사장교 보강거더 가설공법

왜 배우는가: 사장교는 가설 단계마다 구조 상태가 달라 가설공법을 모르면 시공 순서와 관리 항목을 답안에 쓸 수 없다. 공법의 분류와 특징을 묻는 문제가 반복해 나오므로 지지 방식과 장비 기준으로 나눠 익혀야 한다.

출제 이력: 제120회 4교시 2번, 제113회 4교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사장교 보강거더 가설공법은 보강거더를 블록 단위로 세우고 사장 케이블로 즉시 지지하며 폐합까지 완성하는 공법이다.

핵심 키워드

• 보강거더: 사장 케이블이 정착되어 하중을 받는 주형이다.
• 사장 케이블: 주탑에서 비스듬히 내려와 보강거더를 지지하는 인장 부재이다.
• 주탑(Pylon): 케이블의 장력을 받아 지지하는 탑 구조이다.
• 캔틸레버 가설: 주탑 양쪽으로 블록을 번갈아 내밀며 세우는 방식이다.
• 벤트식 가설: 가설 지지대로 거더를 받쳐 블록을 연결하는 방식이다.
• 크레인 가설: 크레인으로 블록을 들어 올려 조립하는 방식이다.
• 케이블 장력 관리: 가설 단계마다 케이블 장력과 거더 형상을 맞추는 시공관리이다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 사장교 가설은 상판을 주탑에서 줄로 매달아 한 칸씩 늘려 가는 작업이다. 사장교는 사장 케이블의 인장력과 주탑·보강거더의 휨·압축 강도를 결합한 교량이다. 보강거더는 케이블이 정착된 점에서 탄성적으로 지지되므로, 가설 중에도 케이블이 붙는 위치마다 거더의 지지 상태가 달라진다.

정식으로 보면 보강거더 가설공법은 거더를 블록 단위로 제작·운반·조립하여 케이블과 함께 폐합까지 완성하는 시공법의 총칭이다. 공법은 캔틸레버 전진이나 벤트 지지 같은 지지 방식으로 나뉜다.

가설공법은 두 가지 기준을 합쳐 이름을 붙인다. 하나는 이음을 완성할 때까지 거더를 지지하는 상태이고, 다른 하나는 현장 운반과 블록 조립에 쓰는 크레인 설비다. 예를 들어 자주 크레인차에 의한 벤트식, 케이블 크레인에 의한 캔틸레버식처럼 두 기준을 합쳐 부른다. 이 분류를 알면 공법의 이름만 보고도 지지 방식과 장비 구성을 파악할 수 있다.

공법별 특징은 다음과 같이 정리한다.

• 벤트식: 가설 지지대 위에 거더 블록을 올려 케이블을 설치하는 방식이다. 지지대를 세울 수 있는 평탄한 지형에서 유리하다.
• 캔틸레버식: 주탑 양쪽에서 대칭으로 블록을 내밀며 케이블을 차례로 붙이는 방식이다. 하천이나 해상처럼 지지대를 세우기 어려운 곳에 적합하다.
• 크레인식: 크레인으로 블록을 들어 올려 조립하고 케이블을 함께 가설하는 방식이다. 국내 대형 사장교에서도 작은 거더 블록을 차례로 올리면서 케이블을 동시에 가설한 사례가 있다.

보강거더는 케이블을 한 개씩 붙일 때마다 응력과 형상이 바뀌므로, 가설 단계마다 케이블 장력을 맞추는 관리가 가설공법의 핵심이다. 공법 선정은 교량 형식, 현장의 지형, 환경, 교통로, 가설 시기 조건에 따라 정한다. 다만 표준 흐름도는 안전성, 공기, 경제성을 반영하지 않으므로 실제로는 이 항목을 포함해 비교 검토해야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

사장 케이블 시스템은 1950년대에 이르러 독립된 교량 형식으로 자리 잡았다. 그 뒤 재료와 장비의 개선, 컴퓨터 해석 기법의 발달로 현대 중·장대교량의 대표 형식이 되었다. 사장교는 케이블의 강성과 장력을 조절하여 보강거더에 생기는 휨모멘트를 크게 줄일 수 있어 경제적인 설계가 가능하다.

그런데 보강거더를 주탑 사이에 한꺼번에 세울 수는 없다. 가설 중의 거더는 케이블로 지지되지 않는 구간이 남아 있어 자체 무게와 가설 장비 하중을 견뎌야 한다. 이 때문에 블록을 나누어 세우고 케이블을 단계별로 붙이는 가설공법이 필요해졌다. 깊은 계곡, 유량이 많은 하천, 선박이 다니는 해상에서는 지지대 설치 자체가 어려워 캔틸레버 방식의 수요가 크다.

