3조(03조)
프로젝트 개요
기술개발 과제
국문 : 교량 붕괴 사고 사례 모형 제작과 수치해석 비교 분석 - 세종포천고속도로 사례를 중심으로
영문 : Investigation of Bridge Collapse through Comparative Analysis of Scaled Model Testing and Numerical Analysis : Focusing on the case of Sejong Pocheon Expressway Collapse
과제 팀명
03조
지도교수
조수진 교수님
개발기간
2025년 3월 ~ 2025년 6월 (총 4개월)
구성원 소개
서울시립대학교 토목공학과 20228600** 박*준(팀장)
서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김*윤
서울시립대학교 토목공학과 20188600** 김*현
서울시립대학교 토목공학과 20208600** 신*필
서울시립대학교 토목공학과 20208600** 김*수
서울시립대학교 토목공학과 20198600** 문*찬
서론
개발 과제의 개요
개발 과제 요약
서론
본 프로젝트는 세종-포천 고속도로 공사 현장에서 발생한 붕괴사고의 원인을 분석하고, 이를 통해 향후 유사 사고 예방 및 구조물 안전성 향상을 위한 개선 방안을 도출하는 것을 목표로 한다. 이에 본 연구는 사고 사례 분석, 축소 모형실험, 수치해석을 종합적으로 수행하여 사고 메커니즘을 규명하고자 한다.
본론
첫째, 사고 사례 데이터 수집 및 분석 단계에서는 세종-포천 고속도로 붕괴사고와 관련된 조사 보고서, 언론 보도, 공공데이터를 바탕으로 사고 발생 지점, 붕괴 형태, 시공 단계, 사용 재료, 지반 조건, 기상 상황 등을 종합적으로 분석한다. 이를 통해 붕괴의 주요 원인과 발생 메커니즘을 파악하고, 축소모형 설계의 기초 자료로 활용한다. 둘째, 모형실험 및 검증 단계에서는 분석된 사고 요인을 반영하여 축소모형을 제작하고, 실험을 통해 구조물의 거동, 붕괴 진행 양상, 주요 취약부를 재현하고 관찰한다. 이를 통해 붕괴 발생 조건 및 시나리오를 검증하고 실험 데이터를 확보한다. 셋째, 수치해석 프로그램 활용 단계에서는 ANSYS 프로그램을 이용하여 축소모형실험에서 얻은 데이터를 기반으로 구조물의 응력 분포, 변형 양상, 붕괴 시 하중 전달 경로 등을 해석한다. 실험 결과와 수치해석 결과를 비교 분석하여 해석의 신뢰성을 확보하고, 붕괴 메커니즘에 대한 이해를 심화한다.
결론
본 프로젝트를 통해 축소모형실험과 ANSYS 수치해석을 연계한 분석을 수행함으로써 세종-포천 고속도로 붕괴사고의 주요 원인과 구조적 문제를 명확히 규명할 수 있을 것으로 기대한다. 이를 토대로 붕괴 사고 예방을 위한 설계 및 시공 개선안과 관리 대책을 마련하여, 향후 대형 공공 인프라 건설 현장에서의 안전성을 높이는 데 기여하고자 한다.
개발 과제의 배경
◇ 지난 25일 오전 경기도 안성시 서운면 산평리 소재 서울세종고속도로 천안~안성구간 9공구 천용천교 건설 현장에서 교량 거더가 붕괴하는 사고가 발생해 4명이 숨지고 5명이 크게 다쳤다. 사고가 발생한 곳은 서울세종고속도로 천안∼안성 구간 9공구 중 충남 천안과 경기 안성의 경계쯤 있는 청룡천교 건설 현장이다. 교각의 높이는 구간별로 다르지만, 최고 52m이며, 상판이 떨어진 구간 거리는 약 210m로 파악됐다. 사고의 정확한 원인은 아직 조사 중에 있다. 당시 다리 상판 위에서는 작업자 10명이‘빔 런처(Launcher)’ 장비로 철제 빔을 거치하는 작업을 하던 중이었다. 세종에서 서울로 올라가는 상행선 구간은 이미 설치가 돼있었고, 하행선에 상판을 설치하기 위해 런처를 옮기는 작업 중 사고가 난 것으로 파악됐다. 런처와 작업자들은 함께 바닥으로 추락해 잔해에 매몰됐다. 위 사고에대해 수치해석 모델과 모형 제작을 통해 사고의 원인을 정밀하게 분석해 보고, 차후 발표될 사고 분석 결과와 비교하고자 한다.
