여 교량 주요 공종을 진행하였다. 교량의 건설은 앵커리지 타설, 주케이블 가설, 중앙부 인양, 거더 인출 순으로 진행하였으며, 즉각적인 중앙부 위치 조정 및 케이블 새그 조정을 위해 GNSS안테나와 AIoT센서를 이용한 형상관리를 수행하였다.
3.1.1 케이블 가설
세 방향으로 전개되는 케이블을 가설하기 위해 Figs. 11, 12, 13, 14와 같이 우선 중앙부 프레임을 바닥에 거치하고 중앙부 프레임과 케이블핀을 체결한다. 중앙 새들부를 통과하는 연속케이블도 새들에 정착시키고 케이블을 각 선형방향으로 전개시킨다. 이때 케이블은 앵커리지 정착부에 정착시키기까지 길이가 짧으므로 와이어를 이용하여 앵커리지 정착부까지 연장하고, 추후 중앙부 인양시 케이블을 긴장하여 앵커리지 정착부에 정착시킨다.
3.1.2 중앙부 인양
중앙부 프레임 인양 및 케이블 정착은 중앙부 크레인과 정착부 윈치를 이용하여 인양한다(Fig. 15). 거더 가설 전 단계에서의 중앙부 프레임을 목표 위치까지 인양한 후, 주케이블을 앵커리지에 정착하고 새그조정 및 중앙부 위치 조정을 실시한다.
3.1.3 거더 인출
케이블 새그 및 좌우 조정, 중앙부 위치 조정이 완료되면(Fig. 16, Fig. 17) 앵커리지측에서 3.0 m 세그먼트로 구성된 거더블럭을 케이블에 가체결하고 윈치를 사용하여 중앙부 쪽으로 순차적으로 인출하며(Fig. 18) 최종적으로 난간 메쉬 및 난간 파이프 등을 교량에 결속하여 교량 가설을 완료한다(Fig. 19).
3.2 GNSS를 이용한 형상관리
일반적인 현수교와 달리 포천 Y형 출렁다리는 교량 가설시 연직방향의 새그와 평면상의 위치를 동시에 만족시켜야 하는 어려움이 있다. 이를 위해 당사에서 설계 및 시공하였던 거창 Y자 출렁다리의 경우 광파기 측량을 이용하여 각 시공단계별 중앙부를 측량하여 위치 조정을 수행하였다. 그러나 광파기 측량의 경우 가설 단계별로 매번 측량을 해야 하는 번거로움이 있으며, 측량 당시의 위치 정보만 수집가능한 단점이 있다.
반면에 이번 Y형 출렁다리 시공시에 적용한 AIoT센서와 GNSS안테나를 적용한 형상관리 시스템은 이런 단점을 극복하여 매 10분 단위 변위 양상을 원격으로 확인가능하고, LTE를 통한 좌표 데이터 수집이 가능하여 연직방향 및 수평방향 조정이 필요한 Y형 출렁다리의 형상관리에 적합한 시스템임을 검증하였다.
GNSS안테나 및 AIoT센서를 이용한 시스템의 구성은 Fig. 20과 같다.
GNSS안테나는 Septentrio사의 안테나로 위도 7 mm이내, 높이 10 mm이내 오차범위를 갖는 정확도 높은 안테나로, 고정단 GNSS는 3선형측 현장사무실의 상단에 고정하고, 중앙부 GNSS는 1.2 m 폴대 위에 설치하였으며, 기준국은 서울시 기준국 좌표를 이용하여 두 GNSS간의 상대 거리를 추출하였다.
GNSS에서 받은 좌표를 수신하고 데이터 처리 및 분석을 위해 두 안테나를 Ino-on사의 Ino-Vibe GB에 연결하였다. Ino-on사의 Ino-Vibe GB는 내부에 데이터로거, 허브, LTE라우터, GNSS수신기가 내장된 AIoT 통합센서로써, 10분 단위로 저장되는 데이터를 LTE를 통해 서버에 무선전송하여 원격으로 데이터 확인 및 저장이 가능하다.
중앙부 GNSS안테나 하단에는 데이터 비교를 위해 광파기 프리즘을 설치하여 단계별로 광파기 측량을 실시하였고, GNSS를 이용한 가설 단계별 형상관리 결과는 Fig. 21, Fig. 22와 같다.
중앙부 인양 기간 동안(4일) GNSS 및 광파기를 이용한 측량 결과, 약 20 mm 내로 높은 정확도를 보였으며, GNSS로 수집된 연속성 있는 데이터와 10분 단위의 실시간 확인으로 즉각적이고 정확도 높은 sag 조정이 가능했다.
4. 결 론
포천 Y형 출렁다리는 당사에서 설계･시공한 거창 Y형 출렁다리와 유사성을 갖지만 구조적인 측면에서 차별성이 있다. 세 선형의 서로 다른 각도와 긴 경간장에 의해 케이블 장력이 크고, 그에 따라 중앙부에 응력집중이 예상되며, 동일한 각도로 평면 선형이 구성되지 않아 비틀림에 대한 강성 확보가 필요하다.
따라서 포천 Y형 출렁다리에서는 이러한 구조적 문제를 해결하기 위해 케이블을 중앙부 프레임에서 연속화하고 복층 배치를 하였으며, 트러스 구조의 보강거더를 사용하여 강성을 확보하였다. 또한 GNSS 및 AIoT 형상관리 시스템을 이용하여 시공 단계별 즉각적이고 정확한 좌표 데이터를 기반으로 신속하고 보다 안전하게 교량을 완공하였다.
