교량

FCM과 ILM — 시공 중 모멘트가 완성계와 반대인 공법

교량 형식 선정에서 “아래를 쓸 수 없으면 가설공법이 형식을 정한다”고 했습니다. 깊은 계곡, 흐르는 강, 운행 중인 도로 위 — 동바리를 세울 수 없는 자리의 대표 답이 FCM과 ILM입니다.

두 공법의 공통점이 이 글의 주제입니다. 시공 중 구조계가 완성계와 다르고, 어떤 구간은 모멘트 부호까지 반대라는 것.

FCM — 교각에서 양팔을 뻗어 나간다

              ← 세그먼트를 좌우 대칭으로 하나씩 타설
     ┌──┬──┬──╥──┬──┬──┐
              ║
              ║  교각
              ║
   ═══════════╩═══════════

   폼트래블러가 3~5m 세그먼트를 좌우 번갈아 타설하며 전진

교각 위 주두부에서 시작해 좌우로 균형을 맞추며 캔틸레버를 뻗고, 인접 캔틸레버와 중앙에서 만나(키 세그먼트) 연속교가 됩니다.

시공 중 모멘트 — 전부 부(−)모멘트입니다

캔틸레버 길이 60m(지간 120m급의 반쪽)로 보겠습니다.

자중 w ≈ 250 kN/m (박스거더 평균),  폼트래블러 P = 800 kN (선단)

교각부 모멘트
  M = wL²/2 + PL
    = 250 × 60²/2 + 800 × 60
    = 450,000 + 48,000
    = 498,000 kN·m  (부모멘트)

약 50만 kN·m. 완성된 연속교에서 이 단면이 받는 모멘트보다 큰 경우가 흔합니다. 그리고 전 구간이 캔틸레버이므로 상연 인장 · 하연 압축 — 시공 중에는 부모멘트뿐입니다.

이것이 단면과 강선을 정합니다.

단면   교각부에서 깊고(변단면, 8~12m) 중앙에서 얕게(3~4m)
       → 캔틸레버 모멘트 분포를 그대로 따른 형상

강선   캔틸레버 강선: 상연에, 세그먼트마다 추가 긴장 (시공 중 담당)
       연속 강선:     하연에, 폐합 후 긴장 (완성계 정모멘트 담당)

변단면 박스거더의 곡선 하부 플랜지는 미적 선택이 아니라 시공 중 모멘트도의 형상입니다.

불균형 모멘트 — 좌우가 같다는 가정이 깨질 때

좌우 대칭 시공이 전제지만, 실제로는 어긋납니다.

불균형의 원인
  · 한쪽 세그먼트 타설 중 (한쪽만 3~5m 김)
  · 폼트래블러 이동 중
  · 풍하중, 시공 오차
  · 사고: 트래블러 낙하, 세그먼트 낙하

한쪽 세그먼트(5m, 1,250 kN)가 더 나가 있으면:

ΔM = 1,250 × 57.5 ≈ 72,000 kN·m

이 모멘트를 교각이 받아야 합니다. 완성계에서는 상부가 연속이라 교각에 큰 휨이 없지만, 시공 중 교각은 T자 균형대의 다리입니다. 그래서:

· 교각-상부 임시 고정 (스테이 바, 임시 강결)
· 교각 자체를 시공 중 휨에 대해 검토
· 가고정 장치는 폐합 후 해제

시공 중 교각 설계가 완성계 교각 설계보다 지배적인 경우가 많습니다.

폐합 — 구조계가 바뀌는 순간

키 세그먼트 타설로 캔틸레버 둘이 연속보가 됩니다. PSC 거더교에서 다룬 명제가 극대화되는 지점입니다.

· 폐합 전 하중(자중 대부분)은 캔틸레버 모멘트로 굳어 있다
· 폐합 후 하중(포장·활하중)만 연속계로 거동
· 그리고 크리프가 캔틸레버 시절의 변형을 계속 밀어붙인다
  → 시간이 지나며 중앙부 처짐 증가 + 모멘트 재분배

FCM 교량의 고질 문제인 장기 중앙부 처짐이 여기서 나옵니다. 캠버 관리로 세그먼트마다 선형을 보정하며 나가고, 장기 크리프 처짐을 예측해 시공 선형에 미리 반영합니다. 예측이 어긋난 만큼 준공 후 노면에 나타납니다.

