교량은 지진이 발생해도 어떻게 버틸까? 교량 내진설계의 기본 원리

평소 교량은 자동차와 사람의 무게를 견디며 안정적으로 서 있습니다. 하지만 지진이 발생하면 상황은 완전히 달라집니다. 지반이 좌우 또는 위아래로 흔들리고, 그 위에 세워진 교각과 교량 상부구조에도 강한 힘이 전달됩니다.

특히 교량은 길고 무거운 구조물이기 때문에 지진이 발생했을 때 단순히 튼튼하게 만드는 것만으로 안전을 확보하기 어렵습니다.

그래서 현대의 교량에는 내진설계가 적용됩니다.

교량 내진설계의 핵심은 지진이 발생해도 구조물이 전혀 움직이지 않게 만드는 것이 아닙니다. 일정한 움직임과 변형을 허용하면서 지진에너지를 견디고, 중요한 구조부재가 갑자기 파괴되거나 교량 상판이 떨어지는 심각한 붕괴를 방지하도록 설계하는 것입니다.

이번 글에서는 지진이 발생했을 때 교량에 어떤 힘이 작용하는지부터 교각, 교량받침, 낙교방지장치, 면진받침 등이 어떤 역할을 하는지 쉽게 알아보겠습니다.

지진이 발생하면 교량에는 어떤 일이 생길까?

지진은 땅속의 단층이 갑작스럽게 움직이면서 발생한 에너지가 지진파의 형태로 퍼져나가는 현상입니다.

이 지진파가 지표면에 도달하면 지반이 흔들리게 됩니다.

교량의 교각과 기초는 지반에 연결되어 있기 때문에 지반이 움직이면 교량 역시 영향을 받습니다.

여기서 중요한 것이 관성력입니다.

자동차를 타고 가다가 갑자기 브레이크를 밟으면 몸이 앞으로 쏠립니다. 자동차는 속도가 줄어들지만 우리 몸은 기존의 운동 상태를 유지하려 하기 때문입니다.

지진이 발생한 교량에서도 비슷한 현상이 나타납니다.

지반과 교각의 기초가 갑자기 움직이면 무거운 교량 상부구조는 기존 상태를 유지하려고 합니다. 이 과정에서 교량의 각 부분에 큰 힘과 변형이 발생합니다.

즉, 지진은 단순히 교량을 흔드는 것이 아니라 교량의 질량과 지반의 가속도가 결합하면서 구조물에 큰 관성력을 발생시키는 현상이라고 이해할 수 있습니다.

교량 내진설계는 무조건 단단하게 만드는 것이 아니다

많은 사람은 내진설계를 ‘구조물을 아주 단단하게 만드는 것’이라고 생각합니다.

하지만 실제 내진설계의 개념은 조금 다릅니다.

구조물이 지나치게 뻣뻣하면 지반의 움직임이 구조물에 직접 전달되면서 큰 힘이 발생할 수 있습니다. 반대로 구조물이 적절하게 움직이고 변형될 수 있다면 지진에너지를 분산하거나 흡수하는 데 도움이 됩니다.

따라서 교량 내진설계에서는 크게 다음과 같은 개념이 중요합니다.

• 지진에 필요한 강도를 확보한다.
• 구조물이 갑자기 부서지지 않도록 충분한 연성을 확보한다.
• 지진에너지를 특정 부재나 장치에서 흡수하도록 한다.
• 교량받침과 연결부의 과도한 이동을 제어한다.
• 교량 상판이 교각에서 떨어지는 낙교를 방지한다.
• 교각과 기초가 지진하중을 안전하게 지반으로 전달하도록 한다.

결국 내진설계는 강도와 유연성, 에너지 흡수 능력을 적절하게 조합하는 기술이라고 할 수 있습니다.

교각은 지진을 어떻게 견딜까?

교각은 교량 상부구조를 지지하는 중요한 구조물입니다.

평상시에는 상판과 차량 등의 무게를 지탱하지만 지진이 발생하면 좌우 방향으로 큰 힘을 받게 됩니다.

이때 중요한 개념이 연성입니다.

연성이란 구조물이 힘을 받았을 때 바로 부서지지 않고 어느 정도 변형을 견딜 수 있는 성질을 말합니다.

철근콘크리트 교각에서는 내부 철근의 배치와 상세가 매우 중요합니다.

특히 콘크리트 내부의 주철근을 감싸는 횡방향 철근은 콘크리트를 구속하고 철근의 좌굴을 억제하여 교각이 반복적인 지진하중을 받을 때 갑작스럽게 파괴되는 것을 방지하는 데 중요한 역할을 합니다.

