시공성 및 경제성을 고려한 사장교 부반력 제어 연구 : 베트남 밤콩 사장교 사례 A Study on Controlling the Negative Reaction of Cable Stayed Bridge Considering Constructability and Economy : Vam Cong Cable Stayed Bridge in Vietnam원문보기
사장교는 다수의 케이블에 의해 지지되어 복잡한 거동을 하는 구조체이며, 측경간 케이블에 의해 단부교각에서 부반력이 발생한다. 이를 해결하기 위해 적절한 측경간비를 설정해야 하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 한다. 부반력 제어 대책으로는 중간교각, 카운터 웨이트 등을 설치하는 방안이 있으며 이에 따라 사장교의 구조계가 결정된다. 밤콩교량은 타당성 검토 단계에서 5경간 사장교로 계획되었다. 하지만 시공성 및 경제성 등의 문제로 실시설계 단계에서 3경간 사장교로 변경되었다. 시공성을 확보하기 위하여 중간교각을 배제하였고, 이에 따른 부반력을 제어하기 위해 측경간비를 증가시켰다. 그 결과, 원안 설계에 비하여 시공성, 구조적 안전성, 효율성을 확보할 수 있었다.
사장교는 다수의 케이블에 의해 지지되어 복잡한 거동을 하는 구조체이며, 측경간 케이블에 의해 단부교각에서 부반력이 발생한다. 이를 해결하기 위해 적절한 측경간비를 설정해야 하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 한다. 부반력 제어 대책으로는 중간교각, 카운터 웨이트 등을 설치하는 방안이 있으며 이에 따라 사장교의 구조계가 결정된다. 밤콩교량은 타당성 검토 단계에서 5경간 사장교로 계획되었다. 하지만 시공성 및 경제성 등의 문제로 실시설계 단계에서 3경간 사장교로 변경되었다. 시공성을 확보하기 위하여 중간교각을 배제하였고, 이에 따른 부반력을 제어하기 위해 측경간비를 증가시켰다. 그 결과, 원안 설계에 비하여 시공성, 구조적 안전성, 효율성을 확보할 수 있었다.
Cable stayed bridge is supported by cables and the negative reaction occurs by cables at anchor pier. To solve this problem, the proper side span ratio and the negative reaction measure of anchor pier are needed. And structural system of cable stayed bridge is determined by solution of the negative ...
Cable stayed bridge is supported by cables and the negative reaction occurs by cables at anchor pier. To solve this problem, the proper side span ratio and the negative reaction measure of anchor pier are needed. And structural system of cable stayed bridge is determined by solution of the negative reaction as installation of the intermediate pier, counterweight and so on. In feasibility study, Vam Cong bridge was planned as 5 span cable stayed bridge. However, it was changed to 3 span cable stayed bridge in detailed design because of constructability and economy. The intermediate pier was excluded in order to improve the constructability, and side span ratio increased to control the negative reaction. As a result, Vam Cong bridge secure constructability, structural safety, and efficiency.
Cable stayed bridge is supported by cables and the negative reaction occurs by cables at anchor pier. To solve this problem, the proper side span ratio and the negative reaction measure of anchor pier are needed. And structural system of cable stayed bridge is determined by solution of the negative reaction as installation of the intermediate pier, counterweight and so on. In feasibility study, Vam Cong bridge was planned as 5 span cable stayed bridge. However, it was changed to 3 span cable stayed bridge in detailed design because of constructability and economy. The intermediate pier was excluded in order to improve the constructability, and side span ratio increased to control the negative reaction. As a result, Vam Cong bridge secure constructability, structural safety, and efficiency.
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문제 정의
그러므로 본 논문에서는 최근 설계된 사장교에 적용된 부반력 제어대책을 비교⋅분석하여 대상교량에 대한 부반력 제어대책을 제시하였다.
제안 방법
(2) 사장교의 구조형식에 맞는 적절한 측경간비 적용하여 부반력을 감소시켰다. 일반적으로 적용하는 값 (0.
타당성 검토 단계에서는 Table 2에 나타낸 바와 같이, 1단계까지는 균형 캔틸레버 공법으로 가설이 진행되지만, 이후 측경간 일괄가설 시 플로팅 크레인과 가설벤트가 필요하게 된다. 대규모 장비 운용, 시공법 변경 및 가시설 구조물 설치 등으로 시공 공정이 복잡해질 수 있으므로, 실시설계에서는 Table 3에 나타낸 바와 같이 내부 중간교각을 배제하여, 사장교 상부구조 전체 공정을 균형 캔틸레버공법으로 일관되게 적용함으로서 플로팅 크레인과 같은 대규모 장비 투입, 가설벤트 설치의 공정을 제거하여 공정을 단순화하였다.
따라서 현장 여건을 만족하는 새로운 부반력 제어 대책을 고려하기 위하여, 교량의 경간계획을 부분적으로 재검토하였다. 부반력 제어 대책으로 Table 1에 나타낸 바와 같이 타당성 검토 단계에서 제안된 측경간비 0.
