현수교 (Suspension Bridge)

1. 현수교란?

현수교는 케이블에 의해 지지되는 다리 형식을 말합니다. 이러한 형태의 다리는 아주 옛날부터 인류와 함께해온 다리 형식입니다. 오늘날의 크고 웅장한 현수교는 구조해석 방법의 정립, 재료의 발전, 시공법의 발전, 컴퓨터의 발전 등을 통해 가능하게 되었습니다. 현수교는 특수교량의 꽃이라 불릴 정도로 미관이 좋고 구조엔지니어라면 설계하고 싶은 교량 형식중 하나입니다.

2. 현수교의 계획

A. 현수교의 구성요소

현수교는 다음과 같은 부재들로 구성이 됩니다.

- 거더
- 주 케이블
- 주탑
- 서스펜더
- 앵커리지
- 새들

B. 현수교의 형식

오늘날의 현수교는 다음과 같은 기준으로 분류할 수 있습니다.

a) Girder의 형식: 2중 힌지 보강 거더, 3 중 힌지 보강 거더, 연속형 거더

b) 케이블 앵커방식: 타정식 현수교, 자정식 현수교

c) 케이블 및 행어 형식: 수직 서스펜더, 대각 서스펜더, 사장교 & 현수교 혼합

거더에 따른 분류는 현수교 거더의 자유도에 따른 분류입니다. 3중 힌지 보강 거더는 정정구조물로 해석이 가능하고 2중 힌지 보강 거더, 연속형 거더의 경우 부정정구조물로 해석이 됩니다. 연속형 거더 타입은 현수교의 강성을 증가시키고 처짐량을 감소시키기 때문에 도로철도 병용교와 같이 외부하중이 큰 경우에 사용됩니다.

타정식 현수교는 주 케이블이 교량 외부에 위치한 대형 콘크리트 블록 또는 지반에 정착된 형식입니다. 현수교에 가해진 외부하중들은 서스펜더-> 주 케이블-> 앵커리지&주탑 마지막으로 지반으로 전달이 됩니다.

자정식 현수교는 주 케이블이 거더에 정착이 되어 지지되는 형식입니다. 현수교에 가해진 외부하중들은 서스펜더, 주 케이블, 거더 내부의 앵커리지를 통하여 거더에 전달이 됩니다. 따라서 타정식 현수교와 다르게 거더는 휨, 압축부재로 거동하게 됩니다.

현수교의 서스펜더는 보통 수직 형태로 주로 쓰입니다. 대각 형태는 교량에 감쇠 증가시키기 위해 사용할 수 있습니다. 하지만 높은 장력으로 인한 슬레이킹(slaking)과 조기 피로에 대한 검토가 요구됩니다. 사장교와 현수교의 장점을 함께 사용하기 위해 흔하진 않지만 사장교와 현수교를 함께 사용할 수도 있습니다.

3. 현수교의 주요 구성요소

A. 보강 거더

현수교의 보강 거더는 차량 하중을 지지하거나 분산시키는 종방향 구조물입니다. 또한, 케이블로 지지되기 때문에 공기역학적 안정성이 필요합니다. 현수교의 보강 거더는 과거에는 I형 거더가 사용되었나 내풍안정성 문제로 트러스 구조로 발전하였고 최근에는 박스 형 단면이 주를 이루고 있습니다.

평판 I 거더(Plate I girder)는 내풍안정성이 확보되지 않았기 때문에 트러스 거더가 제안 되었습니다. 평판 I 거더(Plate I girder)를 사용한 교량은 붕괴사고로 유명한 Tacoma narrow bridge입니다. 트러스 거더는 높이를 높게 하고 하부 수평 브레이싱을 설치하면 비틀림 강성을 증가시킬 수 있습니다. 또한, 높이의 이점으로 거더의 상층과 하층을 모두 사용할 수 있습니다. 하지만 트러스 거더는 무게가 무겁고 높이가 긴 형상 때문에 큰 항력을 가지고 있습니다.

박스 거더는 트러스 형식의 단점을 개선하기 위하여 개발된 단면 형식입니다. 이는 직교이방성인 보강된 판재를 사용한 박스 형태를 가졌으며, 유선형으로 폐합이 되어있습니다. Truss 형식에 비해 가볍고 폐합 형상을 가지고 있어 비틀림 강성이 큽니다. 또한, 유선형은 거더가 낮은 항력을 갖게 합니다.

교량이 점점 길어짐에 따라서 바람에 저항하는 거더의 비틀림 강성 확보가 필요해졌습니다. 이는 거더의 형상을 개선하여 흔들림을 발생시키는 풍속을 높이는 것이 중요하다는 것을 의미합니다. 다중 박스 거더는 현대 장대 교량에서 내풍안정성을 확보를 위해 적용하는 거더 형식입니다. 다중 박스 거더는 자체의 높이가 낮고 무게가 가벼워 케이블, 주탑, 그리고 앵커리지의 규모를 줄일 수 있어 경제적인 설계를 할 수 있습니다.