개발 과제의 목표 및 내용
이 프로젝트의 목표는 서울-세종 고속도로 제9공구 교량 거더 붕괴 사고를 수치해석 모델과 모형제작을 통해 구조적으로 재현, 분석함으로써 사고의 주요 원인 가능성을 공학적으로 도출하는 데 있다.
1. 본 연구는 교량 거더 붕괴 사고의 원인을 분석하고, 정부에서 수행한 조사 결과와 비교하여 차이점을 도출하는 것을 목표로 한다. 연구팀은 총 6명으로 구성되며, 수치해석 모델 분석팀(3명)과 모형 제작 및 분석팀(3명)으로 나누어 각 분야별 연구를 진행한다.
2. 수치해석 모델 분석팀은 MIDAS, ANSYS 등의 엔지니어링 시뮬레이션 프로그램을 활용하여 붕괴 당시 거더의 형상과 가해진 하중을 모델링하고, 이에 따른 변형과 붕괴 원인을 분석한다. 특히 빔 런처, 풍하중 등의 요인을 고려하여 붕괴 메커니즘을 정량적으로 평가한다.
3. 모형 제작 및 분석팀은 붕괴 직전의 교량 형상을 축소 모형으로 제작하여 다양한 하중 조건(예:풍하중, 충격 하중, 빔 런처 등)을 시뮬레이션한다. 이를 통해 실제 붕괴 과정에서 발생한 구조적 취약점을 검토하고, 재료의 강도 및 연결부의 변형 특성을 분석하여 보고서를 작성한다.
4. 각 팀이 수행한 연구 결과를 비교·분석한 후 최종 보고서를 작성하여 붕괴 원인을 논리적으로 추론한다. 이를 통해 정부 조사 결과와의 차이를 검토하고, 연구 결과가 향후 교량 설계 및 안전 평가에 실질적으로 적용될 수 있는 시사점을 도출하는 것을 목표로 한다.
관련 기술의 현황
관련 기술의 현황 및 분석(State of art)
- 전 세계적인 기술현황
- 교량 축소 모형을 이용한 붕괴 사고 분석 사례는 없음
설명 : 자료조사 결과 교량의 축소 모형을 제작하여 붕괴 사고를 분석한 사례는 없었음. 대신 저수지를 1/50 축척 모형을 제작하여 원심모형실험을 수행한 사례는 확인함. 이 모형 실험을 통해 월류시 실제 저수지의 붕괴를 막을 수 있는 방법을 찾는 등 유의미한 결과를 도출함. 이를 바탕으로 교량 붕괴 사고 분석 시에도 축소 모형을 사용하여 붕괴 원인을 조사하는 기술의 정당성을 확인할 수 있음.
참고자료 : 교육과학기술부의 연구자료 ‘원심모형실험을 이용한 저수지 월류시 제체보호공법 개발’ 자료 3p(하단부 ‘3) 원심모형실험 결과 ~’ 내용), 5p(‘3.1.2 저수지 모형 제작’ 내용)
종합해보면, 각 기관의 사고사례 조사 과정은 ‘1. 현장 조사 → 2. 데이터 수집 → 3. 구조적/실험적 분석 → 4. 프로그램 활용 분석’ 순을 공통으로 따르고 있다. 핵심은 사고 분석을 위해 하나의 방법만을 사용하지 않고 다방면에서 분석한다는 점이다. 다양한 자료를 찾아본 결과 교량 축소 모형을 이용해서 붕괴 사고를 분석한 사례는 없었으나, 토목 구조물에서 축소 모형을 이용해서 붕괴와 관련된 실험을 한 사례를 바탕으로 축소 모형을 이용한 교량 붕괴 사고 분석을 수행하고 수치해석 소프트웨어를 활용하여 사고 원인을 도출하고자 한다.