따라서 현장 여건을 만족하는 새로운 부반력 제어 대책을 고려하기 위하여, 교량의 경간계획을 부분적으로 재검토하였다. 부반력 제어 대책으로 Table 1에 나타낸 바와 같이 타당성 검토 단계에서 제안된 측경간비 0.42 (190m/450m)를 0.467 (210m/450m)로 조정하여 부반력을 감소시키며, 이와 동시에 내부 중간교각을 배제하는 방안을 제시하였다.
초기 케이블 도입장력의 산정을 위해 반복 작업을 수행하여 주탑의 변위 및 부재력과 보강형 모멘트의 최소화, 균등한 케이블 장력 분포를 유도하였고 (Neils J. Gimsing, 1998), 각 시공단계별 가설하중, 시간에 따른 콘크리트의 크리프와 건조수축, 가설벤트 등을 고려하여 시공단계 해석을 수행하였으며, 구조해석 모델은 Fig. 8과 같다.
타당성 검토 및 실시설계에서 계획한 사장교에 대하여 구조해석을 수행하였다. 사용한 구조해석 프로그램은 RM 2006 V9이다 (Bently, 2008).
이론/모형
타당성 검토 및 실시설계에서 계획한 사장교에 대하여 구조해석을 수행하였다. 사용한 구조해석 프로그램은 RM 2006 V9이다 (Bently, 2008).
성능/효과
(1) 내부 중간교각을 배제하여 부반력을 감소시켰으며 또한 구조적 안전성을 확보하였다. 동시에 대형 장비 운용 및 가시설 설치 배제, 측경간의 시공성 향상 등의 시공성 문제를 해결하였다.
그리고 최종 사장교 가설이 완료된 후, 영구하중, 활하중 및 풍하중 등이 작용하는 완성계 상태에서 거더 모멘트는 실시설계에서 부모멘트가 약 49% 감소되어 개선되었지만, 측경간비의 증가로 인한 활하중 모멘트의 증가로 주탑 모멘트는 약 48% 증가하였다. 그러나 전체적인 주탑 안전성에는 문제가 없음을 확인하였다.
하지만 현지 사정상 플로팅 크레인과 같은 대형 장비 수급이 원활하지 못하여 시공성에 문제가 제기되었다. 그리고 측경간 일괄가설에 따른 대규모 가설벤트가 필요하게 되어 가설 공정이 증가하게 되었으며, 해외에서의 대형 장비 도입 및 운용과 대규모 가설벤트 제작에 따른 경제성에도 문제가 있는 것으로 파악되었다. 따라서 중간교각을 배제하는 방향에 대해서 검토의 필요성이 대두되었다.
셋째, 접속교와 강결 연결의 경우, 접속교가 콘크리트 거더교 (Super-T Girder)로서 강합성 I 거더교인 사장교와 구조 형식이 다르기 때문에 불가능하였다. 넷째, 복합 사장교 계획은 일반적으로 박스거더에 적용하는 방법으로, 전체적인 교량계획을 변경해야하는 설계절차 상의 문제점과 측경간에 필수적으로 내부 중간교각이 설치되어야 하는 문제점이 대두되었다.
첫째, 채움 콘크리트 타설은 상부구조가 박스 거더인 경우에만 적용할 수 있다. 둘째, 단부 캔틸레버 구조에 받침을 설치하는 경우 사장교 측경간 단부가 복잡해지고 비대해지며, 받침과 신축이음 등의 유지관리에 어려움이 예상되었다. 셋째, 접속교와 강결 연결의 경우, 접속교가 콘크리트 거더교 (Super-T Girder)로서 강합성 I 거더교인 사장교와 구조 형식이 다르기 때문에 불가능하였다.
케이블 장력의 경우는 타당성 검토와 실시설계에서 큰 차이를 보이지 않았다. 또한 앵커교각과 중간교각에서의 부반력은 실시설계에서 약 70% 감소하여 구조적 안전성이 대폭 개선되었음을 확인하였다.
467로 결정되었다. 또한 접속교를 포함한 전체 교량 연장의 변화없이 사장교와 접속교 경간구성에서 간단한 변경만으로 타당성 검토 대비 공사비를 감소시켜 경제성을 확보하였다.
일반적으로 사장교의 측경간비가 증가할수록 앵커케이블의 강성이 감소하여, 활하중 처짐이나 케이블 교번장력에 의한 피로응력은 구조적으로 불리한 특성을 보이게 된다. 본 논문의 밤콩교량은 측경간비가 0.467로 증가하였으나, 상세한 구조검토 결과, 활하중 중앙경간 처짐은 817mm로 처짐 허용치 1125mm를 만족하였으며, 또한 교번장력에 의한 케이블 피로응력은 20.56MPa 발생하였으나, 응력 허용치 55.00MPa를 만족하였다.
