두 나라는 기존 교량의 교통 정체를 해소하기 위해 새로운 교량인 Hochrheinbrücke(High Rhine Bridge) 건설을 추진했다. 건설 비용은 양국이 절반씩 부담했으며, 공사는 양쪽 끝에서 동시에 시작하여 중앙에서 만나는 방식으로 진행되었다. 계획 단계에서 엔지니어들은 양국이 사용하는 해수면 기준점이 다르다는 사실을 이미 인지하고 있었다. 독일은 북해, 스위스는 지중해를 고도 측정의 기준으로 삼고 있어 이로 인해 약 27cm의 차이가 존재했다. 설계상 스위스 측은 독일과의 높이를 맞추기 위해 27cm를 더해야 했으나, 불행히도 부호를 반대로 적용하는(+ 대신 -) 치명적인 실수를 범해, 오차가 상쇄되기는커녕 오히려 배로 늘어나 최종적으로 54cm의 높이 차이가 발생하게 되었다.

이 오류는 시공 과정에서 발견되었고 당시 스위스 측의 구조물 공사는 이미 완료된 상태였기 때문에, 공정이 조금 뒤쳐진 독일 측 구조물(교대 등)의 높이를 조정하여 해결을 하였다. (*주: 독일 측에서 어떻게 조정을 했는지에 대한 사실 관계들이 자료마다 차이가 있어 정확한 내용을 찾을 수 없음)

어찌보면 웃지 못할 해프닝으로 끝나 다행이었지만, 다양한 분야에서 사소한 수학적 오류로 인해 공공의 안전이 위협받고 경제적 손실이 발생한 사례들을 찾아 보면 한둘이 아님을 알 수 있다. 단순한 계산 오류가 공부할 때는 문제를 푸는 과정에서 범한 한 번의 실수로 가볍게 여길 수 있지만, 현실에서는 “두 번 측정하고 한 번 잘라라(Measure twice and cut once)”라는 격언처럼, 사소해 보이는 수치 하나라도 내 이웃의 안전과 직결됨을 엔지니어들은 잊지 말아야 한다.

먼저, 이해를 돕기 위해 교량 현황에 대한 간단한 설명을 하면 교량은 비대칭 2경간 사장교이며 1단계로 사진의 교량이 먼저 시공되어 개통을 했고 2단계로 우측에 동일 형식의 사장교 교량이 계획되어 있었다.

사고 사진은 서쪽에서 동쪽 방향으로 촬영한 것으로 사진에서도 뚜렷하게 왼쪽 상판이 더 들려진 것을 확인할 수 있는데 아래 사진으로 보면 1번 교좌장치에 해당한다.

사고 발생 후 수백톤의 콘크리트 블록(jersey barrier)을 counter weight로 상재하여 들려진 상판을 다시 내렸고, 임시 지지 시스템을 긴급 시공하여 사고 발생 45일 후 재개통을 하였다.

사고의 직접적인 원인은 거더와 shoe plate를 연결하던 40개의 ASTM A490 고장력 볼트가 전부 파단된 것이었다. 조사 보고서는 ‘고응력 저주기 피로 파단(high stress, low-cycle fatigue fracture)’를 통해 이런 현상이 발생했다고 규정하고 있는데, 이는 재료가 탄성 한계를 넘어 소성 영역에 도달하는 높은 응력을 받을 때, 일반적인 피로 파단보다 훨씬 적은 반복 횟수만으로도 파괴에 이르는 현상을 의미한다. 공식 조사보고서의 용어 설명은 “low-cycle fatigue : The progressive crack propagation of a material by the repeated application of loads that are large enough to cause plastic strain of the material”이다.

이 볼트들은 하중이 가해질 때마다 미세한 영구 변형이 일어나는 ‘교번 소성(alternating plasticity)’ 메커니즘의 영향을 받았는데, 수만 번 이상의 반복 하중이 필요한 일반적인 피로 파단과 달리, 매 사이클마다 발생하는 높은 변형률 때문에 불과 수십에서 수백 회의 반복만으로 파단에 이르렀다. 물리적인 증거로는 파단면 분석 결과 50~140개의 줄무늬(striations)가 관찰되었는데, 이는 볼트가 완전히 파단되기 전 중량 트럭이 통과할 때마다 균열이 한 단계씩 진행되었음을 보여주는 증거이고, 일부 파단면의 부식 흔적은 이 사고가 당일 한꺼번에 일어난 것이 아니라, 수주에 걸쳐 점진적으로 진행된(progressive) 결과였음을 말해 준다.