- 기술 로드맵
시장상황에 대한 분석
- 시장성 분석
1. 수치해석과 모형 제작 분석 기법의 시장에서의 실효성
-산업적 및 시장적 수요최근 서울 세종 고속도로 교량 붕괴 사고, 시흥 교량 붕괴 사고 등 다양한 붕괴사고가 발생하고 있다. 또한 노후화된 인프라의 증가로 추가적인 교량의 붕괴 위험성이 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 사고 사례 분석 기법과 이를 통한 사고예방법이 필요하다. 기존의 사고 사례 분석 기법은 정량적인 방법이 아니라 전문가의 주관적인 판단에 따라 붕괴 원인을 도출하거나, 경험적 분석에 의존하는 경우가 많으며, 통제하기 어려운 변수들에 의해 비합리적인 결과를 얻을 수 있는 가능성이 있다.따라서 아래 사고 사례 분석 기법을 사용하여 사고 발생 원인을 정량적으로 평가하고, 건설 현장에서의 구조물 사용 간의 환경 상황을 최대한 동일하게 하여 변수를 통제하고, 사고 발생 원인을 정밀하게 판단할 수 있다.
-수치해석 모델
수치해석 모델을 통한 사고사례 분석 기법은 교량의 구조적 특성, 하중 분석, 붕괴 메커니즘 등을 정밀하게 예측할 수 있으며, 유한 요소 해석, 구조적 시뮬레이션, 동적 해석 등 다양한 기법을 활용해 교량 붕괴 시나리오를 예측하고, 교량에 미치는 영향 분석을 할 수 있으며, 교량 붕괴 시 붕괴 원인은 찾을 때 더욱 정확하고 효율적인 분석을 할 수 있다. 또한 빅 데이터와의 결합으로 과거의 유사한 붕괴 사고의 사고 원인을 파악하여 해당 붕괴 사고에서 가장 가능성 높은 붕괴 원인을 추론할 수 있고, 붕괴 사고의 데이터들을 데이터베이스에 저장하여 건설 현장에서, 혹은 구조물의 사용 중에 빈도수가 높게 일어나는 사고원인을 파악하여 교량의 사고를 예방하고 교량의 설계 및 보수를 최적화하는 데 유리하다.
-모형제작 기법
실제 교량에 대한 실험은 큰 비용과 시간이 소요된다. 반면에 모형제작을 통한 사고사례 분석기법은 교량의 전체적인 규모와 특성을 반영한 물리적 모형 제작을 통해 시간과 비용 절감을 실현할 수 있다. 또한 해당 모형을 이용한 실험은 교량의 특수한 사용 조건이나 예외적인 사고 발생 가능성을 평가하는 데 유용하며, 실험적 검토와 함께 다양한 붕괴 시나리오를 실험적으로 테스트할 수 있어 실제 사고의 교량의 반응을 보다 정확하고 직관적으로 이해할 수 있다.
2. 경쟁력 분석 및 차별화 요소
기존의 교량 사고 분석 기법에 반해 해당 기법은 엔지니어링 프로그램을 활용한 정밀한 분석과, 다양한 데이터를 바탕으로 붕괴 사고를 다각화한 시각으로 볼 수 있다. 또한 각 교량의 환경 및 사용조건에 맞춘 수치해석 모델과 모형 제작을 통해 각 교량 사고의 맞춤형 설루션을 제공할 수 있다. 또한 수치해석 모델과 함께 AI를 적용하면 교량에 발생할 수 있는 다양한 사고 시나리오를 기계학습 기반으로 예측 및 예방할 수 있다. 이를 통해 교량의 안전성을 강화해 교량 사고로 인한 인명피해와 경제적 손실을 줄이며, 교량의 모형화와 시뮬레이션을 통해 비용과 시간을 절감한 사고 원인 분석이 가능해진다.
