사장교와 현수교

왜 배우는가: 사장교와 현수교는 장경간 교량의 대표 형식이며, 구조 원리와 경간 한계, 케이블 역할의 차이를 이해해야 시공과 선택 문제에 답할 수 있다. 두 형식의 비교는 1교시 용어·비교 문제와 3교시 논술 문제에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제103회 3교시 1번, 제94회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

사장교는 주탑에 케이블을 직접 연결해 상판을 지지하고, 현수교는 주케이블이 상판을 행어로 매달아 지지하는 장경간 교량이다.

• 핵심 키워드: 주탑, 케이블, 행어, 주케이블, 앵커리지, 경간장, 타정식, 자정식

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 두 다리 모두 긴 거리를 기둥(주탑)과 줄(케이블)로 떠받치는 다리다. 차이는 줄이 어디에 걸리느냐에 있다. 사장교는 여러 개의 사재(斜材, 케이블)가 주탑에서 상판으로 비스듬히 내려와 상판을 떠받친다. 케이블이 주탑에 직접 연결되므로 주탑이 상판의 수직 하중을 받아 지면으로 전달한다.

현수교는 두 개의 굵은 주케이블이 주탑 꼭대기 위를 넘어 양 끝의 앵커리지에 고정된다. 상판은 주케이블에서 내려온 행어(수직 부재)로 매달린다. 현수(縣垂)라는 이름은 케이블이 아래로 늘어진다는 뜻에서 왔다. 주케이블에는 등분포 연직하중이 작용해 포물선 형상을 이룬다.

정식 정의 측면에서 사장교는 사재 인장을 통해 상판을 지지하는 주탑-케이블-거더 복합계다. 현수교는 주케이블의 인장력으로 상판을 지지하고 그 힘을 앵커리지에 전달하는 구조다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 주탑(Tower): 케이블 힘을 받아 기초로 전달하는 압축 부재다.
• 사재(Stay cable): 사장교에서 상판을 주탑에 연결하는 인장 케이블이다.
• 행어(Hanger): 현수교에서 주케이블과 상판을 잇는 수직 부재다.
• 앵커리지(Anchorage): 주케이블의 인장력을 지반에 전달하는 고정 구조다.

3. 등장 배경과 필요성

교량의 경간이 길어지면 상판을 받치는 기둥이나 보의 휨 부담이 급격히 커진다. 거더교나 트러스교로는 경간에 한계가 생기므로 인장 케이블을 활용하는 형식이 필요해졌다. 현수교는 19세기에 체인 형식의 케이블로 시작했고, 뉴욕 브루클린교(Brooklyn Bridge)에서 강선 케이블을 평행으로 배치한 현대식 주케이블이 처음 쓰였다. 이때 존 로블링(John A. Roebling)이 개발한 에어 스피닝(Air spinning) 공법이 소선 케이블 제작의 기본이 되었다.

사장교는 제2차 세계대전 이후 독일에서 많이 건설되며 널리 알려졌다. 사장교는 현수교보다 케이블 사용량이 적고 앵커리지가 필요 없으며, 상판을 주탑에서 양방향으로 돌출 가설(캔틸레버)하며 시공할 수 있다는 장점이 있다. 이 때문에 중장대 교량에서 현수교와 함께 경간 선택지로 비교된다.

두 형식 모두 긴 경간을 얻기 위해 주탑의 높이와 케이블의 배치가 핵심 설계 변수가 된다. 주탑이 높을수록 케이블이 받는 하중이 작아져 같은 케이블 단면으로 경간을 늘릴 수 있다. 이 원리는 사장교와 현수교에 공통으로 적용된다.

4. 구성요소·원리·절차

사장교와 현수교는 모두 주탑과 케이블로 상판(거더)을 지지하지만, 케이블이 힘을 전달하는 방향이 다르다. 사장교(사장교 케이블, Cable-stayed bridge)는 케이블이 주탑에 직접 연결되어 상판을 사선으로 당기고, 현수교(주케이블, Main cable)는 주케이블이 주탑 정상부를 넘어 양단 앵커에 고정되고 행어가 상판을 매달아 지지한다.