파손을 유발한 주요 원인은 다음과 같다.

• 볼트 설계장력(Pre-tensioning) 미도입 : 설치 과정에서 ASTM A490 볼트가 사전 인장되지 않음
  (The ASTM A490 bolts connecting the girder flanges to the west abutment bearings were not pre-tensioned (tightened) during bearing installation.)
• Shoe plate의 강성 문제 : Flexible한 shoe plate로 인해 지렛대 효과(prying effects)가 발생하여 바깥쪽 볼트 라인에 가해지는 힘이 평균 하중시보다 최대 3.5배로 증폭. 또한 plate 재질이 도면에는 CAN/CSA-G40.21 350W(350MPa)인데 ASTM 36(250MPa) 사용
  (The forces and strains in the outer two lines of bolts were increased significantly by flexibility of the tapered shoe plate and related prying effects between the bearing and the girder flange)
• 베어링 회전 능력 부족 : 계약 사양에 베어링은 모든 방향으로 회전이 가능해야 했지만 실제 공급된 제품은 상향력(uplift)이 작용할 때 전혀 회전할 수 없는 구조임. 구조물 변형을 수용할 만큼의 회전 능력을 갖추지 못해 결국 볼트에 과도한 힘과 변형이 집중됨
  (Due to the asymmetric bridge span arrangement, the west abutment bridge bearings experience tension (uplift) due to permanent loads, as well as a combination of service level permanent and transitory loads. By inspection of the bearing arrangement, we note that there is no mechanism provided for in the design of the bearing to freely accommodate rotation while subjected to uplift)
• 저온 환경의 영향 : 파손 당시 영하 16도의 추운 날씨로 인해 케이블과 상판이 수축하면서 상향력(uplift force)이 약 10% 증가. 이는 직접적인 주원인은 아니었으나 트럭 하중과 결합하여 파손 과정을 가속화시킴
  (Cold temperature effects (cable shortening, deck shortening and eformations) were analyzed and also found to increase uplift forces by approximately 10%)
• 조사 결과 볼트의 재질, 강도, 연성 및 저온 인성 등은 모든 규격을 충족하였으므로, 재료 자체의 결함이나 추위로 인한 재료의 취성 파괴는 원인이 아닌 것으로 확인됨

Prying action에 대해 좀 더 이야기하자면, 국내 강구조설계기준에는 ‘지레작용 : 하중점과 볼트, 접합된 부재의 반력사이에서 지렛대와 같은 거동에 의해 볼트에 작용하는 인장력이 증폭되는 작용 (praying action)’으로 용어 정의만 되어 있고 관련한 자세한 기준이 없기 때문에 접하기 어려운 생소한 용어다.

사진에서 설명하면 shoe plate는 상부 거더와 받침 사이에서 하중을 균일하게 전달해야 하는 핵심 부품이나, 너무 flexible해서 prying effect를 유발했다. 하중에 의해 변형되면서 지레의 원리처럼 작동하여, shoe plate 중앙부가 상향으로 약 5~7.5mm 영구변형되고, 이로 인해 외측 두 줄의 볼트 그룹에 설계치를 초과하는 변형이 집중되었다.

주요한 원인에 대해서만 인용을 했는데 조사보고서는 이보다 더 많은 기술 및 시공 오류들이 기록되어 있다. 결론적으로 기술적·관리적 총체적 부실의 결과가 사고를 초래했으며 이를 보고서에서는 다음과 같이 말한다.

The occurrence of all of these in combination is unique and was highly improbable, however a confluence of events and conditions is typical of failures within structures.

911 : Memphis 911 emergency. Do you need police, fire, or ambulance?
Caller : I am doing a bridge inspection here on the I-40 Mississippi River Bridge. We just found a super critical finding that needs traffic shut down in both direction on the I-40 Mississippi River Bridge.

교량 점검원이 발견한 것은 거의 파단 일보 직전의 tie-girder의 균열이었다. 인장을 받는 critical member가 이 정도 손상이 진행되었는데도 교량이 붕괴 안된 것이 천운이라 할 정도의 사건이 발생한 것이다. Season5-Episode5에서 문제의 교량, 수려한 외모의 Hernando de Soto Bridge를 다룬다.

