현수교에 대한 내용정리

▣ 현수교 설계 

1. 설계 일반

1) 현수교의 형식과 특징

- 현수교의 형식
① 교면하중을 지지하는 보강형
② 보강형을 다는 케이블(행어)
③ 현수재를 다는 케이블(주케이블)
④ 케이블을 고정하는 케이블 앵커
⑤ 케이블을 지지하는 주탑

 

- 현수교의 특징
: 움직임이 풍부한 교량 형식, 특히 보강형은 풍, 지진 등의 외적영향을 받아 변형하기 쉽다

2) 이론과 설계 변천

: 미소 변위 탄성 해석 -> 처짐 이론 -> 선형화 처짐 이론, 영향선 해석법

3) 설계의 순서

 

 2. 해석

1) 개요

- 고전적 이론
① 탄성 이론
② 처짐 이론
③ 막이론

 

- 현대적 해석법
② 유한요소법(기하학적 비선형 문제 해석)

 

2) 고전적 현수교 이론

① 탄성이론과 처짐이론
② 선형화 처짐 이론과 영향선 해법
③ 횡방향 수평하중에 대한 면외 해석법
④ 비틀림 해석법
⑤ 고유 진동 해석법

 

3) 현대의 해석법

① 유한 변위 해석법
② 선형화 유한 변위 해석법
③ 탄성좌굴 해석
④ 고유 진동 해석
⑤ 모델화의 방법
⑥ 가설시의 해석법

 

3. 부재 설계

1) 개요

2) 하중 및 구조 해석

: 설계시 구조 해석은 현재에는 설계 단면력을 구하기 위한 유한 변위 해석, 응력집중과 국부 응력에 대한 안정성을 검증하는 FEM 해석, 좌굴 안정성을 검토하기 위한 탄성좌굴 해석, 탄소성 유한 변위 해석과 동적 안정성을 검토하기 위한 고유진동수 해석과 동적응답 해석을 중심으로 하고 있다

 

3) 보강형

① 바닥판

: 중요한점은 바닥판 구조의 중량과 구조형식이 상부공 전체의 경제성에 큰 영향을 미치는 점과 내풍 안정성에 큰 영향을 미치는 점에 있다

- RC 상판, 강격자 상판, 강상판(폐단면 리브)

- 내풍 안정성 향상 목적으로 오픈 그레이칭을 노면에 설치

② 횡트러스 ․ 횡프레임

a. 역할

- 바닥판에서의 하중을 보강형 및 행어에 전달

- 박스 거더에서 다이아프램과 동일하게 어긋난 변형에 저항

- 횡하중이나 비틀림 하중에 저항하는 횡구의 구성부재의 하나로 움직임.

- 지점상의 횡트러스 ․ 횡프레임은 보강형의 교축직각방향의 하중에 대한 지점으로 횡구면으로 부터의 힘을 윈드슈를 끼워서 주탑, 측탑, 교대등에 전달

b. 형식: 트러스 형식, 라멘 형식

c. 도로 철도 병용교인 경우: 하층 중앙에 철도교 설치

③ 보강형

- 역할

: 바닥판 구조를 지탱함과 동시에 변형과 흔들림을 억제하고 주행성을 확보하는 일

- 형식: 트러스, 박스

④ 피로 설계

⑤ 격점 구조

⑥ 행어 정착부: 핀에 의한 정착, 소켓에 의한 정착

⑦ 타위 링크, 엔드링크, 윈드슈

- 보강형의 연직반력을 주탑이나 교대부에 전달하는 구조로서 타워링크, 엔드링크는 교축방향 변위와 수평면내 회전변위를 허용하는 구조 이어야 한다. 일반적으로 타워링크는 보강형에 매다는 형식으로, 엔드링크는 보강형을 지지하는 형식으로 설계되는 일이 많다. 윈드슈는 보강트러스의 교축직각방향 수평력을 주탑이나 앵커리지등에 전달함과 동시에 교축 방향이동, 교축 연직 면내 및 수평내의 회전을 허용하는 구조이어야 한다

⑧ Stay 구조

- Stay 구조: Center Stay, Side Stay, Tower Stay, Cable Stay

- Center Stay

: 역대칭 모드의 비틀림 진동을 억제하는 내풍대책으로 실시, 교축방향의 Cable과 보강형의 상대적인 변위를 억제하는 짧은 행어의 2차 굽힘 응력을 저감함과 동시에 보강형의 교축방향의 복원력을 억제하는 것을 목적.