- 사회성 분석
1. 국민 안전 인식 제고
서울–세종 고속도로 사고는 교통 인프라에 대한 국민 신뢰를 심각하게 훼손한 사례로 평가된다. 이러한 사고는 단순한 구조물 붕괴를 넘어 국민들이 일상에서 느끼는 불안감을 증폭시키고, 공공 인프라 전반에 대한 신뢰 하락으로 이어진다. 따라서 사고에 대한 심층적인 분석과 구체적인 예방 방안 제시는 국민의 안전 체감도를 실질적으로 향상시키는 역할을 수행한다. 국민이 체감할 수 있는 안전성은 단순히 기술적 완성도를 넘어서, 사회적 신뢰의 복원과도 직결된다. 안전 인프라에 대한 신뢰 회복은 곧 공공정책의 정당성을 뒷받침하고, 지역사회 통합 및 정책 수용성 강화로 이어질 수 있다. 이러한 점에서 본 프로젝트의 사회적 효과는 상당히 크다고 할 수 있다.
2. 예방적 안전 관리 강화
본 프로젝트는 사고 이전 단계에서부터 잠재적 위험요소를 탐지하고 제거하는 ‘예방 중심 안전 관리 체계’를 지향한다. 수치해석 기반의 사고 위험 분석은 구조물 내외부의 결함을 파악할 수 있으며, 사고 발생 전 조기 대응을 가능하게 한다. 이는 시공 및 유지관리 단계에서 정량적 데이터를 활용한 객관적 의사결정을 가능케 한다. 이러한 체계는 안전 관리의 신뢰성을 향상시키고, 사회 전체의 위기 대응력을 한층 강화 시킬 수 있다.
개발과제의 기대효과
기술적 기대효과
1. 수치해석모델을 활용하여 다양한 붕괴 시나리오를 시뮬레이션함으로써 교량 붕괴 원인을 정밀하게 분석하고, 유사한 사고를 방지할 수 있다.
2. 모형 제작을 통한 실험 결과와 수치해석 결과를 비교함으로써 해석모델의 정확도를 높이고, 실제 교량 설계 및 보수 계획에 활용 가능하다.
경제적, 사회적 기대 및 파급효과
1. 붕괴 위험 요소를 사전에 식별하고 예방 조치를 강화함으로써 긴급 복구 비용을 절감하고, 교량의 수명을 연장하여 장기적인 경제적 이익을 창출할 수 있다.
2. 선진적인 해석기법과 실험 데이터를 기반으로 교량 설계 및 유지보수 기술을 발전시켜 국가 인프라의 신뢰성을 높이고, 해외 기술 경쟁력 강화에 기여 가능하다.
설계
개념설계안
1. 모형제작을 위한 재료
1-1. 거더 본체 및 교각
-레진콘크리트 (시멘트 + 모래 + 에폭시 수지 등)
장점: 압축강도 35MPA 이상 충분히 재현 가능 (설계기준이 보통 35MPA 이상이며, 에폭시 수지 등을 첨가시 일반 콘크리트에 비해 강도가 더 높게 발현됨), 점성이 높아 쉽게 성형 가능. 경화 빠름 (일반콘크리트는 대략 28일 양생 필요하지만, 레진콘크리트는 배합비율에 따라 훨씬 단축 가능한 것으로 알고 있음)
단점: 탄성계수가 낮음 (휨균열, 항복, 좌굴 등을 관찰하기 어려울 수 있음), 모형 비율을 크게 잡으면 에폭시 수지 등 첨가제로 인한 비용이 다소 발생 가능함
-시멘트 모르타르 사용(시멘트 + 모래(잔골재) + 물)
장점: 자갈 등 굵은 골재가 들어간 일반 콘크리트보다 축소 모형 제작이 용이함, 탄성 계수와 강도 조절이 용이함, 일반콘크리트보다 가벼움, 재료 구하기 쉽고 비용 낮음(반복 실험 가능)
단점: 강도가 낮음(하지만 35MPA 수준은 달성 가능 할 것으로 생각하고, 플라이애시 등을 첨가하면 해결 가능 할듯함), 점성이 낮아 다루기 어려울 수 있음, 균열 양상이 실제 콘크리트와 다를 수 있음
-경량콘크리트: 시멘트 + 물 + 경량골재 (펄라이트, 폼 등)
장점 : 축소 모형 제작 시 전체 구조물의 하중이 제한될 것으로 생각되는데, 자중 감소는 받침부와 구조물 운반 및 설치 측면에서 매우 큰 장점으로 작용할 것이고, 자중 문제로 인한 실험 실패를 방지하는 데 유리할 것으로 예상 됨. 경량 골재는 일반 골재보다 입자가 작고 무르며, 타설 시 혼합물의 점성이 낮아져 거푸집을 채우기 쉬운 특성이 있음.