이 사건이 크게 문제가 된 이유는 심각한 손상 정도도 있지만 이미 2016년 카약을 타던 일반인이 찍은 사진과 2019년 점검 드론 영상에 균열이 확인되었음에도 방치되었다는 사실이다. ‘도대체 검사를 어떻게 했길래 이 지경이 되도록 모르고 있었느냐’는 여론의 비판 속에 관계자들이 책임을 지고 물러났으며, 주정부는 검사 시스템 전체를 개편하지 않을 수 없었다.

교량이 왜 이 지경이 되었을까? WJE에서 작성한 최종 조사보고서 및 ARDOT(Arkansas Department of Transportation)의 조치후보고서(After Action Report)는 현재 dead link가 되었지만 web archive에 남아 있어 확인이 가능하다. 이것도 번거로우면 보고서를 요약 설명한 기사들을(1, 2) 참고해도 된다.

기본적으로 WJE가 수행한 forensic investigation 내용은 금속 및 용접에 대한 지식 없이는 이해하기가 어렵다. 교량 엔지니어들에겐 생소한 용어인 수소 균열(hydrogen cracking)이 원인이며 보고서를 토대로 파손 경위를 최대한 쉽게 기술하면 다음과 같다.

• 균열이 시작된 곳은 제작 과정 중 거더 내부 면 용접부에 수행되었던 용접 수리 부위였다. 이 용접 수리는 fracture control plan 없이 진행되었으며, 이로 인해 부적절한 예열이나 오염된 용접봉 사용, 용접부의 높은 구속(high restraint) 등이 결합되어 두 개의 커다란 수소 균열이 발생했다.
• 이 수소 균열들은 제작 당시뿐만 아니라 1982년에 실시된 NDT(UT) 검사에서도 발견되지 않은 채 수십 년 동안 방치되었다.
• 이 균열들이 피로 균열(fatigue crack)로 인해 성장한 증거는 없다. 대신, 오랜 시간 정지 상태였던 이 균열이 낮은 온도로 인해 증가한 거더의 응력과 활하중의 특정한 조합으로 인해 불안정해지면서 세 단계에 걸쳐 급격히 진행되어 파손에 이르렀다.

균열이 갑자기 커진 원인에 대해 조사보고서 내용에 의문을 갖는 사람들도 있지만 수소 균열로 부터 시작되었다는 것에는 이견이 없어 보인다. 40년 넘게 내부 결함으로만 존재하며 피로 성장의 흔적조차 남기지 않았기에, 균열의 진행을 예측할 데이터 자체가 없었다는 기술적 난제는 분명히 있다. 하지만 균열이 이미 표면으로 드러난 2016년 이후에도 무려 5년 가까이 발견하지 못한 사실은 부정할 수 없는 기록으로 남아 있다. 결국 1982년의 검사 오판과 2016년 이후의 육안 점검 실패라는 두 번의 기회를 놓친 것이 이 사고의 본질이며, 그런 면에서 앞서 링크한 기사에 나오는 엔지니어의 말이 뼈아픈 직언으로 다가온다.

“Finding a crack on this bridge, it’s a normal thing. It’s nobody’s fault,” Hsu said. “The design was basically good at that time. The construction was good at that time. The only thing, in my view, the only problem, was the inspection.”

당시 사고 순간은 마침 현장에 있던 네덜란드 관광객, Fred Nederlof에 의해 촬영되어 한 장의 사진으로 생생하게 남아 있는데 모든 미디어에서 이 사진을 인용한다. 방송에 나온 붕괴 순간도 이 사진을 사용했다.

6명의 사망자가 발생한 참사지만 불행하게도 최종 원인은 명확히 밝혀지지가 않았다. 학자들은 non-prestressed bolts 사용으로 인한 볼트 풀림에 합리적 의심을 두었지만 판결은 입증할 증거 부족으로 결론이 났다.

볼트 이야기가 나왔길래 좀 헷갈리는 국내 설계 기준에 대해 딴지 좀 걸어 볼까 한다.

고장력볼트라는 용어가 설계기준에 처음 등장한 것이 언젠지 모르겠지만, 외국 기준과 비교하면 뭔가 앞뒤가 안맞는 모순된 면이 있다. ASTM/AISC나 JIS/JSCE 등 외국 기준을 참고하여 국내 기준이 만들어졌을 텐데, 왜 High Strength Bolt 또는 高力ボルト를 그대로 ‘고강도볼트’라 하지 않고 ‘고장력볼트’라는 명칭으로 정착시켰는지 의문이 든다.

