▪세계 최장 차나칼레대교의 가설엔지니어링

작성자: 엔비코 컨설턴트 최성락 상무(프로젝트 매니저, 정회원)

차나칼레대교는 터키 북서부에 위치한 차나칼레주의 다르다넬스 해협을 가로질러 아시아와 유럽을 연결하는 세계 최장의 3경간 연속 현수교로서 45.06m 폭의 트윈 강상형 보강거더와 318m 높이의 강주탑, 주케이블 및 24m 간격으로 배치된 행어로 구성되어 있다. 본 교량은 총 연장 324km인 Kinali-Balikesir 고속도로의 주경간교로서 이전 세계 최장 기록을 보유하고 있던 일본 아카시해협대교를 32m 앞서는 2,023m의 주경간장을 갖도록 계획되었다.

엔비코컨설턴트는 본 교량의 시공중 가설엔지니어링 업무를 수행하였으며, 주요 수행업무는 아래 표에 정리하였다. 이 중 CE1 단계에서는 현수교 각 공종별 하도급사 선정을 위한 가설 기본계획 및 가시설 기본설계를 통한 물량산정, CE2 단계에서는 각 공종별 시공을 위한 상세 가설계획과 가시설 실시설계, 시공중 형상관리를 주요 업무로 수행하였다. 이와 별도로 공정상 필요에 의해 하도급사 선정전 자재 선발주 또는 매입가시설 선시공 등을 위해 CE2 단계에서 수행해야 하는 일부 과업을 CE1 단계에 포함하여 수행하였다.

차나칼라대교는 강진지역에 세계 최장의 주경간장과 세계 최고 높이의 강주탑으로 계획된 교량으로서, 상기 교량의 시공중 가설엔지니어링 과업은 그 동안 누구도 경험해보지 못한 기술적·지역적·기후/환경적 제약조건을 엔비코컨설턴트의 기술력으로 극복해 나가는 과정의 연속이었다. 시공 과정에서 수행한 다양한 가설엔지니어링 업무 중 이번 뉴스레터 기술기사에서는 케이블공 가설을 위한 캣웍 시스템의 설계, PPWS의 시공중 형상관리 및 강주탑의 가설중 진동제어 계획에 대해 소개하고자 한다.

(1) Catwalk System의 설계

현수교의 주케이블 시공을 위해 가장 핵심적인 가시설인 캣웍 시스템은 주케이블 선형에 따라 설치되어 지간대비 폭원이 매주 좁은 세장한 구조로서, 캣웍 시스템의 설계와 시공을 위해서 주케이블의 시공중 형상변화와 캣웍의 변형특성을 고려하여 시스템을 구성하고 안정성을 평가하였다.

특히 차나칼레대교의 캣웍 시스템의 경우 장지간에 따른 캣웍의 전체 및 국부적인 형상변화에 대한 민감도가 크고 강주탑의 진동영향과 바람 및 지진 등의 환경적 영향이 크게 작용하는 구조이기 때문에 캣웍 시스템의 설계시 기존의 단순화된(Simplified Model) 해석모델이 아닌, 강주탑과 같은 주요구조물과 켓웍 시스템을 구성하는 모든 구성요소를 고려한 3D Full-model을 구성하여 해석하고, 각 구성요소의 구조적 특성을 충분히 고려하여 상세한 거동분석을 수행하였다.

 또한 교량의 구조적/환경적인 특성에 따라 바람의 영향이 지배적인 점을 감안하여 캣웍 시스템의 2차원 풍동실험을 수행하여 산정된 공기력계수를 캣웍의 설계에 적용하였고, 캣웍 시스템에 대한 버펫팅해석 및 Excitation 해석을 수행하여 캣웍의 동적안전성과 사용성을 검증하였다.

(2) PPWS의 시공중 형상관리

5.75mm의 Wire 127가닥으로 제작되어 약 4.4km의 길이를 가지는 PPWS는 중앙경간 기준으로 케이블당 144개로 구성되어 있다.

