사장현수교

왜 배우는가: 사장현수교는 사장교와 현수교의 장점을 결합한 교량 형식으로, 긴 경간 교량 설계에서 하중 분담 방식을 이해하는 데 필요하다. 두 형식의 차이를 묻는 문제가 시험에서 반복해서 출제되므로 구조 원리와 비교 기준을 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제129회 1교시 7번, 제111회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 사장현수교는 주탑에서 나온 사장재(斜張材)와 주케이블·행어로 상판을 함께 지지하는 복합 지지 방식의 교량이다.

핵심 키워드

• 사장현수교(Cable-stayed Suspension Bridge)
• 사장재(Stay Cable)
• 주케이블(Main Cable)
• 행어로프(Hanger Rope)
• 보강형(Stiffening Girder)
• 주탑(Tower)
• 앵커리지(Anchorage)
• 하중 분담(Load Sharing)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 다리 상판을 줄(케이블)로 매다는 현수교와 탑에서 비스듬히 당기는 사장교를 한 다리에 섞은 것이다. 주경간 중앙부는 현수교 방식의 주케이블이 받치고, 주탑 가까운 부분은 사장재가 직접 당겨 받친다.

정식 정의는 다음과 같다. 사장현수교(CSS bridge)는 현수교의 주케이블 구조와 사장교의 사장재 구조를 함께 사용하여, 상판 하중을 주탑과 앵커리지로 전달하는 교량 형식이다. 현수교는 경간 중앙부 하중 처리에 유리하고, 사장교는 주탑 근처 하중 처리에 유리하다는 특성을 결합한 것이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

주케이블은 주탑 사이에 걸려 경간 중앙부 하중을 주탑과 앵커리지로 보내는 대형 케이블이다. 사장재는 주탑에서 상판으로 직접 비스듬히 연결되는 케이블이다. 사장재는 수직 하중을 받으면서 상판에 수평 압축을 준다.

보강형은 상판 역할을 하는 거더로, 사장재와 행어가 전달하는 힘을 받아 휨에 저항한다. 사장교와 달리 현수교 특성상 경간 중앙부 처짐을 줄이는 기능이 강조된다.

3. 등장 배경과 필요성

사장교는 경간이 길어질수록 사장재 각도가 완만해져 사장재 장력이 커지고, 상판의 압축력도 증가한다. 현수교는 긴 경간에 유리하지만 주케이블과 앵커리지 규모가 커져 경제성이 떨어진다. 두 형식의 한계를 보완하려는 요구에서 두 구조를 결합한 형식이 제안되었다.

위키백과 자료에 따르면, 이스탄불의 Yavuz Sultan Selim 교량과 뉴욕의 Brooklyn 교량 사례가 복합 설계 아이디어로 소개된다. 또한 인도 Krishna 강의 교량도 사장현수교 설계로 2022년 10월 승인되었다고 기록되어 있다. 이 사례들은 중·장경간에서 두 형식의 장점을 함께 살리려는 흐름을 보여 준다.

또 사장교는 현수교보다 경간 범위가 좁은 중간 범위에서 최적이라는 설명이 있다. 사장현수교는 이 범위 위쪽 경간에서 두 형식을 절충하는 선택지로 검토된다.

4. 구성요소·원리·절차

사장현수교(Cable-stayed suspension bridge)는 주탑에서 사재(斜材)로 주형을 지지하는 사장교 구조와, 주케이블이 주탑 사이를 늘어져 주형을 매다는 현수교 구조를 결합한 형식이다. 두 구조의 장점을 취해 중앙부 하중은 현수교 방식으로, 주탑 근처 하중은 사장교 방식으로 분담시킨다. 즉 하이브리드 지지 방식이 이 교량의 핵심 원리다.

구성요소는 다음과 같다.

사장 방식은 사재가 주탑에서 주형으로 직접 뻗어 주형을 지지한다. 이때 사재의 경사 성분이 주형에 수평 압축력을 준다. 현수 방식은 주케이블이 수직재로 주형을 매달아 중앙부 하중을 주탑과 정착부로 넘긴다. 두 방식의 힘 흐름이 달라서, 설계에서는 주탑에 가해지는 수평력이 서로 상쇄되도록 조정한다.

원리는 다음 순서로 정리된다.

• 차량 하중이 주형에 작용한다.
• 주탑 근처 하중은 사재를 통해 주탑으로 직접 전달된다.
• 중앙부 하중은 행어를 거쳐 주케이블로 전달된다.
• 주케이블의 인장력은 주탑 정상부의 안장과 정착부를 통해 지반으로 흐른다.
• 주탑에는 주로 수직 압축이 남고, 수평력은 상쇄된 상태에서 활하중에 의한 변동분만 받는다.

사장 방식과 현수 방식을 경간 구간별로 나누어 하중을 분담시키는 구조다

5. 관련 법령·기준·표준

사장현수교는 국내 설계 기준에 독립된 조항이 있는 형식이 아니다. 사장교와 현수교 각각의 설계 원칙을 조합하여 적용한다. 따라서 기준값은 두 형식의 기준에서 가져오며, 교량 형식 판정은 설계기준의 교량 형식 분류 규정에 따른다. 대표적인 적용 기준은 다음과 같다.

기준 수치는 설계 조건과 해당 기준 개정본에 따라 달라진다. 특히 케이블 안전율은 설계 기준 개정으로 바뀔 수 있으므로 답안에는 기준 이름과 함께 쓴다.

연혁은 다음과 같다. 사장교와 현수교의 설계 방식을 함께 쓰는 하이브리드 형식은 기존 설계 체계에서 별도 조항 없이 취급되어 왔다. 교량 설계 기준이 한계상태설계법으로 전환되면서 두 형식의 하중 조합을 통합 검토하는 방식이 정착되었다.

사재 경사각 같은 세부 배치값은 교량별 설계로 정해지므로 기준값으로 외우지 않는다.

6. 유형과 비교

사장현수교는 주탑 사이에 주케이블을 걸고 그 케이블에서 행어로 상판을 매다는 현수교 구조와, 주탑에서 사재(斜材)로 상판을 직접 지지하는 사장교 구조를 함께 가진 혼합형 교량이다. 구조 형식에 따라 하중 전달 경로가 달라지므로 두 형식과 나누어 비교해야 한다.