가볍고 강력하며 강을 가로지르는 강철 용을 상상해 보세요. 이것이 바로 사장교입니다. 공학적 역학과 건축적 아름다움을 완벽하게 결합한 구조적 경이로움입니다. 두 해안을 연결하는 단순한 통로가 아니라 인간의 독창성과 창의성을 보여주는 증거입니다.
이름 그대로 사장교는 경사 케이블로 지지되는 연속 거더(또는 데크)로 구성됩니다. 하프 줄을 닮은 이 케이블은 데크를 우뚝 솟은 철탑에 연결하여 안정적이면서도 우아한 전체를 형성합니다. 기계적 관점에서 사장교는 탄성적으로 지지되는 연속 빔 교량의 기능을 하며, 고유한 구성으로 특정 경간 범위 내에서 뚜렷한 이점을 제공합니다.
교량 유형 중에서 사장교는 스패닝 능력이 뛰어납니다. 특히 150~600m 사이의 경간에서 빛을 발하며 경제적, 미적 측면에서 캔틸레버, 트러스, 아치 및 박스 거더 교량보다 성능이 뛰어납니다. 경간 용량은 현수교와 일치하지 않지만 상대적으로 얕은 대들보 깊이는 시각적으로 더 가벼운 외관을 만듭니다. 진보된 설계 및 건설 기술을 통해 사장교는 현재 세계에서 가장 긴 사장교인 주 경간 길이가 1,104m인 러시아의 Russky Bridge와 같이 경간 기록을 계속 경신하고 있습니다.
사장교의 디자인 철학은 우아하고 효율적이다. 각 구성 요소는 주로 인장력이나 압축력을 처리하여 재료 사용을 극대화합니다. 스테이 케이블은 데크에 탄력적인 지지력을 제공하여 교량의 경간을 효과적으로 연장합니다. 데크 하중을 견디기 위해 이러한 케이블은 엄청난 장력을 견뎌야 하며, 이는 결국 주탑과 주 거더 내에서 압축력으로 변환됩니다. 굽힘 모멘트 및 기타 힘은 철탑과 대들보에 영향을 미치지만 일반적으로 축 방향 힘이 지배적입니다. 축방향 하중을 받는 부재가 굽힘 부재보다 효율적이기 때문에 이는 사장교의 구조적, 경제적 이점을 설명합니다.
사장교의 개념은 Machinae Novae에 기록된 1595년으로 거슬러 올라갑니다. 19세기 초에는 여러 건축물이 있었지만 1950년대가 되어서야 트러스, 아치, 현수교와 함께 인기를 얻었습니다. 초기 실패는 구조 시스템에 대한 이해 부족으로 인해 발생했습니다. 특히 저항이 부족하고 케이블을 적절하게 장력할 수 없어 다양한 하중에서 느슨해졌습니다. 1883년 브루클린 브리지(Brooklyn Bridge)는 상당한 개선을 이루었습니다. 현대적인 사장교는 1950년대 독일에서 등장했으며, 스웨덴의 Strömsund Bridge(1955)가 최초의 현대적 사례가 되었습니다. 그 이후로 설계 및 건설 기술이 급속히 발전하여 사장교는 세계적인 현상이 되었습니다.
사장교는 여러 가지 방법으로 분류될 수 있으며, 케이블 배열이 가장 일반적인 방법입니다.
종방향 배열에 따라 사장교는 단일 케이블, 팬, 수정된 팬 및 하프 구성의 네 가지 유형으로 분류됩니다. 이러한 시스템은 특히 긴 기간의 경우 전체 성능에서 최소한의 차이를 보이지만 각각 고유한 특성을 제공합니다.
