일전에 글루램(glulam)에 대해 소개한 적이 있다. Glued Laminated Timber를 말하는데 쉽게 말하면 목재를 여러겹 붙여서 구조체로써 성능을 발휘할 수 있게 만든 것이다. 재료 특성상 환경친화적이어서 토목분야에서는 보도교 등에 주로 적용되는데 Season3-Episode6에 이를 적용하여 보도교를 시공하는 도중 붕괴된 사례를 소개한다.
2014년 11월 13일, Wake Tech 캠퍼스에서 공사 중이던 목재(글루램, glulam) 보도교가 상판 콘크리트 타설 중 붕괴됐다. 이 사고로 1명이 사망했고, 동일한 설계·시공 방식으로 인근에서 공사 중이던 다른 보도교도 다음날 붕괴한다.
문제의 교량은 글루램 거더가 압축을 받고, 거더 아래에 설치된 tie cable(inverted king-post truss 형식)이 인장을 받는 형식으로 건축 목재 구조물에서, 특히 지붕(roof)에 주로 적용되는 형식같다. 참고로, Clark Nexson이 건축에 참여했는데 아마도 기본설계를 담당하지 않았나 싶고, Stewart Engineering은 구조설계 그리고 공사관리(CM)는 글루램 실적이 많은 북유럽 국가 중에 스웨덴 회사 Skanska의 미국 법인에서 담당했는데, 이런 자료들을 보면 북유럽 국가들이 목재 활용에 얼마나 진심인지 알 수 있다.
사고와 관련한 구체적인 내용들은 Investigation of the November 13 and 14, 2014 collapses of two pedestrian bridges under construction at Wake Technical Community College Campus, Raleigh, NC 라는 아주 긴 제목의 OSHA 보고에서 확인이 가능하다. 붕괴 메카니즘은 방송에서 단적으로 보여주는데, 글루램 거더 양단부에 설치되어 있는 노치(notch)에서 발생한 수평방향 균열이다. 즉, 노치에 의한 단면감소와 응력집중으로 균열이 발생 확산되어 교량이 붕괴된 것이다.
노치를 만들면 당연히 관련 시방규정을 준수하고 필요한 구조 보강이 이루어졌어야 하는데 이를 간과한 설계 책임이 직접적인 사고 원인이라고 보고서는 아래와 같은 결론을 냈다.
- The cause of the failures of bridges Nos. 1 and 2 was the structural design flaw in that the glulam girders were severely notched at each end to facilitate end connections. The notches under the application of a full dead load resulted in the formation of horizontal cracks, eventually leading to the catastrophic failures. (교량 1번과 2번의 붕괴 원인은 glulam 거더의 단부 연결을 용이하게 하기 위해 양단을 심하게 노치 처리한 구조적 설계 결함이다. 노치 부분은 교량의 모든 사하중이 재하되었을 때 수평 균열이 발생하도록 만들었고, 결국 파국적인 붕괴로 이어졌다)
- It is unfortunate that a number of consultants participating in the project who reviewed and commented on the structural design during the course of the project either did not notice the adverse impact of the notches or neglected the opportunity to raise the detrimental characteristics of the notches with the structural engineer. (안타깝게도, 프로젝트 진행 과정에서 구조 설계를 검토하고 의견을 제시했던 여러 자문업체들이 이 노치의 부정적인 영향을 눈치채지 못했거나 또는 그 취약한 특성에 대해 구조기술자에게 지적할 기회를 놓쳤다)
- The notches were not in compliance with the applicable ANSI/AF&PA NDS-2005 standard.
- The consultants/contractors failed in their professional responsibility to share their knowledge and expertise with the structural engineer in regard to the presence of notches. These professionals included Structurlam Products LP, Skanska USA Building Inc., and Kimley-Horn and Associates Inc.
- The bridges otherwise were adequately designed.
3번항, NDS-2005 시방규정 위반에 대한 내용은 보고서 본문에 언급되어있다.
The National Design Specifications (ANSI/AF&PA NDS-2005) permits notches at bearing over a support on the tension side not to exceed lesser of 1/10 the depth of the member or 3”, and on the compression side not to exceed 2/5 of the depth of the member. In this instance, the limits were exceeded.
개인적으로는 이런 친환경 재료들을 사용한 구조물들이 토목분야에 많이 적용되었으면 좋겠는데 현실은 그리 만만치가 않다.
(참고)
우측 Bridge 1이 먼저 붕괴되었고 다음날 좌측 Bridge 2가 붕괴됨
교량 횡단면
슬라이딩 단부 노치 상세
