정의
아치교(arch橋, arch bridge)는 교량의 주 구조체가 아치(arch) 형태로 이루어진 교량을 말한다. 아치는 곡선형 부재로, 교량에 작용하는 하중을 압축력으로 변환하여 양쪽 지점(교대)으로 전달하는 구조적 원리를 가진다. 이로 인해 압축에 강한 돌, 벽돌, 콘크리트 등의 재료로도 장경간 교량을 축조할 수 있다.
구조적 원리
아치교의 핵심 구조 원리는 곡선형 아치 리브(arch rib)가 수직 하중을 압축력으로 변환하여 수평 방향의 반력(추력)으로 분산시키는 데 있다. 아치 리브의 가장 높은 지점을 아치 크라운(arch crown), 양 끝 지점을 스프링잉(springing)이라 하며, 스프링잉 사이의 거리를 아치 지간(arch span)이라고 한다. 아치의 높이(라이즈, rise)와 지간의 비율을 라이즈비(rise ratio)라 하며, 이는 아치교의 구조적 효율성을 결정하는 중요한 설계 변수이다.
역사
아치교는 인류가 만든 교량 형식 중 가장 오래된 것 중 하나이다. 인류가 최초로 아치 구조를 사용한 흔적은 기원전 4천년 경 메소포타미아 지역에서 발견된다. 기록상 가장 오래된 아치교는 기원전 1800년경에 건설된 것으로 추정되는 이라크의 님로드 다리(Nimrod Bridge)이며, 현존하는 가장 오래된 아치교는 기원전 1300년경에 축조된 그리스의 미케네 다리(Mycenaean bridge)이다.
고대 로마 시대에는 석조 아치교가 크게 발달하였으며, 로마인들은 아치 구조를 수로교, 교량, 건축물 등에 광범위하게 적용하였다. 한국에서는 경주 불국사의 청운교와 백운교(통일신라 시대)를 비롯한 다수의 석조 아치교(홍예교)가 현존한다.
근대에 들어 1779년 영국에서 철제 아치교(아이언교, Iron Bridge)가 처음 등장하였고, 이후 철근콘크리트와 강재의 발달로 아치교의 경간장이 크게 증가하였다.
분류
아치교는 다양한 기준에 따라 분류된다.
1. 구조역학적 분류
- 고정 아치(Fixed arch): 힌지가 없는 아치로, 구조적으로 가장 경제적이나 지반 조건이 양호해야 한다.
- 2힌지 아치(2-hinged arch): 양쪽 지점에 힌지를 가진 아치로, 가장 널리 채용되는 형식이다.
- 3힌지 아치(3-hinged arch): 양쪽 지점과 아치 중앙에 힌지를 가진 정정 구조로, 지반 조건이 나쁜 곳에 주로 사용된다.
2. 수평력 처리 방식에 따른 분류
- 타이드 아치(Tied arch): 아치에서 발생하는 수평력을 보강형(타이)이 부담하는 형식으로, 지반이 나쁜 곳에도 적용 가능하다.
- 非타이드 아치: 수평력을 기초 지반에 직접 전달하는 형식이다.
3. 상판 위치에 따른 분류
- 상로 아치(Deck arch): 상판이 아치 리브 위에 위치한다.
- 중로 아치(Through arch): 상판이 아치 리브 사이에 위치한다.
- 하로 아치(Pony arch): 상판이 아치 리브 아래에 위치한다.
4. 리브와 보강형의 강성 관계에 따른 분류 (타이드 아치)
- 타이형(Tied girder): 리브의 강성이 보강형보다 큰 경우.
- 랭거형(Langer girder): 보강형의 강성이 리브보다 큰 경우.
- 로제형(Lohse girder): 리브와 보강형의 강성이 비슷한 경우.
- 닐센계(Nielsen system): 수직재 대신 경사재(사재)를 사용한 형식.
세계의 주요 아치교
- 세계 최장 강(鋼) 아치교: 뉴리버고지교(New River Gorge Bridge, 미국, 1977년 완공, 지간 518m)
- 세계 최장 콘크리트 아치교: 완저우교(Wanxian Bridge, 중국, 1997년 완공, 지간 425m)
- 세계 최장 강 아치교(과거): 킬밴컨교(Kill Van Kull Bridge, 미국, 1931년 완공, 지간 503.5m)
한국의 주요 아치교
- 대전육교(1969년): 국내 최초의 철근콘크리트 아치형 교량. 2020년 국가등록문화재(제783호)로 지정되었다.
- 부산대교(1981년): 아치지간 160m의 밸런스드 아치교로, 순수 국내 기술진에 의해 설계·시공되었다.
- 방화대교(2001년): 국내 최장 아치교(지간 180m, 총 연장 540m).
- 서강대교(1999년): 국내 최초의 닐센 아치교(지간 150m).
- 초양대교(2003년): 지간 198m로 국내 최장 닐센 아치교.
특성 및 용도
아치교는 압축력에 효율적으로 저항하므로 재료의 압축 강도를 최대한 활용할 수 있다. 일반적으로 50m~300m 이상의 중대 지간 교량에 널리 사용되며, 곡선부의 특성상 미관이 뛰어나 도시의 랜드마크 역할을 하는 경우가 많다. 현대에는 콘크리트 충전강관(CFT, Concrete Filled Tube) 등 신소재를 적용한 아치교 설계가 증가하고 있으며, 타 형식의 교량과 결합한 퓨전 아치교(Fusion Arch Bridge) 형태로도 발전하고 있다.