- Side Stay

: 거더 단부의 온도변화에 의한 짧은 행어의 응력저감이나 Stoper로서의 역할

 

⑨ 신축 이음

- 쐐기식(미국) -롤링 리프식(유럽) - Link 식(일본)

 

4) 주탑

① 주탑 형상

: 장대 현수교의 주탑 형상의 결정시에는 축력과 굽힘을 효율적으로 기초에 전달하기 위한 좌굴설계, 통행자의 시점이나 현수교 바깥으로 부터의 시점에서의 경관설계, 플렉시블한 내풍설계와 이것을 만족 시키기 위한 제작, 가설상의 제약, 경제성을 종합적으로 검토

- 단면 구성

옛날: 작은 박스 단면을 다수 조합한 Muti-Cell,

근대 현수교: 비교적 큰 Box를 소수 조합한 소수 Cell 형식 및 4매의 보강판을 조합한 것 만의 단일Cell 형식을 많이 채용

② 주탑 단면력 해석

- 예전: 교축은 Birdsall에 의한 방법, 교축직각- 미소 변위 이론

- 최근: 교축 ․ 교축 직각 모두 유한 변위 이론

③ 주탑 좌굴 해석

: 유효 좌굴장 해석, 면내 좌굴, 면외 좌굴 검토

④ 내하력 조사: 주탑 전체 내하력 평가

⑤ 주탑기부의 설계

: 축력과 굽힘을 탑주에서 하부공으로 전달하기 위한 구조

- 격자 전달 형식(지압 전달 형식)

- 외벽 직접 전달 형식(지압 전달 형식)

- 탑주 매입 형식(전단 전달 형식)

⑥ 주탑 정부의 설계

- 직접전달 형식 - 간접 전달 형식

⑦ 이음부 설계

- Metal Touch - 외부는 용접, 내부 볼트 이음

⑧ 구조 특수부 설계: FEM 해석 검토

 

5) 케이블

① 개요

: 현수교의 주케이블 설계는 현수 구조부의 사하중강도와 중앙 경간의 Sag를 가정하여 주탑 위치에서의 양 경간의 케이블 수평장력의 균형조건으로부터 측경간의 새그를 결정하여 구한다. 중앙경간 새그비는 현수 전체계의 구조 특성 및 경제성을 검토하여 최적값이 선정 되지만 1/10 전후로 되는 경우가 많다

② 케이블 종류

- 주케이블: 평행선 케이블 - 현수재: 스트랜드 로프

a. 평행선 스트랜드

:As 공법은 현장, 프리패브 스트랜드 공법은 공장

- 특징: 강도 저하가 적고, 강도 효율이 뛰어남, 탄성계수 높음. 2.0x 10^6 kgf/cm^2

b. 꼬임선 로프

- 스트랜드 로프: 강도 효율이 낮음. 주케이블로 사용되지 않고 주로 행어로프에 적용

(CFRC형 주로 적용)

c. 스파이럴 로프: 강도 효율은 평행선 스트랜드 보다 약간 떨어지나 단면밀도는 더 커서 중규모의 현수교에 적용

d. Locked 코일 로프: 수밀성, 내식성이 뛰어남, 시공성 떨어짐

③ 케이블의 재료 강도

a. 케이블용 재료

- 아연도금 강선, 최근 고강도 아연도금 강성(아카시 해협대교)

b. 와이어의 정적 강도

c. 피로 강도

: 도로 철도 병용 현수교와 같이 비교적 활하중이 큰 경우에는 피로강도에 대한 검토가 필요하게 되는 일이 있다. 현수교의 주케이블에서는 문제로 되는 것은 없지만 경사 현수재등 피로가 문제로 되는 개소에서는 충분한 배려가 필요하다. 또 사장교의 케이블에서는 활하중에 의한 응력변동이 크기 때문에 높은 피로강도가 요구되며 피로강도를 향상시키기 위해 여러 가지의 소켓 정착구조가 개발되고 있다

