KR101161644B1 - 힌지 연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 및 그 시공 공법 - Google Patents

힌지 연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 및 그 시공 공법 Download PDF

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Abstract

교축방향으로 소정 간격으로 이격되어 설치된 제1 주탑과 제2 주탑; 상기 제1 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제1 데크고정용 앵커리지와 상기 제2 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제2 데크고정용 앵커리지; 상기 제1 데크고정용 앵커리지와 제2 데크고정용 앵커리지에 각각 고정 설치된 최 외측 데크 세그먼트; 제1 주탑과 제2 주탑 사이의 주경간에 위치한 데크 세그먼트의 양 끝단으로부터 제1 주탑과 제2 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결된 인장케이블; 상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트; 및 상기 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트 사이의 힌지연결부;를 포함하여 주경간의 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 최대 압축응력의 크기를 줄임으로써 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 줄일 수 있고, 이에 따라 경제적으로 시공될 수 있는 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교가 개시된다.

Description

힌지 연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 및 그 시공 공법{PARTIALLY EARTH-ANCHORED CABLE-STAYED BRIDGE USING HINGE CONNECTION PARTS AND CONSTRUCTION METHOD FOR THE SAME}
본 발명은 힌지 연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 및 그 시공 공법에 관한 것으로써, 더욱 구체적으로는 주경간의 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 최대 압축응력의 크기를 줄임으로써 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 줄일 수 있고, 이에 따라 경제적으로 시공될 수 있는 일부 타정식 사장교 및 그 시공 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 사장교는 주탑에서 경사진 방향으로 설치된 케이블을 이용하여 주경간을 지지하는 교량이다. 사장교는 주경간의 길이를 길게 할 수 있기 때문에 최근에는 넓은 폭을 가지는 강이나 바다에도 시공되고 있다.
사장교는 주탑의 양측에 데크 세그먼트(Deck Segment)를 각각 순차적으로 설치하여 주경간(Main Span)과 측경간(Side Span)을 만들되, 케이블을 이용하여 상기 주경간과 측경간의 데크 세그먼트가 서로 연결되도록 한다. 이에 따라, 서로 연결된 양측의 데크 세그먼트에는 수평 방향으로 압축응력이 작용하게 된다.
즉, 도 1a와 같이, 케이블(1)이 주탑(3) 양쪽의 데크 세그먼트(2)를 서로 연결하기 때문에 케이블(1)이 작용하는 힘 중에서 수평방향 분력(F2)은 데크 세그먼트(2)에 압축응력으로써 작용하고 수직방향 분력(F1)은 상측으로 작용하게 된다.
상기 압축응력은 주탑(3)이 설치된 곳(M)에서 최대로 되고 주경간(main span)의 중앙 지점(C)에서 제로가 된다. 이는 주탑으로부터 데크 세그먼트(2)의 설치가 시작됨에 따라 작용하는 압축응력이 데크 세그먼트(2)에 누적되어 증가되기 때문이다.
이에 상기 데크 세그먼트(2)에 작용하는 최대 압축응력은 주경간의 길이(L) 즉, 주탑(3) 사이의 거리에 비례하여 커진다.
도 1b는 상기 최대 압축응력과 주경간 길이(L) 사이의 관계를 보여주는 그래프로서, 주경간의 데크 세그먼트(2)의 단면적이 일정하다는 가정(assumption)하에 만들어진 것이다.
즉, 예컨대 주경간의 길이(L)가 1000m인 경우에 160MPa이던 최대 압축응력이 주경간의 길이(L)가 2000m가 되면 500MPa이 됨을 알 수 있다.
이에 이러한 압축응력의 증가에 대응하기 위해서 데크 세그먼트(2)는 고강도 강(Higher Strength Steel)을 사용하거나 단면적을 증가시켜야 한다.
이에 상기 방법 중에서 고강도 강을 사용하는 방법은 압축응력의 증가에 어느 정도까지는 대응할 수 있으나 주경간의 길이(L)가 2000m에 가까워지면 고강도 강만을 사용하는 것으로는 작용하는 압축응력에 충분히 저항하지 못한다는 문제점이 있었다.
나아가 압축응력으로 인해 데크 세그먼트(2)를 이루는 강의 국부좌굴이 발생할 수 있고, 이를 방지하기 위해 강재로 제작되는 데크 세그먼트(2) 내측에 보강재(예컨대 종방향 및 횡방향 리브 등)가 촘촘히 배치되는데 이에 따라 데크 세그먼트(2)에 의한 사하중(Dead Load)이 증가하기 때문에 케이블(1)과 주탑(3)도 증가된 사하중을 가진 데크 세그먼트(2)에 맞추어 설계하다면 보면 그 크기도 커질 수밖에 없다는 문제점이 있었다.
