엑스트라도즈드교·사장교

왜 배우는가: 엑스트라도즈교는 사장교와 PSC 박스거더교 사이에 놓인 중간 형식이라, 두 구조의 차이를 정확히 구분해야 정답을 쓸 수 있다. 기술사 시험에서는 사장교와의 비교형으로 반복해서 출제되므로 개념 정의와 구조 차이를 함께 익혀 두어야 한다.

출제 이력: 제119회 2교시 4번, 제64회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

엑스트라도즈교는 주탑이 낮고 케이블이 거더의 긴장 역할을 보조하는 케이블 지지형 교량이다.

핵심 키워드

• 엑스트라도즈교: 사장교와 외형이 비슷하지만 주탑이 낮고 거더가 주 하중을 부담하는 교량.
• 외부 긴장재: 케이블을 설계상 사장재가 아닌 상부로 편향된 외부 긴장재로 다루는 개념.
• 주탑 높이비: 주탑 높이를 경간 폭으로 나눈 비율. 엑스트라도즈교는 이 값이 작다.
• 케이블 분담률: 활하중 중 케이블이 받는 비율.
• 거더 강성: 거더가 하중을 직접 받아 분배하는 휨 강성.
• 개방창(open window): 주탑 측면에 케이블이 없어 넓게 비는 영역.
• 사장교: 케이블이 주재로서 거더를 직접 지지하는 교량.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 엑스트라도즈교는 거더교 위에 케이블을 얹어 낮은 주탑으로 보강한 다리다. 케이블이 거더 위쪽으로 휘어 있어 긴장재처럼 작용한다.

정식 정의는 다음과 같다. 엑스트라도즈교는 프리스트레스트 박스거더교와 사장교의 주요 요소를 결합한 구조다. 케이블은 설계상 external prestressing tendons로 취급되며, 이 케이블이 상부구조의 상한선을 정한다. 이름은 아치의 바깥 곡선인 extrados에서 왔다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 외부 긴장재는 거더 밖에 설치되어 상부로 편향된 긴장재다. 이 케이블은 거더 단면과 함께 상부구조의 일부로 남는다. 케이블 분담률은 활하중 중 케이블이 받는 비율이다. 사장교에서는 이 값이 크고 엑스트라도즈교에서는 작다. 거더 강성은 거더가 하중을 직접 받아 주변 케이블로 나누는 능력이다.

두 구조의 차이는 하중을 누가 받느냐에 있다. 사장교는 케이블이 연직하중을 대부분 받는다. 엑스트라도즈교는 거더가 주 하중을 받고 케이블은 보조 역할을 한다. 엑스트라도즈교는 케이블 부담이 상대적으로 작고, 사장교는 케이블이 하중을 주로 부담한다. 주탑 높이는 낮다.

케이블의 기울기도 다르다. 엑스트라도즈교 케이블은 완만한 각도로 거더 위에 놓이므로 거더를 수평 방향으로 압축하는 효과를 낸다. 이 효과는 콘크리트 거더 내부의 프리스트레싱 강선과 비슷한 기능이다. 따라서 엑스트라도즈교는 단면 높이를 얕게 유지하면서도 긴장 효과를 얻을 수 있다.

주탑의 지지 방식도 다르다. 현수교와 사장교의 주탑은 기초 위에 서는 경우가 많다. 반면 엑스트라도즈교의 주탑은 거더 위에 놓여 거더와 강하게 결합되는 경우가 많다. 이 결합 방식이 주탑을 낮게 만들 수 있는 구조적 이유가 된다.

3. 등장 배경과 필요성

장경간 교량 수요가 늘면서 기존 형식의 한계가 드러났다. PSC 거더교는 경간이 길어지면 거더 높이와 자중이 커진다. 사장교는 경간을 늘릴 수 있지만 주탑이 높고 케이블 장력이 크다. 시공이 어렵고 진동에도 민감하다. 엑스트라도즈교는 이 두 형식의 중간 영역을 메우기 위해 등장했다.

첫 엑스트라도즈교는 스위스의 Ganter Bridge와 Sunniberg Bridge로 알려져 있다. 미국의 첫 사례는 Pearl Harbor Memorial Bridge로, 코네티컷주 New Haven에서 2012년 6월에 개통했다. 두 사례 모두 케이블을 거더 보강에 활용하는 방향으로 설계되었다.

