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Comparative Assessment of Wind and Seismic Actions on Steel Girder Bridges in Low-Seismicity Regions: A Parametric Study Applied to Senegal

세네갈 다카르의 강재 거더 교량에 대한 이 매개변수 연구는 지진 작용이 힘 기반 요구량과 종방향 변위를 지배하는 반면, 풍하중은 더 높은 교각의 횡방향 교각 변위를 제어한다는 것을 밝히며, 이는 두 작용 모두가 중요하며 그 우세함이 특정 공학적 요구 매개변수와 교각 높이에 따라 달라짐을 보여준다.

원저자: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

게시일 2026-09-10✓ Author reviewed ⓘ

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CC BY 4.0

원저자: Thierno Mouhamadou Samassa Ly

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교량은 현대 생활의 보이지 않는 동맥으로서 강과 계곡을 가로질러 사람과 물자를 실어 나르지만, 자연계와 끊임없이 보이지 않는 줄다리기를 하며 존재합니다. 엔지니어가 고려해야 할 가장 강력한 두 가지 힘은 바람과 지진으로 인한 지면의 흔들림입니다. 세계의 많은 지역에서는 이 중 한 가지 힘이 매우 지배적이어서 교량의 설계 방식을 결정하는 반면, 다른 하나는 사소한 문제가 됩니다. 그러나 지반은 비교적 안정적이지만 바람이 거센 지역에서는 어려운 질문이 생깁니다. 과연 어떤 힘이 실제로 승리하는가 하는 점입니다. 이는 단순히 학술적인 호기심의 문제가 아닙니다. 지진 위험은 낮지만 해안가의 바람이 강한 서아프리카와 같은 지역의 인프라를 설계하는 엔지니어들에게는 실질적인 딜레마입니다. 만약 엔지니어가 바람을 견디도록 교량을 설계하면서 지진을 무시한다면, 드문 규모의 진동에도 구조물이 파손될 수 있습니다. 반대로, 거의 일어나지 않는 지진에 대비해 과도하게 설계한다면 자원을 낭비하거나, 더 위험하게는 바람이 교량의 안정성에 실제로 더 큰 위협이 된다는 사실을 놓칠 수도 있습니다.

최근 세네갈에 초점을 맞춘 한 연구에서 연구자들은 이 지역의 도로용 구조물로 흔히 사용되는 유형인 강철 거더 교량(steel girder bridges)에 대한 이 구체적인 수수께끼를 해결하고자 했습니다. 그들은 다카르의 교량에 대해 묻습니다. 땅의 흔들림과 바람의 압력 중 무엇이 최종 설계를 결정하는가? 이 답을 찾기 위해 그들은 서로 다른 경간 길이와 교각 높이를 가진 일련의 디지털 모델을 구축하여, 세네갈 특유의 풍속과 지진 위험에 따라 각 교량이 어떻게 반응하는지를 시뮬레이션했습니다. 연구 결과는 놀랍고도 미묘한 진실을 드러냈습니다. 답은 전적으로 교량의 어느 부분을 보고 있는지, 그리고 스트레스를 어떻게 측정하느냐에 달려 있다는 것입니다.

연구진은 교량의 경간 길이를 25에서 45미터로, 교각의 높이를 5에서 16미터로 변화시키며 12가지의 서로 다른 교량 구성을 조사했습니다. 그들은 해당 지역의 최악의 바람과 최악의 지진 상황에서 각 교량이 경험하게 될 힘과 움직임을 계산했습니다. 결과에 따르면, 교량의 강도, 즉 교각의 하부를 부러뜨리거나 휘게 만들려는 힘에 있어서는 항상 지진이 '보스(주도권)'였습니다. 세네갈의 지면 흔들림은 완만함에도 불구하고, 지진력은 모든 테스트 모델에서 일관되게 바람의 힘보다 강했습니다. 이는 만약 엔지니어가 오로지 바람 계산만을 바탕으로 교량을 설계한다면, 교각이 중간 규모의 지진조차 견뎌낼 만큼 충분히 강하지 못할 수 있음을 의미합니다.

하지만 교량 상단이 얼마나 움직이는지를 볼 때는 이야기가 완전히 달라집 most. 12개의 모델 중 10개에서 바람이 지배적인 힘이었으며, 바람은 지진보다 교각 상단을 더 많이 밀어냈습니다. 이는 중요한 차이점인데, 교량이 부서지지 않을 만큼 강하더라도 너무 많이 흔들리면 도로 표면이나 신축 이음매(expansion joints)에 손상을 입혀 결국 실패할 수 있기 때문입니다. 연구는 교각이 높아질수록 바람이 구조물을 옆으로 밀어내는 능력이 지진이 흔드는 능력보다 훨씬 빠르게 증가한다는 것을 발견했습니다. 실제로 경간이 45미터인 교량의 경우, 교각의 높이와 상관없이 바람이 움직임을 제어했습니다. 경간이 짧은 교량의 경우, 교각 높이가 약 5에서 8미터 사이에 도달했을 때 비로소 바람이 주도권을 잡았습니다.

