장경간 교량 형식

왜 배우는가: 장경간 교량 형식은 대경간 도로교와 철도교 설계에서 형식 선정의 기준이 되며, FCM·ILM·사장교·엑스트라도즈드교가 매 회차 비교 문항으로 반복 출제된다. 형식별 구조 개념과 하중분담, 형고비를 구분해 설명하지 못하면 교량 설계안 비교 문항에서 감점된다.

출제 이력: 제111회 2교시 6번, 제68회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

장경간 교량 형식은 주탑과 케이블, 또는 거더의 단면 형태로 큰 경간을 효율적으로 지지하는 교량 구조형식의 총칭이다.

• 장경간 교량
• PSC 박스거더교
• 엑스트라도즈드교
• 사장교
• 하중분담
• 형고비
• FCM 공법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 다리가 길어질수록 자기 무게를 어떻게 줄이고, 하중을 어디로 보낼지 정하는 방법이 형식이다. 같은 경간이라도 거더만으로 버티면 단면이 깊어지고, 케이블과 주탑을 쓰면 거더 높이를 낮출 수 있다.

정식 정의는 다음과 같다. 장경간 교량 형식은 거더(휨 부재), 주탑(압축 부재), 케이블(인장 부재)의 역할 분담에 따라 나뉘는 구조형식이다. 이 분담이 형고비와 가설공법을 함께 결정한다.

PSC 박스거더교는 프리스트레스로 휨을 저항하는 상자형 단면 교량이다. 경간이 늘면 자중이 커져 가설 중 캔틸레버 공법(FCM, Free Cantilever Method)이나 이동지보공 공법(ILM, Incremental Launching Method)이 쓰인다. 중경간에서 가장 널리 쓰인다.

엑스트라도즈드교는 PSC 박스거더의 편심을 키우기 위해 케이블을 거더 밖(상부 외측)에 배치한 교량이다. 외형은 사장교에 가깝지만 하중은 주로 거더가 받는다. 케이블은 편심 프리스트레스 역할을 한다. 이 점이 사장교와 가장 큰 차이다.

사장교는 주탑에서 여러 케이블로 거더를 직접 매달아 지지하는 형식이다. 케이블이 연직하중을 대부분 분담하므로 거더 높이를 크게 줄일 수 있다. 대신 주탑 높이와 케이블 응력 관리가 중요하다.

핵심 용어는 다음과 같이 구분한다. 하중분담은 연직하중을 거더와 케이블이 나눠 받는 비율이다. 형고비는 경간 대비 거더 높이의 비다. 이 두 값이 형식 비교의 기준이 된다.

3. 등장 배경과 필요성

교량 경간이 커지면 자중이 하중의 큰 비중을 차지한다. 단순보나 연속보로는 경간 증가에 따라 단면이 기하급수적으로 커진다. 이 한계를 넘기 위해 프리스트레스 기술과 케이블 기술이 결합되었다.

프리스트레스 기술과 캔틸레버 가설 공법의 발전으로 PSC 박스거더의 장경간화가 가능해졌다. 엑스트라도즈드교는 케이블 교량과 PSC 박스거더교의 구조적 특성을 결합한 형식이다. 사장교는 경간을 더 키우는 수단으로 쓰였다.

형식 선정의 필요성은 세 가지다. 첫째, 경간 길이에 따라 경제성이 달라진다. 둘째, 주변 환경과 净空(교하 여유, 항공 제한)에 따라 주탑 높이와 거더 높이가 제약된다. 셋째, 가설 장비와 공기 조건이 형식을 결정한다. 평면 계곡을 건너는 도로교에서는 이 세 조건을 함께 검토해야 한다.

중경간 엑스트라도즈드교는 대략 100~200m 경간에 적용 가 일반적으로 알려진 범위다. 정확한 적용 범위는 설계기준과 현장 조건에 따라 달라진다.

4. 구성요소·원리·절차

장경간 교량 형식은 주부재의 구조 역할에 따라 세 가지 축으로 나뉜다. 거더의 휨강성이 하중을 지지하는 방식, 케이블이 하중을 분담하는 방식, 주탑이 케이블 힘을 받는 방식이 서로 다르다. 세 형식의 차이는 아래 구성요소 표에서 먼저 정리한다.

표 설명: FCM 박스교는 케이블이 없다. 거더 자체가 전 하중을 지지하며 케이블 항목은 해당이 없다. 엑스트라도즈드교는 거더가 주 하중을 받고 케이블은 편심 보강 역할을 겸한다. 사장교는 케이블이 연직하중의 대부분을 받으므로 주탑 높이와 케이블 장력이 크다.

하중 전달 원리: 교량 자중과 활하중은 거더 → 교각(또는 주탑) → 기초로 흐른다. 사장교에서는 케이블 연직분력이 거더 하중을 주탑으로 끌어올린다. 엑스트라도즈드교에서는 케이블의 경사가 완만해 연직분력이 작고, 대신 거더에 축압축력을 주어 휨모멘트를 줄인다. 이 축방향 압축은 내부 긴장재와 같은 역할을 한다.

엑스트라도즈드교는 케이블 하중분담이 작아 거더 강성을 키워야 하는 PSC 거더교 계열이다.

도식: 하중 전달 흐름

절차 (FCM 박스교 가설 순서)

• 주두부(pier table) 시공 후 주탑 없이 교각 위에 작업대를 설치한다.
• 세그먼트를 양측으로 대칭 施工(시공)하며 캔틸레버를 전진시킨다.
• 세그먼트마다 강선을 긴장해 프리스트레스를 도입한다.
• 중앙 폐합부(closure)를 시공해 연속 구조로 완성한다.

엑스트라도즈드교는 거더를 먼저 세우고 케이블을 단계적으로 긴장한다. 케이블 장력 조정은 시공 단계별 해석으로 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

장경간 교량의 직접 설계 기준은 도로교설계기준(한계상태설계법)과 도로교 설계기준 해설이다. 두 기준은 KDS 24 계열 코드 체계로 관리된다. 아래 표는 확실히 확인된 값을 중심으로 정리했다. 기준 번호와 세부 조문은 원문을 따른다.

표 설명: 사재 허용응력 값은 사판식과 사장외케이블식을 구분해 적용한다. 두 값은 같은 기준의 다른 조건이므로 혼용하지 않는다. 연직하중 분담 30%와 주탑 높이 비율은 외국 자료와 국내 설명 자료에서 나온 값이므로 설계 적용 전 원 기준을 확인한다.

70% 와 60% 는 사재 허용응력의 기준 비율이며, 설계 시 해당 기준 원문의 조항을 찾아 쓴다. 국내 설계기준의 조항 번호는 확인되지 않아 본문에 쓰지 않는다.

개정 연혁: 도로교 설계기준은 한계상태설계법으로 전환된 이후 해설과 함께 갱신되고 있다. 구체적 개정 내용은 이 자료에서 확인되지 않는다.

6. 유형과 비교

장경간 교량 형식은 주탑과 케이블, 거더의 역할 분담에 따라 나뉜다. 세 형식은 하중분담과 형고비가 가장 뚜렷하게 갈린다. 아래 표는 FCM P.S.C Box교, Extradosed교, Cable-Stayed교의 기본 특성을 비교한 것이다.