보도사장교 초기장력의 최적화 연구

Abstract

사장재를 이용한 교량의 형식 즉 사장교(Cable Stayed Bridge)는 중간의 교각 위에 세운 타워로부터 비스듬히 뻗은 케이블로 주형 또는 트러스를 매단 교량구조물로 공간상에서 케이블을 어떻게 배치하느냐에 따라 경제성, 미적인 다양함과 동시에 구조적인 특성을 추구할 수 있다. 주형, 주탑 및 케이블은 삼각형을 이루어 케이블은 인장력으로 주형과 주탑은 주로 압축력으로 하중을 전달하게 되며 이렇게 함으로써 주형이 전적으로 휨을 받는 경우보다 경제적으로 단면을 설계할 수 있다. 현재 국내에서는 한강을 횡단하는 올림픽대교, 서해안 고속도로 상에 놓여져 있는 서해대교, 영흥대교, 삼천포대교가 시공되었으며 여러 개의 교량이 시공 중에 있다. 사장교의 시공에 있어 케이블 설치 시에는 도입하는 케이블 긴장력을 결정하기 위해서는 먼저 완성계 상태의 사하중에 대한 초기평형상태를 결정한다. 사장교는 순차적인 장력도입으로 인하여 실제적으로 케이블의 장력은 완성상태에서 변화한다. 따라서 케이블 지지구조물의 완성상태에서 장력의 정확한 추정은 간접적인 방법에 의해서 평가하고 있는 실정이다. 최근 들어 장대교량에 대한 시공 및 설계가 증가하면서 사장교의 시공 관리 등에 대한 관심이 증대되고 있다. 케이블의 장력 및 보강형 단면의 응력변화는 완성계 사장교의 안정성 검토의 주요 항목이다. 본 연구에서는 현재 시공 중인 보도사장교를 모델로 하여 실제로 발생할 수 있는 여러 가지 위험 부등침하 경우를 고려하여 이를 비교 분석하여 최적화 기법을 이용해 가장 합리적인 초기장력을 결정하고자 한다. 기초 안정성 검토에 따른 침하량을 바탕으로 침하방향을 고려한 주경간에 집중적으로 작용하는 위험 부등침하 Case를 허용응력 설계법 하중조합의 지점침하 항에 적용하여 구조해석을 실시하였다. 보강형 단면응력 검토 시 허용응력을 초과하진 않았지만, 케이블 장력분포 검토 시 허용장력을 초과하는 케이블이 발생하였다. 이에 따라 최적화기법을 이용한 초기장력의 최적화가 필요했다. Matlab의 최적화기법을 이용하여 초기장력의 최적화를 수행하였다. 초기장력 최적화 연구 결과 허용장력을 초과한 케이블은 허용장력대비 14%~14.2% 이내로 장력분포 결과를 보였고, 단면응력 역시 허용응력 내에 분포하는 결과를 도출하며 해석대상교량의 안전성을 확보하였다.