국내에서 대표적으로 사용되는 마찰이음용 고장력볼트인 F10T를 보면, 이는 미국 기준으로 Group120 볼트(A325)를 slip-critical 방식으로 체결한 경우에 해당하는데 미국에서는 동일한 볼트를 체결 방식(snug-tightened, pretensioned, slip-critical)에 따라 별도의 명칭으로 구분하지 않는다. 참고로 미국 볼트 명칭은 그동안 몇차례 개정을 거쳤다.

The ASTM bolt specifications are now cited using the current standard designation. F3125 with the appropriate grades (Grades A325, A490, F1852, and F2280) is now listed in the RCSC Specification. (The 2014 edition was published before ASTM F3125 was published, so that version contained the older designations.) In the 2016 edition of the AISC Specification for Structural Steel Buildings (ANSI/AISC 360), rather than use the long names for the bolts, such as F3125 Grade 325, bolts were designated as various Groups. Group A bolts were A325 strength level and Group B bolts were A490 strength level. In the new RCSC Specification, the “Group” names now reflect the bolt unit strengths in ksi. For A325 strength levels, the bolts are Group 120; for A490 strength levels, the bolts are Group 150; and for F3148, the bolts are Group 144.

지압이음용으로 사용되는 B10T 역시 마찬가지다. 체결 방식만 다를 뿐 동일한 고강도볼트임에도 불구하고, 국내에서는 명칭 자체를 다르게 사용하다 보니 마치 서로 다른 종류의 볼트인 것처럼 오해할 소지가 있다. 더 나아가, ‘지압이음용 고장력볼트’는 설계장력을 도입하지 않는데, 이러한 볼트를 ‘고장력볼트’라고 부르는 것이 과연 적절한지도 고민해 볼 필요가 있다.

와셔(washer) 사용 기준 역시 마찬가지다. 미국은 설계자가 상황에 맞춰 와셔 갯수를 결정하는 방식인 반면, 우리나라는 KS B 1010에 세트(set) 단위로 규정하고 있어 볼트 종류나 체결 방식 등에 상관없이 와셔 2개를 포함한 세트를 사용하게 된다.

모든 High Strength Bolt가 ‘고장력볼트’는 아니다. ‘고장력볼트’라는 용어는 고강도볼트 중에서도 pretension이 도입되는 경우에 한정하여 사용하는 것이 맞다. 현재와 같이 체결 방식에 따라 명칭 자체를 구분하는 기준은 오히려 혼란을 야기할 뿐이다. AISC/RCSC 기준처럼 지나치게 복잡할 필요는 없겠지만, 최소한 용어의 정의와 적용 범위에 대해서는 국내 기준 역시 한 번쯤 손 볼 때가 되지 않았을까? 실제 현장에서는 비교적 단순한 가설구조물에도 별다른 고민 없이 마찰이음용 고장력볼트가 적용되는 경우가 많다. 어찌 보면 국내 기준은 설계자의 판단 여지를 거의 허용하지 않는 지나치게 친절한 기준이기도 하다.

뉴질랜드의 대표적 랜드마크이자 핵심 교통 인프라인 Auckland Harbour Bridge는 1959년 개통 이후 도시 성장의 축을 형성해 온 구조물이다. 초기 4차로로 설계되었으나 급증하는 교통 수요에 대응하기 위해 1969년 측면 확장 공사(일명 ‘Nippon clip-on’이라 불리는 일본 설계·제작의 측면 확장 구조물)를 단행, 현재 8차로 운영 중이다. Clip-on은 기존 교량에 부착하는 방식임을 고려해 하중 부담을 최소화하는 강상판(orthotropic) 구조로 제작되었다. 그러나 하루 교통량이 설계 용량을 상회하는 약 17만 대에 육박하면서, 구조물 전반의 피로 누적과 서비스 수준 저하가 임계치에 도달했다. 당시에는 혁신적인 설계라 찬사받았던 clip-on 방식이, 현재는 임시방편을 뜻하는 ‘band-aid solution’이라는 혹평을 받는 이유다.

Clip-on 구조는 하중 전달 경로의 비효율성과 접합부 응력 집중이라는 내재적 결함을 지니고 있다. 수차례에 걸친 대규모 보강 작업에도 불구하고 특정 국부 상세에서 반복되는 피로 균열은, 이 교량의 문제가 단순한 강도 부족을 넘어 구조적 ‘피로 수명’이 임계점에 도달했음을 보여준다.