또한 최대 압축응력은 주탑(3)이 있는 곳(M)에서 발생되는데, 도 1a와 같이, 주탑(3) 부근에서 압축응력의 크기가 서서히 감소하기 때문에 국부좌굴 방지를 위한 보강재 설치가 요구되는 범위(B)도 상대적으로 넓어져 져 보강재 설치에 따른 데크 세그먼트(2) 작업공종이 복잡해진다는 문제점도 있었다.
한편, 아래의 [표 1]은 도 1c와 같이 현수교(Earth Anchored Suspension Bridge)와 사장교(Self Anchored Cable-stayed Bridge)를 만들기 위해서 소요되는 강(steel)의 양을 주경간의 길이(L) 별로 비교한 것이다.
(일반적으로 사장교는 ‘Cable-stayed Bridge’로 불리는데, 본 명세서에서는 본 발명인 ‘Partially Earth-anchored Cable-stayed Bridge’와의 비교를 위해서 ‘Self Anchored Cable-stayed Bridge’라고 표현하기로 하며, 표 1을 검토할 때, 사장교의 케이블에 소요되는 강(Steel)의 단가가 현수교의 케이블에 소요되는 강(Steel)의 단가보다 비싸다는 것과, 현수교의 주경간과 주탑에 소요되는 강의 단가가 사장교의 주경간과 주탑에 소요되는 강의 단가보다 일반적으로 비싸다는 것을 고려해야 한다.)
구 분 케이블에 소요되는 강 주경간과 주탑에 소요되는 강
주경간의 길이(L)
: 1000m		 현수교 7,500t 23,000t
사장교 3,900t 25,000t
주경간의 길이(L)
: 2000m		 현수교 36,000t 55,000t
사장교 19,000t 94,000t
이때 상기 [표 1]에 나타난 바와 같이, 주경간의 길이(L)가 1500m~2000m 사이인 어떤 지점에서 사장교는 현수교에 비하여 경제적으로 매력적이지 못하다는 것을 알 수 있다.
이것은 주경간의 길이(L)가 길어짐에 따라 주경간의 데크 세그먼트에 작용하는 압축응력이 커지고, 이에 따라 주경간의 데크 세그먼트의 단면적이 커져야 하기 때문에 이에 따라 소요되는 자재(강)의 양도 많아지기 때문이다.
이에 최근 큰 폭의 강이나 바다를 가로지르는 장대교량이 많이 건설되고 있는 바, 장대교량으로써 시공되는 사장교에서 주경간의 길이가 길어지더라도 주경간의 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 압축응력의 크기를 줄일 수 있다면 이는 사장교를 경제적으로 시공하기 위해 반드시 필요한 사항임을 알 수 있다.
이에 경제적인 사장교 시공 즉, 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 압축응력의 크기를 줄일 수 있는 방법에 대한 여러 연구가 진행된 바 있는데 도 1d는 이러한 연구에 있어 2006년 Gimsing 교수에 의하여 제시된 방법이다.
즉, 2개의 주탑(3)을 시공하고, 각 주탑의 측경간 쪽으로 설치된 앵커리지(5)와 주탑 상단 사이에 인장 케이블(6)을 일단부를 연결시키고, 상기 인장케이블(6)의 타 단부를 주탑으로부터 주경간 쪽으로 연장하여 주경간 중앙부위에 위치한 중앙부 데크 세그먼트(4)들을 연결되도록 하는 것이다.
이에 상기 인장케이블(6)에 의하여 상기 중앙부 데크 세그먼트(4)들에는 인장응력(T)이 발생하게 됨을 알 수 있으며, 이에 상기 인장 데크 세그먼트(4)들을 제외한 구간(L2)에 인장 데크 세그먼트(4)들과 연결시켜 설치되는 압축 데크 세그먼트들은 케이블에 의하여 압축응력(C)이 발생되기는 하지만 종전과 같이 과도한 압축응력이 발생하지 않음을 알 수 있어 결국 데크 세그먼트들의 단면적을 줄여 경제적인 사장교 시공이 가능함을 알 수 있다.
또한, 이러한 방법은 인장 데크 세그먼트(4)들에 연결되는 인장케이블(6)의 설치량을 증가시켜 작용하는 인장응력(T)을 증가시켜 상대적으로 발생되는 압축응력(C)이 작아지도록 조정 할 수 있음을 알 수 있다.