둘째, 단부 캔틸레버 구조에 받침을 설치하는 경우 사장교 측경간 단부가 복잡해지고 비대해지며, 받침과 신축이음 등의 유지관리에 어려움이 예상되었다. 셋째, 접속교와 강결 연결의 경우, 접속교가 콘크리트 거더교 (Super-T Girder)로서 강합성 I 거더교인 사장교와 구조 형식이 다르기 때문에 불가능하였다. 넷째, 복합 사장교 계획은 일반적으로 박스거더에 적용하는 방법으로, 전체적인 교량계획을 변경해야하는 설계절차 상의 문제점과 측경간에 필수적으로 내부 중간교각이 설치되어야 하는 문제점이 대두되었다.
타당성 검토와 실시설계의 시공단계 해석과 완성계 해석 결과를 Table 4, 5에 비교하였다. 시공단계가 완료된 영구하중 상태에서 타당성 검토와 실시설계의 부재력을 비교한 결과, 실시설계에 비해서 상대적으로 타당성 검토에서 측경간비 차이로 인한 불균형력으로 측경간 단부 거더 모멘트와 최외측 케이블 장력 및 주탑 모멘트가 과대하게 발생하였다.
영구하중, 활하중 및 풍하중 등의 사용하중이 재하되는 완성계 해석을 수행한 결과, Fig. 7에 나타낸 바와 같이 내부 중간교각으로 부반력이 분산되었지만, 단부 앵커교각 (13,030 kN)과 내부 중간교각 (8,574kN)에 과도한 부반력이 발생하는 것을 확인하였다. 이는 교량 계획시 측경간비에 따른 불균형력의 절대적인 크기를 고려하지 못한 결과로서, 내부 중간교각 설치 이외에 추가적인 Counter Weight 등의 부반력 대책을 고려한지 못한 구조계획상의 문제점이라 볼 수 있다.
(2) 사장교의 구조형식에 맞는 적절한 측경간비 적용하여 부반력을 감소시켰다. 일반적으로 적용하는 값 (0.42) 을 무조건적으로 적용하였던 타당성 검토에 비해 상세한 검토를 통하여 적절한 측경간비를 결정하였으며, 밤콩 사장교에서의 측경간비는 0.467로 결정되었다. 또한 접속교를 포함한 전체 교량 연장의 변화없이 사장교와 접속교 경간구성에서 간단한 변경만으로 타당성 검토 대비 공사비를 감소시켜 경제성을 확보하였다.
4% 감소하였다. 즉, 사장교 연장이 증가하였지만 접속교의 연장 감소, 중간교각 배제 및 가시설 감소 등의 영향으로 전체 공사비는 타당성 검토에 비하여 증가하지 않은 것으로 검토되었으며, 경제성 측면에서 만족하는 결과를 보이고 있음을 알 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사장교는 어떠한 구조체인가?
사장교는 다수의 케이블에 의해 지지되어 복잡한 거동을 하는 구조체이며, 측경간 케이블에 의해 단부교각에서 부반력이 발생한다. 이를 해결하기 위해 적절한 측경간비를 설정해야 하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 한다.
사장교에서는 무엇에 의해 단부교각에서 부반력이 발생하는가?
사장교는 다수의 케이블에 의해 지지되어 복잡한 거동을 하는 구조체이며, 측경간 케이블에 의해 단부교각에서 부반력이 발생한다. 이를 해결하기 위해 적절한 측경간비를 설정해야 하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 한다.
사장교에서 적절한 측경간비를 설정하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 하는 배경은 무엇인가?
사장교는 다수의 케이블에 의해 지지되어 복잡한 거동을 하는 구조체이며, 측경간 케이블에 의해 단부교각에서 부반력이 발생한다. 이를 해결하기 위해 적절한 측경간비를 설정해야 하고 앵커교각의 부반력 대책을 강구해야 한다.
참고문헌 (8)
Bently (2008), RM USER GUIDE.
Joint Venture of Dasan, Kunhwa and Pyunghwa (2013), Final Report - Central Mekong Delta Region Connectivity Project - Vam Cong Bridge Construction Project, 1-2.
Joint Venture of Dasan, Kunhwa and Pyunghwa (2013), Inception Report - Central Mekong Delta Region Connectivity Project - Vam Cong Bridge Construction Project.
Korea Highway Corporation (2001), A Study on Design and Construction of Cable Stayed Bridges Considering Composite Behavier, 51.
Neils J. Gimsing (1998), Cable Supported Bridges Concept and Design, JOHN WILEY & SONS, 183-304.
Sciencebook (2003), Basic Design Method for Cable Stayed Bridge, 54-69 (in Korean).
TEDI (2011), Statement - Feasibility Study on Vam Cong Bridge and Interconnection Road, 1(9-1-9-17).
Wikipedia (2014), The Free Encyclopedia : List of longest cable-stayed bridge spans, Available at: http://en.wikipedia.org.
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