현재의 유지관리 방식은 구조 성능의 근본적 개선이 불가능한 ‘관리 중심 대응’에 국한되어 있다. 추가적인 보강은 오히려 구조물 자중을 증가시켜 하부 구조에 부담을 가중시키며, 응력 집중을 근본적으로 해소하지 못하는 기술적 모순을 낳고 있다. 결국 운용 효율을 희생하여 잔여 수명을 연장하는 임시 방편적 전략은 유지관리 비용의 상승을 초래했고, 이는 새로운 횡단 인프라 구축이라는 필연적인 사회적 합의로 이어졌다.

차세대 횡단 수단을 두고 정부와 시의회는 전략적 가치 판단에서 뚜렷한 견해차를 보인다. 중앙 정부가 추진하는 ‘해저 터널안’은 막대한 초기 자본과 장기 공기를 수반하나, 기존 교량의 하중 분산과 기후 변화 대응, 그리고 도시 경관 보존 측면에서 지속 가능한 해법으로 평가된다. 반면 오클랜드 시장이 제안한 ‘제2 교량안’은 초기 경제성과 신속한 개통에 중점을 두지만, 경관 훼손 및 새로운 대형 구조물의 유지관리 리스크를 재현한다는 비판에서 자유롭지 못하다.

결국 Auckland Harbour Bridge의 미래는 단순한 교통 문제를 넘어 도시의 성장 방향과 공간 활용 철학을 결정하는 문제로 확장되고 있다. 막대한 재정을 투입해 장기적 안정성을 확보하려는 터널안과 신속성과 경제성을 앞세운 교량안 사이에서 어떤 선택을 하느냐에 따라 도시 구조가 달라질 것이다. 그래서 2026년 중반으로 예정된 정책 결정을 올해 관심을 가지고 지켜볼 만한 이슈라고 할 수 있다.

그동안 방송에서 소개된 사례 중에 부적절한 가시설 설계로 인한 붕괴사고가 다수 있었는데 이 사고도 가시설 문제로 발생하였다.

힘들게 사고 조사 보고서를 들여다 보지 않고도 도면만으로 원인 유추가 가능하다. 횡방향은 아래 그림 Section A-A와 같이 X형태의 bracing으로 설계를 하였고, 종방향은 도면에서는 확인이 불가하나 보고서에 따르면 9열 중에 3열의 horizontal bracing(수평 가로보)을 교각에 연결한 것으로 나와 있고 나머지 6열은 구속이 전혀 안되어 있는 것으로 되어 있다. 이는 좌굴에 대한 비지지장 길이가 10’8″가 아니고 하나의 긴 기둥처럼 거동하여 좌굴에 매우 취약한 구조임을 의미하며 실제 사고 원인도 좌굴파괴였다.

본 사고의 공식 조사보고서(Report on the Heron Road Bridge Failure, H.G. Acres, 1966)는 일반에 공개된 형태로는 접근이 제한되어 있으며, 현재 공개된 자료 중에서는 Stanford Engineering Case Library의 Engineering Case Library (ECL-133)가 해당 보고서의 핵심 내용을 발췌 요약해 신뢰할 수 있는 자료로 활용이 가능하다.

아래 사고 원인과 관련한 원문 내용을 인용한다.

We have concluded that the prime cause of failure was an error in the design of the falsework, resulting in a lack of adequate bracing.

The basic cause of the collapse of the structure was a buckling failure of the falsework which was insufficiently braced in the longitudinal direction. The occurrence of the failure at that particular time may have been influenced by one or a combination of the following secondary factors:

• differential settlement of footings;
• temporary overloading of posts of transverse bent 23;
• possible material weakness of some highly loaded members of the falsework;
  
  However, had the falsework been sufficiently braced, these secondary factors normally would not have caused failure of the structure.

개인적으로 관심이 가는 내용은 아래 권고 사항이다. 전체 수직하중의 2%를 수평하중으로 고려하라는 기준이 이 사고를 계기로 처음 명문화가 된 것인지 아니면 기존 관련 기준을 변경하라는 것인지 궁금한데 확인을 할 수 없다. 건설 안전 역사에서 ‘가설 구조물 안전의 바이블’이라는 Bragg Report(Final report of the Advisory Committee on Falsework)도 1975년에 나왔으니 아마도 이게 처음이 아닌가 싶다.

It is recommended that the Department of Highways Form No. 9, Clause 9.40.13 (Formwork and Falsework) be revised to provide for:
a) Mandatory design live loads including a horizontal live load of 2 per cent of all dead and live loads acting at the level of the falsework at which the vertical loads are applied.

