17-221~235설계01철도사장교1.ps

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 19:59 페이지221 VOL.19 설계사례 222 김종학, 이경훈, 손준상, 송혜금 236 미호천 1교의 계획 및 설계 김재기, 이경훈, 김기혁, 곽태영 248 하나대교(가칭)의 계획 및 설계 이명재, 이경훈, 박 철, 박흥희, 조재원, 이대규 274 국도18호선 진도대교 성능개선공사 실시설계용역 이명재, 신성균, 곽성민, 최재원 293 캄보디아 국도 3번 및 48번 교통안전 개선사업 PMC 용역 박석성, 한주현, 김용태 307 민자 고속도로 설계 패러다임의 변화(이천~오산 고속도로 민자사업 중심으로) 박석성, 조영제, 배용석, 김형대, 조일근 320 강구조물의 해외설계기준에 의한 설계사례 강태우, 윤교식, 여두현, 허성화 326 연약지반 강제치환제체의 안정성 검토 김철규, 신천호 344 목포대교(해상, 사장교) 책임감리 수행사례 변종호, 김경현

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 19:59 페이지222 유신기술회보 _ 설계사례 Plan and Design of Cabal Stayed Railway Bridge It is difficult to find a cable stayed railway bridge in the world. Needless to say, no one has planned and designed cable stayed railway bridge in Korea until now. It is very challenging attempt to plan a cable stayed railway bridge especially for multi span cable stayed bridge. Because it is well known that the multi span cable stayed bridge is much more flexible compared to girder bridge or other classical 3 span cable stayed bridge. Multi span makes it difficult to satisfy demanding deflection criteria of railway bridge. To solve the problem, we have elaborated a cable stayed railway bridge which has high stiffness against deflection. The pylon with 4-legs system was introduced to increase the lateral stiffness of the pylon. Interior piers at the side spans and box type girder have been proven to effectively resist against vertical deflection caused by an extensive amount of railway live load. In addition, with the cable spacing of 8m, closer than that of a roadway cable stayed bridge, which altogether contribute to the high stiffened cable stayed bridge system. We hope that the design case will be a good prototype for the structural engineers. 1. 서 론 2. 과업 개요 3. 교량계획 4. 교량구조 설계 5. 가설계획 김종학 1) 이경훈 2) 손준상 3) 송혜금 4) 6. 결 론 1) 구조부문 상무, 토목구조기술사(ortho-kjh@hanmail.net) 2) 구조부문 부사장, 토목구조기술사(y12833@yooshin.co.kr) 3) 구조부문 이사, 토목구조기술사(jsson@yooshin.co.kr) 4) 구조부문 부장(y12935@yooshin.co.kr) 222_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 19:59 페이지223 1. 서론 서해선(홍성~송산) 복선전철 제5공구 건설공사 입찰 설계시, 안성천을 횡단하는 주교량에 상징성 독창성 경관성이 우수하며, 총연장 800m로 REJ 를 최소화할 수 있는 고저 3주탑 강합성 사장교를 계 획하여한국철도기술의도약을도모하고자하였다. 안성천 횡단 주교량은 국내 최초로 시도되는 다경 간 강합성 철도사장교로 철도 교량 분야의 국내 기 술력을 한단계 업그레이드시키고, 평택호 관광단지 에서 조망시 시인성이 뛰어나며, 서해선의 대표교량 으로 거듭날 수 있는 혁신의 아이콘으로 계획하였 다. 일반적으로 강교 철도교량의 경우 시방서의 엄 격한 사용성 규정 등을 만족시키기 위해 필요 강성 을 확보하는 것이 주요 설계 결정 요인이 된다. 상대 적으로 유연한 교량인 사장교, 특히 다경간 강합성 사장교를 계획함에 있어 철도교의 엄격한 주행안전 성 기준과 사용자 승차감을 모두 만족시키기 위해 강성 확보가 최우선시 되었다. 따라서 교량 계획시 4-Leg 주탑, 고강성 박스형 강합성형교, 부반력 제 어를 위한 내부교각, 케이블 간격을 8m로 계획하여 강성을 증가시켰으며, 유지관리가 편리한 부반력 받 침 적용 등 세부 항목을 검토하여 미관 및 기능성이 우수한 교량을 계획하였으므로, 향후 국내 철도사장 교 계획시 좋은 선례가 될 것으로 기대된다. 2. 과업 개요 서해선(홍성~송산) 복선전철 제5공구 건설공사는 [그림 1]과 같이 충청남도 아산시 영인면 월선리와 경기도 평택시 현덕면 권관리를 연결하는 총연장 5,999.88m의 철도건설 사업으로 2011년 5월 입 찰(기본설계 T/K)공고 되었으며, 입찰설계 결과 당 사의 설계안이 채택되지는 않았으나, 철도 사장교의 계획과 설계에 대한 경험을 공유하고자 이 글을 기 고하게 되었다. 안성천 통과 구간 기본계획은 80m 단경간 트러 스교로 계획되어 있었으며, 당사에서는 서해선 대표 구간으로서의 상징성을 확보할 수 있으며, 경간장을 [그림 1] 노선 현황도 www.yooshin.co.kr _ 223