단점 : 경량 골재 자체의 강도가 낮고, 골재와 시멘트 사이의 부착 성능도 떨어지기 때문에 전체적인 압축강도와 휨강도는 일반 콘크리트보다 낮음. 경량콘크리트는 내부에 공기층이 많고 흡수율이 높기 때문에, 수분이 내부에 오래 잔류하는데, 이에 따라 표면이 굳더라도 내부까지 강도가 도달하기까지 시간이 더 오래 걸릴 수 있음.
1-2. PS강연선
피아노선 외에 재료들은 피아노선에 비해 뚜렷한 장점은 크게 없고, 단점만 존재하여 피아노선이 가장 적합한 재료로 생각됨. -피아노선 장점: 고탄소 재질로서 실제 PS강연선과 유사한 거동을 나타내며, 인장강도 또한 1800MPa 이상으로 실제 PS강연선과 유사함. 단점: 단단하고, 유연성이 떨어져 다루기 어려울 수 있음.
1-3. 런처
- 아크릴
장점: 시각적으로 투명하여 내부구조를 잘 파악할 수 있으며, 가벼워 모형제작과 운반이 용이하고, 아크릴 소재 특성상 절단과 접합이 쉬워 모형제작에 유리함. 단점: 아크릴 소재가 하중에 취약하므로, 내부에 알루미늄, PLA(3D프린팅), 납작한 형태의 스틸바 등 보강을 해야 할 것으로 예상 됨.
1-4. 거더 내부 철근
- 스테인리스강선 0.5mm ~ 1.0mm
장점: 강성이 높아 실제 철근을 잘 표현하고, 단면이 작아 축소 모형 제작시 유리함. 단점: 스테인리스강선은 매끈한 표면을 가지기 때문에 실제 사용되는 이형철근의 리브와 마디를 재현하지 못함.
이외에 3D 프린팅 리브(PLA 등으로 만든 철근 모형)와 구리선도 알아보았음. 3D 프린팅 리브는 CAD 기반으로 실제 도면상의 철근 배근 위치를 정확하게 모델링 할 수 있으나 강성이 낮아 적합하지 않고, 구 리선 또한 자체 강성이 낮아 철근 재현 능력이 떨어져 보여 제외함.
2. 모형의 축척
세종포천고속도로 하도급사 중 하나인 장헌산업에서 제공하는 자료에 따르면, 경간장 50~55m를 갖는 DR거더의 웨브는 200mm이다. 따라서 원활한 모형제작을 위해 1:20의 축척을 사용한다.
3. 모형제작 구상도
4. 사고 사례 수치해석
4-1. 개요
본 개념설계안은 사각이 약 20~25°의 사교(Skewed Bridge) 형식 PSC 거더교를 대상으로, 구조적 특성과 주요 하중 조건을 정리하고, 이를 기반으로 수치해석을 수행하기 위한 기초자료를 제시하는 것을 목적으로 한다. 해당 교량은 경간장 50~55m의 DR거더 형식으로 구성되어, 거더 단면 치수와 교량의 횡단면 형상을 수치해석에 반영할 예정이다. 또한, 시공 장비인 빔런처의 자중(약 370톤)을 구조 해석 시 하중 조건으로 사용할 예정이다. 이러한 구조적 특성과 하중 조건(1장, 2장)은 ANSYS를 통한 수치해석 모델링과 모형 해석 결과의 신뢰성 확보를 위해 사용될 예정이다.
4-2. 교량의 구조형식 분석
1. 사교의 특성
해당 교량은 사각은 약 20~25°인 사교(skewed bridge)이다. 사교는 교량이 교축과 직각이 아닌 각도로 교차하는 구조라서, 해석 시 하중 분포, 지점 반력, 구조응력 등이 일반 교량과 달라질 수 있다. 일반적으로 사교에서는 편심재하의 경우뿐만 아니라 교축 중심에 실린 하중에 의해서도 주거더에 비틀림이 발생한다.