우리나라는 언제부터 2% 수평하중이 적용되었지? 가설공사표준시방서가 2002년에 제정되었는데 그 이전에는 어떤 기준으로 가시설을 설계했었지? 뭔가 근거를 가지고 했었을텐데 기억이 전혀 나지 않는다.

인도 북동부에 위치한 Meghalaya주는 인도에서 가장 습한 지역 중 하나이며, 이 지역의 Mawsynram 마을은 연평균 강우량이 17,800mm에 달하는 지구상에서 가장 비가 많이 오는 곳으로 알려져 있다. 이런 환경에서 현지 카시(Khasi) 부족은 아주 독특한 방법으로 자연의 난관을 헤쳐 나갔는데 그 중 하나가 고무나무 뿌리를 이용하여 다리를 만드는 것이다.

강둑에 나무를 심고 뿌리를 강 건너편으로 유도하여 뿌리를 내리게 하고 나무처럼 단단하게 자라게 하여 다리를 만드는데 성인이 걸어 다닐 수 있는 구조물이 되기까지는 수년에서 수십년의 시간이 필요하지만 일단 완성되면 수백 년 동안 유지된다고 한다. 자연을 재료이자 동반자로 삼을 때 인간의 기술이 얼마나 깊이 있고 유연해질 수 있는지를 보여주는 대표적인 사례라 할 수 있다.

단순한 지역적 특수성을 넘어, 기후 변화와 환경 문제에 직면한 오늘날 우리에게도 중요한 시사점을 제공한다. 즉, 자연을 극복의 대상이 아닌 공존의 대상으로 바라볼 때, 보다 지속가능하고 장기적인 해법이 가능하다는 점을 이 살아있는 다리는 말해주고 있다.

그럼, 엔지니어 관점에서 이 교량을 어떻게 평가해야 할까?
다행스럽게도 이 구조물에 대해 이미 체계적인 연구가 진행된 바 있다. 특히 Nature 계열 학술지인 Scientific Reports에 게재된 글(Living bridges using aerial roots of ficus elastica – an interdisciplinary perspective)이 교량의 구조적 특성을 잘 분석하고 있다.

이 연구에서 주목할 점은, 이 다리가 적응형 구조(adaptive structure)라는 것이다. 즉, 외부 하중 조건에 따라 형상이 변화하고, 그 결과 구조적으로 더 유리한 방향으로 스스로 최적화되는 시스템인데, 대표적인 예가 뿌리의 단면 형상이다. 수평으로 배치된 뿌리에서는 휨에 의해 하부에 인장 응력이 집중되는데, 실제로 이 영역에서 더 많은 성장이 일어나 하부가 비대해진 역 T형 단면(inverted T-shape)이 형성된다는 사실이다. 이는 설계를 통해 단면을 최적화하는 일반적인 구조물과 달리, 하중 자체가 구조 형상을 결정한다는 점에서 매우 인상적이다.

Horizontal roots of F. elastica with a T-shaped cross-section exclusively showed increased growth on the lower side, leading to an “inverted T-shape”

우리가 아는 구조물은 시간이 지나면 성능이 저하되지만, 이 뿌리다리는 스스로 보강되고 변화하는 일종의 자가 보강(self-reinforcing) 구조 시스템이라 할 수 있다. 이러한 개념이 실제 공학 구조물로 구현되기는 불가능하지만, 자기치유(self-healing) 콘크리트와 같이 생물학적 메커니즘과 결합한 구조공학의 가능성을 보여주며 구조물을 ‘완성된 대상’이 아닌 ‘시간에 따라 진화하는 시스템’으로 바라보게 하는 하나의 방향성을 제시한다. 과연 그런 날이 올까?