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 19:59 페이지224 유신기술회보 _ 설계사례 늘려 개방감을 확보할 수 있는 교량 형식으로, 폭원 17.3m, 설계속도 270km/h까지 주행 가능한 고저 3주탑 사장교를 계획하였다. 3. 교량계획 3.1 원안설계 문제점 분석 원안설계현황 원안설계문제점 원안설계의 문제점을 분석한 결과, 트러스교로 서 해선 대표 교량으로의 경관성 및 상징성이 부족하 고, 다리 밑 공간이 부족하며, 그리고 평택호 관광단 지에서 시인성이 부족하므로 상징성을 갖는 교량 계 획이 필요한 것으로 분석되었다. 상징성 부족 다리밑 공간 미확보 평택호 관광단지에서 시인성 부족 서해선 대표교량의 상징성 확보 필요 충분한 다리밑 공간 확보 필요 시인성 우수한 위치에 주경간교 계획 필요 224_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지225 3.2 철도교 사례 조사 국내 외 철도교 사례 조사를 통해 안성천 횡단교량에 적합한 교량 형식을 검토하였다. 철도전용 사장교 제2천곡천교(V=260km/h) 포 리버교(V=305km/h) 위장강특대교(V=200km/h) 135+135=270m (PSC박스거더) 104+194+104=402m (PSC박스거더) 36+96+228+96+36=492m (트러스) 철도/도로 병용 사장교 갑수문교(경량철도) 세토대교(V=160km/h) 무한천흥주 장강대교(V=250km/h) 160+430+160=750m (강박스) 185+420+185=790m (트러스) 98+196+504+196+98=1,092m (트러스) 엑스트라도즈드교 및 아치교 야시로교 한교천교 Garde-Adhemar교 모암고가교 65+2@105+65=340m 65+65=130m 2@110.3=220.6m 125m 검토결과 아치교 및 엑스트라도즈드교는 국내 적용사례가 있으나 사장교는 사례 없음 철도 강국의 위상에 부합하는 새로운 형식 및 평택호 관광단지 개발계획과 상승효과를 기대할 수 있는 경관교량 계획 필요 www.yooshin.co.kr _ 225

