다리, 즉 교량(橋梁, bridge)은 도로, 철도, 수로 등의 운송로 상에 장애가 되는 하천, 계곡, 강, 호수, 해안, 해협, 등을 건너거나, 또 다른 도로, 철도, 가옥, 농경지, 시가지 등을 통과할 목적으로 건설되는 구조물의 총칭이다. 橋梁이라는 한자의 교(橋)는 양쪽 언덕 사이를 넘어가는 것을 뜻하고, 양(梁)은 나무를 걸쳐 물을 건너가는 것을 뜻한다.
다리의 종류를 구분하는 기준은, 1) 용도에 따른 분류(도로교,보도교,철도교,수로교) 2) 노면의 위치에 따른 분류(상로교, 중로교, 하로교, 이층교) 3) 가설 위치에 따른 분류(해상교, 하천교, 육고, 고가교, 연륙교, 연도교, 잠수교, 부교, 잔교) 4) 재료(주철, 강철, 철근콘크리트, 유리, 나무, 돌, 벽돌, 덩굴 등) 에 따른 분류 등 다양할 수 있으나, 어떤 다리인지를 지칭할 때 구조에 따라 분류하는 것이 일반적이다.
1) 거더교(Girder Bridge, 桁橋, 형교, 빔교)
교각을 촘촘히 세우고 그 위에 대들보(Girder)를 놓고 상판을 올려놓는 방법이다. 보통 건설비가 가장 적게 들고 유지보수 비용도 적은 편이다. 교각 간격이 좁고 교량의 높이가 낮은 편이라 선박운행에 제한이 따르기 쉽다. 원시적인 형태의 거더교는 통나무다리이다.
활하중(자동차 등)과 사하중(보 자체의 무게)의 수직력이 구조를 통해 아래로 향하고 교각이 그 힘을 지탱한다. 교각 위 일정한 간격으로 놓인 (강철)거더가 교상이 받는 하중을 기둥으로 전달해 지반이 받는 충격을 최소화한다. 경간-두께 비가 중요하다. 경간이 너무 넓거나 보 단면이 너무 얇다면 거더교는 무너진다. 수직 힘(전단력 : 교각 사이에서 분산됨), 수평 힘(인장력과 압축력), 비틀리는 힘도 고려해야 한다.
거더교에 적용되는 거더의 형상은 T형, I형, Box 형태가 주로 사용되는데 그 형식에 따라 T형교, PSC빔교, Plate Girder(판형교), 스틸박스거더교(강합성상형교), PSC박스거더교, 강상판형교 등이 있다.
단순보 : 경간의 주형이 분리된 다리. 경간이 작은 다리나 신축이음이 필요한 여러개의 경간이 있는 다리에 적용
연속보 : 경간에 정모멘트, 교각과 닿는 교상의 단면에 부모멘트 (인장력) 발생, 구조의 효율성, 두께를 줄일 수 있다.
2) 아치교
무지개 다리, 한자로는 홍예교(虹霓橋)로 부른다. 고대부터 아치형의 구조를 띈 다리로 전통적으로 벽돌제로 하부에 교각간 아치를 그려 하중을 견디도록 한 교량이다. 다격형이든 원형이든 결원형이든 모든 형태의 아치는 수직력(하중)을 곡선 구조 또는 계단형 구조의 압축력을 통해 교대로 전달하는 역할을 한다.
교상이 아치 위에 놓이는 상로 아치교, 교상 위에 설치된 교대에 아치 바닥을 고정하는 하로아치교, 기초에 가해지는 수평 추력을 감소시키기 위해 아치에 매달린 교상이 교대보다 높은 위치에서 아치 내부를 가로지는 구조인 중로 아치교가 있다.
아치가 보강되는 방식에 따라 다음과 같이 구분할 수 있다.
1) 타이드 아치교 --- 수평력에 저항하기 위해 교대에 의지하지 않고 아치 양쪽에 연결된 교상이 인장력을 받게 되며 교대에 도달하는 수평력은 거의 없는 활시위와 같은 원리이다.
2) 랭거 아치교 - 보강형의 강성이 아치리브의 강성보다 커서 보강형(Plate Girder or Truss) 이 축력과 휨모멘트에 대해 저항하고 아치리브에는 축력이 주로 발생하는 구조
3) 로제 아치교 - 모멘트와 축력을 받는 아치리브와 보강형으로 구성되는 2개의 휨강성이 있는 부재를 그 양단에서 연결하고 중간부분을 힌지의 수직재로 연결한 구조로 랭거교에 비해 아치 리브의 강성이 크기 때문에 수직재 간격을 늘릴 수 있다.