필요성은 두 가지 조건에서 커진다. 첫째, 교량 하부 여유고를 확보하려면 거더를 얕게 만들어야 한다. 둘째, 항공 안전 제약으로 주탑 높이를 낮춰야 하는 경우가 있다. 엑스트라도즈교는 두 조건을 함께 만족시킨다. 주탑 높이를 낮추면서 거더 강성으로 하중을 나누는 것이 핵심이다.

경제성과 시공성도 배경이다. 엑스트라도즈교는 사장교보다 주탑이 낮아 시공 난이도가 낮다. 케이블 장력이 줄어 진동 문제도 완화된다. 이 장점 때문에 도로교뿐 아니라 철도교에도 적용 검토가 이루어진다.

따라서 엑스트라도즈교는 사장교의 대체 형식이 아니라 중간 경간에서 거더교와 사장교의 장점을 조합한 형식으로 이해해야 한다. 이 관점이 답안의 비교 설명에서 가장 중요한 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

엑스트라도즈교와 콘크리트 사장교는 주탑과 경사 케이블을 쓴다는 점은 같지만, 하중을 나누는 방식이 다르다. 사장교는 케이블이 주 지지재이고, 엑스트라도즈교는 거더가 주 지지재이며 케이블은 거더를 보강하는 외부 긴장재 역할을 한다. 이 차이 때문에 주탑 높이, 거더 강성, 케이블 배치가 모두 달라진다.

사장교는 케이블이 연직하중을 거의 모두 받으므로 케이블 장력이 크다. 엑스트라도즈교는 거더가 연직하중을 주로 받고, 케이블은 경사 케이블의 수평분력으로 거더에 압축력을 준다. 케이블 장력 T, 경사각 \theta라 하면 수평분력 H = T\cos\theta, 연직분력 V = T\sin\theta이다. 경사각이 작을수록 같은 장력에서 H가 커져 거더 압축 효과가 커지고, 주탑 높이는 낮아도 된다.

케이블이 부담하는 활하중 비율은 다음과 같이 정의한다.

$\eta = \frac{\sum V_{c,i}}{P_{L}}$

여기서 \eta는 케이블 부담률, V_{c,i}는 i번째 케이블의 연직분력(kN), P_{L}은 상부 활하중의 합(kN)이다. 사장교에서는 케이블이 활하중을 주로 부담하고, 엑스트라도즈교에서는 케이블 부담이 상대적으로 작다. 케이블 부담이 작을수록 거더 강성이 커야 하고, 거더 단면 설계가 우선된다.

엑스트라도즈교는 케이블 부담률이 낮아 거더 강성과 주탑 저높이가 설계의 출발점이 된다.

엑스트라도즈교의 일반적인 시공 절차는 다음과 같다.

• 기초와 교각을 시공한다.
• 주탑을 시공하고 거더와 일체로 연결한다.
• 주탑 양측에서 거더를 캔틸레버 방식으로 가설한다.
• 케이블을 설치하고 1차 긴장을 가한다.
• 단계별로 긴장력을 조정해 목표 형상과 응력을 맞춘다.
• 완성계 처짐과 응력을 검토하고 마감한다.

사장교는 케이블을 먼저 설치하고 거더를 케이블에 매달아 가설하는 경우가 많다. 엑스트라도즈교는 거더 자체가 주 지지재이므로 거더 가설과 프리스트레스 도입 순서가 설계의 핵심이다. 답안에는 두 교량의 하중 전달 경로를 나란히 그리고, 케이블 부담률 차이를 수식과 함께 적는 것이 효과적이다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 개념을 규정하는 국내 법령은 「도로법」과 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」이다. 교량의 설계 하중과 한계상태 검토는 국내 도로교 설계기준(한계상태설계법)을 따른다. 사장교와 엑스트라도즈교 전용 설계 조항은 별도로 제정된 기준이 없고, 일반 도로교 기준과 케이블 설계 지침을 함께 적용한다. 케이블 제작·시험 기준은 해외 권고서(PTI 케이블 설계·시험·설치 권고서)를 참고하는 경우가 많다.

위 표의 부담률은 자료에 따라 차이가 있다. 교육 자료는 엑스트라도즈 케이블 부담률을 하나의 값으로 제시하지만, 해외 문헌은 범위로 적는다. 답안에는 정량값을 단정하지 않고, 설계 사례에서는 실제 해석 결과를 근거로 한다. 사장교 최대 경간 값은 옛 기술 자료에 따른 것이므로 최신 기준과 다를 수 있다. 엑스트라도즈교의 최초 적용 사례로는 스위스의 Ganter Bridge와 Sunniberg Bridge가 자주 언급된다.