이 발견은 지진 위험이 낮은 지역에서는 지진을 무시해도 된다는 공학계의 일반적인 가정을 뒤집습니다. 예를 들어 미국에서는 건축 법규상 지진 위험이 매우 낮은 지역의 엔지니어들이 지진 계산을 생략하고 바람만이 유일한 실제 위협이라고 가정하는 경우가 많습니다. 세네갈 연구는 교량의 경우 이러한 지름길이 위험할 수 있음을 시사합니다. 지진 발생 확률이 낮은 지역이라 할지라도, 지진에 의한 흔들림의 힘은 여전히 교량 기초의 강도를 결정할 만큼 강력합니다. 동시에 바람 또한 교량이 얼마나 흔들릴지를 결정할 만큼 강력합니다.

연구진은 세네갈과 유사한 지역의 엔지니어들이 단순히 한 가지 위험 요소만을 선택해 다른 하나를 무시해서는 안 된다고 결론지었습니다. 그들은 교량을 지진에 저항할 만큼 강하게 설계하는 동시에, 바람에 저항할 만큼 단단하게(stiff) 만들어야 합니다. 두 힘은 설계의 서로 다른 측면을 지배하며, 한 힘을 통해 다른 힘을 추론할 수 없습니다. 즉, 바람에 완벽해 보이는 교량이 지진에 붕괴할 수 있고, 지진을 견디도록 만들어진 교량이 바람에 너무 격렬하게 흔들려 사용할 수 없게 될 수도 있다는 뜻입니다. 이 연구는 설계자들에게 교각의 높이와 경간 길이에 따라 균형이 어떻게 변화하는지를 보여주는 명확한 지도를 제공함으로써, 차세대 서아프리카 교량들이 발밑의 지면과 머리 위의 공기로부터 모두 안전할 수 있도록 보장합니다.

기술 요약: 저지진 지역 내 강재 거더 교량의 풍하중 및 지진 하중에 대한 비교 평가

문제 제기
세네갈과 같이 저지진 지역이면서 해안가 고풍속을 특징으로 하는 지역에서의 교량 설계는 특정 공학적 과제를 안겨준다. 즉, 어떤 극한 상태(limit state)에 대해 어떤 횡방향 재해가 설계를 지배하는지를 결정하는 것이다. 세네갈은 상당한 풍하중(기본 풍속 최대 42 m/s)에 직면해 있으나 지진 가속도는 낮거나 중간 정도(PGA ~0.05 g)이며, 국가적인 내진 설계 기준이 없어 대신 유로코드(Eurocode) 체계에 의존하고 있다. 기존 문헌은 주로 지진 취약성만을 단독으로 다루거나, 장경간/케이블 지지 구조물에 대한 풍하중-지진 하중 비교에 집중되어 왔다. 일반적인 강재 거더 교량에 대해 풍하중과 지진 하중이 어떻게 경합하는지, 즉 지배적인 작용이 모든 공학적 요구 매개변수(EDP)에 걸쳐 균일한지, 아니면 특정 매개변수(힘 vs 변위) 및 구조적 기하학적 형상(경간 길이 및 교각 높이)에 따라 달라지는지에 대한 이해에는 공백이 존재한다.

연구 방법론
본 연구는 12개의 3경간 연속 합성 강재-콘크리트 거더 교량 모델을 대상으로 파라메트릭 유한요소해석(parametric finite element analysis)을 수행하였다. 모델은 세 가지 중앙 경간 길이(25, 35, 45 m)와 네 가지 교각 높이(5, 8, 12, 16 m)를 기준으로 변화를 주었다.

소프트웨어 및 모델링: 모델은 SAP2000의 Open Application Programming Interface(OAPI)를 사용하여 생성 및 분석되었다. 상부 구조는 스파인 빔(spine beam)으로 모델링되었으며, 교각은 철근 콘크리트 거동을 모사하기 위해 균열 강성(0.5 $I_g$ )을 적용한 프레임 요소로 모델링되었다.
지진 하중: 지형 유형 B, 참조 PGA 0.05 g에 대하여 Type 2 탄성 응답 스펙트럼을 적용하여 Eurocode 8 (EN 1998-2) 규정을 준수하였다. 거동 계수( $q$ )는 1.5를 사용하였다. 지진 요구량은 모드 응답 스펙트럼 해석(20개 모드, CQC 조합)을 통해 도출되었다.
풍하중: 기본 풍속 42 m/s (지형 범주 II)에 대하여 Eurocode 1-4 (EN 1991-1-4) 등가 정적 절차를 적용하였다.
비교 지표: 교각 하단에서의 세 가지 EDP에 대한 무차원 지진-풍하중 비율을 평가하였다: 밑단 전단력( $R_V$ ), 밑단 모멘트( $R_M$ ), 그리고 교각 상단 변위( $R_\delta$ ). 결정적으로, 설계 수준의 비교를 일관되게 수행하기 위해 지진 변위는 EN 1998-2에 따른 변위 연성 계수( $\mu_d$ )에 의해 증폭되었다.

