KDS24 14 42 교량 케이블구조 설계기준
“
1. 일반사항
1.1 목적
(1)이 기준은 케이블 및 케이블 연결부재와 케이블의 정착에 적용되는 구성요소의 안전성, 사용성 및 내구성을 확보하기 위한 것이다.
1.2 적용 범위
(1)이 기준에서는 케이블교량에 사용되는 케이블 및 케이블 연결부재와 케이블의 정착에 적용되는 구성요소에 관한 설계규정을 다룬다.
1.3 참고 기준
·
1.4 용어의 정의
·공칭인장강도(GUTS): 보증극한 인장강도(guaranteed ultimate tensile strength)를 의미한다. 평행소선케이블과 평행연선케이블의 공칭인장강도는 소선 또는 연선 단위의 공칭인장강도의 합이다. 반면, 다층연선케이블의 공칭인장강도는 소선의 공칭인장강도의 합으로 구할 수 없으며 인장시험 또는 과거의 경험값에 의해 결정된다. 즉, 다층연선케이블의 공칭인장강도는 실측인장강도와 같다.·다층연선케이블(multi-layered-strand cable, MLS): 하나의 소선을 중심으로 여러 소선을 나선형으로 감아 다층을 형성한 케이블로서, 록코일(locked coil) 케이블이 이 형식에 속한다. 이 케이블에는 별도의 수밀성 외피 없이 페인트 등으로 표면을 처리하여 수시로 관리하는 ‘표면코팅 형식’과 수밀성 외피가 있는 ‘외피 형식’이 있다·선재(wire rod): 소선 및 연선의 원재료가 되는 제품을 말한다.·소선(wire): 선재를 신선하여 단일가닥으로 만든 제품이다. KS 규격에서는 이를 ‘강선’ 또는 ‘와이어’로 부르나 이 설계기준에서는 케이블을 구성하는 각 재료의 역할을 분명히 구분하고, 향후 강재가 아닌 재료를 사용하는 경우에 대비하여 ‘소선’을 사용한다.·스트랜드로프(strand rope): 스트랜드를 꼬아 만든 로프로, 최근에는 심을 이루는 스트랜드가 외층 스트랜드의 홈 사이에 들어가도록 제작된 CFRC(center fit rope core) 로프를 주로 사용한다.·스파이럴로프(spiral rope): 심선 주변에 여러 층의 소선을 꼬아 만든 것으로 넓은 의미로는 LCR(locked coil rope)을 포함하지만, 좁은 의미로는 둥근 소선만으로 구성된 것이다. 둥근 소선의 스파이럴로프를 중심에 배치하고 이형선을 1층씩 역방향으로 2~5층을 교대로 배치한 것이 LCR이다.·실측인장강도(AUTS): 시험체를 직접 인장시험하여 얻은 극한인장강도(actual ultimate tensile strength)를 의미한다.·연선(strand): 소선을 모아 합쳐서 구성한 제품이다. KS 규격에서는 이를 ‘강연선’ 또는 ‘스트랜드’로 부르나 소선과 동일한 맥락에서 ‘연선’을 사용한다.·평행강선케이블: 평행소선케이블과 평행연선케이블을 통칭한 것이다.·평행소선케이블(parallel wire cable, PWC): 주인장재를 소선으로만 구성한 케이블이다. 보통 도금된 소선을 수밀성 외피로 감싸서 구성하고, 외피와 소선 사이에 적절한 충전재를 주입하기도 한다. 다만, 이 형식을 현수교에 적용하는 경우에는 수밀성 외피를 두지 않기도 한다. 기존의 PPWS 형식이 이에 속한다.·평행연선케이블(parallel strand cable, PSC): 개별 정착된 연선을 여러 개 묶어서 구성한 케이블이다. 연선의 부식방지층은 도금과 개별피복으로 구성되는 것이 일반적이며, 이를 ‘개별피복 다연선케이블(individually sheathed multi-strand cable)’이라 한다. 또한, 개별피복 대신에 적절한 덕트형 외피로 감싼 후 충전재 또는 공기를 주입하기도 하며, 이를 ‘덕트형 다연선케이블(ducted multi-strand cable)’이라 한다. 기존의 MS(multiple strand) 형식이 이에 속한다.·A/S(air spinning) 공법: 현수교 주케이블을 가설하는 대표적인 공법으로 양쪽 앵커리지지에 고정된 스트랜드 슈에 소선을 반복해서 감아 1본의 스트랜드를 만든 후, 이 스트랜드를 수십 본 다발지어 주케이블로 만든다.·HDPE: 고밀도 폴리에틸렌(high density polyethylene)을 말한다.·PPWS(prefabricated parallel wire strand) 공법: 현수교의 주케이블 가설공법의 하나로 A/S 공법과 달리 1본의 스트랜드를 미리 공장에서 제작하여 반입하고 이 스트랜드를 수십 본 다발지어 주케이블로 만드는 공법. 이 때 공장에서 제작하는 스트랜드가 PPWS이다.