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지226 유신기술회보 _ 설계사례 3.3 교량형식 비교안 원안설계 교량의 문제점 분석과 철도교 사례 조사 를 통해 안성천 통과 주교량 형식은 [표 1]과 같이 사 장교와 아치교에 대해 5개의 비교안을 선정하고 비 교 분석하였다. 비교안 중 고저주탑으로 다이내믹 한 경관 구현이 가능하고, 4-Leg의 입체 주탑과 내 부교각을 적용하여 휨 변형을 억제할 수 있으며, 국 내 최초 철도사장교로 상징성이 우수한 비교 1안을 선정하였다. [표 1] 교량형식 비교안 구분 기본설계 3주탑 강합성 사장교 종단면도 특징 고저주탑으로 다이내믹한 경관 구현 4-Leg의 입체적인 주탑과 내부교각 적용으로 휨변형억제 국내 최초 철도사장교로 상징성 우수 사장교 연장이 하폭의 1/3 규모로 시인성 우수 장기처짐 발생시 케이블 재긴장으로 열차 주행 성확보 상판 연직가속도 0.07g로 극히 낮음 비교1안 2주탑 강합성 사장교 평범한 형상의 2주탑으로 경관성 부족 2-Leg 주탑으로 휨변형에 대한 저항능력 부 족및처짐과다 사장교 연장이 하폭의 1/6 규모로 시인성 보통 장기처짐 발생시 케이블 재긴장 으로 열차 주 행성 확보 상판 연직가속도 0.15g로 낮음 비교2안 트러스 아치교 더블아치 형상으로 경관성 보통 최근 다수 적용되어 독창성 부족 평택호 관광단지에서 시인성 보통 아치리브 접근이 어려워 유지관리 불리로 점검 및보수곤란 상판 연직가속도 0.26g로 비교적 높아 주행안 전성 보통 비교3안 중로 아치교 넓은개활지에낮은라이즈의아치리브로밋밋 한 교형미 최근 다수 적용되어 독창성 부족 평택호 관광단지에서 시인성 부족 아치리브 접근이 어려워 유지관리 불리로 점검 및보수곤란 상판 연직가속도 0.35g로높아주행안전성 불량 비교4안 다경간 아치교 아주 많은 아치리브로 번잡한 경관미 최근 다수 적용되어 독창성 부족 평택호 관광단지에서 시인성 보통 아치리브 접근이 어려워 유지관리 불리로 점검 및보수곤란 상판 연직가속도 0.45g로 아주 높아 주행안전 성극히불량 226_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지227 4. 교량구조 설계 4.1 다경간 사장교 계획을 위한 세부 형식 검토 국내 최초로 다경간 철도사장교를 계획함에 있어, 매개변수 해석을 통해 케이블 간격, 주탑 형식, 내부 교각 유 무, 보강거더 형식 등 세부 구조 계획을 수 립하였다. 사장교 주요 부위 세부 계획 3내부교각 1케이블간격 8m 2 4-Leg 주탑 4 Edge 박스거더 LS-22 하중(표준열차하중, 복선재하)을 재하하여 지간중앙부 처짐과 단부 회전각을 비교 검토 매개변수 해석을 통한 교량 세부계획 방향 설정 후 실제 설계시 최종초기치를 반영한 세부설계 수행 4.1.1 세부 항목별 비교 개요 구분 Case 1 Case 2 1 케이블 간격 (8m, 12m) 케이블 간격 : 8m 케이블 간격 : 12m 2 주탑 형식 (4-Leg, 2-Leg) 모두 4-Leg 주탑 PY2만 4-Leg 주탑 3 내부 교각 (유, 무) 내부 교각 설치 내부 교각 미설치 4 보강거더 (Edge 박스거더, 플레이트거더) Edge 박스 거더 플레이트 거더 www.yooshin.co.kr _ 227

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지228 유신기술회보 _ 설계사례 4.1.2 세부 항목별 결과 비교(변형도) 구분 Case 1 Case 2 1 케이블 간격 케이블 간격 : 8m 24.8cm 0.0071rad 케이블 간격 : 12m 30.5cm 0.0070rad 모두 4-Leg 주탑 MIDAS CIVIL PY2만 4-Leg주탑 2 주탑 형식 24.8cm 0.0071rad 36.4cm 0.0103rad 내부 교각 설치 내부 교각 미설치 3 내부 교각 6.5cm 24.8cm 0.0032rad 부반력 없음 21.7cm 24.8cm 0.0071rad 부반력 발생 Edge 박스 거더 플레이트 거더 4 보강거더 24.8cm 0.0071rad 25.9cm 0.0091rad 4.1.3 결과 정리 1 케이블 간격 (8m, 12m) 2주탑형식 (4-Leg, 2-Leg) 3내부교각 (유, 무) 4 보강거더 (Edge박스거더, 플레이트거더) 구분 주경간 처짐(cm) 24.8 30.5 단부 회전각(rad) 0.0071 0.0070 주경간 처짐(cm) 24.8 34.6 단부 회전각(rad) 0.0071 0.0103 첫 번째 경간 처짐(cm) 6.5 21.7 주경간 처짐(cm) 24.8 24.8 단부 회전각(rad) 0.0032 0.0071 주경간 처짐(cm) 24.8 25.9 단부 회전각(rad) 0.0071 0.0091 Case 1 Case 2 비 교 단부처짐각은 비슷하나 중앙경간 처짐이 작은 케이블 간격 8m 적용 모든 주탑에 4-Leg를 적용하여 중앙경간 처짐 및 단부 처짐각 제어 내부교각 설치시 측경간 처짐, 단부 회전각을 감소 시키고, 단부 교각에서 부반력이 발생하지 않으므로 내부교각 설치 보강거더에 따른 주경간 처짐은 크지 않으나, 플레이트거 더 적용시 강성 감소로 인해 단부회전각 발생 과다로 Edge 박스거더 적용 검토결과 다경간 사장교 연구결과(Bridges with Multiple Cable-Stayed Spans)에 따르면 다경간 사장교에 4-Leg 주탑을 적용 하면, 동일경간의 2주탑 사장교보다 적은 처짐이 발생함 세부 구조에 대한 매개변수 결과 4-Leg 주탑 적용, 케이블 간격 8m, 내부교각 설치, Edge 박스 거더를 적용하여 다주탑 철도 사장교의 처짐제어 및 주행 안전성(승차감) 철저히 확보 228_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지229 4.2 상부구조 개요 형 식 3주탑 강합성 사장교 내진등급 내진 1등급 지간구성 70+70+260+260+70+70=800m 설계속도 270km/hr 폭 원 17.300m 설계하중 LS-22 / HL-25 표준열차하중 사 각 90 평면선형 직선구간 종단면도 평면도 800,000 2@70,000 =140,000 260,000 260,000 2@70,000 =140,000 17,300 주탑(PY2) 횡단면도 www.yooshin.co.kr _ 229

