Season5-Episode7에 나오는 교량은 원명이 Reichsbrücke(Imperial Bridge, 제국의 다리)이며, 개통 당시인 1876년엔 Kronprinz-Rudolph-Brücke로 불리다 1919년 현재의 이름으로 바뀌었다. 개통 당시에는 truss교였으나 1937년 자정식 현수교로 대체된 후 1976년까지 공용되다 붕괴사고 이후 콘크리드 박스거더교로 다시 재건되어 오늘날에 이르는 무구한 역사를 지닌 교량이다.
1976년 8월 1일 일요일 새벽 4시 45분, 아무런 전조 없이 교량이 붕괴되어 도나우강으로 추락했다. 매우 이른 새벽이었기에 교량 위에는 단지 4~5대의 차량만 있어서 사망자가 1명 뿐이었다는 것이 그나마 천만다행이었다. 참고로, 사고를 당한 차량 중에 bus도 있었는데 이 bus(der bus aus dem fluss, 직역하면 the bus from the river, 강에서 온 버스)는 복원되어 현재 비엔나 교통박물관에 전시되어 있다.
초기에는 붕괴 당시 교량에 상재하중이 거의 없었다는 점 때문에 테러를 의심하였으나, 몇 달간의 조사를 거쳐 붕괴는 무근 콘크리트로 건설된 하천 교각의 균열 및 파괴에 의해 발생한 것으로 확인되었고, 크리프(creep)과 급격한 온도변화가 기여 요인으로 지목되었다. 당시 조사 보고서 내용은 확인이 불가하나, 1982년 국제교량구조공학회(IABSE) 심포지엄에서 Hans Reiffenstuhl 교수가 발표한 논문 ‘Collapse of the Viennese Reichsbrücke : Causes and Lessons‘에서 원인을 상세히 확인할 수 있다. 논문 내용을 요약하면 다음과 같다.
- 교량의 구조적 특성
아이바 체인(eye bar chain)의 rocker tower(교량의 주탑이 기초에 고정되지 않고, 하부의 힌지 또는 핀 베어링을 통해 종방향으로 자유롭게 기울어질 수 있도록 설계된 구조)를 적용한 현수교이며 지반조건으로 인해 자정식(self-anchored) 현수교로 설계됨. 자정식 설계를 구현하는 과정에서 보강 거더를 교각에 힌지로 연결하여 독특한 정역학 시스템을 구축, 핵심 부재 하나라도 파손되면 교량 전체가 붕괴되는 구조적 취약성을 가지고 있었음 - 사고의 근본 원인
– creep : 교각은 무근 콘크리트 코어에 화강암 외벽을 입힌 구조인데, 수십 년에 걸쳐 콘크리트에서 크리프 현상이 발생하자, 하중이 크리프가 없는 단단한 화강암 외벽 쪽으로 점차 재분배됨. 이 과정에서 발생한 수직 인장력(splitting forces)이 콘크리트 코어 내부에 균열을 일으켰고, 이로 인해 지지력이 점차적으로 약화
– 온도 변화 : 사고 발생 10일 전까지 지속된 장기 폭염 이후 갑작스럽게 기온이 급락하면서 교각 내부는 여전히 뜨거운 상태에서 표면만 빠르게 냉각되어 표면에 최대 인장 응력이 발생했고, 이것이 크리프에 의해 이미 약해진 구조물을 더욱 악화시켜 붕괴를 유발
논문에는 균열파괴 메카니즘을 그림으로 설명하고 있는데 그림 해상도 문제로 이해하기가 곤란하고, 이 책(Understanding Bridge Collapses, by Björn Åesson)에 논문 내용을 STM(strut-and-tie model)을 이용하여 공학적으로 잘 설명해 놓았으니 참고하면 된다. 이하 책에 나온 내용 요약
주탑에서 전달되는 수직 하중은 교각 내부로 분산되어 내려가며, 이를 모델링하면 하향 및 외측으로 향하는 경사 압축대(strut)로 나타낼 수 있다. 이 경사진 압축력이 유지되려면 하부에서 수평 방향으로 잡아주는 힘인 수평력(tie)이 필요한데, 교각 내부의 무근 콘크리트 코어가 수평 인장력을 받아 이 균형을 유지한다. 그러나 초기 단계에서는 스트럿의 경사가 작기 때문에 평형을 이루기 위한 수평력이 크지 않아, 무근 콘크리트도 이 인장력을 견딜 수 있다. (Fig. 18.8)
creep이 진행되면서 콘크리트의 강성은 점차 감소하게 되고, 그 결과 하중은 점차적으로 외부의 화강석 벽체쪽으로 더 많이 전달된다. 화강석은 콘크리트와 달리 크리프의 영향을 받지 않기 때문에 STM에서 외측 스트럿의 기울기가 점점 증가하게 되며, 이에 따라 이를 평형시키기 위한 수평 인장력의 크기도 함께 증가한다. (Fig. 18.9)
증가한 수평 인장력이 콘크리트의 인장 강도를 초과하면서 교각 내부에 수직 균열(splitting )이 발생하기 시작한다. 이 단계에서는 경사 스트럿이 화강석 벽체에 의해 제공되는 수평 압축력으로 평형을 이루게 된다. (Fig. 18.10)
그러나 화강석 벽체는 수평 방향 강도가 거의 없기 때문에, 하중은 결국 남아 있는 두 개의 건전한 스트럿으로 재분배된다. 이로 인해 수직 압축력은 증가하는 동시에 평형 조건도 변화하게 된다. 즉, 내부 경사 스트럿은 기존과 같이 압축이 아닌 상부에서의 수평 인장력으로 평형을 이루어야 하는 상태가 된다. 이러한 변화는 결국 상부에서도 splitting 파괴를 유발하게 된다(Fig. 18.11)
이 시점에서 남아 있는 유일한 하중 지지 요소는 매우 불안정한 중앙 수직 코어뿐이며, 이는 주탑 기초부로부터 전달되는 압축력에 의해 파괴된다. 최종적으로는 큰 콘크리트 덩어리가 박락(spalling)되면서 주탑 기초가 지지력을 잃게 되고, 이는 곧 교량의 붕괴로 이어진다.
1930년대 당시에는 creep이나 splitting crack이 잘 알려진 개념이 아니었지만, 설계자는 무근 콘크리트의 낮은 인장강도에 대해서는 충분히 인지했어야 했다. 따라서 주탑 기초부 하부에 최소한의 보강철근(수평 띠철근)을 국부적으로라도 배치했었으면 인장력을 효과적으로 저항할 수 있었을 것이다.