케이블구조: 인장력만 전달하는 구조

핵심 정리

케이블구조는 인장재인 케이블을 이용하여 지지 구조체에 인장력만 전달하도록 만든 구조이다. 이 구조의 뼈대는 부재가 인장만 맡고 나머지 힘을 지지 구조체로 흘려보내는 데 있다. 설계자는 이 힘의 흐름을 먼저 떠올려야 힘의 경로와 부재의 역할을 정확히 잡을 수 있다. 넓은 간격을 가볍게 건너는 데 유리하다는 점이 이 구조가 쓰이는 이유로 꼽히지만, 그 장점은 부재가 인장만 받는다는 전제에서 성립한다.

케이블 부재는 원칙적으로 인장력에만 저항하는 선형 탄성부재로 가정한다. 이 가정이 있어야 부재의 응력을 인장 한 방향으로 놓고 풀 수 있고, 휨 모멘트를 단면에서 따지는 일반 보의 계산 방식을 그대로 가져올 수 없다. 그러므로 케이블 부재의 휨 강성에 기대어 하중을 지지한다고 보면 요건과 어긋난다.

케이블구조의 형상은 케이블 장력분포와 관계가 깊어 초기형상해석을 수행한다. 형상을 먼저 정하고 그 형상에서 장력이 어떻게 분포하는지를 확인하는 순서가 된다. 형상이 정해지기 전에는 부재의 응력을 확정할 수 없으므로, 초기형상 단계가 설계의 출발점이 된다.

이 구조는 다른 구조 형식과 힘의 성격을 대비하여 이해하면 빠르다. 아치와의 관계와 케이블을 지지하는 기둥의 휨은 뒤에서 따로 다루며, 여기서는 케이블구조가 지지 구조체와 힘을 주고받는 큰 틀만 잡는다. 재료 판단은 구조 전체 판단과 따로 보아야 하므로, 두 판단을 섞지 않도록 주의한다.

자세히

인장 전용 부재와 휨 저항

케이블은 휨 부재가 아니라 인장력만 전달하는 부재이다. 휨 저항이 작다는 것은 케이블이 굽힘으로 힘을 받는 대신 늘어나는 방향의 힘만 받는다는 해석이 이 구조의 바탕이라는 뜻이다. 보와 나란히 놓고 보면 보는 휨을 받고 케이블은 인장을 받는다는 대비가 선명해진다. 그래서 설계와 시공은 케이블구조를 휨응력이 아니라 인장응력만 받도록 잡는 방향으로 진행된다. 이 차이를 놓치면 케이블을 보처럼 계산하는 실수를 하게 된다.

기둥에 생기는 휨모멘트

케이블구조에서 케이블을 지지하는 기둥에는 휨모멘트가 유발된다. 케이블 부재가 인장만 받는다고 해서 그것을 붙잡는 기둥까지 휨이 없다고 볼 수는 없다. 케이블이 기둥에 가하는 힘이 기둥 몸체에서 휨으로 나타나므로, 기둥은 휨과 축력을 함께 받는 부재로 검토해야 한다. 이 점은 케이블 부재와 지지 기둥을 한 부재의 성질로 뭉뚱그려 판단하지 않게 해 준다.

아치구조와의 대비

케이블구조는 아치구조와 반대의 개념이다. 아치는 압축력을 주로 받아 힘을 흐르게 하고, 케이블은 인장력으로 힘을 받는다는 점에서 힘의 성격이 정반대다. 비교할 때는 부재가 압축과 인장 중 무엇을 받는지를 기준으로 두고 정리하면 된다.