KDS 설계기준 241442 교량 케이블구조 설계기준

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KDS_교량 케이블구조 설계기준
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케이블교량 설계기준

1. 일반사항

(1) 목적

  • 케이블 및 케이블 연결부재, 케이블 정착 구성요소의 안전성, 사용성, 내구성 확보를 위한 기준

(2) 적용 범위

  • 케이블교량에 사용되는 케이블, 케이블 연결부재, 케이블 정착 구성요소에 대한 설계 규정

(3) 참고 기준

  • KDS 24 12 12 교량 설계하중조합(케이블교량)
  • KDS 24 12 22 교량 설계하중(케이블교량)
  • KDS 24 18 12 교량 내풍 설계기준(케이블교량)
  • KS C IEC 62305 피뢰시스템

(4) 용어의 정의

  • 공칭인장강도(GUTS): 보증극한 인장강도(guaranteed ultimate tensile strength)
  • 다층연선케이블(MLS): 하나의 소선을 중심으로 여러 소선을 나선형으로 감아 다층을 형성한 케이블 (예: 록코일 케이블)
  • 선재: 소선 및 연선의 원재료
  • 소선: 선재를 신선하여 단일가닥으로 만든 제품 (KS 규격에서는 ‘강선’ 또는 ‘와이어’로 부름)
  • 스트랜드로프: 스트랜드를 꼬아 만든 로프 (최근에는 CFRC 로프를 주로 사용)
  • 스파이럴로프: 심선 주변에 여러 층의 소선을 꼬아 만든 로프 (LCR 포함)
  • 실측인장강도(AUTS): 시험체를 직접 인장시험하여 얻은 극한인장강도
  • 연선: 소선을 모아 합쳐서 구성한 제품 (KS 규격에서는 ‘강연선’ 또는 ‘스트랜드’로 부름)
  • 평행강선케이블: 평행소선케이블과 평행연선케이블을 통칭
  • 평행소선케이블(PWC): 주인장재를 소선으로만 구성한 케이블 (수밀성 외피로 감싸고 충전재를 주입하기도 함)
  • 평행연선케이블(PSC): 개별 정착된 연선을 여러 개 묶어서 구성한 케이블 (개별피복 또는 덕트형 외피로 감쌈)
  • A/S(air spinning) 공법: 현장에서 스트랜드를 감아 주케이블을 만드는 공법
  • HDPE: 고밀도 폴리에틸렌 (high density polyethylene)
  • PPWS(prefabricated parallel wire strand) 공법: 공장에서 미리 제작된 평행소선 스트랜드를 사용하는 공법

(5) 기호의 정의

  • = 한 방향 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값
  • = 한 방향 한 차로의 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값
  • = 케이블 설계수명 (년)
  • = 행어의 2차응력 검토 시 행어 휨응력
  • = 행어의 2차응력 검토 시 행어 도입장력
  • = 소선의 0.1% 오프셋 응력
  • = 케이블 설계수명 동안의 설계피로트럭 통과 반복회수
  • = 일정진폭 피로한계값에 해당하는 응력범위 반복횟수
  • = 설계피로트럭 통과 시 발생하는 응력범위에 1.4를 곱한 값
  • = 케이블 공칭피로강도
  • = 케이블의 일정진폭 피로한계값
  • = 피로한계상태에서의 하중계수
  • = 행어의 2차응력 검토 시 행어 꺾임각
  • = 새들 및 케이블밴드와 케이블 사이의 마찰계수

2. 조사 및 계획

(1) 내용 없음

3. 재료

(1) 설계계산에 사용하는 물리상수

  • 케이블용 재료는 KDS 24 00 00의 한계상태설계법을 따르며, 명시되지 않은 사항은 ‘교량용 케이블소재적용지침’을 따름
  • 탄성계수는 표 3.1-1의 값을 사용 (제작사의 제시값이 없는 경우)
  • 설계인장강도 계산 시에는 공칭인장강도(GUTS)를 사용

(2) 케이블 재료

  • 표 3.2-1의 규격 또는 동등 이상의 규격을 따름

(3) 기타 부속물

  • 표 3.2-2의 규격 또는 동등 이상의 규격을 따름

4. 설계

4.1 한계상태

(1) 설계방법 일반

  • 케이블 구조부재는 극한한계상태, 극단상황한계상태, 사용한계상태, 피로한계상태에서 요구되는 조건을 만족해야 함

(2) 사용한계상태

  • 일상적인 사용상태 아래에서 사용성을 만족하도록 설계 및 시공되어야 함
  • 행어 및 사장교 경사 케이블의 진동과 휨변형에 대한 제한 상태

(3) 피로한계상태

  • KDS 24 12 12(표 4.1-1)의 피로한계상태조합과 KDS 24 12 22(4.3.3)의 피로설계트럭하중을 적용하여 검토
  • 피로하중 빈도는 한 방향 한 차로의 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값 을 사용
  • 케이블 공칭피로강도는 식 (4.1-1)로 계산
  • 피로한계상태에 대한 케이블 부재의 저항계수는 1.0을 취함
  • 현수교 주케이블은 별도로 피로 검토를 하지 않음

(4) 극한한계상태

  • 목표하는 수명 동안 사용 중에 극한한계상태조합에 견딜 수 있어야 함
  • 케이블 부재의 계수저항은 공칭인장강도(GUTS)를 기준으로 한 공칭저항에 저항계수를 곱한 값
  • 목표신뢰도지수와 저항수정계수는 KDS 24 10 12를 따름

(5) 극단상황한계상태

  • 최소한의 피해를 허용하나 신속한 복구가 가능해야 함
  • 교량 전체 또는 일부의 붕괴가 발생하지 않아야 함
  • 케이블 부재의 저항계수는 0.95를 취함