B. 주 케이블

현수교에 적용되는 케이블은 인장부재로서 로프, 와이어, 체인 등과 같이 휨이나 압축에 저항하지 못하고 축인장력만을 지지할 수 있는 부재를 말합니다. 일반적으로 인장강도 1,600 ~ 1,860MPa가 사용됩니다. 최근에는 인장강도 2,200MPa을 가진 교량용 케이블 강선이 개발된 실적이 있습니다. 평행선 케이블은 구조용 강재보다 강도가 크기 때문에 케이블 단면적이 감소하고 따라서 이차응력이나 제작오차의 감소, 케이블 본수의 감소 등의효과가 큽니다. 케이블 가설 공법은 주로 에어 스피닝 공법(이하 AS공법)및 조립식 스트랜드(이하 PWS공법)로 구분됩니다.

AS 공법은 케이블을 wire 단위로 케이블 인출시스템(Hauling system)을 이용하여 가설합니다. 와이어들은 현장에서 가닥 단위로 형성하고 주 케이블로 시공됩니다. 이 형식은 정착부 크기를 줄일 수 있는 이점이 있습니다. 하지만 와이어 가설시 풍하중에 의한 영향에 민감하고 공사기간이 PWS 공법에 비해 깁니다.

PWS 공법은 스트랜드 단위로 인출하여 주 케이블을 가설하는 방법입니다. 이 형식은 현장에서의 작업이 AS 공법에 비해 간소화되므로 공사기간을 단축시킵니다. 또한, 스트랜드는 공장에서 제작되므로 품질관리면에서 좋습니다. 하지만 스트랜드의 제작 및 운반 비용이 다소 고가이며 스트랜드 단위로 가설하기 때문에 캣워크(catwalk) 등 이를 지지하기 위한 가시설의 규모가 상대적으로 커질 수 있습니다.

C. 서스펜더/ 행어

서스펜더는 거더를 주 케이블에 연결하기 위한 케이블입니다. 이는 Center Fit Rope Core(CFRC) 와 평행강선스트랜드(Parallel Wire Strand, PWS)가 있습니다. CFRC는 소켓과 분리구조로서 피로강도가 높고 표면이 나선형으로 진동에 유리한 특징을 갖고 있습니다. PWS는 소켓과 일체구조로서 시공이 간단하며 유지관리가 불필요한 장점을 갖고 있습니다.

D. 케이블 밴드

케이블 밴드는 주 케이블과 행어 케이블을 연결해주는 장치입니다. 케이블 밴드는 주 케이블을 감싸고 있는 형상이며, 상하분할 방식과 좌우분할 방식이 있습니다. 상하분할 방식은 우수침투가 없어 유지관리에 유리한 장점이 있으며 좌우분할 방식은 체결을 위한 볼트수가 적은 장점이 있습니다.

E. Saddle

새들은 주탑 및 앵커리지 위에 주 케이블을 직접 지지합니다. 역학적 역할은 주 케이블으로부터의 하중을 주탑과 앵커리지를 전달시킵니다. 주탑 위에 설치되는 새들은 주탑 새들이라 불리고 앵커리지에 설치되는 새들은 스플레이 새들이라 불립니다. 주탑 새들은 의 곡률반경 설정이 중요합니다. 곡률반경은 케이블의 굽힘응력, 케이블과 새들사이의 접촉압력을 고려하여 결정해야 합니다. 스플레이 새들의 경우 방사형상으로 케이블이 앵커리지에 정착될 수 있도록 합니다. 설계시 스트랜드의 수평곡률과 수직곡률을 적절히 계산해야 합니다.

F. 주탑

현수교의 주탑은 주 케이블을 통해 전달된 하중을 기초를 통해 지반으로 전달합니다. 재료적 측면에서 주탑은 석재, 강재, 그리고 콘크리트의 순으로 발전되어 왔습니다. 주탑의 형상은 시공방법의 한계로 단면형상이 제한되어 있는데 문형 형상이 대부분입니다. 한국의 영종대교는 다이아몬드 형상의 주탑을 가지고 있는데 좁은 탑정부로 인해 3차원 형상의 주 케이블이 적용되었습니다. 또한, 1주탑을 적용한 현수교는 주탑의 형상을 다양화시켜 미관을 강조하기도 합니다. 아래 표에 강재 주탑과 콘크리트 주탑을 간략하게 비교하였습니다.