하지만 이러한 방법은 앵커리지(5)의 시공상에 있어 문제점을 가지고 있다. 즉, 도 1e는 상기 인장케이블(6)이 앵커리지(5)에 고정되는 예를 도시한 것인데, 다수의 인장케이블(6)이 앵커리지(5)에 고정되도록 할 경우 앵커리지(5)에는 상당한 크기의 압축응력이 발생되며 이에 따라 압축응력에 저항하기 위하여 앵커리지(5)의 자중을 증가시켜야 한다.
하지만 이에 따라 앵커리지의 단면도 함께 커져야 하기 때문에 통상은 앵커리지(5)에는 강봉(8)을 이용하여 프리스트레스를 인가하여 앵커리지(5)의 기능을 확보하면서 단면을 되도록 작게 하는 방법이 이용된다.
하지만, 이러한 앵커리지(5)에 프리스트레스를 인가하기 위한 강봉(8)을 이용한다 할지라도 기본적으로 앵커리지(5)의 크기는 상당한 크기로 설치해야 할 뿐만 아니라 강봉(8)과 같은 프리스트레스 작업공종이 수반되므로 시공성 및 작업성이 저하될 수밖에 없으며,
앵커리지(5)를 이용한다고 할지라도 데크 세그먼트는 주경간 중앙부위에 설치되는 데크 세그먼트(4) 이외에는 모두 압축응력이 발생할 수밖에 없으므로, 전체적으로 데크 세그먼트의 단면을 보다 효과적으로 감소시켜 사장교 시공성 및 경제성을 충부히 확보할 수 있는 기술개발의 필요성이 커지게 되었다.
본 발명은 상기 문제점들을 해결하기 위해 고안된 것으로써
본 발명의 목적은 주경간의 일부 타정식 사장교 즉, 주탑으로부터 측경간 쪽으로 설치되는 앵커리지로부터 주경간으로 연장된 인장케이블에 데크 세그먼트를 매달아 설치하여 전체 데크 세그먼트에 발생되는 최대 압축응력의 크기를 감소시키는 사장교 시공방법에 있어서,
특히 최 외측 측경간에 설치되는 데크 세그먼트에 인장응력이 발생되도록 유도하여 주경간 및 측경간에 설치되는 데크 세그먼트의 최대 압축응력의 크기를 보다 효과적으로 감소시켜 보다 경제적인 사장교 시공방법을 제공하는 것이라 할 수 있다.
전술한 바와 같이, 기존의 사장교는 주탑이 있는 곳에서 최대 압축응력이 발생하고 상기 최대 압축응력은 주경간의 길이가 길어질수록 커진다. 이에 따라 주경간의 길이가 길어질수록 주경간의 데크 세그먼트의 단면을 보강하기 위해서 주경간의 데크 세그먼트의 단면이 커지거나 고강도 강(Higher Strength Steel)이 사용되어야 하기 때문에 주경간의 길이가 1500m~2000m를 넘는 경우에는 사장교의 경제성이 떨어진다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서 본 발명에 따른 일부 타정식 사장교는 주경간의 중앙부의 데크 세그먼트에 인장응력이 발생하도록 함으로써 주탑이 있는 곳의 데크 세그먼트에서 발생하는 상기 최대 압축응력을 줄일 수 있는 사장교 시공방법을 전제로 한다. 이에 본 발명에 따른 사장교는 주경간의 길이가 길어지더라도 경제성을 확보할 수 있기 때문이다.
상기 방법에 의한 일부 타정식 사장교는, 예컨대 교축방향으로 이격되어 설치된 제1 주탑과 제2 주탑 사이의 주경간에 설치된 다수의 데크 세그먼트; 제1 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 이격되어 설치된 제1 앵커리지; 제2 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 이격되어 설치된 제2 앵커리지; 주경간의 소정구간에 설치된 데크 세그먼트에 연결되어 인장응력이 전달되도록 설치되는 것으로써, 상기 데크 세그먼트의 일측으로부터 제1 주탑을 경유하여 제1 앵커리지에 고정되고 상기 데크 세그먼트의 타측은 제2 주탑을 경유하여 제2 앵커리지에 고정되는 인장케이블; 및 상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트;를 포함하도록 시공된다.
이에 상기 인장케이블들에 의해서 주경간 소정구간(중앙부)에 설치되는 데크 세그먼트들에는 인장응력이 작용하게 되어 전체적으로 주탑 주위에 발생하는 최대 압축응력의 크기는 상대적으로 작아지게 된다.