1.5 기호의 정의
·
= 365일 ×
2. 조사 및 계획
(1) 내용 없음
3. 재료
3.1 설계계산에 사용하는 물리상수
(1)일반사항
케이블용 재료는 원칙적으로
설계계산에 사용하는 케이블 재료의 탄성계수 값은, 별도로 제작사의 제시값이 없는 경우에는 표 3.1-1의 값을 사용한다.
| 종 류 | 탄성계수 |
| 스트랜드 로프의 탄성계수 스파이럴 로프(LCR)의 탄성계수 평행소선 케이블의 탄성계수 평행연선 케이블의 탄성계수 | 1.3 x 105 MPa 1.6 x 105 MPa 2.05 x 105 MPa 1.95 x 105 MPa |
(3)설계인장강도
현수교의 주케이블, 행어 및 사장교의 케이블 설계강도 계산 시에는 공칭인장강도(GUTS)를 사용한다.
3.2 케이블 재료
(1)케이블 재료
케이블교량에 사용되는 케이블 재료는 아래의 규격 또는 동등 이상의 규격을 따른다.
| 규격 | 강재기호 | |
| KS D 3509 | 피아노선재 | SWRS-A-B |
| KS D 3510 | 경강선 | SW-A, SW-B, SW-C |
| KS D 3514 | 와이어 로프 | – |
| KS D 3556 | 피아노선 | PW-1, PW-2, PW-3 |
| KS D 3559 | 경강선재 | HSWR-A, HSWR-B |
(2) 기타 부속물
케이블교량에 쓰이는 특수구조재의 재료는 아래의 규격 또는 동등 이상의 규격을 따른다.
| 구분 | 규격 | 강재기호 | 적용사례 | |
| 구조용 강재 | KS D 3503 | 일반구조용 압연강재 | SS275 | 새들본체 스페이서, 필러 플레이트, 새들저판, 스트랜드슈 지압판, 링크슈, 베이스플레이트 |
| KS D 3515 | 용접구조용 압연강재 | SM275A, B, C, D – TMC SM355A, B, C, D – TMC SM420A, B, C, D – TMC SM460B, C – TMC | ||
| KS D 3529 | 용접구조용 내후성 열간압연강재 | SMA275AW, AP, BW, BP, CW, CP SMA355AW, AP, BW, BP, CW, CP SMA460W, P | ||
| KS D 3868 | 교량구조용 압연강재 | HSB380, L, W HSB460, L, W HSB690, L, W | ||
| 주단조품 | KS D 3752 | 기계구조용 탄소강재 | SM-C, SM-CK | 밴드볼트 및 너트, 스트랜드 슈 너트 및 와셔, 행어핀 |
| KS D 3867 | 기계구조용 합금강 강재 | SCM430, SCM435, SCM440, SNCM240, SNCM431 | ||
| 단체표준 SPS-KOSA0028-D3723-5093 | 특수볼트용 합금봉강 | SNB | 스트랜드슈 로드 | |
| KS D 3706 | 스테인레스 강봉 | STS410, STS416, STS431 | 행어핀, 링크슈 핀 | |
| 단체표준 SPS-KFCA -D4101-5004 | 탄소강 주강품 | SC | 새들본체, 케이블밴드, 행어소켓, 스트랜드 소켓 스트랜드 슈 및 지압판 | |
| 단체표준 SPS-KFCA -D4106-5009 | 용접구조용 주강품 | SCW | ||
| 단체표준 SPS-KFCA -D4104-5007 | 고망간강 주강품 | SCMnH | 스트랜드 슈 |
4. 설계
4.1 한계상태
4.1.1 설계방법 일반
(1)케이블교량에서 주인장부재인 케이블 구조부재는 극한한계상태, 극단상황한계상태, 사용한계상태 및 피로한계상태에서 요구되는 조건을 만족시켜야 한다.
4.1.2 사용한계상태
4.1.2.1 일반사항
(1)케이블 부재는 일상적인 사용상태 아래에서 사용성을 만족하도록 설계되고 시공되어야 한다.
케이블 부재의 사용한계상태는 행어 및 사장교 경사 케이블의 진동과 휨변형에 대해 제한한 상태로 간주한다.
