구조물 피해사례

(Minneapolis I-35W 교량 붕괴사고)

김 선 용 (Kim, Sunyong)

원광대학교 건설환경공학과 교수

1. 사고개요

I-35W highway 교량은 2007년 8월 1일 수요일 오후 6시 5분경(미국 중부 시간 기준), 미국 Minnesota주 Mississippi River를 가로지르는 길이 1,907피트의 8차선 I-35W highway 교량 데크 트러스(deck truss)의 주경간(main span)에서 파괴가 발생하여 교량 데크 트러스의 1,064피트 구간이 모두 붕괴되었다 [그림 1과 그림 2 참조]. 붕괴된 교량 구간에는 총 111대의 차량이 있었으며, 이 중 17대가 강에서 인양되었다. 이 사고로 인해 13명이 사망했고 145명이 부상을 입었다. 본고에서는 미국 Minnesota주 Mississippi River에 위치한 I-35W highway 교량의 붕괴에 대한 사고조사 보고서인 NTSB (2008)의 내용을 기반으로 교량 붕괴 사고경위와 원인 등을 제공하고자 한다.

[그림 1] I-35W highway 붕괴전 교량 전경 및 측면도 (source: NTSB 2008).

[그림 2] I-35W highway 교량의 붕괴된 모습 (source: NTSB 2008).

2. 사고 직전 상황

사고 당일, I-35W 교량에서는 도로 공사가 진행 중이었고, 전체 8차선 중 4차선(북행 외측 2차선 및 남행 내측 2차선)이 교통 통제를 위해 폐쇄되어 있었다. 오후 초반에는 콘크리트 타설에 필요한 건설 장비와 자재(모래 및 자갈)가 도착하여 폐쇄된 남행 내측 2차선에 배치되었다. 해당 콘크리트 타설 작업은 같은 날 오후 7시경 시작될 예정이었으며, 장비와 자재는 오후 2시 30분경 교량 주행로 트러스 구간의 중심부 남단 쪽에 이미 준비되어 있었다. 오후 6시 5분경, I-35W 교량 서쪽의 로어 세인트 앤서니 폭포(Lower St. Anthony Falls) 수문과 댐에 설치된 동작 감지 감시 카메라가 붕괴 사고의 일부를 기록하였다.

3. 교량 보수 및 개조

1967년 개통 이후 사고 발생까지, I-35W 교량은 세 차례의 주요 보수 및 개조 프로젝트를 거쳤으며, 이 중 다음 두 프로젝트는 구조물의 사하중을 증가시켰다. 우선, 첫번째는 1977년 교량 바닥표면을 1/4인치 깊이로 절삭한 후, 저슬럼프 콘크리트를 사용하여 두께 2인치의 마모층을 추가하는 작업이 포함되었다. I-35W 교량은 처음 건설 당시 교량 바닥판의 콘크리트 피복층이 1.5인치 두께로 시공되었다. 하지만 1970년대 초반 무렵, 철근 부식 현상이 나타나기 시작하였으며, 이러한 문제를 해결하기 위해 추가적인 콘크리트 덧씌우기를 통해 교량 바닥 상부 철근의 콘크리트 피복층 두께를 3인치로 늘리는 방법을 채택하였다. 사고 후 실시된 조사에 따르면, 이 프로젝트로 인해 교량의 사하중은 13.4% 증가하였다고 분석하였다. 두번째, 1998년 교량의 여러 요소들(중앙분리대 및 외측 교통 난간 포함)은 최신 안전 기준을 충족하지 못한 상태였다고 한다. 또한, 기존의 중앙분리대와 교통 난간은 부식과 교통사고로 인한 충돌 등으로 인해 노후화된 상태였다. 중앙분리대와 교통 난간에 이루어진 영구적 변경 작업으로 인해 교량의 사하중은 약 113만 파운드, 즉 6.1% 증가했다.

