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거더교 아치교 트러스교를 거쳐 현대에는 현수교에 이어 이의 단점을 보완한 사장교가 대형교량 공법으로 각광받고 있다.

선사시대의 교량은 요즘도 냇물이나 계곡을 통과하기 위해 간단히 설치하여 사용하고 있는 통나무다리와 같은 '단순들보형' 교량이었으리라 추측되나, 목재는 내구성이 약하기 때문에 현재는 거의 찾아볼 수 없다.

역사시대가 시작되면서 교량은 내구성이 강한 석재를 사용하기 시작했으며 이때부터 예술성까지를 고려하게 됐다. 특히 '단순들보형' 교량의 형태를 벗어나 '아치형' 교량이 터키 중국 로마 등지에서 크게 발달하기 시작했다. 석재 아치형 교량은 기록상 B.C.265년경에 나일강에 놓인 것이 가장 오래된 것으로 나타나 있지만 현존하는 교량중에는 터키의 멜레스강에 놓여있는 다리(Izmir)가 가장 오래된 것이다. 이와 같은 석조 아치교는 로마시대에 이르러 그 절정에 이르는데 B.C.180년경 니메스 부근의 수로를 위해 설치한 다리(Pont du Gard)는 예술적으로 정평이 있다. 아치교는 점차 지간이 긴 교량에 응용되었는데 1177~1185년 사이에 건설된 프랑스 아비농의 레네교는 가장 대표적인 예다.

불국사의 청운교 백운교

우리나라의 경우 가장 오래된 교량으로는 신라 경덕왕(751~774)때 김대건이 건설한 불국사의 청운교 백운교를 들 수 있다. 이 다리는 종교적 의미와 예술적 가치는 높게 평가되나 공학적으로는 큰 의미를 가지지 못한다. 고려시대의 대표적 교량으로는 개성의 선죽교와 함평의 독다리(1274)가 있으나 이 역시 단순들보형 석교에 지나지 않아 공학적 발전은 거의 없다고 볼 수 있다. 조선시대에 들어서도 석재를 이용한 다리가 눈에 띄며 태종11년(1411)에 지어진 창덕궁의 금천교, 세종8년(1426)에 지어진 영제교 등은 조형미에 많은 관심을 가졌음을 알 수 있다.

그러나 이때까지의 교량은 수학이나 공학적인 학술적 뒷받침 없이 경험이나 스승으로부터 전수받은 지식에 의해 발전돼 온 것이다. 18세기말에 이르러서는 기차 등의 새로운 교통수단이 발전함에 따라 무거운 하중과 장지간을 견딜 수 있는 교량을 요구하게 되었다. 따라서 계획시부터 수학과 역학을 이용한 교량의 안전성을 미리 확인해야 했고, 이를 만족시킬 수 있는 새로운 재료가 요구되었다. 이에 따라 교량의 재료로 강제가 이용되기 시작했으며, 때마침 발명된 콘크리트로 인해 비약적인 발전을 가져오게 되었다.

세계 최초로 세워진 주철교량은 다비(Abraham Darby)에 의하여 1779년에 건설된 영국 세번강의 콜 브루달교로서 현재까지 보존되고 있다. 이후 급속한 제강기술의 발전에 따라 1844년에는 스티븐슨(Robert Stephenson)에 의해 최초로 용접강을 이용한 지간이 1백 41m에 달하는 브리타니아교(Britannia Bridge)가 건설되었다. 1855년에 미국에서는 나이아가라폭포 하류에 철도교와 도로교를 겸한 나이아가라현수교가 뢰블링(Roebling)에 의해 건설됐다.

현수교에서 사장교로

1796년 핀리(James Finley)에 의해 세계 최초로 현수교의 장을 연 미국은 1855년 나이아가라 현수교, 1883년 뉴욕 이스트강의 브루클린교, 1931년 허드슨강의 조지 워싱턴교를 건설한 후 1937년에는 가장 이름다운 현수교 중의 하나인 샌프란시스코의 금문교(Golden Gate Bridge)를 건설했다.

현수교는 1941년 타코마현수교가 바람에 의한 진동효과 때문에 파괴될 때까지 완벽한 교량형식으로 생각되어 왔으나 이 사고 이후 좀 더 강성이 큰 교량형태를 요구하게 됐다. 이에따라 사장교(Cable-Stayed Bridge)가 건설되기 시작하였으며, 최초의 사장교로 1955년 스웨덴의 스롬선드교가 건설됐다.

교량의 재료중에서 강재는 강도면에서 우수하기 때문에 널리 사용되어 왔으나 가격이 비싸기 때문에 20세기초부터 대체재료로서 콘크리트를 사용하기 시작했다. 콘크리트는 재료의 특성상 압축력에 대한 지지력이 매우 큰 반면 인장력에 대해서는 취약하므로 주로 아치교에 이용됐으며, 1901년 건설된 스위스의 리네(Rhine)교를 시발로 1945년 지간이 2백80m에 달하는 스웨덴의 산되(Sandö)교가 건설됐다.

1905년에는 콘크리트의 최대 약점인 인장력을 철근으로 보강한 철근콘크리트교로 벨기에 오우르테(Ourthe)교가 최초로 건설 됐다. 콘크리트의 압축력에 강한 특성을 효율적으로 이용한 PS(prestress)콘크리트가 프랑스 기술자 프레시네(Freyssinet)에 의해 완성돼 1941년 마르네강을 가로지르는 교량이 이 방법으로 건설됨으로써 콘크리트 교량의 새로운 발전을 이루었다.

