2012 년도 한국철도학회 추계학술대회 논문집 KSR2012A360

모노레일용 아치주탑 강사장교의 설계와 시공

Design and Construction of Arch Pylon Steel Cable Stayed Bridge for Monorail

이상민*†, 하준수*, 곽필봉*, 한승환**

Sangmin Lee*†

, Junsu Ha*, Pilbong Gwak

*, Seunghwan Han

**

Abstract Daegu metro 3rd line is the first monorail made for public transport in Korea and it is scheduled to open in 2014. A straddle-beam type monorail and HITACH Large type vehicle have been selected for the 3rd line. An Arch Pylon Cable Stayed Bridge has been designed and constructed to across Man-pyeung intersection where two 8 lane roads cross. The Arch Pylon was made of steel and total span length of the bridge is 146.25m. A steel rail beam is used as bridge girder and it is connected to the Pylon by lateral beam. Detail construction stage analysis has been conducted to ensure high accuracy required for monorail system. Also, an influence matrix method has been used to consider effect of cable tensioning to adjacent cables and camber. Additional anchorage blocks are used to mitigate errors in length of PWS type stay cables.

Keywords : Daegu metro 3

rd line, Monorail, straddle-beam type, Arch Pylon, Cable-Stayed Bridge

초 록 2014년 개통 예정인 대구도시철도 3호선은 총연장 23.95km 의 국내 최초 대중교통용 유상운송 모노레일이다. 모노레일 형식은 차량이 궤도빔 위를 주행하는 과좌식(跨座式)으로, 히타치사의 Large Type 차량이 도입되어 3량 1편성으로 운행될 예정이다. 만평네거리에 설치된 아치주탑 강사장교는 왕복 8차로 교차로구간 146.25 m를 횡단하는 교량으로, 상부구조는 강궤도빔으로 설계하였으며, 강재의 아치주탑과는 가로보로 연결하였다. 궤도빔의 정밀성을 위하여 상세한 시공단계 해석을 실시하였으며, 영향 Matrix를 통하여 케이블 장력 도입에 따른 캠버 및 주변 케이블의 영향을 고려하였다. 교량은 FSM공법으로 가설하였으며, PWS타입 케이블의 길이 오차는 별도의 정착블록을 설치하여 보정하였다.

주요어 : 대구도시철도3호선, 모노레일, 과좌식, 아치주탑, 사장교

1. 서 론

대구도시철도 3호선은 대구 북구 동호동에서 수성구 범물동까지 23.95km를 잇는 노선으로,

2014년 개통 예정이며, 국내 최초의 대중교통용 유상운송 모노레일이다. 모노레일 형식은

차량이 궤도빔 위를 주행하는 과좌식(跨座式)이며, 차량은 히타치사의 대형(Large Type) 모

노레일 차량으로 3량 1편성으로 운행 예정될 예정이다.

본고에서는 대구도시철도 3호선에 도입된 모노레일 차량의 하중특성을 살펴보고, 노선 내

의 만평네거리 교차로를 횡단하는 아치주탑 강사장교의 구조적 특징 및 시공사례에 대하여

살펴보았다.

† 교신저자: 현대건설 토목환경기술개발실(leesm@hdec.co.kr)

* 현대건설 토목환경기술개발실

** 현대건설 대구도시철도 3호선 3-4공구 현장소장

2

도

차

하

정

열

하

축

설

2

주

계

였

2.1 모노레일

국내에는

도시철도 3호

차량하중은

하중의 약 2

F

대구도시철

정하고 있는

열의 궤도빔

하중의 크기

축이동집중하

Table 1은

설계기준을

2.2 모노레일

2.2.1 교량

본 교량은

주탑기초를

계하였다. 상

였다. 교량의

일 하중 특성

현재까지 모

호선 건설공

1편성 기준

2.8배 수준이

Fig 1. Axial Lo

철도 3호선

는데, 이는 모

빔을 주행하므

기는 차량축하

하중으로 재

충격계수 산

비교한 것으

Tab

Desig

Daegu MetDesign Sp

Korea RailDesign Sp

Korean HighDesign Sp

일용 아치주

량 제원 및

만평네거리

설치할 수

상부구조는

의 배치 현황

성

모노레일용

공사 설계기

준으로 만차

이다. 모노

oad of Monora

설계기준에

모노레일의

므로 차량의

하중의 25 %

재하하도록

산정식에 대

으로, 모노

ble 1. Comparis

gn code

tro 3rd Line pecification

lway Bridge pecification

hway Bridge pecification

주탑 사장교

구조계획

리 교차로의

없는 현장

모노레일용

황 및 주요

2

구조물에

기준[1]의 모

시 총 하중

레일 차량의

il and Location

에서는 차량

경우 2열의

의 횡방향력

%로, 주행면

규정되어 있

대하여 대구

레일의 충격

son of Live Lo

Con

i =

L≤18mL>18m:{

i =

의 설계

의 146.25 m구

장 여건상 강

용 강궤도빔

부재의 단면

2. 본 론

대한 설계기

모노레일 하중

중 1320 kN,

의 만차시 축

n of Center of

활하중에

의 바퀴로 주

력에 의한 안

면의 높이에

있다.