또 사장교는 부정정 차수가 높아 구조해석이 어렵다고 알려져 있었다. 컴퓨터 해석 기법이 발달하면서 가설 단계별 응력과 변형을 따라가는 해석이 가능해졌고, 그 결과 가설공법의 선택 폭도 넓어졌다. 가설 중 보강거더의 형상과 케이블 장력을 해석 결과와 맞춰 가는 것이 현대 가설공법의 기본 절차다.

마지막으로 공사 기간을 줄이고 교통 통제를 최소화하며 현장 안전을 확보하는 것도 필요성의 한 축이다. 답안에서는 기술적 필요와 현장 조건을 함께 제시하는 것이 좋다.

4. 구성요소·원리·절차

사장교 보강거더는 케이블이 정착된 자리에서 탄성 지지되는 연속 거더다. 그래서 가설 중에는 거더 자중과 케이블 장력이 함께 맞아야 목표 형상에 도달한다. 가설공법은 거더 블록을 무엇으로 들어 올리고 어떤 순서로 이어 붙이며, 케이블을 어떻게 긴장해 형상을 맞출지에 따라 나뉜다.

표의 항목은 가설 단계마다 계측으로 확인하는 대상이다. 케이블 장력은 거더 형상과 함께 조정해야 하며, 한쪽만 맞추면 다른 쪽의 오차가 커진다.

케이블 배치는 주탑 위 정착 방식에 따라 팬형과 하프형으로 나뉜다. 팬형은 케이블이 주탑 한 점에 모여 정착하고, 하프형은 케이블이 평행하게 주탑의 여러 높이에 정착한다. 배치에 따라 블록 한 개를 설치할 때 바뀌는 장력의 분포가 달라지므로 가설 순서를 정할 때 함께 고려한다.

원리는 블록 설치와 케이블 긴장을 번갈아 수행하는 데 있다. 케이블을 먼저 긴장하면 거더 자중이 아직 없어 장력이 과대해질 수 있고, 거더만 먼저 올리면 처짐이 쌓여 이음 위치가 어긋난다. 그래서 블록 하나를 놓을 때마다 케이블 장력을 다시 조정해 이미 설치된 거더의 형상을 목표 곡선으로 되돌린다. 블록 설치와 케이블 긴장을 단계마다 번갈아 수행해 형상을 맞춘다

가설 형상 관리는 이 공법의 핵심 개념이다. 설계 형상과 시공 형상을 비교하는 계측 체계를 함께 두어야 가설이 목표에서 벗어나는 것을 조기에 잡을 수 있다.

절차는 다음과 같다.

• 주탑과 기초를 먼저 완성하고 주탑 기준 좌표를 잡는다.
• 가설 방식을 정한다. 지형, 해상 조건, 크레인 용량, 인접 경간의 구속 조건을 따진다.
• 주탑 근처의 첫 블록을 설치하고 케이블을 정착한다.
• 케이블을 단계별로 긴장해 블록의 위치와 처짐을 확인한다.
• 블록을 순차로 가설하며 4번을 반복한다.
• 마지막 폐합부를 연결하고 최종 장력을 맞춘다.
• 계측으로 형상과 장력을 확인한 뒤 가설을 마친다.

공법마다 장비와 블록 길이가 다르므로 가설 단계별 해석 모델을 따로 만든다. 주탑에서 멀어질수록 캔틸레버 길이가 늘고 처짐 관리가 어려워진다. 그래서 주탑 부근에서는 장력 조정 폭을 작게 잡고, 중간 경간에서는 계측 간격을 촘촘하게 잡는다.

5. 관련 법령·기준·표준

보강거더 가설은 완성 구조의 설계 기준과 시공 중 안전 기준을 함께 따른다. 설계 기준은 가설 단계별 하중과 응력을 검토하게 하고, 안전 기준은 장비와 작업자를 다룬다. 기준의 이름과 적용 범위는 다음과 같다.

기준값은 설계 단계의 하중 조합과 허용치로 정해진다. 가설 단계마다 같은 기준을 다시 적용해 중간 상태에서도 안전을 확인한다. 조항의 세부 값은 현행 법령과 각 기준의 해당 조항을 따른다.

크레인 작업은 산업안전보건기준에 관한 규칙이 정한 양중 기계의 안전 기준을 따르고, 작업 반경별 정격 하중을 넘지 않도록 계획한다. 블록이 주탑에서 멀어지면 같은 장비라도 정격 하중이 줄어드는 점을 함께 검토해야 한다.