4.1.2.2 케이블 진동 및 휨응력
(1) 케이블의 진동
현수교의 행어 및 사장교 케이블의 진동에 대해서는
현수교 행어와 사장교 케이블의 교축직각방향 휨변형에 의한 영향 검토는 각각 이 기준 4.2.1.5와 이 기준 4.2.2.4를 따른다.
4.1.3 피로한계상태
(1)케이블 부재의 피로는 을 사용한다.(2)케이블의 공칭피로강도는 다음과 같이 구한다.
(4.1-1)여기서,
= 0.75 = 하중계수
= 공칭피로강도 =
=
= 피로설계트럭하중 통과 시 발생하는 응력범위에 1.4를 곱한 값
= 일정진폭 피로한계값(표 4.1-1)
= 케이블 설계수명 동안의 피로설계트럭하중의 통과로 인한 반복횟수 =
= 일정진폭 피로한계값
에 해당하는 응력범위 반복횟수(표 4.1-1)
= 케이블 설계수명(년)
= 한 방향 한 차로의 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값
| 케이블 종류 | |
|
| 평행연선케이블(parallel strand cable) 평행소선케이블(parallel wire cable) 강봉(epoxy bar) | 2.95 2.44 6.51 | 110 145 48 |
(3) 피로한계상태에 대한 케이블 부재의 저항계수는 1.0을 취한다.(4) 현수교 주케이블은 피로에 대해 별도로 검토하지 않는다.
4.1.4 극한한계상태
4.1.4.1 일반 사항
(1)케이블 부재는 목표하는 수명 동안 사용 중에 극한한계상태조합에 대하여 견딜 수 있어야 한다. 케이블 부재의 계수저항은 공칭인장강도(GUTS)를 기준으로 한 공칭저항에 저항계수를 곱한 값으로 한다. 케이블 부재에 대한 목표신뢰도지수와 그에 상응하는 저항수정계수는 각각
4.1.4.2 현수교 케이블
(1) 주케이블
주인장부재인 주케이블의 저항계수는 다음과 같다.
– 저항계수 : = 0.74(2) 행어
행어의 저항계수는 다음과 같다.
– 저항계수 : = 0.79
4.1.4.3 사장교 케이블
(1)주인장부재인 사장교 케이블의 저항계수는 다음과 같다. 여기서 휨변형을 고려하는 것은 정착부 편각을 갖는 케이블 피로시험이 ‘장대교량용 케이블소재 적용지침’에서 정하는 요구조건을 충족하는 경우에 해당한다.
– 저항계수 (휨변형을 고려하지 않은 피로시험) : = 0.79
– 저항계수 (휨변형을 고려한 피로시험) : = 0.85
4.1.5. 극단상황한계상태
(1)극단상황한계상태조합에 대한 검토에서 케이블 부재는 최소한의 피해를 허용하나 신속한 복구가 가능하여야 하며, 케이블 부재의 손상으로 인하여 교량 전체 또는 일부의 붕괴가 발생하지 않아야 한다.(2)극단상황한계상태에 대한 케이블 부재의 저항계수는 0.95를 취한다.
4.2 부재일반
4.2.1 현수교용 케이블
4.2.1.1. 주케이블의 배열 및 구성
(1)현수교 주케이블은 소선 한가닥씩 현장에서 배열하는 A/S 공법과 공장에서 사전제작된 평행소선 스트랜드를 시공하는 PPWS 공법이 있으므로, 각 공법에 적합한 스트랜드 배열과 소선굵기를 계획하여야 한다.
별도로 스파이럴로프나 스트랜드로프를 주케이블로 구성하는 경우에는 케이블 밴드, 새들, 정착구에 걸쳐 스트랜드의 변형 및 과도한 응력집중이 발생하지 않도록 계획하여야 하며 방식 및 보호에 대한 적합한 조치가 병행되어야 한다.
4.2.1.2 행어의 종류 및 구성
(1)현수교 행어로는 스트랜드로프, 스파이럴로프 및 PPWS가 주로 사용된다. 행어의 길이와 단면형태에 따라 진동이 발생할 수 있으므로 이에 대한 대비책이 필요하다. 한 곳에 2열 또는 그 이상의 병렬 행어를 설치할 경우 인접 행어 간의 영향으로 인한 진동에 대해 검토하여야 한다.
4.2.1.3 주케이블의 정착
(1)주케이블의 각 스트랜드는 A/S 공법을 사용할 경우에는 스트랜드 슈에 의해 정착되며, PPWS공법을 사용할 경우에는 소켓에 의하여 정착된다. 각 공법별 적합한 정착장치를 계획하여 앵커리지와 연결될 수 있도록 하여야 하며, 가설 시 장력 또는 길이조정이 가능한 구조로 계획하여야 한다.