④ 케이블 설계

a. 케이블 허용 응력도

- 인장강도에 대해 적어도 2.5의 안전율을 가진다

- 2차 응력을 포함한 케이블의 최대 응력은 인장강도에 대해 약 2.0 안전율을 가진다

- 0.7% 전 늘음 내력(항복점)에 대해 약 2.0 안전율을 확보

b. 케이블의 단면 구성

- (고강도) 아연 도금 강선 -> 스트랜드 -> 케이블

- 시공성을 고려하여 케이블 직경이 1m 정도까지는 싱글 케이블, 그 이상은 더블 케이블 적용

- 케이블 공극률은 20± 2%

- 스트랜드 배열

: Point Top 배열-육각형의 정점이 정상, Flat Top 배열- 정상이 수평으로 되는

⑤ 케이블 정착

a. 스트랜드 슈에 의한 정착 - AS공법

: 반원통의 Shoe 반경은 와이어 지름의 100배정도로 하고 이것 보다 작게 하는 것은 강도저하를 초래할 염려가 있어 바람직하지 않다

b. 소켓에 의한 정착

: 프리패브 스트랜드의 경우에는 스트랜드 제작길이에 근거해 공장내에서 양단을 합금에 의해 정착하고 이 소켓을 이용해 앙카부에 정착된다

⑥ 케이블 방식

- 주케이블 방식법: 와이어는 아연도금 + 케이블 외주에 방청 Paste + 직경 4mm의 아연도금선으로 래핑(최근 원형-> S자형) + 래핑 와이어 외면에 6층 도장

⑦ 케이블 밴드와 행어 로프

- 형식:안장 걸기 방식과 핀정착 방식으로 분류

- 안장 걸기 방식: 굽힘 영향을 받기 때문에 내하력이 저하, 케이블 밴드 봍트 횡체결

- 핀 정착 방식: 행어로프는 전단면 유효한 설계 가능, 종체결

⑧ Saddle

: 주탑 및 앵커리지 위에 주케이블을 직접지지하고 주케이블로 부터의 하중을 주탑 및 앵커리지에 전달 시키는 구조물이고 설치장소에 따라 탑정새들, 앵커새들 등으로 나눌 수 있다

- 새들의 설계에 중요한 것은 새들위의 곡률반경의 설정으로 이것은 케이블의 굽힘응력 및 케이블과 새들의 접촉압력을 고려하여 결정한다. 케이블의 굽힘에 의한 2차응력은 반경 R에 반비례하고 접촉이 크게 되면 케이블 인장강도가 저하하기 때문에 평행선케이블을 이용한 경우의 케이블 소선과 새들의 접촉압은 500 kgf/cm^2 이하로 하는 것이 바람직 하다

- 스프레이 새들은 케이블을 방사형상으로 앵커리지에 정착하기 때문에 연직 및 수평 방향으로 곡률을 붙힌다 이 경우 스트랜드의 연직력이 없는 곳에서는 수평 방향으로 굽어지지 않도록 하여 스트랜드의 새들 출구부에서의 형상붕괴가 생기지 않도록 하는 것이 중요하다. 이들 위해 스트랜드의 수평곡률 반경이 연직 곡률 반경의 배 이상으로 되도록 새들의 형상을 결정할 필요가 있다. 스프레이 새들은 앵커스판의 스트랜드의 응력 및 온도변화에 대해 이동 가능토록 하기 위해 롤러 혹은 록커 형식으로 하고 있다.

 

6) Anchorage

: 케이블의 수평력 및 연직력을 기초에 전달하는 중요한 구조물. 앵커 블록의 기초, 앵커 블록. 케이블 앵커 프레임, 케이블 정착부 및 상옥등으로 구성

-> 중력식: 앵커리지의 미끄럼 및 전도에 대해서 안정(대부분 현수교)

-> 터널식: 지반의 강고한 암반이 존재하는 경우 적용 가능

 

7) 유지 관리 설비

: 점검 보수용 작업차(거더 작업차, 케이블 작업차), 주탑안의 엘리 베이터, 콘드라

 

4. 내풍 설계

1) 개요

: 1940년 Tacoma Narrow 교 풍속 19 m/s 비틀림 진동을 일으켜 붕괴. (보강형 I형).

유선형 박스거더 단면을 보강형에 최초 적용 (1966년 Severn교)

2) 내풍 설계

① 바람에 의한 현수교 거동

a. 바람에 의해 현수교에 생기는 현상: 정적 작용, 동적 작용

b. 정적 작용: 정적 변형, 정적 불안정 현상(횡좌굴, 다이버젠스)

c. 동적 해석: 한정 진동, 발산 진동

- 와려 진동 - 갤로핑 - 비틀림 Flutter - 연성 flutter

② 내풍 설계의 순서

a. 내풍설계의 순서

: 기본 풍속의 설정 -> 설계 풍속으로의 변환 -> 단면의 가정 -> 공기력 계수의 선정 ->

설계 풍하중의 산정 -> 응답 정적 해석 -> 공기력 계수의 측정(풍동실험) -> 응답의 동적해석(풍동실험)

b. 내풍 설계 방법

- 정적 설계

- 동적 조사

- 풍동 실험:

° 2차형 모형 - 단면의 정적인 공기력의 측정과 동적인 진동 등답을 조사 하는 것에 이용된다

° 3차형 모형 - 구조물의 변형 특성을 포함 전체계의 응답 특성을 직접 조사하는 것이 가능하다

3) 내풍 대책

① 내풍 대책의 개요

a. 구조 역학적 방법

- 감쇠의 증가: TMD, 기계적인 댐처등의 설치

- 강성의 증가: 비틀림 강성의 향상

- 질량의 증가: 콘크리트 충진등에 의한 질량의 부가

b. 공기 역학적 방법

- 단면 형상의 변경: 거더의 개상 구조화

- 공기력적 보조 부재의 설치: 스포일러, 플랩, fairing 등의 설치

② 구조 역학 대책

a. 감쇠 증가

: TMD, Active Damper, Oil Damper 등을 적용. 와려진동이나 거스트 응답 진폭의 감소등에 유효하고 구조 형상을 변경하지 않고 확실히 제진 가능한 점에서 현수교의 주탑의 내풍대책 등에 자주 이용되고 있다. 다만 발산 진동에 대해서는 효과를 발휘하지 않는 가능성이 있기 때문에 주의를 요한다.

b. 강성의 증가

: 고유 진동수를 높여 발진 한게 풍속을 향상 시킨다. 특히 비틀림 플래터형 자려진동의 경우에는 비틀림 고유 진동수의 증가에 비례하여 한계 풍속이 상승 한다.

c. 질량의 증가

: 와려 진동 등의 진폭을 감소시켜 플래터의 한게풍속을 향상 시키는 효과가 있다

③ 공기 역학적 대책

- 그레이칭을 적당히 배치한 개상 구조로 하면 한계 풍속이 향상

- 유선형 상형 단면 이라면 공기 저항이 적고 굽힘 강성에 비해 비틀림 강성이 크기 때문에 한계 풍속의 값을 높이게 할 수 있다

- 공기력적 보조 부재 설치: Firing, Flap, 스포일러

 

 

 

 

 

 

 

▣ 현수교 가설

 

1. 현수교 가설의 변천

1) 개요

기초공사 -> 탑가설 및 앵커리지 공사 -> 파이롯트 로프 도해 공사 -> 홀링 로프 및 캣워크 로프 가설 공사 -> 캣워크 바닥 및 스톱 로프 가설 공사 -> 주케이블 -> 케이블 밴드 및 행어 로프 가설 공사 -> 보강형 및 상판 가설 공사

 

2) 가설 방법의 변천

AS 공법(에어스피닝 공법) -> PS 공법( 프리패브 스트랜드 공법)

 

2. 주탑 공사

1) 개요

: 하부공과의 접점인 기부와 주케이블과의 접점인 탑정까지의 탑주 부재의 가설로 분류 된다. 가설의 정밀도, 가설시 제진 대책. 주탑 본체의 규모, 가설지점의 지형, 시공기간 및 경제성을 고려하여 시공 방법을 결정

2) 주탑기부의 가설

① 하부 콘크리트에 묻혀지는 앵커 프레임과 저판 ․ 탑주를 앵커볼트로 연결시키는 구조

(연마공법, 기초 몰탈 충진 공법)

② 탑주 기부를 앵커 볼트 혹은 와이어로 하부공에 고정시킨후 이것을 콘크리트 안에 붙혀 넣는 구조

3) 탑주의 가설

① 클리퍼 크레인 공법 ② 타워 크레인 공법

③ 범용 크레인 공법(트럭 크레인과 크롤라 크레인 사용)

④ 플로팅 크레인 공법 ⑤ 설치 크레인 공법

4) 정밀도 관리

5) 제진 대책

① 직접적: 케이블 Stay, 슬라이딩 블록, 수중 블록, 댐퍼 중추, 반질량 댐퍼

② 간접식: 팻시브형 TMD(진자식), 팻시브형 TLD(동조액체댐퍼), 액티브형(AMD), 하이브리형(HMD)

 