쉽게 말하면 교각을 무조건 굵게 만드는 것보다 큰 지진에서도 일정한 변형을 견디면서 급격한 붕괴를 피하도록 만드는 것이 중요합니다.

교량받침은 지진에서 중요한 역할을 한다

교량 상판과 교각 사이에는 교량받침이라는 장치가 설치됩니다.

평상시 교량받침은 상부구조의 하중을 교각으로 전달하면서 온도 변화에 따른 교량의 신축이나 회전 등을 허용합니다.

하지만 지진이 발생하면 교량받침에는 평상시보다 훨씬 큰 수평력이 작용할 수 있습니다.

따라서 내진설계에서는 교량받침 자체의 안전성뿐만 아니라 지진이 발생했을 때 상판이 얼마나 움직일 수 있는지도 중요하게 검토합니다.

교량받침 주변의 이동량이 충분하지 않으면 상판과 교대 또는 다른 구조물이 충돌할 수 있습니다.

반대로 이동량이 지나치게 커지면 상판이 받침에서 벗어나는 문제가 발생할 수도 있습니다.

따라서 교량받침은 단순히 교량을 받치는 부품이 아니라 교량의 움직임을 제어하는 중요한 연결장치라고 할 수 있습니다.

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면진받침은 지진의 흔들림을 줄여준다

일부 교량에서는 일반적인 교량받침보다 적극적으로 지진 영향을 줄이기 위해 면진받침을 사용합니다.

면진의 기본적인 생각은 구조물과 지반 사이의 연결 특성을 조절하여 지반의 빠른 흔들림이 상부구조에 그대로 전달되는 것을 줄이는 것입니다.

대표적으로 고무계 면진받침 등이 사용될 수 있습니다.

이러한 장치는 수직 방향으로는 무거운 교량 상부구조를 안정적으로 지지하면서 수평 방향으로는 일정한 변형을 허용할 수 있도록 설계됩니다.

지진이 발생하면 면진장치가 수평으로 변형되면서 구조물의 진동 특성을 변화시키고 상부구조나 교각에 전달되는 지진력을 줄이는 데 도움을 줍니다.

쉽게 비유하면 딱딱한 바닥 위에 물체를 직접 고정하는 대신 움직임을 조절할 수 있는 완충장치를 사이에 넣는 것과 비슷합니다.

다만 면진받침을 적용하면 변위가 증가할 수 있기 때문에 필요한 이동공간과 주변 구조물과의 간격도 함께 검토해야 합니다.

지진에너지를 흡수하는 장치도 있다

교량에는 지진에너지를 줄이기 위한 별도의 에너지 소산장치가 적용되기도 합니다.

대표적인 개념이 댐퍼입니다.

자동차의 서스펜션에 충격을 줄이는 장치가 있는 것처럼 교량에서도 구조물이 움직일 때 발생하는 에너지 일부를 장치에서 흡수하도록 설계할 수 있습니다.

댐퍼의 종류에 따라 작동 방식은 다르지만 기본적인 목적은 비슷합니다.

지진에너지 → 구조물의 움직임 → 감쇠장치 작동 → 에너지 소산

이러한 과정을 통해 교각이나 상부구조에 집중되는 부담을 줄이는 것입니다.

즉, 지진의 힘을 무조건 구조물 자체로 견디게 하는 것이 아니라 특정 장치가 일부 에너지를 받아내도록 하는 방법입니다.

교량 상판이 떨어지는 것을 어떻게 막을까?

대규모 지진에서 특히 위험한 현상 가운데 하나가 낙교입니다.

교량 상판이 크게 움직이면서 교각이나 교대의 지지부에서 벗어나 아래로 떨어지는 현상입니다.

상판 자체가 파괴되지 않았더라도 받침에서 벗어나면 교량 전체가 사용할 수 없는 상태가 될 수 있습니다.

이를 방지하기 위해 교량에는 충분한 받침길이를 확보하거나 낙교방지장치와 변위제한장치 등을 설치할 수 있습니다.

상부구조와 하부구조 또는 인접한 상판을 연결해 지진으로 발생하는 과도한 이동을 제한하는 방식입니다.

쉽게 표현하면 상판이 크게 흔들리더라도 일정 범위 이상 벗어나지 못하도록 안전장치를 마련하는 것입니다.

교량 사이에 틈이 있는 것도 지진과 관계가 있을까?

교량을 자세히 보면 상판과 상판 또는 상판과 교대 사이에 틈이 존재합니다.

대표적인 것이 신축이음입니다.