ILM — 뒤에서 만들어 앞으로 민다

   제작장 ┌────┐
   ═══════│세그먼트│━━━━━━━━━━▶ 압출
          └────┘
   ▔▔▔▔▔▔▔▔▔╥▔▔▔▔▔╥▔▔▔▔▔╥▔▔▔▔
            P1     P2     P3

   교대 뒤 제작장에서 15~25m 세그먼트를 이어 붙여
   유압잭으로 전체를 밀어낸다. 선단에는 압출노즈.

모든 단면이 모든 모멘트를 겪습니다

압출 중 각 단면은 교각 위(부모멘트)와 경간 중앙(정모멘트)을 번갈아 통과합니다.

같은 단면이 겪는 응력 이력

  경간 중앙 통과 시   +M  (하연 인장 경향)
  교각 위 통과 시     −M  (상연 인장 경향)
  … 교각 수만큼 반복

완성계에서는 위치마다 모멘트가 정해져 있어 강선을 거기 맞추면 되지만, ILM은 전 단면이 정·부 모멘트를 다 겪으므로 시공 중에는 편심 없는 중심 축압축 강선(센트럴 프리스트레싱)으로 전 단면을 균등하게 눌러 둡니다. 압출 완료 후 완성계 모멘트에 맞춘 연속 강선을 추가 긴장합니다.

시공 중   중심 강선  →  전 단면 균등 압축 (어떤 부호의 M도 견디게)
완성 후   연속 강선  →  위치별 모멘트에 맞춤

강선을 두 벌 쓰는 셈이라 강재량이 다른 공법보다 많습니다. ILM의 대가입니다.

압출노즈 — 선단 모멘트를 깎는 장치

압출 선단이 다음 교각에 닿기 직전이 최악입니다.

콘크리트 상판이 그대로 캔틸레버로 나간다면 (경간 50 m)
  M = 250 × 50²/2 = 312,500 kN·m   → 감당 불가

경량 강재 노즈(길이 30 m, w ≈ 20 kN/m)를 선단에 달면
  콘크리트 캔틸레버 20 m + 노즈 30 m
  M ≈ 250 × 20²/2 + (노즈 자중 항)
    ≈ 50,000 + 15,000 = 65,000 kN·m   → 1/5 수준

노즈 길이는 통상 경간의 60% 내외입니다. 노즈가 교각에 닿는 순간부터는 지점이 하나 늘어 선단 모멘트가 풀립니다.

ILM의 기하학적 제약

밀어서 놓는 공법이므로 선형이 자유롭지 않습니다.

가능   직선, 단일 원곡선, 단일 사갈수 종단
불가   변화 곡선(클로소이드), 곡률이 바뀌는 선형
이유   전 단면이 같은 궤적을 통과해야 하므로

그리고 압출받침(활동면) 위를 미끄러지므로 마찰이 수평력을 만듭니다.

압출력 ≈ 총중량 × 마찰계수(테플론 활동면 2~4%)
  + 종단 구배 성분 (오르막이면 가산)

내리막 압출은 역으로 제동이 문제 → 브레이킹 장치 필수

이 수평력은 제작장 반력대와 교각이 받습니다. 압출 중 교각 상단에는 완성계에 없는 수평력이 걸립니다.

두 공법 비교

FCM ILM
적용 지간 90 ~ 200 m 40 ~ 60 m (다경간)
단면 변단면 박스 등단면 박스 (압출 조건)
선형 제약 적음 단일 곡률만
시공 중 특징 캔틸레버 부모멘트, 불균형 정·부 반복, 압출 마찰
강선 캔틸레버+연속 중심+연속 (강재량 많음)
제작 환경 공중 (폼트래블러) 지상 제작장 (품질 유리)
유리한 조건 장경간, 깊은 계곡·해상 다경간 등경간, 계곡 통과

공통 원리는 하나입니다. 시공 단계가 단면·강선·교각 설계를 지배한다. 합성보, 횡좌굴, 거푸집, PSC 거더교에서 반복된 “시공 중이 더 불리하다”의 최종형입니다.

실무에서 자주 틀리는 지점

완성계 해석만으로 단면을 정하는 경우

FCM 교각부 부모멘트, ILM의 정·부 반복은 완성계 해석에 없습니다. 시공 단계 해석이 단면을 정합니다.

FCM 불균형 모멘트 케이스를 빠뜨리는 경우

한쪽 타설 중, 트래블러 이동 중, 돌풍 — 각 단계의 최대 불균형 조합과 사고 시나리오(세그먼트 낙하)까지 교각과 가고정 장치 설계에 반영합니다.