2. 거더의 단면 치수
해당 교량의 경간은 50m~55m이다. 경간장 50~55m에 따른 DR거더 단면 치수는 다음과 같다.
3. 교량의 횡단면
교량의 횡단면은 다음 그림과 같다. 고속도로 6차로 교량의 치수를 참고하여 사용할 예정이다.
4-3. 하중의 정량화
1. 빔런처 하중
교량의 경간이 최대 55m인 점과 타 교량 시공에 사용된 빔런처의 사진을 근거로 하여, 시공에 사용된 빔런처는 box type 2로 추정되므로 빔런처의 하중을 370ton으로 계산한다.
2. 재료의 물성값
장헌산업의 DR거더 소개 자료에 따르면 압축강도가 50MPa 이상인 콘크리트를 사용하며, 항복강도가 400~520MPa인 SD40 철근을 사용한다.
4-3. 해석 프로그램의 선정
교량 모델 제작을 통하여 얻은 결과값과, 구조해석 프로그램을 이용하여 얻은 결과값을 비교하는 것이 목적이기 때문에, 교량 붕괴 사고를 시뮬레이션 하기 위한 구조 수치해석 소프트웨어로 ANSYS사에서 개발한 구조해석 소프트웨어 Ansys Mechanical을 사용하기로 했다.
유한 요소 해석(FEA)은 제품이 실제적인 힘, 진동, 열, 유체 흐름 및 기타 물리적 효과에 어떻게 반응하는지를 예측하는 컴퓨팅 방식이다. 유한 요소 해석은 이러한 조건에서 제품이 파손되고 마모될 것인지 아니면 설계된 방식대로 작동할 것인지를 보여준다, 토목공학에서의 FEA는 교량, 건물, 댐과 같은 구조의 안전성 및 무결성을 평가하는데 사용된다. FEA는 엔지니어가 설계를 최적화하여 안전 표준을 충족하고 유지보수 필요성을 예측할 수 있도록 지원한다.
Ansys는 고급 비선형 해석과 복잡한 형상에 대한 정밀한 모델링이 가능하며, 최신 해석 기법과 알고리즘을 지속적으로 업데이트 하여 정밀한 해석이 가능하다.
Ansys는 전세계적으로 가장 많은 사용자를 가진 CAE(구조해석)프로그램으로서 방대한 기술 지원과 다양한 연구 사례를 보유하고 있어 신뢰성이 높고, 글로벌 사용자 커뮤니티와 기술 문서, 튜토리얼이 풍부하여 학부생도 쉽게 접근이 가능하다.
-> Ansys를 사용하는 것으로 결정하였다.
이론적 계산 및 시뮬레이션
1. 하중 – 처짐 상사 법칙
상세설계 내용
모델링 파트
0. ANSYS 프로그램의 transient structural를 이용해서, 처음 붕괴가 시작된 경간에 대해 해석을 진행한다.
1. 거더
경간을 50m이며 거더 한 개당 중량은 129 ton=1.2655 MN이다.
2. 거더 설치 간격 = 2.7m
3. 빔 런처 제원
장비중량 370 ton=3.626MN, 장비길이 100m 이다, 영상분석을 통해 거더 경간의 1/3 지점과 2/3 지점에서 장비 중량의 절반을 차지하는 것으로 가정하였다.
4. 재료 물성
사용한 콘크리트의 압축강도는 50 MPa이며 포아송비는 0.2이다.
ps 강재는 SD400철근으로 항복강도가 460 MPa이며 포아송비는 0.3이다.
계산의 편의를 위해 0.6의 강선 15가닥을 동일 면적의 R=29.5 mm로 이상화하여 거더 하나당 R=29.5mm 철근 5개로 이상화하였다.
철근의 프리스트레스는 온도조건(-500℃)을 통하여 1200MPa와 같은 효과로 설정하였다.
모형 제작 파트
1. 맨 처음 제작한 거더 거푸집은 그림과 같이 I형 거더를 우드락를 이용하여 만들었다.
