제 56회 4번문제 - 사장교의 Stay Cable의 특징, 종류, 정착방법 및 방식방법

토목구조기술사 1998년 제 56회 1교시 4번문제

문제) 사장교의 Stay Cable의 특성, 종류, 정착방법 및 방식방법에 대해 논하시오.

1. 서론

20세기 이후 교량이 장대화하면서 사장재의 Stay Cable을 이용한 사장교 형식이 많이 사용되고 있다. 케이블의 종류는 일반적으로 Locked Coil 케이블, Wire 케이블, Strand 케이블, Bar 케이블로 구분할 수 있으며 이들의 특성, 방식방법, 정착방법을 살펴보면 아래와 같다.

2. 케이블 종류별 구성 및 특징

케이블은 고인장력에 견디기 위한 긴장재 튜브, 구조물에 정착시키기 위한 고정장치, 부식방지를 위한 채움재로 구성되어 있다. 

1) Locked Coil 케이블

- 구성

중앙부에 평행 혹은 나선형으로 꼰 wire core와 그 외곽부에 trapezoidal 혹은 Z형 단면의 wire로 2~4겹의 여러층이 쌓여 여있는 형태

- 특징

(1) 탄성계수(E=1.6x10^6 kg/cm^2), 인장강도는 다른 케이블에 비해서 낮고, 피로저항성도 다른 케이블에 비해 떨어짐

(2) 케이블은 용융된 아연 합금에 의해 정착장치인 steel socket에 연결되므로 현장제작불가

(3) 부식방지의 어려움, 포장 및 운송 고가

- 적용교량 : 독일의 St. Severin교, 프랑스의 St. Nazaire교 등

2) Wire 케이블

- 구성

원형단명의 강성(Φ5-8mm)을 육각형 혹은 원형에 가까운 다발로 평행하게 묶어서 PE tube로 보호

- 특징

(1) 탄성계수(E=2.05x10^6 kg/cm^2), 인장강도는 다른 케이블에 비해서 우수함

(2) 케이블 자체의 피로저항성이 우수하며 Locked Coil 케이블과 달리 Hi-Am socket(Anchor Socket)을 사용하여 정착구에서의 우수한 피로저항성 확보

(3) 가격이 고가이고, 현장제작이 불가능하므로 포장 및 운송비 증가

- 적용교량 : 미국의 Pasco-Kennewick교 등

3) Strand 케이블

- 구성

7-wire strand (Φ15mm)를 평행하게 묶은 다발형태를 이루고 있으며 이를 폴리에틸렌 tube로 보호하고 있는 형태

- 특징

(1) 탄성계수(E=2.04x10^6 kg/cm^2), 인장강도는 다른 케이블에 비해서 우수함

(2) 케이블 자체 및 케이블과 정착구 사이의 피로강도가 우수

(3) 구조용 prestressing strand 정착과 같이 wedge를 사용하여 정착구에 정착, 혹은 Hi-Am anchor socket을 사용

(4) 케이블 제작은 일반적으로 현장에서 조립으로 이루어지며, 가설이 용이하고 가격이 저렴하여 가장 보편적으로 사용됨

- 적용교량 : 프랑스의 Brotonne교,  미국의 Sunshine-Skyway교 등

4) Bar 케이블

- 구성

parallel bar들로 하나의 다발을 구성하고 있으며, spacer에 의해 분리되어 steel이나 PE tube안에 들어가 있는 형태

- 특징

(1) 탄성계수(E=2.04x10^6 kg/cm^2), 인장강도는 다른 케이블에 비해서 우수함

(2) 일반구조용 prestressing bar와 동일한 bar 사용

(3) 케이블과 정착구 사이의 피로에 대한 저항성 약함

(4) anchor plate에 anchor bolt로서 각각의 bar들을 정착시킴

(5) 현장제작 가능

- 적용교량 : 독일의 Donau Metten교 등

 

3. 케이블의 일반적으로 요구되는 특징

1) 유효단면적당 인장강도가 클 것

2) 탄성계수가 클 것

3) 신축특성이 클 것

4) 가설이 용이할 것

5) 피로에 대한 저항성이 클 것

6) 부식방지가 용이할 것

7) 휨이 쉬울 것

8) 가격이 저렴할 것

케이블의 인장강도가 크면 클수록 인장재량의 최소화와 케이블 자중의 감소로 가설의 용이함과 가격면에서 유리하고, 케이블의 높은 탄성계수는 적은 신장량을 유도하므로 구조물 설계시 중요한 역할을 한다. 이를 만족시키는 케이블은 wire케이블과 strand케이블이 있으며 최근 사장교에서는 주로 두종류의 케이블을 사용하고 있다. 또 일반적으로 strand케이블과 grouping방법이 wire케이블의 방법에 피로에 대해 우수한 것으로 알려져 있다.

 

4. 케이블의 부식방지

케이블의 역학적 거동을 영구적으로 지속시키기 위해서는 부식방지가 필수적임

1) grouping방법 (rigid type protection)

- 시멘트 모르터를 튜브안에 주입시켜 케이블과 튜브 외부의 대기를 분리시키므로서 부식을 방지하는 방법

- 케이블이 길고 높은 곳에 가설되는 경우에는 시공이 어렵고 신뢰성이 떨어짐

2) non-grouping방법 (flexibility type protection)

- 긴장재 자체를 각각 도금하는 방법과 튜브 안을 유연성이 큰 채움재, 즉 grease, epoxy tar, wax 등으로 채우는 방법

- 케이블의 모든 방식 작업이 공장에서 이루어지므로 현장에서 가설이 용이하며 신뢰성을 높일 수 있다.

- Strand 케이블을 이용할 경우 각각의 Strand에 대해 부식방지를 하는 경우도 있다.

 

5. 결론

사장교 케이블은 사장교 구조체계를 이루는 가장 중요한 부재로서 교량의 장대화와 경량화, 경제적 시공성 등을 이루기 위해서는 이 케이블에 대한 계속적인 연구와 개발이 지속되어야 할 것으로 판단된다. 또한 케이블의 방식은 grouping방법에서 non-grouping방법으로 전환되어 지고 있다.