4.2.1.4 행어의 정착
(1)행어는 소켓에 의해 정착되며, 정착방법은 적용하는 행어의 소재특성을 반영하여 계획하여야 한다. 설계 시 고려한 제작 및 가설오차 이내로 설치하기 곤란한 상황을 대비하여 필요 시에는 행어 길이를 조정할 수 있는 구조로 계획하여야 한다.
4.2.1.5 행어의 휨변형에 의한 2차응력 검토
(1)풍하중이나 활하중에 의해 주케이블과 보강형 사이에 변위 차이가 크게 발생할 경우, 행어의 끝단에서 큰 휨변형이 발생하므로 2차응력에 대한 검토가 필요하다.
4.2.1.6 주케이블의 방식
(1)주케이블의 부식 방지를 위해서 적절한 방식 방안을 고려하여야 하며, 특히 밴드 부분, 새들 부분, 정착 부분의 방수에 대해 주의하여야 한다.
4.2.1.7 행어의 방식
(1)행어의 부식 방지를 위해서는 행어의 종류에 적합한 방식을 계획하여야 한다.
4.2.2 사장교용 케이블
4.2.2.1 정착
(1)각 정착 시스템과 그 채움재는 각 공급자의 고유한 특성과 재료를 사용하므로 공급자가 사양을 제공하며, 정착 시스템의 성능은 실물 시험을 통해 검증한다.
교량 설계 시 정착구의 설치, 인장작업과 점검을 위한 충분한 공간과 접근로를 확보하여야 한다.
정착부에는 가설 시 또는 완공 후의 장력 조정을 위한 별도의 조정장치를 설치하여야 한다.
4.2.2.2 방식
(1)사장교 케이블의 부식 방지를 위해서 이를 구성하는 개개의 강선 또는 강봉에 대한 방식방안과 사장교 케이블의 표면에 대한 방식방안을 고려하여야 한다. 사장교 케이블에는 가급적 복수 이상의 방식을 실시하여 완벽한 방식이 되도록 설계하여야 한다.
4.2.2.3 진동저감장치
(1)시공 중 또는 공용 중에 발생할 수 있는 케이블의 진동을 제어하기 위해 진동저감장치를 설계하여야 한다. 진동저감장치를 설치한 후에는 현장에서 성능을 평가하여야 한다.
케이블의 진동으로 발생하는 횡방향 하중이나 휨응력이 정착구로 전달되지 않도록 가이드튜브 끝부분에 고정장치(deviation-filtering system)를 설치하도록 한다.
4.2.2.4 케이블의 휨변형에 의한 2차응력 검토
(1)사용한계상태의 하중조합에 의해 케이블에 교축직각방향의 변위가 크게 발생할 경우, 케이블 정착부에서 큰 휨변형이 발생하므로 2차응력에 대한 검토가 필요하다.
4.3 케이블 연결상세
4.3.1 현수교 시스템
4.3.1.1 새들(Saddle)
(1)주케이블은 일반적으로 주탑 새들과 스플래이 새들을 통과한다. 새들의 설계 시에 주케이블의 장력에 의한 연직압력 및 측압의 영향을 고려하여야 한다. 측압에 대한 검토는 사용한계상태의 하중조합에 대해 검토한다.(2)새들을 통과하는 주케이블은 극한한계상태의 하중조합에서 미끄러지지 않아야 한다.(3)새들의 곡률반지름은 주케이블 지름의 8배 이상으로 한다.(4)새들은 와이어의 2차응력이 최소화 되도록 계획하여야 하며, 새들의 입구는 케이블의 공용 중 및 시공 시 발생하는 각변화를 수용할 수 있는 구조로 계획하여야 한다.
4.3.1.2 케이블 밴드(cable bands)
(1)행어는 케이블 밴드를 통해 주케이블에 연결된다. 케이블 밴드의 설계 시에 주케이블에 미치는 밴드 내압의 영향을 고려하여야 한다. 내압에 대한 검토는 사용한계상태의 하중조합에 대해 검토한다.(2)주케이블 접선방향의 행어 분력은 밴드의 체결로 발생하는 주케이블과 밴드 사이의 마찰력으로 지지한다. 모든 극한한계상태조합에 대하여 케이블 밴드는 미끄러지지 않아야 한다. (3)케이블밴드의 체결력은 극한한계상태조합에서 분리하려는 외력에 대해 저항하여야 하며, 유효압력을 유지하여야 한다.
