토목 구조물은 많은 사람들의 편의를 위해 건설되고 있습니다.

특히 사람들의 어딘가로 가기 위해 매일 이용하는 교량은 그 특성 상 사고가 발생할 경우 큰 재난으로 이어지는 경우가 많습니다. 따라서, 다른 모든 구조물이 그렇겠지만 교량의 안전은 특히 중요하며 기존에 발생한 사고에서 문제점을 발견하고, 추후 발생할 수 있는 사고에 대해 대비하는 것도 중요하기에, 오늘 컨텐츠에서는 2016년 발생한 인도 콜카타의 “비베카난다 고가 도로(Vivekananda Road Flyover)”의 붕괴 원인에 대해 소개해 드리겠습니다.

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1. 개요

2016년 “비베카난다 고가 도로”는 강교로 계획되어 인도 콜카타에서 건설 중이었습니다.

하지만 시공 중 붕괴가 발생해 27명이 사망하고 50명이 부상당하는 사고가 발생했습니다(그림 1). 총 연장 2.2km의 “비베카난다 고가 도로”의 건설 작업은 2009년에 시작되어 2010년에 완료될 것으로 예상되었으나, 다양한 문제로 인해 건설이 지연되고 있는 상황이었습니다.

<그림 1. 인도 콜카타에서 고가도로 붕괴 현장(출처: Jupiter Online Journal Material Science)>

2. 붕괴원인

붕괴 사고와 관련된 조사에 따르면 “비베카난다 고가 도로”의 주거더(Main Longitudinal Girder)는 해머헤드 교각 사이에 걸쳐 설치되었으나 압축 플랜지에 횡방향 비틀림 좌굴을 방지하기 위한 가로 브레이스가 없는 상태였기 때문에 계획되지 않은 추가적인 수평 하중을 가해졌다고 합니다.

그림 2에서 거더의 상단 플랜지가 임시 브레이스로 지지 되지 않아 길이가 긴 거더 부분에서 횡 비틀림 좌굴에 의한 파손이 발생한 것을 볼 수 있습니다.

<그림 2. 해머헤드 교각(40번)의 붕괴>

이를 토대로 추측되는 “비베카난다 고가 도로”가 붕괴로 이어진 두 가지 주요 원인은 설계 부족 및 엔지니어링 결함일 것으로 예상되었습니다.

해당 붕괴 사고를 분석한 보고서에 따르면 주거더가 해머헤드 교각 상부에 배치되는 순간 큰 응력이 이미 가해졌고, 콘크리트 데크 슬래브를 타설할 때 발생한 추가적인 하중으로 인한 응력 증가로 인해 교각 상부에서 발생한 응력이 허용치를 초과하여 붕괴위험을 가중시켰다고 조사되고 있습니다. 수평 및 수직 브레이스은 주거더 플랜지의 압축을 억제하여 비틀림 좌굴을 방지하는 역할을 하지만, “비베카난다 고가 도로”의 주거더에는 수평 브레이스만 존재한 것으로 조사되었습니다.

따라서, 수직 브레이스의 부족으로 인해 거더 플랜지 부분에서 압축력으로 인한 좌굴이 발생했을 것으로 추측하고 있습니다. 붕괴가 발생한 교각은 “비베카난다 고가 도로”의 40번 교각으로 해당 교각이 붕괴된 순서는 그림 3과 같습니다.

<그림 3. 해머헤드 교각(40번)의 붕괴 과정>

또한, 칼리 크리슈나 타고르 거리(Kali Krishna Tagore Street)가 대각선으로 교차하기 때문에 라빈드라 사라니(Rabindra Sarani)를 가로지르는 “비베카난다 고가 도로”의 경간이 직선으로 배치되지 못하고 비뚤게 배치되어야 했고, 이에 따라 I형 거더 상단에 추가된 하중 외에도 비뚤게 배치된 경간의 기울어짐으로 인한 측면 비틀림 효과가 발생했을 것으로 추측됩니다.

이러한 비틀림이나 뒤틀림 효과를 줄이고 거더의 모양을 유지하려면 횡방향에 대해 적절하게 구속해야 했지만, 시공 중 주거더의 측면 좌굴을 방지하기 위한 브레이스는 해머헤드 사이에 걸쳐 있는 주거더에는 설치되어 있지 않은 것으로 조사되었습니다.  이 문제는 주거더에 추가적인 수평 하중을 발생시켰을 것이고, I형 거더 상단 플랜지의 파손 패턴에서 플랜지 내부의 결함으로 인한 최종 파단 및 붕괴가 발생했음을 추측할 수 있습니다.

또한 가설시 다양한 원인으로 인해 발생하는 잔류 응력은 항복 응력 수준을 낮추는 경향이 있으며, 브레이스 등의 지지 시스템을 제공하지 않을 경우 하중이 가해질 때 “비베카난다 고가 도로”의 붕괴와 같은 치명적인 결함이 발생할 가능성을 높게 합니다.

이러한 결함의 발생을 방지하기 위한 방법으로 강합성 거더의 경우 거더의 좌굴해석을 수행하는 것으로 가설시 브레이스 유무에 따른 거동을 미리 확인해 추가적인 브레이스의 설치가 필요한 지에 대해 판단할 수 있습니다. 이 때 대상 구조물의 횡방향 비틀림 좌굴 모드(Buckling Mode) 및 임계 좌굴 하중(Critical Buckling Load) 을 좌굴해석을 통해 확인하는 것이 중요합니다.