4. 교량 점검 및 상태등급

연방도로청(FHWA)은 국가교통안전위원회(Safety Board)에 1983년부터 2007년까지의 I-35W 교량 평가 등급을 제공하였다. 이 등급들은 필수적으로 수행되는 교량 현장 점검 결과에 따라 교량바닥 상태, 상부구조 상태, 하부구조 상태를 나타낸 것이다. I-35W 교량은 상부구조가 처음으로 상태등급 4(poor condition)를 받은 1991년부터 구조적 결함(structurally deficient) 상태로 분류되었다. 1991년부터 2007년까지 작성된 모든 국가교량목록(National Bridge Inventory) 기록에서, FHWA에 제대로 제출되지 않았던 1999년을 포함하여 교량 상부구조는 계속해서 상태 등급 4를 유지하였다.

5. I-35W 교량의 피로균열

1998년 10월 미네소타 교통부의 교량점검에 의해 교량 북쪽 끝 부분 진입 경간(approach span)의 용접된 48인치 깊이 거더에서 총 12개의 피로균열이 발견되었다. 1998년 11월까지, 미네소타 교통부(Mn/DOT) 관계자들은 발생한 균열이 다이어프램(diaphragm)을 웨브에 강성연결로 발생한 응력에 기인한 것이라고 결론지었다. 다이어프램은 보강을 위해 필수적이었기 때문에 제거할 수 없었으며, 따라서 대체 연결 방식이 고려되었다. 결국, 다이어프램의 위치를 낮추고 연결 방식을 변경하는 작업을 1999년 초에 수행하였다. 2000년 3월 20일, 북측 진입 경간 거더의 보강재/다이어프램 연결부 상단에서 추가적인 균열 3개가 발견되었다. 작업자들은 균열의 양 끝부분에 지름 1.5인치의 구멍을 드릴링하였다. 2000년 11월에는 이전 균열 수리 후 진행된 6개월 점검 결과를 바탕으로, 주정부 교량 엔지니어는 2001년부터 다시 12개월 간격의 정기 점검 주기를 재개할 것을 권장하였다. 2003년 일반 교량 점검과 이후 상세 점검에서는 주로 내부 다이어프램 연결 탭부분의 여러 곳에서 용접부 균열이 발견되었다. 또한 여러 스트링거(stringer) 받침대에서도 용접부 균열이 발견되었으며, 이 모든 균열들은 용접부에만 국한되었고 모재에는 발생하지 않았다. 이후 지속적인 균열 점검 및 보강 공사가 수행되었다.

6. I-35W 교량의 거셋플레이트 휨 발생

1999년 미네소타 대학교 연구팀은 U10 node 근처 트러스 부재에 설치한 변형률 게이지의 위치를 기록하기 위해 사진 촬영을 실시하였다. 교량 붕괴 사고 이후, 국가교통안전위원회의 조사관들은 촬영된 사진들을 검토했으며, 이 사진들에서 U10 node에 있는 총 네 개의 거셋 플레이트 모두에서 눈에 띄는 휨을 관찰하였다 [그림 3 참조]. U10 node에서 상부 현(upper chords) U9/U10과 사재(diagonals) L9/U10 사이의 지지되지 않은 가장자리(두 플레이트의 남쪽 가장자리)가 서쪽으로 휘어 있었다. 또한, 두 개의 U10′ node에서는 상부 현 U9′/U10′과 사재 L9′/U10′ 사이에 위치한 네 개의 플레이트 가장자리 중 세 개(플레이트의 북쪽 가장자리)가 동쪽으로 휘어 있었다(남은 한 개의 플레이트에서는 사진이 휨 여부를 판단하기에 충분하지 않았다). U10′W에서는 두 플레이트 모두 동쪽(교량의 안쪽 방향)으로 휘어 있었으며, U10′E node의 서측(안쪽) 거셋 플레이트 역시 동쪽으로 휘어 있었다. 교량 전체를 대상으로 찍힌 사진들 중 휨이 나타난 플레이트는 U10과 U10′ node의 거셋 플레이트뿐이었다.

한국교량및구조공학회 학회지 “교량과 구조” 2025년 3월호 교량사고 관련 콘텐츠에 실린 “구조물 피해사례 (Minneapolis I-35W 교량 붕괴사고)” 입니다.