사장교는 케이블의 수직 성분으로 상판을 지지하고, 현수교는 주케이블의 인장력으로 상판 전체를 매단다.

사장교의 힘 흐름은 다음과 같다.

• 상판의 연직 하중은 사장 케이블의 경사 인장력으로 전달된다.
• 케이블의 수평 성분은 상판에 압축력으로 남고, 상판이 이를 받는다.
• 케이블의 연직 성분은 주탑에 압축 하중으로 전달되고, 주탑 기초가 지반에 전달한다.
• 수평력은 상판 내부에서 서로 상쇄되므로 주탑에는 대부분 연직 하중이 남는다.

현수교의 힘 흐름은 다음과 같다.

• 상판 하중은 행어를 거쳐 주케이블에 전달된다.
• 주케이블은 등분포 연직 하중을 받는 인장 부재로 작동하여 포물선 형상을 이룬다.
• 주케이블의 인장력은 주탑 정상부에서 연직 압축으로 바뀌어 주탑 기초에 전달된다.
• 주케이블의 수평 인장력은 앵커(타정식) 또는 거더(자정식)가 지지한다.

사장교 상판은 케이블 지점 사이에서 휨과 축력을 함께 받으므로 상판 단면이 현수교 보강 거더보다 커지는 경우가 많다. 현수교의 보강 거더는 행어 사이 구간의 하중만 지지하면 되어 상대적으로 가볍게 설계된다. 이 차이가 두 교량의 경간 특성에 영향을 준다.

케이블 구성에 대해서는 다음과 같이 정리한다. 현수교 주케이블은 가느다란 소선을 평행으로 배치한 뒤 묶어 제작하며, 제작에는 에어 스피닝 공법을 쓴다. 사장교 케이블은 한 주탑에 여러 개가 연결되며, 배열은 팬형(fan)과 하프형(harp)이 대표적이다.

5. 관련 법령·기준·표준

사장교와 현수교는 「도로교설계기준」 계열의 국가 설계기준과 강구조·케이블 관련 시방에 따라 설계·시공된다. 두 교량 형식을 직접 규정한 세부 수치는 설계 조건과 교량 규모에 따라 달라지므로, 아래 표는 설계 개념에서 널리 쓰이는 기준 항목을 정리한 것이다.

사장교 주탑의 경간 확대 효과는 주탑 높이와 케이블 단면의 관계로 설명한다. 같은 케이블 단면이면 주탑이 높을수록 경간을 늘릴 수 있다. 현수교 주케이블 기준은 설계 세부 수치를 교량별 설계서에서 정한다. 따라서 본 절에서는 수치를 특정하지 않고 구성 원리만 정리한다.

케이블 설계 개념으로는 다음 항목을 함께 검토한다.

• 케이블 인장 응력과 피로 안전율
• 케이블 정착부의 국부 응력
• 주탑 정상부의 편하중 및 안장 설계
• 케이블 부식 방지(방청·보호관) 체계

주탑 높이와 케이블 하중의 관계는 사장교 설계의 핵심이다. 주탑이 높아지면 케이블 경사각이 커져 케이블 장력의 수평 성분이 줄어들고, 상판 압축력이 감소한다.

6. 유형과 비교

사장교와 현수교는 모두 케이블로 상판을 지지하지만 케이블이 힘을 전달하는 방식이 다르다. 사장교는 사재(斜材, stay cable)가 주탑에 직접 연결되어 주탑이 압축을 받고, 현수교는 주케이블(main cable)이 주탑 정상부를 거쳐 양단 앵커리지로 인장력을 전달한다. 이 차이가 경간 한계, 주탑 구조, 앵커 조건을 모두 결정한다.

위 표는 두 교량의 힘 흐름 차이를 한눈에 보여 준다. 사장교는 앵커 없이 자기 평형을 이루고, 현수교는 지반에 큰 수평력을 전달한다.

사장교는 사재의 배치 형태에 따라 팬형(fan), 하프형(harp), 스타형(star)으로 나뉜다. 현수교는 행어 연결 방식과 주케이블 고정 방식에 따라 타정식과 자정식으로 나뉜다. 타정식은 주케이블을 앵커에 고정하고, 자정식은 거더에 고정한다. 대부분의 현수교는 타정식이다.