이때 본 발명은 상기 인장케이블을 제 1,2 앵커리지에 직접 연결시키지 않고, 최 외측 데크 세그먼트에 직접 고정시키고, 최 외측 데크 세그먼트를 데크고정용 앵커리지의 상부와 고정 연결시켜 인장케이블에 의한 압축응력을 최 외측 데크 세그먼트와 데크고정용 앵커리지의 합성단면에 의하여 저항하도록 하여, 앵커리지의 단면을 최소활 할 수 있도록 한 것이다.
또한 본 발명은 상기 최 외측 데크 세그먼트와 연결되는 인접한 데크 세그먼트와 서로 힌지 연결될 수 있도록 하였다.
이에 상기 힌지연결부(H)에서 압축케이블에 연결된 데크 세그먼트에 작용하는 압축응력이 제로가 되면서 최외곽측 데크 세그먼트에는 인장응력으로 변환되어 최 외측 데크 세그먼트에 인장케이블에 의하여 발생되는 압축응력이 상기 인장응력에 상쇄되도록 할 수 있어, 전체적으로 데크 세그먼트에 작용하는 최대 압축응력을 감소시킬 수 있어 전체 데크 세그먼트의 단면을 감소에 의한 경제적인 사장교 시공이 가능하게 된다.
이에 본 발명에 의한 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교는
주경간의 데크 세그먼트에 인장응력이 발생하도록 함으로써 주탑 주위의 데크 세그먼트에서 발생하는 상기 최대 압축응력을 줄일 수 있는 사장교에 있어서,
교축방향으로 소정 간격으로 이격되어 설치된 제1 주탑과 제2 주탑;
상기 제1 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제1 데크고정용 앵커리지와 상기 제2 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제2 데크고정용 앵커리지;
상기 제1 데크고정용 앵커리지와 제2 데크고정용 앵커리지에 각각 고정 설치된 최 외측 데크 세그먼트;
제1 주탑과 제2 주탑 사이의 주경간에 위치한 데크 세그먼트의 양 끝단으로부터 제1 주탑과 제2 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결된 인장케이블;
상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트; 및
상기 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트 사이의 힌지연결부;를 포함하여 구성된다.
또한 바람직하게는 상기 최 외측 데크 세그먼트외 인접한 데크 세그먼트의 힌지연결은 무브먼트 죠인트(Movement Joint)를 이용하여 데크 세그먼트들을 연결시키거나, 최 외측 데크 세그먼트와 인접한 데크 세그먼트를 내측교각에 상면에 지지되도록 설치하여 가능하도록 하였다.
또한 바람직하게는 본 발명은
(a) 교축방향으로 소정 간격으로 이격된 제1 주탑과 제2 주탑을 각각 설치하고, 제1 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 제1 데크고정용 앵커리지를 설치하고, 제2 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 제2 데크고정용 앵커리지를 설치하는 단계; (b) 상기 제1 데크고정용 앵커리지와 제2 데크고정용 앵커리지에 최 외측 데크 세그먼트를 각각 고정시키는 단계; (c) 상기 제1 주탑과 제2 주탑 사이의 소정 구간에 데크 세그먼트들을 서로 연결하여 설치하되, 상기 소정 구간의 한쪽 끝단에 설치된 데크 세그먼트는 제1 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결되는 인장케이블에 연결하고 상기 소정 구간의 다른쪽 끝단에 설치된 데크 세그먼트는 제2 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결되는 인장케이블에 연결하여 상기 소정 구간의 데크 세그먼트들에는 인장응력이 작용하도록 하는 단계; (d) 상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트를 설치하는 단계; 및 (e) 상기 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 다수의 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 압축케이블 데크 세그먼트를 힌지 연결하는 단계를 포함하는 사장교 시공방법을 제공한다.
또한 바람직하게는 상기 최 외측 데크 세그먼트외 인접한 데크 세그먼트의 힌지연결은 무브먼트 죠인트(Movement Joint)를 이용하여 데크 세그먼트들을 연결시키거나, 최 외측 데크 세그먼트와 인접한 데크 세그먼트를 내측교각에 상면에 지지되도록 설치하는 단계가 더 포함되는 사장교 시공방법을 제공한다.
본 발명에 따른 일부 타정식 사장교 및, 그 시공 공법은 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 주탑 사이의 주경간의 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 최대 압축응력의 크기를 줄임으로써 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 보다 효과적으로 줄일 수 있다.
