KDS 설계기준 241442 교량 케이블구조 설계기준

2024년 07월 21일 건설엔지니어

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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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