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이순신대교 진동 문제없나?

글쓴이 현재용 작성일 2014.11.04 15:16

조회수 2365 추천 3

결론을 간단히 요약해보면,

이순신대교의 진동 문제는 가림 천막에 원인이 있으며, 정확한 원인을 기술적으로 규명하였기에

향후에는 별다른 문제가 없을 것이라는 내용입니다.

출처 : http://www.penews.kr/news/articleView.html?idxno=12163

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지난 26일 오후 6시께 전남 여수시 묘도동과 광양시 금호동을 잇는 이순신대교를 지나던 운전자들이 교량이 상하로 심하게 흔들린다는 신고를 접수해 교량 유지관리 주체인 전라남도가 차량 및 교량 아래를 지나는 선박의 통행을 전면 금지했다.

당시 다리 위를 달리던 운전자들은 “아스팔트가 순간적으로 아래로 쑥 사라졌다가 다시 위로 솟구치기를 수십 차례 반복했다” “전방 도로가 오르락내리락 하는 게 보일 정도로 출렁거렸다. 흔들리는 정도가 너무 심했다”라고 말했다.


▲ 지난 26일 오후 6시 경 이순신대교에 심한 진동이 발생하여 이용자 20여명이 경찰에 신고하여 약 24시간동안 폐쇄되었다.

전라남도는 이순신대교 흔들림 발생 후 이날 새벽 1시 이순신대교 상황실에서 급히 전문가 회의를 소집하여 2시간 반 동안 교량 안전여부에 대해 집중 논의했다. 그 결과 컨테이너부두에 입항 대기 중인 선박 9척과 출항대기 중인 선박 2척을 포함한 모든 선박에 대해 안전에 전혀 문제가 없는 것으로 보고, 여수지방해양항만청과 협의해 새벽 5시부터 정상 운항을 재개했다. 또한 27일 오후에 다시 2차 전문가 상황판단회의를 열었고 회의결과에 따라 이날 오후 8시부터 통행을 재개했다.

2차 전문가 상환판단회의에 앞서 주요 구조부에 대한 육안점검 및 비파괴검사, 덤프트럭 등을 주행시키면서 미리 설치되어있는 계측기 값을 읽어서 교량 거동이 완공당시와 달라진 점이 있는지 등을 확인하였다.

전문가들은 이순신대교 상하 진동의 원인으로서 상판 포장공사의 조기 양생을 위해 난간 양측에 임시로 설치한 천막(연장 2.26km, 높이 1.2m)이 바람의 흐름을 막으면서 설계당시 고려하지 않았던 와류(일종의 소용돌이)가 발생하여 상하진동이 발생한 것으로 판단했다.

이순신대교는 바람의 영향을 덜 받도록 유선형으로 만들어졌으며, 난간 또한 바람이 통할 수 있는 형식이었으나 포장공사를 하면서 천막을 난간에 설치하면서 바람이 통과하지 못하게 되면서 바람의 영향이 달라지게된 것이다.

이순신대교의 상하진동에 대한 소식이 알려지자 일부 네티즌들은 미국의 타코마 브릿지 붕괴사고를 떠올리며 위험성에 대해서 언급했다.

미국의 타코마 브릿지는 1940년 7월 1일 개통된 워싱톤 주 타코마 해협에 설치된 당시 미국 최고의 교량설계 엔지니어가 설계한 교량이었다. 최악의 토네이도에도 견딜 수 있도록 설계되었다는 타코마 브릿지는 1940년 11월 7일 풍속 19m/s의 비교적 약한 바람에 상하진동과 비틀림진동이 동시에 발생하여 붕괴되고 말았다.


▲ 타코마 해협 교량은 상하진동과 비틀림 진동이 동시에 발생하여 붕괴되었다. 이 교량의 보강거더 형상은 판형으로 공기역학적으로 불리하고 비틀림에 약하다.

당시 교량설계 엔지니어는 60m/s의 바람에 견딜 수 있을 것으로 생각했으나 설계풍속의 1/3에 대항하는 바람에 교량이 붕괴된 것은 그때까지는 알려지지 않았던 바람에 의한 공진현상 때문이었다. 당시에는 바람을 단순한 힘으로만 생각하고 설계했다. 즉 빠르게 바람이 불면 풍속의 제곱에 비례해서 물체에 힘이 작용한다는 정역학적 이론만 알고 있었던 것이다.

하지만 얇은 판형의 타코마 브릿지 상판을 통과하는 바람이 공기역학적 현상에 의해서 교량상판을 주기적으로 들었다 놨다, 또는 비트는 힘을 발생시켰고 교량의 고유주기와 바람에 의한 공기역학적 힘이 가해지는 주기가 맞아 떨어져 진폭이 계속해서 커지는 공진현상이 발생하였고 결국 붕괴되고 말았다.