둘째, 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 줄임으로써 구조강의 소요량을 줄일 수 있기 때문에 경제성을 확보할 수 있다. 따라서 초장대 사장교가 다른 형태의 교량에 비하여 경제성을 가질 수 있도록 하게 된다.
도 1a는 종래 기술에 따른 사장교의 정면도 및 작용하는 압축응력의 형태를 보여주는 응력도,
도 1b는 사장교에서 주경간의 길이(L)와 주경간의 데크 세그먼트에 발생하는 최대 압축응력의 관계를 보여주는 그래프,
도 1c는 종래 일반적인 현수교와 사장교의 정면도,
도 1d는 종래 일부 타정식 사장교의 핵심 시공 순서도,
도 1e는 종래 일부 타정식 사장교의 앵커리지 시공도,
도 2a, 도 2b, 도 2c, 도 2d 및 도 2e는 본 발명에 의한 일부 타정식 사장교의 시공순서도이다.
도 3은 본 발명에 의한 타정식 사장교와 종래 사장교에 사용되는 데크 제작에 필요한 강재량의 비교도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조로 본 발명에 대해서 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 실시예들에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
아래에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 일부 타정식 사장교(100)의 시공과정을 순차적으로 설명하기로 한다. 상기 시공과정을 설명하면서 사장교(100)의 구조도 함께 설명하기로 한다.
본 발명에 있어 사장교(100)는 초 장대 교량으로 설치되는데 1200~2000m 정도를 기준으로 보면 된다.
본 발명에 의한 사장교는 기본적으로 도 2a 내지 도 2e와 같은 방식으로 일부 타정식 사장교로 시공된다.
이러한 방식으로 시공하는 이유는 도 1d와 같이 주경간에 있어 소정구간(중앙부)의 데크플레이트들에 인장응력이 발생할 수 있도록 함으로써 사장교 전체에 있어 최대 압축응력의 크기를 감소시키기 위함이다.
이에 이러한 일부 타정식 사장교의 시공 예를 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 도 2a와 같이, 제1 주탑(111)과 제2 주탑(112)을 소정 거리(L)만큼 이격시켜서 설치하고, 제1,2 데크고정용 앵커리지(113)(114)를 설치한다.
이때, 상기 제1 데크고정용 앵커리지(113)는 제1 주탑(111)을 중심으로 외측 측경간쪽으로 이격된 위치의 지반 또는 수중 위로 돌출되도록 설치되는 철근콘크리트 구조물이라 할 수 있으며, 다양한 형태가 될 수 있다. 물론 이러한 제1 데크고정용 앵커리지(113)는 현장여건등에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있을 것이다.
또한 상기 제2 데크 지지용 앵커리지(114)도 제2 주탑(112)을 중심으로 외측 측경간쪽으로 이격된 위치의 지반 또는 수중 위로 돌출되도록 설치되는 철근콘크리트 구조물이라 할 수 있으며, 다양한 형태가 될 수 있다. 물론 이러한 제1 데크고정용 앵커리지(113)는 현장여건등에 따라 다양한 위치에 설치될 수 있을 것이다.
다음으로는 제1,2 내측 교각(115)(116)을 설치한다. 이러한 내측교각들은 후술되는 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)를 지지할 수 있도록 하기 위함이다.
또한 상기 제1,2 내측 교각(115)(116)은 최 외측 데크 세그먼트(210,220)의 타단부가 교량받침에 의하여 지지되도록 하여 단순지지형태로 힌지연결부(H)의 역할도 하게 된다.
다음으로는 상기 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)를 각각 제1,2 데크고정용 앵커리지(113)(114)와 제1,2 내측 교각(115)(116) 사이에 설치하게 된다.
즉, 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)의 일단부 저면과 제1 데크고정용 앵커리지(113) 상면을 서로 고정시켜 일체화시키게 된다. 이러한 일체화 방식은 다양한 방식을 사용할 수 있다. 예컨대 앵커 체결에 의한 고정방식 등이 사용될 수 있을 것이다.
다음으로는 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)의 일단부 저면은 제1,2 내측 교각(115)(116)의 상면에 교량받침을 이용하여 단순지지형태로 거치되도록 한다.
이때, 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)의 일단부 저면와 제1,2 데크고정용 앵커리지(113)(114)가 서로 일체화되면 외부하중에 대하여 일체로 작용(합성단면화)하기 때문에 합성단면으로써 종래 앵커리지만에 의하여 케이블에 의한 압축응력을 분담하는 것과 대비하여 앵커리지 단면을 획기적으로 줄일 수 있게 된다.