3. 좌굴해석에 따른 붕괴원인 분석

“비베카난다 고가 도로”의 붕괴원인의 명확한 확인을 위해 midas Civil의 좌굴해석 기능을 이용해 브레이스를 설치하는 조건에 따라 3가지 모델을 만들었습니다.

1. 횡방향 브레이스가 없는 거더

2. 횡방향 브레이스가 있는 거더

3. 횡방향 및 수직방향 브레이스가 있는 거더

해석에 사용된 단면은 경간이 30m인 단순 지지 거더를 깊이(Depth) 2.0m로 적용하였고, 좌굴해석에 적용된 하중은 시공 중 조건을 반영하기 위하여 거더 중량과 함께 콘크리트 데크 슬래브 타설시의 하중과 고려 할 수 있도록 습윤콘크리트 조건을 고려하여 39.06kN/㎡ 를 거더 상부에 (-)수직 방향으로 적용하여 좌굴해석을 수행했습니다.

아래 그림 4에서 그림 9은 각 조건 별 좌굴 모드 형상입니다.

<그림 4. 횡방향 브레이스가 없는 거더의 좌굴 모드(모드 1)>

<그림 5. 횡방향 브레이스가 없는 거더의 좌굴 모드(모드 10)>

<그림 6. 횡방향 브레이스가 있는 거더의 좌굴 모드(모드 1)>

<그림 7. 횡방향 브레이스가 있는 거더의 좌굴 모드(모드 10)>

<그림 8. 횡방향 및 수직방향 브레이스가 있는 거더의 좌굴 모드(모드 1)>

<그림 9. 횡방향 및 수직방향 브레이스가 있는 거더의 좌굴 모드(모드 10)>

좌굴해석 결과로부터 횡방향 브레이스 및 수직방향 브레이스를 설치함 따라 주거더에 대한 횡방향 강성이 증가하여 좌굴능력이 커지는 것을 모드 형상을 통해 확인할 수 있습니다.

그리고 좌굴에 대한 저항을 수치적으로 확인하기 위한 임계 좌굴 하중은 아래 표 1에 표와 같습니다.

<표 1. 각 조건 별 임계 좌굴 하중>

선형 고유치 해석인 좌굴해석은 주로 박판(thin plate)이나 거더의 웹(web)의 가장 약한 지점에서 발생하기 때문에 거더의 웹에서 상당량의 좌굴모드가 예상되고, 브레이스가 설치된 주거더의 경우 주거더가 전체 좌굴을 경험하기 전에 거더의 웹 부분에서 좌굴이 발생하는 것이 일반적인 것을 해석결과를 통해 확인 할 수 있습니다.

4. 결론

“비베카난다 고가 도로”의 붕괴는 콘크리트 타설이 완료된 이후 약 10~12시간 뒤에 발생한 것으로 조사되었습니다. 이 시점은 콘크리트의 초기 양생이 이루어지는 기간으로 콘크리트에 강도 발현이 완전하지 않은 기간이기 때문에 굳지않은 콘크리트의 특성으로 인해 주거더에 같은 추가적인 횡방향 하중을 발생시켰을 것으로 예상됩니다. 따라서, “비베카난다 고가 도로”를 시공할 경우 주거더 위에 콘크리트를 타설하기 전 주거더에 횡방향 강성을 확보하기 위해 약간의 보강 조치(거푸집과 브레이스 등의 가설재 공사)를 수행해야 했습니다.

“비베카난다 고가 도로”의 기울어진(skewed) 또는 곡선(curved) 부분에 대한 잘못된 설계는 붕괴의 분명한 원인 중 하나인 것으로 추측됩니다. 설계 중 거더는 콘크리트 데크 슬래브 자체를 수평력에 저항하기 위한 측면 구속으로 가정했을 수 있습니다. 그러나 좌굴해석 결과에 따르면 수직 브레이스가 없는 거더에서는 측면 구속 효과가 발생하지 않았음을 알 수 있습니다.

추가적으로 횡방향 브레이스 설계 미비, 주거더와의 연결부 부족, 거더와 상판 사이의 전단연결재 부재, 주거더가 받침에서 이탈하는 것을 방지하기 위한 장치 부재 등 복합적인 문제로 인해 거더가 추락했을 것으로 보입니다.

따라서 횡 비틀림의 영향을 알기 위해 시공 전에 주거더에 대한 좌굴 평가가 이루어졌다면 가설 단계에서 “비베카난다 고가 도로”의 붕괴를 막을 수 있었을 것으로 예상됩니다.

많은 인명 피해와 경제적 손실을 일으킨 “비베카난다 고가 도로”의 붕괴는 설계 단계에서 조금 더 면밀한 검토를 수행했다면 충분히 방지할 수 있는 사고였습니다. 가슴 아픈 사고였지만, 붕괴 이후 인도의 건설 시장에서 안전에 대해 다시 한번 생각해 볼 수 있는 기회였을 것입니다.

많은 사람들의 마음을 아프게 하는 토목 구조물의 붕괴 사고를 방지하기 위해 우리 엔지니어들은 토목 구조물의 건설 단계에서 발생할 수 있는 다양한 원인을 미리 검토해보고, 설계 단계에서 부터 충분한 검토를 오늘도 수행하고 계십니다.

안전한 구조물의 건설을 위해 노력하고 있는 엔지니어분들에게 찬사를 보내며 이번 컨텐츠를 마무리 하겠습니다.