당시의 교량 설계 엔지니어들은 이런 현상이 있다는 것을 알지 못했기 때문에 사고 이후에 그 원인을 분석하는 과정에서 바람에 의한 공진현상에 대하여 알게 되었고, 이후에 설계된 현수교들은 한동안 무겁고 비틀림 강성이 큰 트러스형태가 적용되기도 했다.

이후 풍동역학이 발달하면서 가벼우면서도 바람에 대한 동적 안전성을 확보할 수 있는 유선형의 단면을 가진 현수교들이 설계,시공되었으며 이순신대교와 같은 중간이 비어있는 Twin-Girder 형태로 발전하였다.

> 진동은 왜 생긴 것일까?

교량설계전문가들은 이순신대교의 포장공사를 위해 설치한 천막과 포장공사에 의한 중량 변화에 주목하고 있다. 천막이 바람의 흐름을 바꾸었고, 포장을 하는 중에 포장을 제거하였다면 교량이 가벼워져서 바람의 영향을 더 많이 받는 구조가 되었을 것이라는 것이다.

또한 두개의 쌍둥이 거더의 무게가 다른 경우 한쪽으로 기울어져 바람에 의한 영향이 많이 받는 형상으로 바뀔 수도 있다. 바람을 맞는 각도를 풍공학에서는 영각(迎角)이라고 하는데 영각에 의해서 풍공학적 특성이 많이 바뀔 수 있다. 특히 위로 올려부는 바람이 진동에는 좋지 않은 영향을 주는 것으로 알려져있다.


▲ Twin-Girder의 공기역학적 흐름(유사교량). 와류가 발생하여 교량에 주기적인 힘을 가할 수 있다.

교량단면을 유선형으로 만들고 이순신대교처럼 Twin-Girder로 만드는 이유는 바람이 불어와 구조물에 부딛히면서 생기는 와류(소용돌이)를 최대한 적게 생기게 하고 와류가 생기더라도 구조물에 미치는 영향을 최소화하려는 것인데, 이번에 설치한 천막이 설계단면과 달리 와류를 과도하게 발생시켰고 와류의 발생 위치와 발생 주기가 구조물을 진동하게 만든 것으로 보인다.

> 안전성 문제는 없는가?

이순신대교는 케이블에 걸려있는 현수교 형식으로서 매우 유연한 구조물이다. 따라서 차량이 많이 타거나 바람이 많이 불면 위 아래로 변위가 많이 발생한다. 구조적으로 문제가 없는 즉 상하방향 변위 관리기준치는 윗방향 2천200㎜, 아랫방향 3천800㎜라고 전라남도는 밝혔다.

이번에 발생한 수직방향 변위는 계측결과를 확인한 결과 윗방향 830mm, 아래방향 1천285mm였던 것으로 확인되었다. 이 변위량에는 동적인 변위(윗방향 350mm, 아랫방향 230mm)가 포함된 값으로 관리 기준치 이내로 구조적 안전성에는 큰 문제가 없다는 것이 교량전문가들 입장이다. 즉 타코마 대교처럼 무너질 염려는 없다는 것이다.

이용자들이 느끼는 변위의 크기는 주행방향으로 보기 때문에 1미터가 처지면 엄청난 높이 차이로 보이지만 실제 1545m인 경간을 고려하면 1/1545, 즉 0.06%에 해당하는 작은 값이다.

이번에 발생한 진동은 와류(일종의 소용돌이)에 의한 진동으로서 진폭이 일정값 이상 증가하지 않는 한정진동이라고 교량설계전문가들은 설명한다. 타코마 브릿지를 붕괴에 이르게 한 진동은 발산진동으로서 바람이 같은 속도로 불어도 진폭이 계속해서 커지는 진동이었다.

> 장대교량의 풍공학전 안전성은 어떻게 확인하나?

교량 설계 기술자들은 '장대교량 설계는 바람과의 싸움이다'라고 말할 정도로 바람에 대한 정적 및 동적 안전성 검토에 심혈을 기울인다.

장대교량의 풍공학적 안전성을 검토하는 방법은 여러가지가 있지만 최종적으로 풍동실험을 통해서 확인한다. 이순신대교의 경우에도 전교모형실험 과정을 거쳤다. 즉 전체교량을 일정 비율로 축소하여 모형으로 만들어 풍동(風洞)이라는 터널안에서 바람을 불어넣어 모형의 거동을 살펴보는 것이다. 풍속별 진동량 등 설계에 필요한 물리량들을 확인하고, 어떤 풍속에서 발산진동을 일으키는지를 확인한다.


▲ 이순신대교 보강거더 단면형상. 중간에 뚤려있는 부분은 와류의 발생을 최소화하는 역할을 한다.

풍동실험을 할 때는 난간이나 교량점검차가 걸리는 레일같은 작은 부재까지도 고려하여 실험을 하게되며, 최적의 단면형상을 찾기 위해서 보강거더(상판) 단면 양쪽 끝의 뾰족한 정도, 각도, 그리고 거더 하면의 각도 등 다양한 변수들의 조합에 대해서 전산유체해석 또는 단면모형시험(전교모형이 부분모형 시험)을 거치게 된다.

