평행소선·평행연선 케이블

왜 배우는가: 평행소선케이블과 평행연선케이블은 사장교 주케이블과 닐센아치교 케이블의 대표 형식이다. 두 형식의 구조 차이와 부식 방지 방법은 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제에 반복해서 나온다. 케이블 교체와 점검이 가능한 설계 원리도 함께 알아야 한다.

출제 이력: 제120회 1교시 6번, 제115회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

평행소선케이블은 고강도 아연도금 강선을 평행하게 묶은 인장재이고, 평행연선케이블은 연선을 평행하게 묶은 인장재다.

• 평행소선케이블: 소선을 꼬지 않고 축과 나란히 묶어 만든 케이블이다.
• 평행연선케이블: 소선을 먼저 꼬아 연선을 만든 뒤, 연선을 평행하게 묶은 케이블이다.
• 소선: 지름 수 mm의 개별 강선이다.
• 연선: 여러 소선을 나선형으로 꼬아 만든 한 가닥이다.
• 아연도금: 소선 표면을 아연으로 피복해 부식을 늦추는 방식이다.
• HDPE 외피: 케이블 외곽을 감싸는 고밀도 폴리에틸렌 보호관이다.
• 주입재 충전: 그라우트 또는 에폭시를 케이블 내부 공극에 채우는 작업이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 케이블은 가는 쇠줄을 여러 가닥 모아 당기는 줄이다. 평행 계열 케이블은 이 쇠줄들을 꼬지 않고 나란히 세우는 방식이다.

평행소선케이블(Parallel Wire Cable)은 소선을 꼬지 않고 케이블 축과 평행하게 다발로 묶은 뒤, 외주에 감김선을 감아 조이는 케이블이다. 소선은 고강도 강선을 사용하며, 구체적인 지름과 인장강도는 적용 규격에 따른다. 다발 전체가 같은 방향으로 늘어나므로 소선 하나하나가 비슷한 인장력을 나눠 받는다.

평행연선케이블(Parallel Strand Cable)은 소선을 먼저 꼬아 연선으로 만들고, 연선을 평행하게 묶어 한 다발로 만든 케이블이다. 연선 한 가닥은 여러 소선을 꼬아 만들며, 구체적인 구성과 지름은 제작 규격에 따른다. 연선 단위로 설치와 교체가 가능해 현장 취급이 쉽다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 평행배열: 소선 또는 연선이 꼬임 없이 축 방향으로 나란히 놓인 상태다.
• 하중 분담: 다발을 이루는 요소들이 인장력을 고르게 나눠 받는 정도다.
• 정착구: 케이블 끝을 주탑, 보강형, 앵커에 고정하는 장치다.

3. 등장 배경과 필요성

장지간 교량은 주케이블이 받는 인장력이 매우 크다. 단일 강봉이나 단일 강판으로는 이 인장력을 감당하기 어려워, 다수의 강선을 묶는 케이블 방식이 필요해졌다. 현수교의 주케이블에 지름 5.12mm 급 경강선을 묶어 쓰는 이유도 같다. 이 경강선의 인장력은 구조용 강재의 약 4배라고 알려져 있다.

꼬임 연선 구조만으로는 한계가 있다. 소선을 나선으로 꼬면 축 방향 강성이 낮아지고, 소선 사이 응력이 불균일해진다. 평행배열은 꼬임에 따른 강성 손실을 줄여 재료 강도를 효율적으로 쓰게 한다. 정착과 제작도 단순해진다.

이 방식은 사장교 주케이블로 자리를 넓혔다. 사장교의 강구조 최대 지간은 500m 수준으로 소개된다. 닐센아치교의 케이블도 같은 계열의 강선 다발을 쓴다.

사장교 케이블은 교량 수명 전체를 견디도록 설계하지 않는다. 손상 시 점검과 교체가 가능하도록 설계하는 것이 일반적이다. 따라서 케이블 방식은 부식 방지 성능과 교체 용이성을 함께 요구한다. 소선 단위로 부식이 진행되므로 아연도금 감김선, 주입재 충전, 건조 공기 순환 같은 내부 부식 방지 기술이 필요하다. 세부 방법은 4절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

평행소선케이블(Parallel Wire Cable)과 평행연선케이블(Parallel Strand Cable)은 모두 여러 가닥의 강선을 평행하게 모아 인장력만 받도록 만든 케이블이다. 두 형식의 차이는 최소 단위가 소선(wire)인가 연선(strand)인가에 있다. 평행소선케이블은 소선을 공장에서 육각 또는 원형 단면으로 다발을 만들고 외피를 감싼다. 평행연선케이블은 소선 여러 가닥을 미리 꼬아 만든 연선을 평행하게 배열하고 각 연선을 독립적으로 정착한다. 사장교 주케이블에서는 두 방식 모두 인장강도가 큰 고강도 강선을 쓰고, 정착구에서 하중 분담이 고르게 이루어지도록 설계한다.

표의 값은 구조 형식의 일반적 차이를 정리한 것이며, 세부 치수는 제작사 기준에 따른다. 두 방식 모두 인장만 받으므로 케이블은 인장재로서 인장력만 전달한다.

원리는 다음과 같다. 케이블에 작용하는 인장력 T는 케이블 단면적 A와 허용응력 \sigma_{a}의 곱으로 검토한다.

$T \le \sigma_{a} \cdot A$

• T: 케이블 인장력(kN)
• A: 케이블 유효 단면적(mm²)
• \sigma_{a}: 허용 인장응력(MPa)

절차는 다음과 같다.

• 주탑과 거더 사이 케이블 배치 형상과 각 케이블 길이를 정한다.
• 설계하중 조합으로 케이블별 인장력을 구한다.
• 케이블 형식(소선 또는 연선)과 소선·연선 개수를 정해 단면적을 정한다.
• 정착부와 방식 시스템을 설계하고 보수 접근성을 확인한다.
• 시공 중 장력 조정과 완공 후 장력 점검 계획을 세운다.

원형 케이블에서 소선 한 본의 지름을 d, 소선 수를 n이라 하면 케이블 공칭 단면적은 다음과 같다.

$A = n \cdot \frac{\pi d^{2}}{4}$

예를 들어 소선 지름을 d, 소선 수를 n으로 두면 A=n\cdot\frac{\pi d^{2}}{4}이며, 실제 케이블 단면적은 제작 규격에 따른다.

그림 1은 두 케이블 형식의 구성과 방식 흐름을 보인다.

5. 관련 법령·기준·표준

케이블 설계와 제작에는 도로교 설계기준, 강교 설계기준, 케이블 제작 규격이 함께 쓰인다. 법령과 고시의 조항 번호는 확인되지 않아 명시하지 않는다.

인장강도는 강재 규격에 따라 정하며, 실제 적용 값은 해당 규격에 따른다. 외국 기준과의 비교는 이름과 개념 차이만 본다. 평행소선은 다발 전체를 하나의 단위로 다루고, 평행연선은 연선 단위 교체가 가능하다는 개념 차이가 있다. 에폭시는 보호용 코팅재로 사용되며, 그 세부 두께와 시험 방법은 해당 규격을 따른다.

6. 유형과 비교

케이블 소재는 크게 평행소선(Parallel Wire)과 평행연선(Parallel Strand)으로 나뉜다. 두 형식은 소선의 묶음 방식과 공장·현장 제작 방식이 다르다. 이 차이가 강도, 공장 제작성, 현장 시공성, 부식 방지 방식에 영향을 준다.