이 공간은 기본적으로 온도 변화에 따른 교량의 팽창과 수축을 허용하기 위해 필요합니다. 하지만 지진이 발생했을 때도 교량의 이동과 관련이 있습니다.

지진으로 상판이 크게 움직이면 인접한 구조물끼리 충돌하는 현상이 발생할 수 있습니다. 이를 충돌 또는 파운딩(pounding)이라고 합니다.

따라서 내진설계에서는 예상되는 지진 변위를 고려하여 구조물 사이의 간격과 받침부의 이동능력 등을 검토합니다.

교량 기초도 지진을 견뎌야 한다

교각이 아무리 튼튼해도 기초가 안전하지 않다면 교량 전체의 안전성을 확보하기 어렵습니다.

교량 기초는 상부구조와 교각에서 전달된 하중을 지반으로 전달합니다.

지진이 발생하면 기초에도 수평력과 휨모멘트 등이 전달되기 때문에 지반과 기초를 함께 검토해야 합니다.

특히 연약한 지반에서는 액상화 가능성도 중요한 문제가 될 수 있습니다.

물이 많은 느슨한 모래질 지반이 강한 지진을 받으면 지반의 강성과 강도가 크게 감소할 수 있습니다.

이러한 현상이 발생하면 기초가 침하하거나 이동하면서 교량에 심각한 영향을 줄 수 있습니다.

따라서 교량 내진설계는 상판과 교각만 계산하는 것이 아니라 지반-기초-교각-받침-상부구조를 하나의 시스템으로 검토하는 과정이 필요합니다.

기존 교량은 어떻게 내진성능을 높일까?

오래전에 건설된 교량은 현재와 동일한 수준의 내진기준으로 설계되지 않았을 수 있습니다.

이런 교량은 내진성능평가를 실시한 뒤 필요하면 보강공사를 시행할 수 있습니다.

교각을 강판이나 섬유보강재 등으로 보강하여 연성을 높이거나 교량받침을 교체하고, 낙교방지장치를 추가하는 방법 등이 사용될 수 있습니다.

기초의 성능이 부족하다면 기초 보강도 검토해야 합니다.

따라서 오래된 교량이라고 해서 반드시 새로 건설해야 하는 것은 아닙니다. 기존 구조물의 취약한 부분을 찾아 적절하게 보강함으로써 내진성능을 향상시킬 수 있습니다.

지진이 끝나도 교량 점검이 필요한 이유

강한 지진이 발생한 뒤 교량이 겉으로 멀쩡해 보인다고 해서 바로 안전하다고 판단할 수는 없습니다.

교각에 균열이 발생했거나 교량받침이 이동했을 수 있고, 신축이음이나 낙교방지장치가 손상됐을 가능성도 있습니다.

또한 기초 주변 지반이 침하하거나 변형됐을 수도 있습니다.

따라서 지진 이후에는 주요 구조부재와 받침, 연결부, 기초 주변 등을 점검하여 교량의 안전성을 확인해야 합니다.

교량은 재난 발생 이후에도 구조·구급 차량과 복구 장비가 이동해야 하는 중요한 교통시설이기 때문에 지진 후 기능 확보 역시 중요한 설계 목표가 됩니다.

교량 내진설계의 핵심은 ‘부서지지 않게 움직이는 것’

교량 내진설계를 이해하는 핵심은 움직임 자체를 완전히 막는 것이 아니라 위험한 붕괴를 방지하도록 움직임을 제어하는 것입니다.

지진이 발생하면 지반의 흔들림을 완전히 없앨 수는 없습니다.

대신 교각에는 충분한 강도와 연성을 확보하고, 교량받침이나 면진장치를 이용하여 움직임을 조절합니다. 필요한 경우 댐퍼를 통해 지진에너지를 소산시키고 낙교방지장치를 통해 상판이 받침에서 이탈하는 위험도 줄입니다.

여기에 기초와 지반의 안전성까지 함께 검토해야 하나의 내진 시스템이 완성됩니다.

결국 교량이 지진을 견디는 원리는 단순히 ‘강하게 만드는 기술’이 아니라 ‘힘을 분산하고, 적절히 변형하고, 에너지를 흡수하면서 붕괴를 막는 기술’이라고 할 수 있습니다.

다음에 교량을 지나게 된다면 상판 아래를 한번 살펴보시기 바랍니다. 눈에 잘 띄지 않는 교량받침과 연결장치, 그리고 거대한 교각 속에는 지진이 발생했을 때 교량과 이용자를 보호하기 위한 다양한 공학 원리가 숨어 있습니다.