1. General Rafael Urdaneta Bridge, Venezuela
2. Wadi el Kuf Bridge, Libya
3. Magliana Viaduct, Italy
   정식 명칭은 Viadotto Ansa del Tevere이며, Viadotto Franco della Scala라고도 불림. 영어권에서는 지명을 딴 명칭으로 Magliana Viaduct
4. Prince Willem-Alexander Bridge, Netherlands
5. Pumarejo Bridge, Colombia
   2019년 New Pumarejo Bridge로 대체
6. Viadotto Carpineto, Italy

사고 교량은 이탈리아 리카르도 모란디(Riccardo Morandi) 교수(우측에서 두번째 사람)가 창안한 Concrete Cable-Stayed Bridge 형식으로 1960년 초부터 이탈리아를 중심으로 세계 곳곳에 적용되었느나, 현재는 거의 사용되지 않는 구조 형식이다. 멀리 갈 것 없이, 1992년 시공 중 붕괴된 신행주대교가 바로 이 형식을 채택한 교량인데, 모란디의 설계 concept이 얼마나 직접적으로 반영되었는지에 대해서는 설계도서를 볼 수 없어 확인할 수 없지만, 사고조사위원으로 참여했던 김생빈 교수의 최종보고서(1992)에 “프리스트레스에 의한 콘크리트 사장재 공법을 도입하면서 대부분 외국 기술진에 의존했고, 공사 과정에 대한 전문 지식 부족이 붕괴의 간접적 원인이 되었다”고 언급한 것을 보면 그 연관성을 명확히 알 수 있다.

모란디 교수가 강재 케이블을 콘크리트로 감싸는 방식을 만든 배경에는 명확한 공학적 의도가 있었다. 그는 1968년 스페인 학술지(Informes de la Construcción)를 통해, 강재 케이블 주위에 프리스트레스가 도입된 콘크리트 외피를 형성하여 케이블과 외피를 일체화(homogenization)함으로써, 외피의 균열을 억제하여 강재를 보호하고, 케이블의 응력 변동과 신장을 감소시켜 피로 안전성을 높이며, 구조물의 회전과 변위를 줄일 수 있다고 설명했다. 정확한 내용은 원문이 스페인어라 영문 번역본을 인용한다.

As is quite evident, the main advantages of the homogenization process can be summarized as follows:

1) elimination of cracking in the sheaths, thereby preventing potential damage to the steel from atmospheric agents and avoiding structural damage (콘크리트 피복의 균열을 제거함으로써, 대기 작용에 의해 강재가 손상될 가능성이 제거)

2) reduction of the amplitude of the stress variation range in the steel, with the consequent increase in safety against fatigue due to cyclic stresses (강재에 작용하는 응력 변동 범위가 감소하여, 반복 응력에 의한 피로 안전성이 향상)

3) reduction of frame rotations at the supports over the oblique struts, due to the decreased elongation of the stay-tenders under accidental loads (활하중 작용 시 케이블의 신장이 감소함에 따라, 경사 지지부에서의 구조계 회전이 감소)

4) reduction of the longitudinal horizontal displacements of the antenna system’s crest, due to the asymmetric distribution of accidental overloads (활하중의 비대칭 분포에 의해 발생하는 안테나(주탑) 상부의 종방향 수평 변위가 감소)

*원문에서의 cargas accidentales, sobrecargas accidentales이 각각 accidental loads와 accidental overloads, 즉 우발하중으로 번역되나 일반적으로 활하중을 지칭하며, puntales oblicuos는 oblique struts이며 모란디 교량 특유의 V자형 경사 교각

특히 경제성 측면에서는 이 교량이 유사한 조건의 일반 강재 케이블 사장교보다 강재 사용량을 약 1/3 수준으로 획기적으로 줄였다고 강조했다. 하지만 역설적이게도, 당시 그가 자신했던 ‘강재를 보호하는 콘크리트 갑옷’과 절제된 사장재를 통한 ‘극도의 경제성’은 수십 년 뒤 내부 부식을 은폐하고 redundancy를 부족하게 만드는 비극의 씨앗이 되고 말았다.

사고원인에 대한 공식보고서가 있으나 자료양이 많고 이탈리아어로 되어 있어 다른 영문자료를 검색해 보니 이 글(Causes of the Collapse of the Polcevera Viaduct in Genoa, Italy)이 요약을 잘 해 놓았다. 이 글에 나와 있는 내용을 바탕으로 사고 원인을 정리하면 아래와 같으며, 이로 인해 프리스트레스 손실 및 콘크리트 균열 발생 -> 균열을 통한 습기 침투로 내부 강재 케이블 부식 -> 케이블 장력 손실 -> 케이블 파단 및 교량 붕괴라는 redundancy가 없는 교량들의 붕괴 메카니즘을 따른다.