4.3.1.3 스트랜드 슈(Strand Shoe)
(1) 주케이블이 정착되는 스트랜드 슈의 반지름은 소선지름의 50배 이상으로 하여야 한다.(2)스트랜드 슈의 로드에는 새그 조정 시 인입하여야 하는 조정길이를 감안하여 계획하여야 한다. (3)스트랜드 슈의 로드는 앵커리지, 정착판의 설치상의 오차로 인한 로드에 휨응력이 발생할 수 있으므로, 발생오차가 소거될 수 있는 구조계획을 수립하여야 한다.
4.3.2 사장교 시스템
4.3.2.1 정착구(Anchorage)
(1)케이블의 양단은 주탑 상단과 보강형에서 각각 정착구를 통해 교량 구조부재와 연결된다. 정착구는 케이블 시스템에 대한 역학적 요구성능을 만족하는 것이어야 하며 케이블의 장력 전달, 공용 중에 케이블의 장력조정 및 교체가 가능하고 부식에 대해 내구성을 확보해야 한다.(2)케이블 정착부는 정착구 내부로 물이 유입되지 않도록 차단하고 내부의 수분이 원활히 배출되어야 하며, 정착부 주변에 체수가 발생하지 않도록 배수가 원활한 형태로 설계해야 한다.
4.3.2.2 새들(Saddle)
(1)일반
케이블 새들은 설계자가 주탑 설계와 함께 통합하여 설계하여야 한다. 새들의 상세는 이 기준 4.4.1에 따른 교체와 이 기준 4.4.2에 따른 파단을 고려하여 검토되어야 한다. (2)케이블 곡률
새들에서 케이블이 하나의 스트랜드로 구성된 경우에 3m 이상, 다수의 스트랜드로 구성된 경우에는 4m 이상의 곡률반경을 가져야 한다. 다만, 새들 피로시험에 의하여 측압을 받는 케이블의 피로 저항능력이 검증된 경우에는 이보다 작은 값을 사용할 수 있다.(3)하중전달과 미끄러짐
모든 사용한계상태조합과 극한한계상태조합에서, 새들과 그에 수반된 부재의 상세는 케이블의 미끄러짐과 프레팅(fretting)이 일어나지 않도록 한다. 이에 대한 검토 하중은, 새들을 통과하는 케이블에 발생한 최대 장력 차이 값의 125%로 한다.(4) 휨응력
새들을 통과하는 케이블 부재는 설계 시에 곡률로 인한 휨응력을 반영하여야 한다.
4.4 케이블 교체 및 파단
4.4.1 케이블 교체
4.4.1.1 검토 조건
(1)케이블 교체는 해당 케이블에 인접하는 최소 1개 설계차로 통제의 조건으로 검토한다.
4.4.1.2 검토 방법
(1)케이블의 교체에 따른 구조계의 영향은 적절한 해석법으로 검토되어야 한다.
4.4.2 케이블 파단
4.4.2.1 검토 조건
(1)케이블 파단에 대한 검토는 전체 차로에 활하중을 재하하여 수행한다. 검토 대상이 되는 어떠한 케이블의 갑작스런 파단에도 교량의 안정성이 문제되어서는 안 된다.
4.4.2.2 검토 방법
(1)케이블 파단에 따른 구조계의 영향은 적절한 해석법으로 검토하여야 한다. 시간영역에서의 동적해석이 바람직하나, 준정적(quasi-static)해석을 수행하는 경우에는 아래 값은 동적증폭계수(DAF)를 사용한다.
– 현수교 행어 : 1.7
– 사장교 케이블 : 1.5
4.5 피뢰 설비
4.5.1 일반사항
(1)케이블 부재에 낙뢰의 피해가 우려되는 경우에는 피뢰대책을 수립하여야 한다. 이때 수뢰부, 인하도선, 접지 등에 대한 세부적인 사항은 KS C IEC 62305(피뢰시스템) 등에 따라 검토하여야 한다.
4.5.2 피뢰설비의 설치
(1)피뢰설비는 교량 부재에 미치는 구조적 영향이 최소화되도록 설치되어야 한다. 단, 피뢰설비의 설치에 따른 거동 변화에 의하여 구조물의 안전이 우려되거나 유지관리 상의 심각한 문제가 예상되는 경우에는 교량 및 전기 분야 전문가의 검증을 실시하고, 그 결과에 따라 설치계획을 보완하거나 설치여부를 판단하여야 한다.
4.5.3 유지관리
(1) 관리주체는 피뢰설비가 설치 시와 동등 수준의 기능과 성능이 유지되도록 정기적으로 점검하여야 한다.”