4) 닐센 아치교 - 수직재를 Warren Truss형으로 조립한 교량을 총칭한다.
* 전통 석조 아치 : 홍예석, 꼭대기 홍예석 (이맛돌, 종석)-수직력을 수평력으로 전환해 양쪽에 분산.
** 오픈 스팬드럴 : 다리의 중량을 줄이기 위한 기술 중 하나로, 아치의 바깥면과 교대 사이(스팬드럴) 에 구멍을 만들면 무게도 감소, 홍수 때 물을 통과해 물살 저항력 높인다. (ex. 영국 폰티프리드 올드브리지 Old Bridge)
3) 현수교
케이블을 늘어뜨려 교상을 지탱하는, 일명 출렁다리이다. 교상은 인장력을 받는 현수 케이블에 매달려 있으며, 현수 케이블(강선 가닥)은 하중을 다리 양 끝에 있는 앵커리지나 주탑으로 전달한다. 교상이 받는 동하중(크기나 방향이 일정하지 않은 하중) 등은 현수재(수직방향 케이블-주 케이블과 교상을 연결한다)를 통해 케이블에 강한 인장력을 가하며, 이는 압축력의 형태로 주탑에 전달되고, 앵커리지는 이를 상쇄할 수 있도록 설계된다. 이렇게 하나의 경간을 사용해 먼 거리를 가로지를 수 있다. 먼 거리를 잇는 가장 효율적인 다리이다. 배의 통행을 방해하지 않고, 가설물도 필요없다. 비교적 가벼운 자재를 사용하면서도 무거운 하중을 버틸 수 있다.
초기 현수교 소재는 쇠사슬이나 아이바 eye bar였다. 강선은 19세기 초 등장한다. (강선을 꼬아서 만듬, 수천개의 강선을 하나로 묶은 케이블) 첫번째 강선 현수교 존 로블링의 브루클린브리지(1883)
○ 건설 순서
1. 주탑건설
2. 긴 강선을 주탑위로 넘겨 앵커리지에 고정, 같이 묶어 거대한 하나의 다발을 만든다.
3. 교상- 현대식 현수교 교상은 박스형 거더로 되어 있다. 주로 사용되는 보강재는 트러스보, 경사재, 버팀줄
(목재교상-바닥보(가로보)-세로 거더-널빤지 바닥) or (하우 트러스 구조 보강재) or (수평 경사재) or (바람 버팀줄)
4) 트러스교
삼각형 구조로서 모든 부재가 압축력과 인장력을 받아 더 안정적으로 지탱할 수 있다. 상현재-하현재, 두 현재는 한쪽 끝에서 다른 쪽으로 뻗어 나가며 압축력과 인장력을 받는 작은 수직재와 경사재로 서로 결합한다. 트러스는 상대적으로 적은 양의 자재를 사용하며 중량대비 강도가 높아 매우 효율적인 구조다. 형교, 아치교, 캔틸레버교를 비롯한 모든 종류의 구조물에 적용할 수 있다.
※ 캔틸레버교
한쪽 끝은 고정되어 있고 다른 쪽 끝은 지탱을 받지 않는 상태의 보를 캔틸레버라고 한다. (외팔보)
측경관을 형성하는 육지 쪽 팔과 주경관을 형성하는 반대 쪽 팔이 양쪽에서 균형을 이루고 있다. 각 팔의 아랫면에 작용하는 압축력, 팔 위면에 작용하는 인장력이 지지대로 전달된다. 교각에서 뻗어나간 캔틸레버 팔은 교대에 고정되거나 옆에 붙은 다른 캔틸레버 구조와 결합한다. 종종 주경간을 늘리기 위해 두 개의 캔틸레버 팔 사이에 '걸린 경간'을 삽입하기도 한다. (양 팔 : 균형 캔틸레버) 캔틸레버 팔이 만나 구간이 아치모양이면 아치교와 혼동된다. 구별법은 이음. 캔틸레버 이음부는 경간 중심에, 아치 사이의 이음부는 교각에 있다.
5) 사장교 Cable-Stayed Bridge)
교상이 받는 하중을 케이브를 통해 주탑으로 전달하는 원리는 현수교와 같지만 현수교 케이블은 하나로 이어져있으며, 사장교 케이블은 서로 분리되어 케이블이 주탑에서 뻗어나가 교상을 지탱한다.