1. 직접적인 붕괴 원인
   Cause of the viaduct collapse was the rupture of one of the stay cables at support No. 9 holding the cantilever from the side of the multi-span overpass.
2. 재료적 원인(Material Cause)
   Reduction of the pre-stressing force overtime and the deformation of the diagonal stay cable resulted in cracking of the concrete cover. The cracked cover was not a suitable anti-corrosion protection for the tendons, which under these conditions were subject to accelerated corrosion.
3. 구조적 원인(Structural Cause)
   – Design solution adopted by Prof. Morandi that only two structural components supported the cantilever with the suspended span, excludes any cooperation of these structural components in a situation where one of them is destroyed or damaged
   – Cantilever length of approximately 65 m is too large
   – Concrete cross-section of the pylon is too small for the cross-section of the diagonal stay cables attached to the pylon
   – Assessment of the technical condition of steel tendons inside the concrete element is very difficult in practice, especially the assessment on the peak of the pylon at the height of 45 m above the deck level
4. 조직적 원인(Organizational Cause)
   Only diagonal stay cables at support No. 11 were strengthened, and no attempt was made to strengthen the diagonal stay cables at support No. 9 (참고로, 1990년대 초반 이미 케이블 부식 문제가 심각하게 제기되어 11번 교각은 보강 공사를 마쳤으나, 붕괴된 9번 교각은 보강작업을 미루고 있었음)

붕괴과정을 그래픽으로 잘 정리한 자료가 Genoa Bridge Collapse: The Road to Tragedy에 있어 과정을 캡쳐했다.

이 교량의 붕괴는 단순한 유지관리 실패나 국부적인 결함이 아니라, 모란디 교수가 의도했던 개념 자체가 장기적인 관점에서 어떻게 다른 결과를 낳을 수 있는지를 보여주는 사례라 할 수 있다. 강재를 외부 환경으로부터 차단하기 위해 도입된 콘크리트 피복은 오히려 내부 상태를 확인하기 어렵게 만들었고, 제한된 사장재 구성은 하나의 부재 손상이 곧 전체 구조계의 붕괴로 이어지는 취약한 시스템을 형성하였다. 이는 설계 단계에서의 경제성과 단순화가 장기적인 유지관리나 안전성 확보와 항상 양립하는 것은 아니라는 사실을 보여준다.

구조물의 안전성은 단순한 강도 설계에만 국한되지 않는다. 점검이 얼마나 용이한지(inspectability), 일부 손상이 발생하더라도 구조가 이를 견딜 수 있는지(damage tolerance), 그리고 하중을 분산시킬 수 있는 대체 경로가 확보되어 있는지(redundancy)까지 함께 고려되어야 하는 개념이다.

모란디 교수는 본인이 창안한 교량의 미적 가치를 단순함(simplicity)에 두었다. 단순함은 분명 아름다움이 될 수 있다. 그러나 그 단순함이 구조적 여유를 줄이고, 점검과 관리의 어려움으로 이어진다면, 결국 안전의 사각지대를 만들게 된다. 이와 관련해, 윗 논문 말미의 한 문장은 이 교량이 남긴 교훈을 잘 요약하고 있다.

The period of safe use of structures with a unique design is, in principle, much shorter than assumed for typical structures.

결국 이 사례는, 새로운 형식과 아이디어가 적용된 구조물일수록 그 성능과 내구성을 더 보수적으로 바라보고, 더욱 면밀한 점검과 관리가 뒤따라야 한다는 점을 일깨워준다.

물론 교량은 도시 경관의 일부이며, 상징성과 공공성도 무시할 수 없다. 그러나, 전망대는 교량의 기능적 필요에서 나온 요소가 아닌 이용자의 시각적 즐거움을 위한 장치에 가깝다. 사람에게는 잠시의 경험을 제공할 수 있을지 모르지만, 구조물의 생애주기 관점에서 보면 이는 불필요한 하중과 관리 복잡성을 추가하는 선택이다.

전망대는 고정하중과 활하중의 증가뿐 아니라, 동적거동 변화, 부대시설 유지관리 등 다양한 요소를 추가적으로 요구한다. 이는 설계 검토 범위를 넓히는 수준을 넘어 장기적인 유지관리 체계와 비용 구조에도 영향을 미치기 때문에 본래 목적만으로도 충분한 관리가 필요한 구조물에 비기능적 요소를 더하는 일은 신중하고 신중해야 한다.

교량은 안전하고 효율적인 이동을 위해 존재한다. 그 위에 또 다른 욕망을 얹는 순간 이런 괴물이 현실이 되기도 한다. 상징은 남을지 몰라도 부담은 결국 우리가 감당해야 할 몫으로 돌아온다.