이어서, 제1,2 주탑(111)(112)을 연결하는 임시 로프웨이(Temporary Ropeway)(310)를 설치하고, 임시 로프웨이(310)를 이용하여 인장케이블(320)을 설치한다.
상기 인장케이블(320)은 특히 주경간에 설치되는 데크 세그먼트에 인장응력이 발생하도록 설치되는 것으로써 사장교에 사용되는 케이블을 용도에 의하여 구분한 것이다.
이에 상기 인장케이블(320)을 설치하기 위해서 예컨대 임시 로프웨이(310)를 따라 주행하는 이동장치(330)를 이용하는데, 이동장치(330)를 이용하여 인장케이블(320)을 제1,2 주탑(110)(120)의 중앙으로 이동시킨 후, 이동장치(330)의 하부에 탈착이 가능하도록 장착된 연결부재(340) 양측에 힌지 결합시킨다.
이에 도 2b와 같이 상기 이동장치(330)로부터 분리된 연결부재(340)에 의하여 연결된 인장케이블(320)이 하방으로 쳐지면서 연결될 수 있게 된다.
한편, 인장케이블(320)의 양쪽 끝단은 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)에 각각 고정시키게 된다.
인장케이블(320)을 연결부재(340)의 양측에 힌지 결합한 후, 도 2c와 같이 이동장치(330)를 이용하여 데크 세그먼트(Deck Segment)(410)를 주경간의 중앙으로 이동시켜 연결부재(340)에 결합된 인장케이블(320)이 데크 세그먼트(Deck Segment)(410)에 연결되도록 하여 연결부재(340)를 제거하고,
상기 데크 세그먼트(40)를 설치한 후에는, 도 2d와 같이 데크 세그먼트(410)의 양측에 각각 데크 세그먼트(420)(430)를 미 도시된 이동장치(330)를 이용하여 설치하게 된다.
이때 데크 세그먼트(410)의 일측에 설치되는 데크 세그먼트(420)는 인장케이블(320)에 의해서 최 외측 데크 세그먼트(210)에 연결되고, 데크 세그먼트(420)의 타측에 설치되는 데크 세그먼트(430)는 인장케이블(320)에 의해서 최 외측 데크 세그먼트(220)에 연결된다. 따라서, 데크 세그먼트(410)(420)(430)는 인장케이블(320)에 의해서 양쪽으로 잡아 당겨지기 때문에 인장응력이 작용하게 됨을 알 수 있다.
한편, 도 2d와 같이 제1,2 주탑(110)(120)의 양측으로 각각 데크 세그먼트(440,450)를 설치한다.
제1 주탑(110) 양측의 데크 세그먼트(440)는 압축케이블(350)에 의해서 서로 연결되되, 압축케이블(350)이 발생시키는 수평방향 분력에 의해서 제1 주탑(110) 쪽으로 작용하는 압축응력을 받는다.
제1 주탑(20)에서와 마찬가지로, 제2 주탑(120) 양측의 데크 세그먼트(450)는 압축케이블(350)에 의해서 서로 연결되되, 압축케이블(350)이 발생시키는 수평방향 분력에 의해서 제2 주탑(120) 쪽으로 작용하는 압축응력을 받는다.
이에 도 2e와 같이 제1 주탑(110)의 최 외측 데크 세그먼트(210)와 상기 데크 세그먼트(440)를 다른 데크 세그먼트(460)를 이용하여 서로 연결 시공하고, 제2 주탑(120)의 최 외측 데크 세그먼트(220)와 상기 데크 세그먼트(450)를 다른 데크 세그먼트(460)를 이용하여 서로 연결 시공하는 것에 의해서 최종 본 발명의 사장교(100)가 완성될 수 있다.
이때 각각 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)와 연결되는 데크 세그먼트(460)은 제1,2 내측 교각(115,116)에 의하여 지지되도록 하여 결국 상기 제1,2 내측 교각(115,116)에 의한 힌지 연결부(H)가 형성될 수 있도록 한다.
이에 본 발명에 의한 사장교에서는 데크 세그먼트(410)는 데크 세그먼트(420,430) 사이에 연결되고 데크 세그먼트(420)는 제1 주탑(110)을 경유하는 인장케이블(320)에 의해서 최 외측 데크 세그먼트(210)에 연결되고 데크 세그먼트(430)는 제2 주탑(120)을 경유하는 인장케이블(320)에 의해서 최 외측 데크 세그먼트(220)에 연결된다.
