티스토리 뷰
영화에서 가끔 보다보면 다리가 심하게 울렁울렁 흔들리는것을 볼수 있습니다. 이는 현수교가 대부분인데요. 현수교는 케이블을 사용한다는 점에서 사장교와 그 형태가 구분하기가 쉽지 않습니다. 이번에는 현수교와 사장교의 차이에 대해서 그리고 현수교의 좀더 심화된 부분을 포스팅 하고자 합니다.
1. 현수교와 사장교의 차이
현수교는 교량이 설치된 좌우안의 앵커리지와 주탑 사이 케이블을 걸치고 그 케이블에 hanger에 의하여 보강형을 매달아 그 위에 상판을 설치하는 교량형식입니다. 현수교 케이블의 축선 형상은 역아치와 유사하지만 케이블 축선에 인장력이 작용한다는 점이 아치교와 크게 다릅니다. 현수교 케이블에는 아치교와 같은 압축력에 의한 좌굴이 생길 우려가 없으므로 순인장력을 지지하는 고장력 케이블을 사용합니다.
사장교는 중간의 교각위에 세운 탑으로 부터 비스듬히 뻗ㅊ친 케이블로 주형(또는 트러스)를 매달은 교량형식입니다. 사장교에선느 작용하중의 일부가 케이블의 인장력으로 지지되므로 사장교의 보강형은 케이블의 장치점에서 탄성지지된 구조물로 거동됩니다. 사장교에서는 케이블의 인장력을 조절해 각 부재의 단면력을 균등하게 분배시킴으로 연속 거더교에 비해 단면 크기를 줄일수 있습니다.
2. 현수교 중앙경간이 사장교보다 긴 이유
사장교의 경우 높이 솟아 오른 주탑(Pylon)으로 부터 경사진 케이블이 뻗쳐 내려와 상판을 붙잡는 형태를 갖추고 있습니다. 하중경로를 설명하자면, 상판(보강형)에 작용된 하중은 상판을 붙잡고 있는 경사 케이블에 인장력으로 지지됩니다. 이 경사 케이블의 장력중에 수직력은 주탑이 지지하고 수평력은 보강형이 분담하게 됩니다. 사장교는 케이블의 수평분력으로 인해서 보강형이 압축을 받아야 하는 이유로 경간장의 한계는 존재합니다. 국내 최장 사장교는 인천대교로 중앙경간장이 800m 입니다.
현수교는 줄을 늘어뜨려 매단 형태의 교량을 말합니다. 현존하는 교량혁식 중 가장 긴 경간장을 구성할수 있는 교량입니다. 현수교의 형상 및 하중 흐름을 보자면 주탑과 주탑사이 또는 주탑과 앵커리지(Anchorage)사이에 주케이블이 늘어뜨러져 있고 이 주케이블에는 일정간격으로 행어(Hanger)가 매달려 있으며 이 행어에 보강형(상판)이 매달려 있는 형태입니다. 현수교는 현수재인 주케이블이 모든 하중을 지지하게 되고 이 주케이블의 양단은 앵커리지에 정착하게 됩니다. 하지만 자정식 현수교의 경우에는 앵커리지가 없습니다. 대신 케이블 단부와 만나는 교각이 케이블의 연직분력을 지지하고, 수평분력은 사장교와 마찬가지로 보강형이 분담합니다. 현수교는 사장교와는 달리 보강형이 축력의 영향을 받지 않기에 낮은 형고를 구성할수 있고 경량화가 가능해 이론상 경간장의 제약이 없지만 현 기술력으로 약 3000m 정도 구성이 가능합니다. 세계 최장 현수교는 일본의 아카시해협대교로 중앙경간장이 1991m에 이르며 국내 최장은 이순신대교로 중앙경간장이 1545m 입니다.