가로 방향으로 케이블은 단일 중앙 평면, 이중 가장자리 평면(수직 또는 경사) 또는 중심선을 양쪽 가장자리에 연결하는 삼중 평면으로 배열될 수 있습니다. 이러한 배열은 구조적 거동, 건축 방법 및 건축적 표현에 영향을 미칩니다. 단일 중앙 평면은 비틀림 방지 상자 섹션을 사용할 때 작동하지만 이중 평면 시스템이 가장 일반적입니다. 매우 넓은 데크 또는 결합된 철도 교량의 경우 삼중 평면 시스템을 사용할 수 있습니다.
사장교는 단일, 이중, 삼중 또는 다중 경간으로 설계될 수 있습니다. 케이블과 앵커 교각이 철탑 안정성에 중요하기 때문에 3개 또는 2개의 케이블 지지 경간이 더 일반적입니다. 단일 주탑의 예로는 로테르담의 에라스무스 다리와 도쿄의 센트럴 브리지가 있습니다. 경간이 3개를 초과하는 경우 주요 과제는 중간 철탑 상단의 종방향 구속이 불충분하다는 것입니다. 솔루션에는 철탑 강성 증가(A 프레임 지지대 사용), 철탑 상단을 수평 타이로 연결, 철탑 사이에 안정화 케이블 추가, 미드스팬 타이 통합 또는 Ting Kau 교량의 464.6미터 세로 안정화 케이블에서 볼 수 있듯이 미드스팬보다 약 20% 연장되는 교차 케이블 사용이 포함됩니다.
사장교는 함께 작동하는 세 가지 기본 요소인 케이블, 철탑, 데크에 의존합니다.
중요한 하중 지지 부재로서 현대 케이블은 고정 시스템, 재료 및 부식 방지의 초기 결함을 극복했습니다. 현재 옵션에는 사전 제작된 고정 코일 연선(1,770 N/mm² 인장 강도), 사전 제작된 나선형 연선(1,570/1,770 N/mm²에서 5mm 와이어 사용), 바 케이블(1,230 N/mm²), 평행 와이어 연선(1,570 N/mm²에서 7mm 아연 도금 와이어), 평행 연선 케이블이 포함됩니다. (1,770 N/mm²에서 15.2/15.7mm 아연 도금 연선) 및 고급 복합 케이블.
파일론은 데크 중앙을 통과하는 단일 기둥이거나 곡선 교량의 오프셋일 수 있습니다. 이중 기둥 배열(가로빔 포함 또는 제외)은 H 프레임, A 프레임, 역 Y 프레임, 다이아몬드 또는 이중 다이아몬드 구성을 만듭니다. 초기 강철 철탑 설계는 빠른 제작을 우선시했지만 좌굴 문제에 직면했습니다. 현대적인 추세는 더 큰 무게에도 불구하고 비용 효율성을 위해 강화/강화 콘크리트를 선호합니다. 이제 콘크리트 기술의 발전으로 복잡한 철탑 형태가 가능해졌습니다. 일반적인 철탑 높이는 주 경간 길이의 0.2~0.25배 범위이며 케이블 각도는 25~65도 사이로 효율성을 유지합니다. 하네다 국제공항 근처에 Kawasaki가 계획한 교량에서 볼 수 있듯이 공항 근접성과 같은 외부 요인으로 인해 철탑이 낮아질 수 있습니다.
현수교 데크와 달리 사장 데크는 자중/활하중으로 인한 굽힘 모멘트와 케이블 수평 구성 요소의 축력에 저항해야 하므로 다양한 단면을 허용해야 합니다.
현대 사장교 분석에는 유한 요소 방법이 필요합니다. "물고기 뼈" 모델은 일반적으로 수정된 탄성 계수를 사용하여 케이블 처짐 효과를 설명하는 특수 요소를 사용하여 철탑, 데크 및 케이블을 나타냅니다. 건설 순서 및 부하 재분배를 시뮬레이션하려면 단계별 분석이 필수적입니다. 선형 및 비선형 해석을 모두 수행해야 하며 고유 진동수 및 진동 모드를 결정하기 위한 동적 해석으로 보완해야 합니다.
사장교는 주로 다음과 같은 효율적인 설치 절차에 성공했습니다.