2. 그러나, 콘크리트를 타설한 직후 우드락으로 된 거푸집이 하중을 견디지 못하고 무너졌으며, 이에 축척을 축소하고 설계도를 수정한 뒤 새로운 거푸집을 제작하게 되었다. 설계도 파트에 자세한 수치가 기재되어 있다.
3. 그 결과 모르타르를 타설하여도 큰 문제 없이 버텨내었다. 이 거푸집을 바탕으로 I형 거더 6개를 제작하여 타설 완료하였고, 양생하였다.
4. 철근은 다음과 같은 형태로 제작하여 한 개의 거더 당 총 6개씩 삽입하였고, 고무로 된 쉬스관을 관입하여 타설하였다. 이를 이용해 PS 강연선 또한 구현할 예정이다.
5. 또한 콘크리트의 배합비는 물:시멘트:잔골재 = 1:2:6으로 하였으나, 워커빌리티가 떨어진다고 판단하여 물의 비율을 1.5로 늘리고 감수제를 투입하여 워커빌리티를 향상해 타설하였다.
6. 이후 구현하게 될 런쳐는 아크릴판과 추를 이용하여 구현할 예정이며(이론적 계산에 수치 기재), 하중 실험 또한 실에 하중을 매달아 진행하여 모델링 팀과의 결과를 비교할 예정이다.
설계도
결과 및 평가
실제 교량의 크기와 같은 Full Scale 거더교를 모델링하고, 축소 Scale 거더교를 모델링 한 후 둘의 결과를 비교하여 지지 조건과 지지력 관계의 유사성을 확인하였다.
Full Scale 수치해석 결과
조건
실제 크기의 거더교에 대해 ANSYS transient structural을 이용하여 모델링 한 후 유한요소해석을 실시하였다. 런처지지대의 위치는 경간 1/3 지점과 2/3지점이며, 거더 위에 놓인 런처 지지대에 0~10 MN의 램프횡하중을 하중 조건으로 구현하였다. 거더-교각 사이 마찰조건은 마찰계수가 매우 큰 것으로 가정하여 ‘Rough’ 조건으로 설정하였다.
다음 세 가지 case에 대하여 거더교의 전도하중*을 계산하였다. 0. 전도방지철근이 없는 경우 1. 전도방지철근만 사용한 경우 2. 전도방지철근+바깥쪽 거더 bracing 있는 경우
- 전도 하중 = 가장 바깥쪽 거더의 교각과의 접촉이 사라지기 시작하여 변위가 급격히 증가하기 시작하는 하중
0. 전도방지철근이 없는 경우 전도하중 약 3MN
1.전도방지철근만 사용한 경우 전도하중 약 5~6MN
10m 간격으로 전도방지철근을 배치하였다. 철근 직경은 50mm=5cm으로 거더 간 구속과 전도 방지의 역할을 수행할 수 있는 치수로 설정하였다.
2. 전도방지철근+바깥쪽 거더 bracing 있는 경우 전도하중 10MN 이상 지지
축소 Scale 수치해석 결과
축소한 크기에 대한 수치해석 결과는 다음과 같다. 런처지지대의 위치는 경간 1/3 지점 2/3이며, 하중은 상사법칙을 고려하여 총 255N으로 구현하였다. 거더 위에 놓인 런처 지지대에 0~5000N의 램프횡하중을 하중 조건으로 구현하였다.
0. 전도방지철근이 없는 경우: 전도하중 300 N
1. 전도방지철근만 사용한 경우 : 전도하중 718N 거더 양 끝에 전도방지철근을 배치하였다. 철근 직경은 5mm로 거더 간 구속과 전도 방지의 역할을 수행할 수 있는 치수로 설정하였다.
2.전도방지철근+바깥쪽 거더 bracing 있는 경우 : 전도하중 5000N 이상 지지
수치해석 결과 비교
0 전도방지공 X 1 전도방지철근 2 전도방지철근+사재 형태의 전도방지공
Full scale 과 축소 Scale 거더교 모형에서 각각 0 1 2 조건을 추가하여 해석한 결과 전도에 대한 저항력은 모두 0 < 1 < 2를 나타내었다.
또한 횡하중 크기에 대한 변위 관계의 유사성도 확인하였다. 이를 통해 각 모델이 전도 시에 유사한 거동 패턴을 보임을 확인 할 수 있었다.