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지230 유신기술회보 _ 설계사례 4.3 세부구조 계획 4.3.1 세부구조 개요 경계조건 보강거더 케이블 주탑 정착부 보강 PY2 종방향 고정 신축부 400m 이내 계획 Edge박스형 강합성 거더 휨강성을 극대화 유지관리가 편리한 MS형식 조밀한 배치로 강성 증가 강봉 형식 보강 시공 및 유지관리 용이 케이블 정착 시스템 주탑 높이 내부교각 기초 박스 내부 정착 유지관리 용이 경간장 비례미를 고려하여 결정 Y형내부교각설치 단부교각 부반력 억제 케이슨기초로 안전성 우수 수평하중 저항력 우수 4.3.2 보강거더 상세 계획 및 표준단면 230_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지231 4.3.3 다주탑 사장교 구조시스템 최적화 다주탑 사장교의 시스템 특성 비교 Back Stay 효과가 적은 다주탑 사장교의 거동 특 성상 연직 처짐을 최소화할 수 있는 구조시스템 선 정이 필요하다. 2주탑 사장교 다주탑 사장교 중앙경간 활하중 재하시 측경간측 Back Stay가 중앙경간측의 케이블 장력과 균형(Back Stay 효과) 외측 주탑의 경우는 Back Stay 효과를 가지나 중앙주탑은 Back Stay 효과를 기대할 수 없음 중앙경간및주탑변위제어대책 주탑 시스템 보강거더 시스템 케이블 시스템 주탑 강성 증가(2-Leg 4-Leg) 사례 : Rion Antrion(그리스) 거더의 강성을 증가(I형 박스형) 사례 : Arena Viaduct(스페인) 주탑 변위 제어용 케이블 설치 사례 : Ting Kau(홍콩) 본 교량의 구조 시스템 특징 일반적인 3경간 사장교와 거동이 달라 4-Leg 입체 주탑, Edge 박스형 보강거더, 내부교각 설치, 케이블 간격을 조밀하게 배치하는 등의 교량 강성 증가 계획을 수립하여 주탑 수평변위 및 보강거더 연직 변위를 효과적으로 제어하였다. 변위 제어 대책 2-Leg 주탑 4-Leg 주탑 : 탑정변위 감소 보강거더 I형 박스형 : 거더처짐 감소 케이블 간격 12m 8m : 연직강성 증가 내부교각 설치 : 단부교각 부반력 억제 중앙경간부 활하중 처짐 δ=3.7cm<δa=18.6cm(ktx) OK www.yooshin.co.kr _ 231