주요 기여

서아프리카 지역 최초의 정량적 비교: 본 연구는 저지진과 고풍속이 공존하는 서아프리카 맥락에서 교량 하부 구조에 대한 최초의 체계적인 풍하중-지진 하중 비교를 제공한다.
EDP 종속적 지배성: 본 연구는 지배성이 균일하지 않음을 입증한다. 즉, 동일한 구조물 내에서도 힘 기반 요구량과 변위 기반 요구량은 서로 다른 재해에 의해 제어된다.
기하학적 임계치 식별: 본 연구는 풍하중이 지진 작용에 대해 변위를 지배하게 되는 경계가 극단적인 기하학적 형상에서만 나타나는 것이 아니라, 일반적인 실무 설계 범위 내(구체적으로 교각 높이와 관련됨)에 존재함을 식별하였다.

결과

힘 기반 EDP (전단력 및 모멘트): 12개 구성 모두에서 교각 밑단 전단력( $R_V$ )과 밑단 모멘트( $R_M$ )에 대해 지진 작용이 설계를 지배하였다. 비율은 $R_V = 1.14$ ~ $1.71$, $R_M = 1.22$ ~ $2.26$ 범위였다. 가장 낮은 지진 수준(0.05 g)에서도 지진력이 풍하력을 상당한 차이로 초과하였는데, 이는 강도 설계 시 풍하중이 지배할 것이라는 직관에 반하는 결과이다.
변위 기반 EDP: 12개 구성 중 10개에서 풍하중이 교각 상단 횡방향 변위를 지배하였다 ( $R_\delta < 1.0$ ). 예외적인 두 가지 경우는 가장 강성이 높은 구성(25 m 및 35 m 경간의 5 m 교각)이었으며, 이 경우 지진 변위가 지배하였다 ( $R_\delta > 1.0$ ).
파라메트릭 경향:
- 교각 높이: 교각 높이가 높아질수록 주기 연장에 따른 스펙트럼 가속도 감소로 인해 지진-풍하중 힘 비율이 감소한다(1에 근접). 반대로, 풍하중에 의한 변위는 높이에 따라 세제곱에 비례하여 증가하는 반면 지진 변위는 선형에 가깝게 증가하므로, 교각 높이가 높아질수록 변위 비율( $R_\delta$ )은 급격히 떨어진다.
- 경간 길이: 경간이 길어질수록 지진 질량 증가로 인해 지진-풍하중 힘 비율은 증가하지만, 풍하중에 노출되는 면적 증가와 거더 깊이 증가로 인해 변위 비율은 감소한다.
- 종방향: 종방향의 경우, 데크에 작용하는 풍하력이 미미하고 지진 변위가 풍하중 변위보다 8.4배에서 81.8배 더 크기 때문에, 예외 없이 지진 작용이 모든 EDP를 지배한다.
증폭의 결정적 역할: 본 연구는 지진 변위 증폭 계수( $\mu_d$ )를 누락할 경우 지진 변위가 최소 1.5배 과소평가될 수 있으며, 이는 여러 구성에서 지배적인 작용을 오분류할 위험이 있음을 강조한다.

의의 및 설계 시사점
본 논문은 세네갈과 같이 저지진, 고풍속 지역의 강재 거더 교량에 대해 어느 한 쪽의 검토를 다른 쪽을 근거로 생략해서는 안 된다고 결론짓는다.

강도 설계: 엔지니어는 16 m 높이의 교각과 45 m 경간까지의 범위에서, 심지어 PGA가 0.05 g로 낮더라도 지진 작용이 교각의 밑단 전단력과 모멘트 설계를 지배할 것임을 예상해야 한다. 이는 해당 구조물을 지진 해석에서 제외할 수 있는 AASHTO LRFD(Zone 1)와 같은 프레임워크와 대조적이다.
사용성/변위 설계: 약 8 m 이상의 교각 높이 또는 45 m 경간을 가진 교량의 경우, 풍하중이 횡방향 교각 상단 변위 검토를 지배할 가능성이 높다.
실무 적용: 본 연구 결과는 설계자가 Eurocode 8 지진 검토와 Eurocode 1-4 풍하중 검토를 모두 수행해야 함을 시사한다. 지배적인 재해는 부지 자체의 특성만이 아니라, 특정 극한 상태(강도 vs 사용성)와 구조적 기하학적 형상의 함수이다. 본 연구는 기본 가정에서 벗어나 경쟁하는 재해들에 대한 정량적 평가를 수행함으로써, 국가적 코드가 부재한 지역에서 정보에 입각한 의사결정을 내릴 수 있는 근거를 제공한다.

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