따라서, 데크 세그먼트(410,420,430)는 제1,2 주탑(110)(120)쪽으로 잡아당겨지기 때문에 인장응력이 발생한다.
한편, 데크 세그먼트(440,460)는 제1 주탑(20)을 경유하는 압축케이블(350)에 의해서 서로 연결되고 데크 세그먼트(450,460)는 제2 주탑(120)을 경유하는 압축케이블(350) 의해서 서로 연결된다.
따라서, 데크 세그먼트(440,450,460)에는 압축응력이 발생한다.
제1,2 주탑(20)(21)의 양측으로 데크 세그먼트(440,450,460)를 설치하는 것과 데크 세그먼트(410,420,430)를 설치하는 것은 각각 별개로 시공될 수도 있지만, 동시에 시공되는 것이 시공기간을 줄이기 위해서 바람직하다.
결국 도 2e와 같이 주경간의 중앙부분의 데크 세그먼트(410,420,430)에는 인장응력이 발생하고 제1,2 주탑(110)(120)의 양측의 데크 세그먼트(440,450,460)에는 압축응력이 발생하게 됨을 알 수 있다.
또한, 힌지연결부(H)를 기준으로 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)에도 연식 인장응력이 발생하게 됨을 알 수 있다.
도면에서 'C'는 압축응력을 나타내고, ‘T'는 인장응력을 나타낸다.
이로써, 본 발명은 첫째, 주탑(110)(120) 사이의 주경간의 데크 세그먼트의 단면에 작용하는 최대 압축응력의 도 1d와 대비하여 그 크기를 줄임으로써 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 보다 효과적으로 줄일 수 있게 됨을 알 수 있으며,
둘째, 주경간의 데크 세그먼트의 단면적을 줄임으로써 구조강의 소요량을 줄일 수 있기 때문에 경제성을 확보할 수 있다. 따라서, 초장대 사장교가 다른 형태의 교량에 비하여 경제성을 가질 수 있도록 하게 됨을 알 수 있다.
셋째, 최 외측 데크 세그먼트(210(220)에는 인장케이블(320)이 고정되므로 압축응력이 발생하게 되지만, 이러한 압축응력은 제1,2 데크고정용 앵커리지(113)(114)에 의하여 일체화되어 합성된 최 외측 데크 세그먼트(210(220)에 의하여 저항하게 되므로 앵커리지 단독으로 상기 인장케이블에 의한 압축응력에 저항하는 것과 대비하여 앵커리지 단면을 현저하게 감소시킬 수 있으며,
이러한 압축응력에 대하여 힌지연결부(H)에 의한 인장응력이 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)에 발생되므로 역시 최 외측 데크 세그먼트(210)(220)의 단면과 더불어 주경간 및 측경간에 설치되는 데크 세그먼트(410 내지 460)의 단면도 함께 현저하게 감소시킬 수 있게 됨을 알 수 있다.
이에 정량적인 실험에 의하면 측경간의 길이가 합당한 경우(대략, 측경간의 길이가 주경간 길이(L)의 비가 1:2 또는 1:2.5인 경우)에는 최대 압축응력이 기존의 사장교에 비하여 개략 절반으로 줄어든다.
이때, 무게 증가를 더 줄이기 위해서는 인장케이블 또는 압축케이블에 있어 강케이블(steel cable) 보다 더 큰 강도/밀도 비(a higher strength-to-density ratio)를 가지는 케이블을 사용할 수 있다.
예컨대 탄소 섬유(carbon fibre)로 만들어진 인장 및 압축케이블은 단위 힘당 무게비(weight per force unit)가 강케이블에 비해서 약 1/4이고 고강도 구조강(high strength structural steel)에 비해 약 1/10이다.
이에 탄소섬유 케이블을 사용하는 것은 무게증가를 줄이기 위해서 적절할 뿐만 아니라, 케이블이 데크 세그먼트의 내부에 배치되기 때문에 잘 보호될 수 있고 검사 및 재배치에 편리하다는 장점이 있다.
도 3은 상기 일부 타정식 사장교(100)를 만들기 위해서 소요되는 강(steel)의 양과 종래 사장교(10)를 만들기 위해서 소요되는 강(steel)의 양을 경간(주경간 및 측경간)의 길이에 따라 개략적으로 보여주는 도면이다.
도면에서 실선은 본 발명에 의한 사장교(100)에 대한 것이고 점선은 종래 사장교(10)에 대한 것이며 x축(가로축)은 교량 중앙부로부터의 거리(m)를 나타낸다.