국내의 근대적 교량으로는 1900년 한강철교를 효시로 1936년 한강대교가 건설되었고, 1981년 캔틸레버공법에 의한 원효대교가 완성됨으로써 새로운 전기를 맞이하게 됐다. 이어 사장교인 진도대교 돌산대교 올림픽대교 등이 잇따라 완공돼, 우리나라도 다양한 형태의 교량을 보유하게 됐다.
 

교량의 형태

교량의 형태는 기차 자동차 및 사람 등의 교통물에 의한 하중이 어떻게 지반에 전달되는가에 따라 분류된다. 하나의 부재에 작용된 하중은 인장력 혹은 압축력에 의해 지반으로 전달되며, 이때 어떠한 내력을 기준으로 설계하느냐에 따라 거더교 아치교 트러스교 현수교 및 사장교 등으로 나눌 수 있다.

■ 거더교
거더교는 가장 단순한 형태로 가장 널리 쓰이는 교량이다. 하중의 작용시 교량 상단은 압축력이 작용되고, 하단은 인장력이 작용된다. 교량의 재질이 강철인 경우는 인장 압축력을 동시에 받을 수 있으나, 콘크리트의 경우는 인장력에 대해 매우 취약하므로 인장부에 철근을 보강하여 사용한다. 잠실대교 천호대교 마포대교 원호대교 등 대부분의 한강다리가 이 형태. 세계적으로는 미국의 루이지애나의 캘커시강 다리가 대표적이다.

■ 아치교
아치교는 작용하중을 압축력에 의해 지반에 전달하는 형식의 교량이다. 압축력에 의해 전달되는 부재는 기둥과 마찬가지로 조적식의 시공이 가능하므로 긴 부재를 쉽게 제작할 수 있는 강철이나 콘크리트가 발달되기 이전에 널리 사용됐던 교량이다. 따라서 현존하는 고대의 교량들이 이에 속하는 것이 많다. 국내의 아치교는 한강대교 성산대교가 대표적이며 세계적으로 유명한 아치교로는 미국과 캐나다 국경의 레인보 아치교(나이아가라 강)가 유명하다.

■ 트러스교
여러개의 부재들의 조합에 의해 구성되며, 각 부재는 인장력 혹은 압축력을 받는다. 아치 형태의 부재는 압축력에 의해 하중을 지반에 전달하고, 현수선을 따른 부재는 인장력이 작용된다. 국내의 트러스교는 한강철교 잠실철교 있으며 뉴질랜드의 아우크랜드 하버브리지가 트러스교로 유명하다.

■ 현수교
모든 주 하중을 빨래줄 형태의 인장 케이블로 지지하는 형태의 교량이다. 바다를 가로지르는 교량이나 강 바닥의 지질이 연약한 경우, 교각을 세우기 곤란한 경우에 매우 유용한 형태다. 모든 하중이 케이블을 따라 작용되기 때문에 이를 지지하기 위한 대규모의 아우코라제(Auchorage)가 필요하다. 현수교는 1940년 타코마교의 붕괴사고로도 유명한데 이는 교량단면이 유체동역학적으로 불안정했기 때문에 일어난 사고로 밝혀졌다. 이후 풍동실험을 통한 교량단면에 대한 연구가 급속히 이루어졌다. 또한 좀 더 강도가 높은 교량에 대한 요구가 증대되어 사장교의 건설이 이루어지는 결과를 낳았다.
국내에는 남해대교와 설계중인 영종대교가 현수교다. 가장 아름다운 다리라는 평을 듣는 샌프란시스코의 금문교도 현수교.
 

■ 사장교
현수교와 마찬가지로 주 하중을 케이블에 의해 지지하는 교량형태이며, 케이블에 초기 인장력을 가하여 교량의 강도를 높여줌으로써 현수교의 단점인 흔들림과 유체동역학적 불안정성을 보완하고 있다. 현수교의 케이블이 대개 한 줄인 것과는 달리 여러개의 케이블로 지지하는 형태이므로 각 케이블에 인장력을 가할 때 나머지 케이블의 장력보정이 요구된다. 현수교와 같이 장지간의 교량에 유용하며, 미적인 면에서도 우수하기 때문에 최근 국내외의 대형교량에 널리 이용되고 있다.

최근 붕괴사고로 물의가 되고 있는 팔당대교 제2행주대교가 이에 속한다. 사고 후 사장교 외의 교량형식으로 재설계를 검토하고 있는 등 이 교량형식에 대한 불신이 커지고 있는 것 같아 안타까움을 금할 수 없다. 앞서 타코마교의 붕괴 예에서 알 수 있듯이 대형사고 후 이에 대한 조사와 연구를 철저히 시행함으로써 기술발전이 이룩된다는 것을 명심해야 한다. 사장교라는 교량형식에 문제가 있는 것이 아니므로 새로운 관점에서 이를 검토해야 할 것이다. 한강의 올림픽대교와 돌산대교 진도대교가 사장교이며 현재 설계중인 서해대교도 사장교로 할 예정이다. 독일 함브르크의 노스엘베교와 역시 독일의 세버린교가 사장교다.