하중을 각각의 케이블이 나눠서 받기 때문에 교체하기도 쉬워 유지 보수 측면에서 유리하다. 하중을 자체처리하기 때문에 앵커리지가 필요없다. 다경간 교량이나 앵커리지 설치가 힘든 지반에 설치하기 좋다. 교상이 받는 하중은 대칭을 이루는 케이블을 통해 주탑으로 향한다. 모든 사장교의 교상은 주탑에서 시작해 옆으로 이어 나가는 캔틸레버 공법으로 건설된다. 사장교의 교상은 현수교와 달리 교상이 주탑쪽으로 끌어당겨지면서 압축력을 받기 때문이다.
주경간의 길이가 현수교를 따라갈 수는 없지만 현수교와 다르게 무한히 이어 나갈 수 있다. 케이블 정착부가 주탑에 있기 때문에 탑을 더 세우는 만큼 길이를 제한없이 늘릴 수 있다.
부채형 사장교 - 모든 케이블이 주탑 꼭대기에 집중됨.
하프형 사장교 - 각 케이블이 서로 평행을 이룸.
6) 하이브리드교
둘 이상의 유형을 결합한 다리. 처음부터 하이브리드로 설계되기도 하고, 추가로 보강하거나 변형하는 과정에서 하이브리드로 바뀌기도 한다. 대체로 <사장교 + 박스형 거더교>
7) 엑스트라도우즈드교 (Extradosed Bridge)
사장교 + 거더교 : 높은 건설비용을 보완하면서 사장교처럼 넓은 경관과 얇은 교상을 만들 수 있다.
사판교 형식 : 케이블을 콘크리트 벽체 속에 배치. ex) 간터교. 국내는 제2양평대교
사장 외케이블 형식 : 1994년 오다와라교. ex) 여수 평여2교
8) 가동교
교상을 움직여 통행을 차단할 수 있는 다리, 주목적은 선박이 지나갈 수 있게 하는 것이다.
- 도개교(Bascule Bridge)) : 가장 유명한 가동교로서 적의 진입을 막는 중세 유럽의 성에 널리 사용되면서 인기를 끌었다.
- 승개교 : 강이 범람했을 때 손상을 막기 위해 교상을 중심 상판을 각도 변화없이 그대로 들어올리는 다리. 양쪽 끝의 두 주탑이나 경간 아래 장착한 유압잭을 이용해 승개 경간을 들어올린다. 각도를 변화시켜 들어올리는 전개교(ex 영도대교)에 비해 강도 대 중량 비가 높아 더 무거운 하중도 옮길 수 있다.
- 선회교(Swing Bridge) : 상판이 기둥에 설치된 피벗 구조물을 중심으로 회전하는 다리. ex) 타인강 스윙브릿지
- 수납교 : 배가 지날 때 한쪽으로 상판을 수납하는 형식의 다리.
- 잠수교 : 교상이 수면아래로 잠수. 교상을 위로 들어올리는 것보다 많이 움직일 필요가 없다는 점이 장점이 있다. ex) 그리스 코린트 운하교
- 비경교 : 양 끝을 축으로 회전하여 배가 지나갈 공간을 확보하는 다리. 교상을 구부러진 모양으로 만들어야 하는데 결국 보행자나 자전거 이용자에 한해 이용할 수 있는 다리. ex) 게이츠헤드 밀레니엄 다리
- 선개교 : 경간 가운데 설치된 중심축을 기준으로 회전. 균형추가 필요없어 비교적 가볍지만, 물길 폭이 좋을 경우 교각이 장애물이 된다. ex) 바턴 선개 수도교
- 접식교(Folding Bridge) : 선박이 지나갈 수 있도록 아코디언처럼 교상을 한쪽으로 접어 옮기는 다리. 가볍고 작은 다리에 적합
- 전접교(Culring Bridge) : 다리가 여러 마디로 나뉘어, 배가 지나갈 때 한쪽으로 말리는 형식의 다리.
- 수송교 : 움직이는 화물대(곤돌라)를 사용해 물자를 옮기는 운반교. 주탑 사이를 움직이는 하물대로 사람과 물건을 나르는 다리. 케이블에 교상을 매단 형태. 강선과 도르래로 이루어진 기계 장치를 사용해 한쪽에서 다른 쪽으로 움직인다.
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