1. 검토 개요
사장교 주탑의 케이블 정착부는 케이블의 인장력을 주탑에 전달하는 구조로서, 국부적인 인장응력에 대응하기 위해 강연선이나 강봉, 혹은 강재 프레임을 설치하게 된다.
이러한 사장케이블의 주탑부 정착시스템에 대해 알아보며, 그중 가장 널리 설계,시공되어 온 강봉 보강에 대하여 도로교설계기준-한계상태설계법에 따른 설계방안을 제시하고자 한다.
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2. 주탑부 케이블 정착시스템
1)분리 정착형
분리 정착형의 경우 주탑 단면 내에 여유공간 형성으로 케이블 긴장작업 및 유지관리에 용이하며, 케이블 인장력으로 인해 PS강재 및 보강철근 등으로 정착부 보강이 필요한 형식이다.
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가장 널리 쓰이는 케이블 정착시스템으로 정착부에 발생하는 인장력에 대응하기 위하여 강봉 및 보강철근을 배치한 여수산단 1공구 묘도대교의 시공사례를 살펴보면 아래와 같다.
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2)교차 정착형
교차 정착형은 케이블 교차 정착을 위해 주탑 단면 내부는 충실 단면으로 계획되어야 하며, 교차 정착에 따른 비틀림에 대한 검토가 필요한 형식이다.
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3) 강재 프레임보강 연결 정착형
연결 정착형으로 강재 프레임에 의한 케이블 인장력 분담으로 주탑의 인장응력을 감소시 키며, PS강재 및 정착부 보강철근의 감소가 가능하다.
그러나 강재 프레임 제작에 따른 공 사비 증가가 우려되며, 설계시 복합 구조물의 검토가 면밀하게 수행되어야 할 것이다.
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규모가 큰 사장교의 경우 이와같은 강재 프레임보강 방식을 적용함으로써 주탑 케이블 정 착부의 시공성 향상 및 공기단축 효과를 얻을 수 있을 것이다.
대표적인 국내 설계, 시공사례인 인천대교의 경우 강각정착방식을 채용하여, 케이블 장력에 의한 수평인장력은 강각이 부담하는 것으로 설계하여 주탑 본체 구조와의 역할을 명확하게 하였으며, 기본 구조 설계 후 합성구조로서의 검토를 별도로 실시하고 안전성을 확인하였다.
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콘크리트 주탑과 강재 정착부 보강에 대한 합성구조로서의 검토를 위해서 콘크리트 단면 과 강각을 각각 모델화하여 지지블록 전단스프링으로 양쪽을 접합한 프레임 모델로 연직 력 및 수평력 분담에 대해 검토하였으며, FEM 모델에 의한 검토도 실시하였다.
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4) 새들에 의한 관통 정착형
주탑을 관통하여 케이블을 정착하는 시스템으로 새들 위의 케이블 미끌림이 발생하지 않 도록 고정이 필요하며, 케이블의 최소 휨 반경에 따른 주탑형상 계획에 있어 제약이 있다. 그러나 새들구조는 주탑의 시공성을 향상시키며, 대편심 확보에 유리한 형식이다.
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[주탑부 케이블 관통 정착형] ⓒ마구자바, 출처 bridgecodeworks.tistory.com
3. 주탑 케이블 정착부 강봉 보강
주탑부 케이블 정착시스템 중 가장 일반적인 분리 정착형에 대한 강봉 보강설계에 대해서 검토하고자 한다.
주탑의 케이블 정착부에는 사장 케이블의 수평분력에 의한 교축방향 및 교축직각방향으로 큰 인장력이 발생하게 되며, 이에 대응하기 위하여 주탑 정착부 단면에 대한 응력흐름을 파악하여 Strut-Tie 해석을 통한 강봉설계를 수행한다.
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강봉설계에 있어서 도로교설계기준(한계상태설계법)-케이블 교량편 5.5.4.3에 따르면 정 착부의 경우 케이블 공칭인장강도의 90%(0.9 GUTS)를 저항할 수 있도록 설계하여야 한 다고 명시되어 있으나, 강봉저항강도 산정을 위한 규정이 구체적으로 제시되어 있지 않다.
따라서, 이전 허용응력설계법과 동일한 검토식을 적용하여 산정할 경우, 한계상태설계법에서 정의한 케이블 극한강도인 검토대상 장력이 상이하여 정착부에 배치할 강봉이 과다하게 산정된다.
그러므로 설계방법의 일관성을 고려하여 강봉 저항강도를 어떻게 산정할지 결정 하는 것이 필요하다.
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4. 한계상태설계법에 의한 강봉 설계방안
1) 검토단면 (긴장력이 가장 큰 케이블에 대한 강봉 설계 예시)
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2) 강봉제원 및 강도
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3) 극한한계상태 강봉검토
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4) 극단상황한계상태 강봉검토
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5. 검토 결과
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케이블 정착부 강봉에 대한 검토시 한계상태설계법에서는 강봉저항강도 산정을 위한 규정이 구체적으로 제시되어 있지 않아, 이전 허용응력설계법과 동일한 검토식을 적용하여 산정할 경우, 케이블 설계 장력이 상이하여 강봉이 과다하게 산정 된다.
따라서, 강봉의 저항강도 산정시 도로교 설계기준(한계상태설계법)-케이블 교량편 표 3.4.1에 제시된 프리스트레싱 강재 재료계수를 적용하여 산정하였으며, 그 결과 이전 허용응력설계법과 비교하였을 때 비교 적 합리적으로 강봉 개수가 산정됨을 확인하였다.
6. 출처 및 참고자료
[1] 마구자바(교량구조설계) Blog
[2] 인천대교 기술발표자료(Incheon Bridge Conference 2008)
[3] 도로교 설계기준(한계상태설계법) 해설 (2015)
[4] 도로교 설계기준(한계상태설계법-케이블교량편) 해설 (2018)
[5] 도로교 설계기준 (2010)
[6] 여수산단 1공구 건설지
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아직 배울 것이 많은 구조 뉴비입니다.
이전에는 지중 구조물, 지하철, 가시설 설계 프로젝트에 참여하였고, 현재는 사장교 설계 프로젝트에 참여하고 있습니다. 구조 엔지니어로서 많이 부족하지만, 토목 기술인들의 지식 정보 공유라는 좋은 취지에 함께 참여하게 되어 영광입니다. 토목인 모두 파이팅!
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