목표형상을 만족하는 PPWS의 시공을 위하여 강주탑과 캣웍 시스템을 포함한 구조물의 거동과 온도의 영향을 면밀하게 고려하여 각 스트랜드별 목표형상을 산정하고, 스트랜드의 설치 오차와 온도에 대한 민감도 분석을 수행하여 PPWS의 조정 및 형상관리 계획을 수립하였다.

PPWS의 가설순서는 Saddle내에서의 스트랜드 붕괴방지와 설치된 스트랜드의 Galloping 발생효과를 고려하여 결정하였다. 특히 장지간에 따른 측량오차를 줄이기 위해, GPS 측량과 광파측량 결과의 비교를 통해 최종 적용된 GPS측량의 신뢰성을 확인하고, 온도 측정점을 증가시켜 장지간에 의한 온도 영향을 감소시켰다.

(3) 강주탑의 시공중 진동제어 계획

차나칼레대교는 2,023m의 세계 최장 경간장과 더불어 세계 최고 높이(해수면으로부터 313.5m)의 세장한 강주탑을 가지고 있다. 강주탑의 급속 시공이 요구됨과 동시에 가설중 진동에 취약한 구조 특성으로 인해 교량 가설중 발생 가능한 진동에 대하여 구조적인 안전성, 피로성능, 용접시 작업성 측면에서 검증이 요구되었다. 특히 와류진동의 경우 주탑 가설이 진행됨에 따라 공진풍속은 낮아지며 이와 같은 저풍속 진동특성은 가설중 피로누적손상률을 고려한 피로성능과 강주탑 가설중 용접작업성에 영향을 주게 된다. 따라서, 가설 단계별 진동특성을 고려하여 요구 감쇠비를 산정하고 이를 기준으로 가설중 지속적인 진동제어가 가능하도록 AMD(Active Mass Damper) 설계 및 운영계획을 수립하였다.

<강주탑 가설중 와류진동 공진풍속>

<Peak Amplitude-Sc식>

 AMD 설계를 위한 단계별 요구 감쇠비는 와류진동에 의한 Peak Amplitude를 허용변위 이내로 제어하는데 목적이 있다. 이때, ① 가설단계별 타워크레인-강주탑 모델을 통한 고유치 해석결과 및 그에 따른 공진풍속, ② 가설단계별 등가질량, ③ 강주탑 가설단계별 풍동실험에 근거한 Peak Amplitude-Sc관계식을 이용하여 산정한 가설단계별 와류진동에 의한 Peak Amplitude 요구성능에 대한 검증 및 요구성능 확보를 위한 와류진동에 의한 허용변위에 대하여 평가하였다.

주탑 시공중 가설단계별로 주탑당 3기의 AMD를 2조로 운영하였으며, 가설중 지속적인 진동제어가 가능하도록 가설계획을 수립하였다. 이 때, 강주탑 및 타워크레인(T/C)의 구조적인 안전성, 강주탑 피로성능 및 용접시 작업성 측면에서의 성능확보(아래 표)를 위해 산정된 추가요구감쇠비(δadd, 최대 1.82%)를 기준으로 30ton 용량의 AMD를 적용한 시공중 진동제어를 수행하였다.

<AMD 배치 현장사진>

<AMD 제원>

이번 기술기사에서는 세계 최장 경간장과 세계 최고 강주탑으로 계획된 터키 차나칼레대교 현수교의 성공적 시공완료에 기여한 엔비코컨설턴트의 가설엔지니어링 업무 중 주케이블 가설을 위한 캣웍 시스템 설계 및 PPWS 형상관리, 그리고 강주탑 시공중 진동제어 계획을 사례로 들어 설명하였다. 기술적으로 매우 고난이도였던 차나칼레대교의 설계 및 시공과정에서 겪었던 다양한 시행착오와 문제점을 극복하는 과정에서 축적한 기술적 노하우와 경험들이 대한민국의 토목구조 기술자가 향후 세계 장대교 시장에서 선두업체로 발돋움하는데 도움이 되기를 희망한다.  

참고로 차나칼레대교의 주요 가설단계별 시공사진은 다음과 같다.