4.2 부재 일반

4.2.1 현수교용 케이블

(1) 주케이블의 배열 및 구성

  • A/S 공법 또는 PPWS 공법에 적합한 스트랜드 배열과 소선굵기를 계획
  • 스파이럴로프 또는 스트랜드로프를 사용하는 경우, 스트랜드 변형 및 응력 집중 방지를 위한 계획 수립

(2) 행어의 종류 및 구성

  • 스트랜드로프, 스파이럴로프, PPWS를 주로 사용
  • 진동 발생 가능성에 대한 대비책 필요
  • 병렬 행어 설치 시 인접 행어 간 진동 영향 검토

(3) 주케이블의 정착

  • A/S 공법: 스트랜드 슈에 의해 정착
  • PPWS 공법: 소켓에 의하여 정착
  • 각 공법별 적합한 정착장치 계획
  • 가설 시 장력 또는 길이 조정이 가능한 구조 계획

(4) 행어의 정착

  • 소켓에 의해 정착
  • 행어 소재 특성 반영
  • 행어 길이 조정 가능 구조 계획 (필요 시)

(5) 행어의 휨변형에 의한 2차응력 검토

  • 풍하중이나 활하중으로 인한 변위 차이 발생 시 행어 끝단 휨변형 검토 필요

(6) 주케이블의 방식

  • 적절한 방식 방안 고려
  • 밴드 부분, 새들 부분, 정착 부분 방수 주의

(7) 행어의 방식

  • 행어 종류에 적합한 방식 계획
4.2.2 사장교용 케이블

(1) 정착

  • 각 정착 시스템과 채움재는 공급자가 사양 제공
  • 정착 시스템 성능은 실물 시험으로 검증
  • 설치, 인장작업, 점검을 위한 충분한 공간과 접근로 확보
  • 장력 조정을 위한 별도의 조정장치 설치

(2) 방식

  • 강선 또는 강봉에 대한 방식 계획
  • 사장교 케이블 표면에 대한 방식 계획
  • 복수 이상의 방식을 실시하여 완벽한 방식 설계

(3) 진동저감장치

  • 진동 제어를 위한 진동저감장치 설계
  • 현장에서 성능 평가
  • 가이드튜브 끝부분에 고정장치 설치

(4) 케이블의 휨변형에 의한 2차응력 검토

  • 사용한계상태 하중으로 인한 교축직각방향 변위 발생 시 케이블 정착부 휨변형 검토 필요

4.3 케이블 연결 상세

4.3.1 현수교 시스템

(1) 새들 (Saddle)

  • 주케이블은 주탑 새들과 스플래이 새들을 통과
  • 장력에 의한 연직압력 및 측압 영향 고려
  • 사용한계상태 하중조합에서 미끄러지지 않아야 함
  • 곡률반지름은 주케이블 지름의 8배 이상
  • 와이어의 2차응력 최소화 계획
  • 입구는 각변화 수용 가능한 구조 계획

(2) 케이블 밴드 (cable bands)

  • 행어는 케이블 밴드를 통해 주케이블에 연결
  • 주케이블에 미치는 밴드 내압 영향 고려
  • 사용한계상태 하중조합에서 미끄러지지 않아야 함
  • 체결력은 극한한계상태조합에서 분리하려는 외력에 저항해야 함
  • 유효압력 유지

(3) 스트랜드 슈 (Strand Shoe)

  • 반지름은 소선지름의 50배 이상
  • 로드에는 새그 조정 시 인입 길이 감안
  • 로드는 설치 오차로 인한 휨응력 발생 가능성 고려
4.3.2 사장교 시스템

(1) 정착구 (Anchorage)

  • 케이블 양단은 주탑 상단과 보강형에서 각각 정착구를 통해 연결
  • 케이블 시스템의 역학적 요구성능 만족
  • 장력 전달, 장력조정, 교체 가능
  • 부식에 대한 내구성 확보
  • 물 유입 차단 및 수분 배출
  • 체수 발생 방지

(2) 새들 (Saddle)

  • 주탑 설계와 함께 통합 설계
  • 교체 및 파단 고려
  • 곡률반경은 3m 이상 (스트랜드 하나), 4m 이상 (다수의 스트랜드)
  • 새들 피로시험으로 측압을 받는 케이블의 피로 저항능력 검증
  • 사용한계상태 및 극한한계상태에서 미끄러짐과 프레팅 방지
  • 곡률로 인한 휨응력 반영

4.4 케이블 교체 및 파단

4.4.1 케이블 교체

(1) 검토 조건

  • 해당 케이블에 인접하는 최소 1개 설계차로 통제 조건

(2) 검토 방법

  • 적절한 해석법으로 검토
4.4.2 케이블 파단

(1) 검토 조건

  • 전체 차로에 활하중을 재하하여 수행
  • 케이블 파단에도 교량 안정성 유지

(2) 검토 방법

  • 적절한 해석법으로 검토
  • 시간영역에서의 동적해석이 바람직함
  • 준정적(quasi-static)해석 시 동적증폭계수(DAF) 사용

4.5 피뢰 설비

(1) 일반사항

  • 낙뢰 피해 우려 시 피뢰대책 수립
  • 수뢰부, 인하도선, 접지 등은 KS C IEC 62305 등에 따라 검토

(2) 피뢰설비의 설치

  • 교량 부재에 대한 구조적 영향 최소화
  • 안전 우려 또는 유지관리 문제 발생 시 전문가 검증

(3) 유지관리

  • 설치 시와 동등 수준의 기능과 성능 유지 위한 정기적인 점검
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