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지232 유신기술회보 _ 설계사례 4.3.4 보강거더 바닥판 4.3.5 부반력 제어 프리캐스트 바닥판 현장타설 바닥판 브라켓 시스템 타이다운 시스템 제작장에서 바닥판 제작 품질양호, 공기 절감가능 현장에서 콘크리트 타설 크리프, 건조수축 과다 받침의 정반력으로 저항 유지관리 용이 상부와 케이블로 연결 정착공간확보로 교각 과대 검토결과 품질관리가 양호하고 크리프 및 건조수축 영향이 적은 프리캐 스트 바닥판 적용 검토결과 하부 구조 규모를 줄일 수 있고 상부에서 유지 관리가 용이한 브라켓 시스템 적용 4.4 교량의 동적거동 검토 철도설계기준(노반편, 2011)에 의거한 고속 및 일 반철도 교량의 주행열차하중에 대한 주행 안전성, 승차감 및 동적 안정성을 확보하였다. 운행을 위한 한계 조건 [철도설계기준(노반편, 2011)] 교량상판 최대처짐 검토개요 검토기준 주행안전성 확보를 위한 최대 처짐 제한 f/l 1/600 주행안전성 검토 상단수직 가속도 검토개요 검토기준 검토개요 콘크리트궤도 적용시 과도한 진동에 따른 윤중감소 예방과 받침의 부반력 및 충격발생 억제 콘크리트 도상 0.5 g 차륜과 레일의 접촉에 대한 안전을 확보하여 탈선 위험을 최소화 속 도(km/h) 면틀림(mm/m) 3m기준 면틀림 변화량 면틀림 검토기준 표준열차 하중재하 V 200 200<V 1.0 0.5 3.0mm/3m 1.5mm/3m 실 운행열차 동적해석 0.4 1.2mm/3m 검토개요 열차하중재하는 충격계수를 포함한 표준활하중(단선재하)과 주행열차하중에 의한 속도별 동적해석 결과 중 불리한 값 승차감 기준 승차감을 고려한 연직처짐 검토기준 주경간교(경간장 800m) : 1/1,400 232_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지233 검토결과 구분 KTX EMU1 EMU2 화물열차 허용기준 검토 동 적 해 석 주행 안정성 승차감 상판수직가속도(g) 상판수직가속도(g) 단선열차하중 처짐(mm) 0.03 0.03 0.04 0.07 0.5 OK 0.044 0.052 0.058 0.098 1.2 OK 36.6 50.5 58.4 99.9 185.7 OK 구분 HL-25 표준열차하중 LS-22 표준열차하중 허용기준 검토 교량상판 (복선)L+I 315.5 334.7 최대처짐 433.3 OK 정 주행 (mm) (단선)L+E 168.9 146.1 적 안정성 해 면틀림 V 200-0.32 3.0 OK 석 (mm/3m) 200<V 0.28-1.5 OK 승차감 단선열차하중 처짐(mm) 157.7 167.3 185.7 OK 검토결과 정적 동적 검토 결과, 열차주행에 따른 주행안전성 및 승차감의 허용기준을 만족하여 동적안정성 확보 5. 가설계획 교량제원및주요공사수량 교량제원 및 주요 공사 수량과 사용 장비는 다음 과 같다. 구분 물량 주요 장비 상부 주탑 기초 케이블및하부 강 재 량 : 8,014톤 콘크리트 : 6,595m3 철 근 : 1,543톤 PS강연선 : 217톤 크롤러크레인(350톤) 바지선(2,000P) 콘크리트 : 20,038m3 철 근 : 3,542톤 PS강연선 : 156톤 PS 강 봉 : 137톤 타워크레인(12톤) 이동식거푸집 강 재 량 : 1,424톤 콘크리트 : 61,342m3 철 근 : 2,878톤 크롤러크레인(350톤 2대) 바지선(2,000P) 케 이 블 : 939톤 콘크리트 : 2,947m3 철 근 : 500톤 윈치(주탑부) 육상크레인 www.yooshin.co.kr _ 233

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지234 유신기술회보 _ 설계사례 보강거더 세그먼트 분할 계획 주두부 및 측경간 시공 계획 주탑부 : 탑기부가 넓어 별도의 가시설 불필요 교각부 : 가설브라켓 설치 후 크롤러 크레인으로 거치 프리캐스트 바닥판 시공 계획 기제작된 프리캐스트 바닥판 인양 및 거치 이음부 무수축 콘크리트 타설 및 단부 일반 콘크리트 타설 검토결과 하상 가설여건을 고려하여 육상 장비와 조합시켜 시공 효율을 극대화할 수 있는 가설계획을 수립 234_ 제19호

17-221~235설계01철도사장교1.ps 2012.12.26 20:0 페이지235 6. 결론 안성천 통과 주교량의 특징을 요약하면 다음과 같 다. 첫째, 국내 최초로 시도된 다경간 강합성 철도 사 장교 계획으로 철도교량의 국내 기술력을 한 단계 업그레이드시켰다. 둘째, 철도교의 엄격한 주행안전성 기준과 승차감 기준을 충분히 만족시키기 위해 4-Leg 주탑, 고강 성 박스형 강합성거더, 부반력 제어를 위한 내부교 각, 8m 케이블 간격 등을 적용하는 최적의 사장교 를 계획하였다. 셋째, 유지관리의 편의성을 고려하여 부반력이 발 생하는 단부 교각에 타이다운 시스템이 아닌 브라켓 시스템을 적용하여, 부반력을 정반력으로 변환하여 받는 구조로 계획하였다. 이와 같이 안성천 횡단 주교량은 상기 세부사항을 적용하여 철도교에 다경간 사장교를 계획함으로써 국내 철도교에 사장교를 계획하는 시발점이 되어, 기술 발전에 이바지하길 바란다. www.yooshin.co.kr _ 235