[사례19] 불합리한 용접구조

[장과장]

사 례 19 (불합리한 용접구조)

구조기술사 백 정 수

제목 : 광안대로 현수교 가설 STEEL CAISSON

연대 : 1995년

상황 :부산시의 동부 교통소통과 콘테이너 수송을 위하여 해상에 교량으로 7.8km의 대로를 건설하면서 부산시 남구 광안동 앞 바다에 국내에서는 최장이고 경관이 좋은 총 연장 900m(중앙경간 500m) 현수교의 앙카블록과 주탑 건설을 위하여 필요한 축도용 설치 스틸케이슨 구조안전성 검토에 관한 내용이다.

1995년 본 광안대로 착공 직후 맨 먼저 제작되어야 하는 것이 이 축도용 케이슨이므로 가설구조물로 개략설계가 된 것을 공사 도급사에서 검토한 바 구조에 불합리한 점이 발견되어 안전성 검토를 하게 된 것이다.

스틸 케이슨구조의 단면은 폭이 10m이고, 높이가 앙카블록은 18m, 주탑은 20m인데 각각 4층의 라멘이고 각 부재 접합점간을 X브레이싱으로 연결하여 횡력에 대한 저항력을 높였으며 바닥면과 양 바깥 측면은 강판을 대고 용접하여 물이 들어오지 못하게 한 부체구조이다. 길이방향은 5m마다 H기둥을 세운 4층 라멘이고 평면으로는 각 층마다 수직재 있는 와렌트러스로 짜여진 구조였다. 이러한 4각의 통을 길이가 46～76m가 되게 만들고 4개 식으로 □자 형인 배를 조립한 후 해상에 띄워 설치위치에 끌고 온 다음 철통 속에 물을 넣어 침설시키는 구조였다.

스틸케이슨은 침설 시킨 후 즉시 케이슨 내부에 모래를 채워 먼 바다에서 오는 파도를 막고, □내부에 모래나 흙을 채워 지중연속벽을 설치한 다음 기초공사를 육상작업과 같이 할 수 있는 부지를 만들기 위한 것이다. □형 스틸케이슨의 크기는 앙카블록이 86m×76m 2기이고 주탑이 70m×46m 2기이며, 케이슨에만 소요되는 총 강재량이 강판과 L형강을 제외하고 모두 고강도 강재(SWS 50Y)인데도 16,500ton 정도이었다. 이러한 거대한 구조물을 제작할 장소를 부산항 부근에서는 구할 수 없어 거제도에서 만들고 바다에 띄워 운반해 와야 하므로 약간의 파랑에 대한 안전성도 확보되어야 했다.

스틸케이슨의 안전은 ①해상운반 중의 예기치 못한 파랑에 안전해야 하고, ②침설 직후 일시에 케이슨 내부에 모래를 채울 수 없으므로 해수만 채여 있는 상태에서 파랑을 받을 수 있어야 하며, ③케이슨 내부에 모래가 채워졌을 때 양측벽의 토압에 안전해야 함은 물론이고 기록파고에 대하여도 안전해야 하는 것이다. 또 ④축도가 완성되었을 때 스틸케이슨이 축도토압에 안전해야 한다. 여기에 조석차도 고려해야 하는 여러 가지의 조건에 대하여 안전성 검토가 필요한 것이다.

당초설계는 실측파고 기록이 없어 설계파고를 4.3m와 4.7m로 추정하였는데 이는 광안리 앞 바다의 파를 경험해 보지 않아 잘 모르고 작게 본 것이다.

케이슨의 철골구조설계는 기둥재 연결을 눕혀 놓은 두 개의 H빔 아래위에 가셑트 강판을 모살용접으로 붙이고 그 아래위에 H형강 기둥을 모살용접으로 세웠는데, 용접부 강성이 H-600×300×12×20 기둥부재 강성의 1/5도 되지 않았다.

케이슨의 단면에서 설명한 X브레이싱재가 L-150×150×12 하단 2본 상단 1본 식이었는데 이도 횡토압에는 부재가 약해 보였다. 가설 구조물이라 할지라도 공사기간이 6～7년이나 되므로 영구시설이나 다를 바 없고 이 케이슨이 공사중 문제가 생기면 광안대로 건설자체가 무산 될 수도 있는 중요한 가시설 구조물이다.

검토 결과와 변경 : 먼저 검토 조건에서 설계파고를 6.0m, 해상 운반시 파랑의 파고를 3.0m로 변경하였고, 축도부의 변장 86m중 동시파압 작용 구간을 40m로 보았으며 운반중의 파장을 86m로 보았다.

케이슨을 입체트라스로 해석하면서 한변의 길이가 86m인 전구간에 동일한 높이의 파가 동시에 작용할 수는 없을 것으로 생각하고 참고서적을 찾아보았지만 어디에서도 이러한 경우에 대한 적절한 해답은 없었으므로 동시파압 작용 구간을 임의로 정하였다.

검토결과 기둥용접이 약하여 길이방향의 H빔을 세운 자세로 바꾸고 가셑트 판은 상하 플랜지에 용입용접으로 붙였으며, 기둥부재도 H빔 상하에 완전용입 용접으로 붙이고, X브레이싱이 약하여 단면적이 2배 가까이 되도록 상단은 L-150×150×15를 2본식, 하단은 350×20의 강판을 2매식으로 보강하였다.

심해파가 쇄파로 바뀌는 수심이므로 쇄파압으로 구조검토를 하였는데 파압에 저항하는 평면트러스는 복사재 와렌트라스로 변경하여야 했다. 또 4개의 블록으로 만들어 조립한 □형의 모서리 접합부가 내부 축도토압에 약하여 연결구조를 완전히 바꾸고 모서리 내측의 우각브레이스(Knee Brace)를 설치하였으며 파도가 밀려 올라와 스틸케이슨에 채운 모래를 유실시킬 것이므로 케이슨 상단폭 10m 전구간에 철근 콘크리트 스래브를 타설하였고, 슬래브면을 자재적치와 작업장으로 쓰게 하였다.

당초 설계에는 없었던 난간은 외곽에 H빔으로 설치하여 공사시 작업자의 안전과 적치한 자재의 유실을 줄이게 하였다.

이러한 안전을 위한 변경 이외에 조석에 의한 축도부의 수위차 조절용으로 스트레이너 배관과 외부와 연결되는 통수 파이프를 설치하였다. 이렇게 보강이 되었어도 지하굴착중 태풍의 파압에 케이슨이 움직여 지중연속벽체 간의 이음에서 틈이 생기고 누수가 되는 현상이 있었을 뿐 아니라 태풍 때마다 케이슨 위로 파도가 넘어 공사중 침수 피해와 손실은 이루 말할 수 없다. 파도를 완전히 막을 수 있는 구조가 되려면 케이슨 높이를 5m이상 더 높여야 하고 파압도 훨씬 크게 받을 수 있게 해야하므로 가설구조로는 불가능한 것이다.

축도한 후 5년을 지나는 동안 중급 태풍이 4~5개 있었고, 최대파고가 7.2m로 관측된 파가 있었지만 기초공사가 완성된 현재까지 안전하다.

철거할 것을 전제로 가설구조물로 설치한 스틸 게이슨을 존치시켜 광안대로 관광명소 개발에 이용코자 하는 논의가 되고 있으나 해수에 접한 얇은 강판과 강재의 산화방지가 관건이 된다.

[그림 19.1] 앙카블록 케이슨 평면도기둥연결부 상세

[그림 19.2] 주탑 케이슨 평면도

[그림 19.3] 불합리한 당초 설계시의 기둥연결

[그림 19.4] 케이슨 접합부 상세도