축소 스케일 모형을 통한 해석
실제 붕괴된 교량의 형태에 따라 축소 사이즈의 교량 모형, 모델링을 만들고, 모형은 아크릴 박스와 도르래 통한 런처 하중 및 횡하중 구현, 모델링은 ansys프로그램을 통해 하중을 구현함으로써 모형과 모델링의 교량 하중재하 실험을 비교, 분석해보려 한다.
모형 - 상세설계 보고서의 치수 사용
런처 하중 : 아크릴 박스에 콘크리트, 모래등을 추가해 26kg을 맞춘다. 런처 지지점 : 경간 1/3 지점, 2/3 지점에 총 26kg 재하
횡하중 재하 방법 물과 모래를 담은 페트병을 준비하여 도르래를 통해 런처 중심부에 연결한다. 물 양을 조절해 점차 무게를 늘려가며 실험한다. (9.7kg, 12.3kg, 13.7kg)
0) 전도방지철근이 없는 경우
0-1) 런처하중 255N, 횡하중95N 재하 -> 지지 가능
0-2) 런처하중 255N, 횡하중 120N 재하 -> 붕괴
1) 전도방지 철근만 사용하는 경우
1-1) 런처하중 255N, 횡하중 120N -> 지지 가능
1-2) 런처하중 255N, 횡하중 134N -> 붕괴
2) 전도방지 철근 + 거더 양끝 바깥쪽 bracing 사용 - 직경 2mm 나무젓가락 + bracing 형태의 전도방지공 배치
2-1) 런처하중 255N, 횡하중 134N 재하 -> 지지 가능
결과 0) 전도방지철근x 1) 전도방지철근o 2) 전도방지철근 + 사재 형태의 전도방지공
축소모형 실험에서 0)은 120N에서 붕괴되었으며, 1)은 134N에서 붕괴, 2)는 134N에서도 지지 가능했다.
전도방지철근이 거더 사이를 구속해줌으로써 회전운동이 일어나는 시점이 뒤로 밀리며 전도에 대한 저항력이 증가하였으며, 축소모형 실험에서도 동일하게 증가하였다.
bracing 설치 여부가 전도되는 거더를 직접적으로 지지해주어 전도에 대한 저항력이 증가하였다.
따라서 거더교 모형에서의 전도에 대한 저항력은
1) < 2) < 3) 으로 나타났다.
결론
모형 실험 결과, 실제 교량에서 발생한 붕괴 형상과 유사한 거동이 관측되었으며, 이는 축소 모형이 실제 구조물의 거동을 효과적으로 모사하고 있음을 보여준다. 이를 통해 수치해석과 실험을 통해 단계적으로 검증한 결과가 실제 사고의 재현에도 신뢰성 있게 이어진다는 점을 확인할 수 있었다.
한국산업안전공단의 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 교량공사 안전작업 지침에 따르면, ’12.4-(1) PSC 거더 거치 즉시 와이어로프를 긴장하여 고정하고 삼각 프레임과 받침쐐기 등을 설치하여 PSC거더가 전도되지 않도록 하여야 한다.’라고 브레이싱 필수 사용 규정이 명시되어 있다. 하지만 사고 교량에서는 브레이싱이 생략되어 있는 것을 현장 사진을 통해 확인할 수 있었다.
안전 규정에는 수많은 항목들이 존재하지만, 그중 일부는 공기 단축이나 비용 절감을 이유로 생략되기 쉽다. 그러나 PSC 거더 거치 시 브레이싱을 설치하지 않아 발생한 실제 사고 사례에서 알 수 있듯, 작은 한 가지를 소홀히 한 것이 사고로 이어질 수 있다. 특히 브레이싱처럼 겉으로는 단순해 보이는 요소도 구조적 안정성에 있어 중요한 역할을 한다. 이 사례는 모든 안전규정이 이유와 배경을 가지고 있으며, 어느 것도 가볍게 여겨서는 안 된다는 점을 다시 한번 일깨워준다. 규정 준수는 단순한 절차 이행을 넘어, 현장의 안전을 지키는 가장 기본이자 핵심이라는 점을 되새기게 한다.
포스터
내용