크리프 처짐을 캠버에 반영하지 않는 경우

FCM의 캔틸레버 변형은 폐합 후에도 크리프로 계속 자랍니다. 폐합 시점 맞춤만 하고 장기분을 빼면 수년 뒤 중앙부가 처집니다.

ILM 압출 중 응력 검토를 대표 단면 하나로 끝내는 경우

전 단면이 전 위치를 통과합니다. 포락선 개념으로 모든 단면-위치 조합을 봐야 하고, 특히 노즈 접지 직전 선단부가 최악입니다.

압출받침 마찰을 일정하다고 가정하는 경우

활동면 상태·온도·속도에 따라 마찰이 변합니다. 잭 용량과 브레이킹은 상한 마찰로, 교각 수평력도 여유를 두고 잡습니다.

가고정·노즈를 부속품으로 취급하는 경우

FCM 가고정 장치와 ILM 노즈 접합부는 시공 중 주구조입니다. 본체와 같은 수준으로 설계·검토합니다.

자주 묻는 질문

MSS는 어디에 들어가나요?

이동식 지보(MSS)는 거더 형태의 대형 가시설이 한 경간씩 거푸집째 이동하며 현장타설하는 공법입니다. 지상 조건과 무관하고 등경간 다경간에 유리해 ILM과 적용 영역이 겹칩니다. 시공 중 구조계 문제는 가시설(지보) 쪽에 있고 본체는 완성계에 가깝게 시공되는 점이 다릅니다.

FSM(동바리)보다 항상 비싼가요?

가설공법 자체는 비쌉니다. 다만 동바리를 세울 수 없는 조건에서는 비교 대상이 없고, 세울 수 있어도 높이가 크면(대략 10m 이상) 동바리 비용이 역전됩니다. 공기 면에서는 세그먼트 반복 사이클이 안정되면 FCM·ILM이 예측 가능성이 좋습니다.

프리캐스트 세그먼트(PSM)와의 관계는?

세그먼트를 공장에서 만들어 가설 장비로 조립하는 공법입니다. FCM식 캔틸레버 조립도, 경간 단위 조립도 있습니다. 현장타설 대비 품질·공기가 좋지만 세그먼트 이음부(접합면 전단키, 에폭시)와 운반 조건이 추가 검토 항목입니다.

폐합부 시공은 왜 새벽에 하나요?

키 세그먼트 타설 시 양쪽 캔틸레버가 온도로 움직이면 굳는 콘크리트에 균열이 갑니다. 온도 변화가 가장 작은 새벽 시간대에 타설하고, 양쪽을 임시 강결한 뒤 폐합하는 것이 표준입니다. 교량받침과 신축이음에서 본 온도 신축이 시공 단계에서는 이런 형태로 나타납니다.

압출 완료 후 ILM 교량은 어떻게 마무리되나요?

압출받침을 영구받침으로 교체(잭업 후 치환)하고, 연속 강선을 긴장하고, 노즈를 해체합니다. 받침 교체를 위한 잭업 검토가 설계에 포함되어야 하는 것은 받침 교체와 같은 논리입니다.

정리

  • 동바리를 못 세우는 자리의 답이 FCM(캔틸레버 타설)과 ILM(제작 후 압출)입니다.
  • FCM 시공 중은 전 구간 부모멘트입니다. 교각부 50만 kN·m급 — 변단면과 상연 캔틸레버 강선이 여기서 나옵니다.
  • 불균형 모멘트는 교각이 받습니다. 시공 중 교각 검토가 완성계보다 지배적인 경우가 많습니다.
  • 폐합으로 구조계가 바뀌고, 크리프가 캔틸레버 시절 변형을 계속 밀어붙입니다. 장기 처짐을 캠버에 선반영해야 합니다.
  • ILM은 전 단면이 정·부 모멘트를 다 겪습니다. 그래서 중심 강선으로 균등 압축 후, 완성계 강선을 추가합니다.
  • 압출노즈는 선단 모멘트를 1/5로 깎는 장치이고, 압출 마찰은 교각에 완성계에 없는 수평력을 만듭니다.
  • 두 공법 모두 결론은 같습니다. 시공 단계 해석이 단면을 정합니다.

형식 선정의 틀은 교량 형식 선정, 단계별 응력 누적은 PSC 거더교, 프리스트레스와 손실은 PSC 기초·PSC 긴장력 손실, 온도와 받침은 교량받침과 신축이음에 정리해 두었습니다.