도 3과 같이, 사장교(100)(10)는 주탑이 있는 곳(-700m, 700m)에서 가장 많은 강(steel)이 필요한데, 이것은 주탑이 있는 곳에서 최대 압축응력이 발생하기 때문이다.
그런데, 본 발명에 의한 사장교(100)는 종래 사장교(10)에 비하여 최대 압축응력이 작기 때문에 필요한 강의 양도 사장교(10)에 비하여 현저하게 작음을 알 수 있다
100: 일부 타정식 사장교
111,112: 제1 주탑, 제2 주탑
113,114: 제1 및 제2 데크고정용 앵커리지
115,116: 제1,2 내측 교각
210,220: 최 외측 데크 세그먼트
310: 임시 로프웨이
320: 인장케이블
330: 이동장치
340: 연결부재
410,420,430,440,450,460: 데크 세그먼트

Claims (4)

  1. 주경간의 데크 세그먼트에 인장응력이 발생하도록 함으로써 주탑 주위의 데크 세그먼트에서 발생하는 상기 최대 압축응력을 줄일 수 있는 사장교에 있어서,
    교축방향으로 소정 간격으로 이격되어 설치된 제1 주탑(110)과 제2 주탑(120);
    상기 제1 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제1 데크고정용 앵커리지(113)와 상기 제2 주탑을 중심으로 측경간쪽으로 설치된 제2 데크고정용 앵커리지(114);
    상기 제1 데크고정용 앵커리지(113)와 제2 데크고정용 앵커리지(114)에 각각 고정 설치된 최 외측 데크 세그먼트(210,220);
    제1 주탑과 제2 주탑 사이의 주경간에 위치한 데크 세그먼트(410,420,430)의 양 끝단으로부터 제1 주탑과 제2 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결된 인장케이블(320);
    상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트(440,450,460); 및
    상기 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트 사이의 힌지연결부(H);를 포함하는 것을 특징으로 하는 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교.
  2. 제1항에 있어서, 상기 힌지연결부(H)는 상기 최 외측 데크 세그먼트외 인접한 데크 세그먼트 사이에 무브먼트 죠인트를 이용하여 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트를 연결시키거나,
    압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트를 제1 데크고정용 앵커리지와 제2 데크고정용 앵커리지로부터 주경간쪽으로 이격되어 설치된 내측교각에 상면에 지지되도록 하여 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교.
  3. (a) 교축방향으로 이격된 제1 주탑(110)과 제2 주탑(120)을 각각 설치하고, 제1 주탑(110)을 중심으로 측경간쪽으로 제1 데크고정용 앵커리지(113)를 설치하고, 제2 주탑(120)을 중심으로 측경간쪽으로 제2 데크고정용 앵커리지(114)를 설치하는 단계;
    (b) 상기 제1 데크고정용 앵커리지(113)와 제2 데크고정용 앵커리지(114)에 최 외측 데크 세그먼트(210,220)를 각각 고정시키는 단계;
    (c) 상기 제1 주탑과 제2 주탑 사이의 소정 구간에 데크 세그먼트들을 서로 연결하여 설치하되, 상기 소정 구간의 한쪽 끝단에 설치된 데크 세그먼트는 제1 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결되는 인장케이블(320)에 연결하고 상기 소정 구간의 다른쪽 끝단에 설치된 데크 세그먼트는 제2 주탑을 경유하여 최 외측 데크 세그먼트에 연결되는 인장케이블(320)에 연결하여 상기 소정 구간의 데크 세그먼트들에는 인장응력이 작용하도록 하는 단계;
    (d) 상기 제 1,2 주탑에 설치된 압축케이블에 연결되어 상기 주경간 및 측경간에 설치되는 다수의 데크 세그먼트(440,450,460)를 설치하는 단계; 및
    (e) 상기 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 다수의 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 압축케이블 데크 세그먼트를 힌지 연결하는 단계를 포함하는 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 시공방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 힌지 연결하는 단계는
    상기 최 외측 데크 세그먼트외 인접한 데크 세그먼트 사이에 무브먼트 죠인트를 이용하여 압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트를 연결시키거나,
    압축케이블에 연결되어 주경간 및 측경간에 설치된 데크 세그먼트와 인장케이블에 연결된 최 외측 데크 세그먼트를 제1 데크고정용 앵커리지와 제2 데크고정용 앵커리지로부터 주경간쪽으로 이격되어 설치된 내측교각에 상면에 지지되도록 하여 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 힌지연결부를 이용한 일부 타정식 사장교 시공방법.
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