3. 현수교의 캣워크 설계
현재까지 캣워크 없이 케이블 가설은 불가능합니다. 한편 경간 증대에 수반하여 캣워크의 구조도 비약적으로 커졌습니다. 아카시 대교에서 200kg/mm2 급 와이어를 사용해 캣워크 로프를 설계하였고, 이때 로프 직경이 52mm커졌습니다. 이것을 하루에 1400척 선박이 항행하는 해협 위에서 가설하는 것은 정말 힘든 공사였습니다. 캣워크 로를 인장하는 홀링로프가 탈식하는 등 사고가 있었습니다. 이순신대교에서 구조를 합리화 시켰고 로프 직경을 약 30mm까지 가늘게 하였습니다. 케이블공사 최대 설비는 홀링 로프를 구동하는 구동장치와 그에 부속되는 설비입니다. 즉, 캣워크 설계 합리화는 가설 그 자체의 용이성과 동시에 공사비 감축에 크게 기여하는 것입니다.ㅣ 단지 캣워크는 공사용 비계로 비계로서의 ㄷ안전성, 공사의 작업성 등이 충분히 확보되야 합니다.
4. 현수교 PWS 혹은 에어 스피닝(Air Spinning)
현수교 케이블 시공방법에는 PWS와 에어 스피닝 방삭이 있습니다. 에어 스피닝은 로프업체였던 로블링회사에 의해 개발되었습니다. PWS는 베들레헴 스틸에 의해 1960년대에 발안 개발되었습니다. 1960년대에 현수교 가설이 시작된 일본에서는 어느 방법이 좋을지 여러 테스트를 진행하였고 결과적으로는 금액적으로 큰 차이가 없다고 품질, 공기를 우선시하여 PWS를 주체로 현수교 건설이 진행됐습니다. 중국의 경우도 모든 현수교가 PWS로 진행되어왔습니다. 한국에서는 에어 스피닝이 국제 경쟁력이 잇다고 판단하여 에어 스피닝을 주체로 고려해 왔었으나 해외 샌프란시스코 오클랜드 베이 브리지, 메시나 대교 등에서 PWS를 주체로 고려하고 잇어 울산대교에서 PWS를 선정하였습니다. 금액적인 경쟁력에 대해 언급하자면 PWS의 약점 중 하나는 PWS를 감기위해 대량의 드럼(Drum)을 필요로 한다는 점이엇습니다. 이에 대해 중국의 SPCC에서 드럼을 필요로 하지 않는 릴링(Reeling)방법이 개발되었습니다. 이것도 하나의 큰 요인이 되어 일반적으로 금액적으로는 에어 스피닝 쪽이 경제적이라는 것은 맞지 않는 것으로 보고있습니다.
5. 현수교의 보강형 가설
미국에서 현수교 건설이 일단락된후 유럽, 일본등에서 현수교 건설이 시작되었습니다. 보강형 가설방법에 대해서 미국은 대형 플로팅 크레인(Floating Crane), 스트랜드 잭(Strand Jack)등 건설기계의 월등한 발전에도 크게 기여하였습니다.
또한 영국 세번(Severn)교 등에서 처음으로 박스거더(Box Girder) 현수교가 제안되었고 실현에 이르게 되면서 트러스 거더( Truss Girder)의 단재 가설은 그다지 고려되지 않게 되었습니다. 최근에는 케이블 상의 인양설치(Lifting Gantry), 대형 플로팅 크레인 등을 이용해 대블럭으로 인양하는 것이 주류를 이루고 있습니다. 트러스 거더마저도 뉴 타코마교 등에서 대블럭 가설이 실시되었습니다. 현재는 각종 리프팅 갠트리(Lifting Gantry)가 제안되어 이용됩니다. 최근 현수교 보강형은내풍안정성을 중요시해 박스 거더의 여러 변형 속에서 설계되는 경향이 있습니다. 박스 거더를 가설하기 위해 가설 바로 아래로는 대선등으로 가설 블록을 운반해 인양하는 것이 일반적입니다.