상판에 붙어 있는 작은 부재들도 공기역학적 특성에 영향을 미칠 수 있기 때문에 신중하게 모양과 크기를 결정하는데 이번에 설치한 천막의 높이 1.2m는 원래의 보강형 높이 2.7m에 비하면 매우 높은 것이어서 상당히 많은 영향을 미쳤을 것으로 보인다.

> 불안감에 대한 규정은 없는가?

위 아래로 수m씩 요동을 쳐도 구조적으로 문제가 없다고 하는데 그렇다면 불안감은 어떻게 할 것인가? 지난 26일 저녁 이순신대교를 지나던 운전자중 멀미를 느낀 운전자도 있었다고 한다. 시각적인 효과에 의해서 멀미를 느낀 것인지? 아니면 실제로 상하 요동에 의해서 멀미를 느겼는지는 알 수 없지만 중요한 것은 운전자가 불안함을 느겼다는 것이다.

이용자가 느끼는 불안감에 대한 규정은 '사용성'이라고 부른다. 구조적으로 무너지지 않아야 하는 '안전성'과 함께 교량이 갖추어야 할 중요한 성능이다.

이순신대교와 같이 케이블로 지지된 교량을 설계할 때 적용하는 '케이블 강교량설계지침'에서는 바람에 의한 사용자의 불쾌감은 처짐량이 아닌 가속도로 규정하고 있다. 놀이기구를 탈 때 무서움의 정도는 떨어지거나 올라가는 가속도의 크기로 표현하고 그것을 중력가속도와 비교하여 1G, 2G로 표현하는 것 처럼 보강형의 처지는 가속도가 크면 교량 이용자가 불쾌감을 느낄 수 있으므로 이를 0.05G정도(1G=9.81m/sec2)즉 0.5m/sec2 이하가 되도록 규정하고 있다.

이번에 발생한 진동의 보강형 처짐가속도가 '케이블 강교량설계지침'에서 권고하는 한계 처짐 가속도값을 넘었는지는 좀더 조사가 되어 봐야 할 것으로 보인다. 교량에 가속도 값을 측정할 수 있는 계측기가 설치되어 있으므로 이 부분을 검증하는 것은 어렵지 않을 것으로 보인다.

물론 이번 진동이 사용성 한계 가속도값(0.5m/sec2)을 넘었다고 하더라도 포장공사를 위? 제거한 후에는 진동현상이 보이지 않았으므로 일반적인 상황에서는 한계 가속도값을 넘지 않을 것으로 판단된다.


▲ 이순신대교의 보강거더 단면형상은 중간이 뚤려있는 형태(위)로 공기역학적으로 통단면(아래)보다 유리하다.

> 진동에 의한 다른 문제는 없는 것인가?

진동에 의해 이용자가 불쾌감을 느끼는 것 외에 또 한가지 검토해야 할 것은 피로에 대한 문제다. 피로라는 것은 구조적 안전성에 문제가 될 정도로 큰 힘이 작용하지 않더라도 작은 힘이 수많이 반복해서 작용하면 구조물이 파괴되는 현상이다. 철사를 굽혔다 폈다를 여러번 하면 끊어지는 원리다.

바람에 의해서 발생한 진동이 일정 진폭이상 발전하지 않는 한정진동인 경우라 하더라도 계속해서 반복되면 피로에 문제가 발생할 수 있기 때문에 피로에 대한 안전성을 검토하도록 되어있다.

피로는 응력의 크기와 반복횟수가 중요하며 이번 진동의 횟수는 많지 않았기 때문에 큰문제는 없을 것으로 판단된다.

> 앞으로 이런 진동이 또 발생할 수 있는가?

전문가들은 앞으로 이런 진동은 또 발생하지 않을 것이라고 말한다. 이번 진동의 원인이 가림 천막에 의한 것이라는 것을 알았기 때문에 앞으로는 포장 시공시 천막을 설치하지 않을 것이기 때문이다.

이번의 통행제한 사건을 계기로 교량의 유지관리 주체가 바람으로 인한 구조거동에 대한 중요성을 인식하는 계기가 되었을 것이므로 앞으로는 교량 형상의 변화 있는 작업을 해야 하는 경우 미리 바람에 대한 전문가에게 구조적 안전성 및 사용성 확보 가능여부를 확인한 후 작업할 필요가 있겠다.

보통 강재교량은 교량 수명동안 여러번의 도장작업을 해야한다. 도장작업은 바람을 막은 상태로 진행해야 하기 때문에 가림막 설치가 필수적이다. 설치구간, 설치 높이, 가림막의 형상 등 풍공학적인 요소들을 미리 검토하여 진동을 최소화 할 수 있을 것으로 보인다.

여수 = PENEWS 이석종 기자

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