3. 주 케이블 공사

1) 개요

① 준비공

도해 준비공 -> 도해 -> 홀링 시스템 설치 -> 캣워크 로프 가설 -> 스톰 로프 가설 -> 주케이블 가설 준비공

② 주 케이블 가설

주케이블 가설 -. 케이블 스퀴징 -> 케이블 밴드 가설 -> 캣워크 바꿔 달기 -> 행어로프 가설

③ 보강형 공사후

래핑 -> 캣워크 등 철거 공사

2) 도해 작업

- 해중 도해 작업, 해상 도해 작업, 공중 도해 작업

3) 가설 설비의 설치

① 홀링 시스템

- 루프식: 소규모의 현수교나 에어스피닝 공법에서 적용

- 레시프로식: 캣워크 로프나 스트랜드의 인출에 큰 장력을 요하는 경우

② 캣워크 시스템

: 로프를 달아 건넨 와이어 브리지 형식의 굉장히 처지기 쉬운 구조물이지만, 주케이블 가설시의 작업 비계로 뿐만 아니라 스퀴즈, 케이블 밴드 가설, 행어로프가설, 래핑 작업등의 비계로서의 이용하는 중요구조물이다 -> 내풍 안정성 배려 필요

a. 스톰 로프:

- 사재 행어 형식: 내풍 안정성, 강성면에서 유리

- 수직 행어 형식: 형상 조정등의 시공면에서 유리

b. 캣워크 로프의 가설

수중 인출법, 프리행 공법, Suspender 공법

c. 바닥판의 가설

미끄러 내리기 공법, 작업대차를 이용해 조립하는 대차 공법

 

4) 주탑(탑정 새들)의 Setback

: 교량 완성시에 주탑이 연직상태로 되어 소정의 스팬이 얻어질 수 있도록 미리 탑정 새들 위치를 측경간측으로 소정량 벌려 놓는 것이다

 

5) 주 케이블 가설

a. 에어 스피닝 공법(AS 공법)

b. 프리패브 스트랜드 공법(PS 공법)

 

6) 주케이블 가설 이후의 작업

- 스퀴즈, 케이블 밴드 가설, 행어로프 가설

- 래핑 및 주케이블 도장 작업

a. 스퀴즈, 케이블 밴드 가설, 행어 로프 가설

: 스퀴즈는 주케이블 가설 완료후 이것을 공극률 20% 정도의 원형 단면으로 만드는 작업이다

b. 래핑: 주케이블의 방식, 래핑 와이어 Φ3~4mm, 최근 S자형 래핑와이어 적용

 

7) 시공 관리

 

8) 중소 현수교 가설

a. 윈치에 의한 방법 b. 홀링 시스템에 의한 방법

 

 

 

4. 보강형 공사

1) 개요

: 스트랜드의 가설이 완료하고 케이블 밴드를 부착, 행어로프의 매달기가 완료한 후 가설이 개시 된다.

 

2) 가설 단위

: 단재 가설 공법. 면재 가설 공법, 블록 가설 공법(보강 거더 형식)

 

3) 가설 기자재

a. 트라벨라 크레인 공법 b. 리프팅 크레인 공법

c. 플로팅 크레인 공법 d. 케이블 크레인 공법 e. 송출 공법

 

4) 가설 순서

① 주탑부에서 중앙경간 중앙 혹은 교대부로 향하여 가설

② 중앙경간 중앙부와 교대부에서 주탑부로 향하여 가설

③ 중앙경간은 주탑부에서 중앙부로 측경간은 교대부에서 주탑부로 향하여 가설

 

5) 보상형의 연결 방법

: 보강형을 순차로 가설하여 가는 경우 기설치 거더와의 연결을 강결 혹은 힌지로 할지에 따라 그때의 주케이블의 형상 및 행어 로프, 보강형등의 응력에 큰차가 생긴다

a. 전힌지 공법

: 가설도중에는 보강형의 비틀림 강성이 거의 없기 때문에 내풍 안정성을 향상 시키기 위한 대책으로 가설 힌지등이 필요하다

b. 축차 강결 공법

: 보강형이 연속하여 강성이 높게 되기 때문에 가설시의 내풍 안정성이 좋게 되는점 무응력 상태에서 본 연결이 실시 되므로 가설오차가 적은 점의 특징이 있다

① 가설 힌지를 가지는 축차 강결 공법

: 전힌지 공법과 축차 강결 공법의 젎충안

② 축차 강결 무힌지 공법

: 보강형 선단부분의 Hanger에 집중하는 장력을 2본 이상의 hanger로 분산하는 것에 의해 행거의 과응력의 발생을 방지하는 공법

 

6) 정밀도 관리

① 케이블 새그 ② 주탑의 전도 ③ 보강형의 종단고 및 수평 변위

④ 스프레이 새들의 이동량 ⑤ 가설 힌지의 틈새량