G. 앵커리지

앵커리지는 주 케이블의 수평력, 연직력을 기초에 전달하는 중요한 구조물입니다. 앵커리지의 형식은 중력식 앵커리지(gravity-type anchorage), 터널식 앵커리지(tunnel-type anchorage), 그리고 지중정착식(rock anchorage)로 구분됩니다. 중력식 앵커리지는 케이블에서 오는 하중을 구체 자중으로 저항하는 방식입니다. 많은 현수교들이 중력식 앵커리지를 사용하고 있습니다. 터널식 앵커리지는 강재프레임 외주면의 전단과 확폭부 지압으로 저항하는 방식입니다. 지중정착식 앵커리지는 암반 쐐기의 중량과 점착, 마찰저항에 의하여 케이블의 하중을 저항하는 방식입니다. 이 형식은 암반이 양호한 지역에 사용됩니다.

4. 개략적인 설계과정

현수교의 설계를 수행함에 있어서 타 형식의 교량과 달리 사전에 검토해야 할 사항들이 많습니다. 현수교의 형태 선정, 바람에 의한 동역학적 측면에서 거더 단면 검토, 가설방법을 고려한 구조물 계획, 유지관리 계획 등 광범위한 검토가 필요합니다. 현수교는 구조물의 규모와 외관이 기념적인 구조물로 사용되는 일이 많기 때문에 가설지점을 포함한 전체 경관을 미리 검토해야 합니다. 개략적인 설계과정은 아래와 같습니다.

5. 현수교의 구조해석

현수교의 구조해석은 주탑·보강거더·케이블의 각 축선으로 구성되는 뼈대 모델을 이용하여 변위법 등에 의해 수행됩니다. 케이블을 모델링 하는 경우, 실제로 비압축 부재인 케이블을 트러스 요소로 모델링할 수 있습니다. 이 경우에는 live load 작용시 압축력이 발생하는 경우가 생깁니다. 이러한 압축력은 케이블의 인장력을 감소시키기만 할 뿐 전체 구조계에서는 압축력이 작용하지 않도록 해야 합니다. 또한 케이블은 케이블 SAG로 인한 케이블의 장력과 신장량은 선형관계에 있지 않기 때문에 이러한 비선형 특성을 고려해야 합니다.

A. 초기선형 해석

초기선형 해석은 모든 공정이 끝나고 구조물이 완성된 상태에서 어떠한 거동을 보이는가를 확인하는 해석입니다. 현수교의 완성계 상태는 구조물의 자중에 대하여 평형을 이루고 있는 상태입니다. 이를 현수교의 초기평형상태라고 하며, 이때 주케이블의 좌표와 장력을 계산하는 것을 초기평형상태 해석이라고 합니다. 현수교의 초기선형 해석은 초기평형상태 해석을 포함하여, 추가의 하중에 대하여 구조물의 거동을 파악하는 해석입니다. 현수교의 거동특성상 시공단계에서 상당한 비선형성을 띄지만, 주케이블과 서스펜더에 충분한 장력이 도입된 완성계 상태에서는 추가적인 하중(차량, 풍하중 등)에 대하여 선형적인 거동을 보인다고 볼 수 있습니다. 따라서 초기평형상태에 도입된 주 케이블과 행어(suspender)의 장력을 기하강성으로 변환하여 추가의 정적하중에 대해서는 선형화한 해석이 가능합니다. 이렇게 초기평형상태에서 발생한 부재력을 기하강성으로 전환하여 선형화 해석하는 방법을 선형화 유한변위법이라고 합니다. 완성계 해석에서는 선형화 유한변위법으로도 충분한 정도의 해를 구할 수 있으므로 완성계 해석은 선형화 유한변위법을 적용합니다. 이러한 초기선형 해석을 수행하여 완공시 형상을 산정하고 그에 따른 케이블, 행어, 보강거더 등의 주요부재의 제작 형상을 산정하게 됩니다.

B. 전체계 해석

구조물의 자중에 의한 초기형상을 산정하기 위한 초기선형 해석과는 달리 전체계 해석은 구조물의 주요부재의 설계와 공용중 안정성을 검토하기 위한 해석입니다. 따라서 고정하중 외에 활하중, 풍하중, 온도하중, 지진하중, 부등침하 등의 하중조합에 의한 해석을 수행하게 됩니다.

C. 가설단계 해석

가설단계해석은 가설시 케이블, 주탑, 보강거더 등 주요요소의 안전성 확인을 위한 단면력 확인과 새들의 셋백량 검토를 위하여 수행합니다. 가설단계해석은 각 단계별 변위가 크므로 구조해석시 변형후의 형상에 대해서 평형방정식을 구성하는 대변위이론(기하학적 비선형 이론)을 적용하여야 합니다. 현수교의 가설단계해석은 완성단계의 초기평형상태에서 시공절차에 역순으로 해석하는 역방향 가설단계해석(backward construction stage analysis)을 합니다. 즉, 초기평형상태의 기하형상과 초기장력을 기준모델로 해서 각 시공단계에 추가되는 부재를 제거하고 제거된 부재의 자중을 중력 반대방향으로 재하합니다.