구도시철도 3

격하중은 철

oad Impact Fac

ncrete Bridge

20 / (50+L)

m : 45 - (L2/45){240/(L-0.6)}+2

15 / (40+L)

구간을 횡단

강재 주탑이

빔을 사용하

면 제원은 F

기준이 없기

중을 기준으

축당 하중

축하중 및 중

Gravity (HITA

의한 횡하중

주행하는 일

안전성이 확

에서 궤도축의

3호선, 철도

철도교와 도로

ctor for Variou

24L

L >2

단하는 아치주

교축의 대

였고, 주탑

Fig 2 및 Fig

기 때문에, 본

으로 하였다

110 kN 으

중심위치는

·x=

ACH Large Ty

중을 추가로

일반 철도나

보되어야 하

의 직각방향

도교 설계기준

로교의 중간

us Design Code

Steel Bridge

i = 25 / (50+L

L≤24m : 50 - (L24m : {180/(L-

i = 15 / (40+L

주탑 강사장

대각선 방향으

탑과는 횡방향

g 3과 같다.

본 고에서는

다. 본 모노

으로 도로교

Fig 1과 같

=2.130m (Full

ype Vehicle)

로 고려할 것

차량과는

하기 때문이

향으로 수평

준 그리고

간 수준이다

e

ge

L)

L2/48) -9)} + 26

L)

장교로, 도로

으로 놓이도

향 빔으로

는 대구

노레일의

DB-24

같다.

Passanser)

것을 규

달리 1

이다. 횡

하게 1

도로교

다.

로 내에

도록 설

연결하

Fig 2. General Layout of Man-pyeung Arch Pylon Steel Cable Stayed Bridge

(a) Arch Pylon Section (b) Lateral Beam (c) Steel Rail Beam Typical Section (d) Girder Cable Anchor Block

Fig 3. Typical Sections of Main Members

2.2.2 상부구조 설계

교량의 종방향 해석은 MIDAS/CIVIL 을 이용하여 수행하였으며, 교량의 3D 모델링 및 상

부거더 최대응력 검토결과는 다음 Table 2와 같다.

Table 2. 3D Modeling of the Bridge and Stress Check Results

Location of Stress

Combined Stress (Axial + bending, MPa) Shear Stress (MPa)

Tensile (allowable)

Compressive (allowable) Actual Allowable

Top fiber 128.5 (210.0)

148.6 (210.0)

18.91 120

Bottom fiber 186.7 (201.8)

177.0 (201.8)

0,800

0,300

LCLC

CL

3,500

1,100

1,240

0,730

0,430

2,980

4,420

0,7200,720

2.2.3 주탑 및 케이블 설계

본 교량 아치주탑의 라이즈비(Span to rise ratio)는 거더 및 주탑의 단면력과 케이블 장력에

대한 검토를 통하여 1.5:1 수준으로 결정하였다. 본 교량에서는 아치부재가 사장교의 주탑으

로 사용되었기 때문에 라이즈비가 일반 아치교량에 비하여 작은 수준으로 설계되었다.

케이블의 본수는 각 면당 11본으로 PWS타입의 케이블이 적용되었으며, 분리정착방식으로

설계하였다.

2.2.4 기타 상세 설계

주요부재의 응력 집중부에 대해서는 3차원 정밀해석을 실시하였으며, 그 결과 Table 3과

같이 모두 허용응력 내로 안전함을 확인하였다. 강교에서 특히 중요한 요소인 피로파괴에

대해서는 무요소해석법(Element-free Galerkin Method, EFGM) 을 이용한 균열 진전 해석을 실

시하여 안전성을 확보하였다.

Table 3. Detailed 3D Analysis for Stress Concentration in Bridge Members

Arch-Lateral Beam Junction Lateral Beam Cable Anchorage in Pylon Cable Anchorage in Girder

• Stress Check

f=103.7 < fa=210.0 MPa

• Stress Check

f = -167.0 < fa =210.0 MPa

• Stress Check

f = 157.8 < fa = 210.0 MPa

• Stress Check

f = 195.4 < fa = 210.0 MPa

2.2.5. 솟음량의 산정

모노레일 설계기준에서는 콘크리트 궤도빔과 강궤도빔에 대하여 각각 활하중에 의한 처짐

의 1/3과 1/4에 대한 솟음량을 추가적으로 고려하도록 하고 있다. 따라서 본 교량의 경우도

강궤도빔을 적용하였으므로, 활하중에 의한 처짐량의 1/4을 추가적으로 고려한 솟음량을 산

정·반영하였다. 상부 궤도빔의 솟음량은 총 14단계의 시공단계 해석을 실시하여 산정하였

으며, 최종 계산된 좌·우 궤도빔의 솟음도는 Fig 4와 같다.

(a) Left Guideway beam (b) Right Guideway beam

Fig 4. Pre-camber Diagram for the Bridge

-20

0

20

40

60

80

100

120

-72.5 -54.5 -35.5 -20.0 4.5 24.5 40.0 55.5

1차 고정하중 2차 고정하중 활하중 1/4 솟음합계

-20

0

20

40

60

80

100

120

-72.5 -54.5 -35.5 -20.0 4.5 24.5 40.0 55.5

1차 고정하중 2차 고정하중 활하중 1/4 솟음합계

2.3 모노레일용 아치주탑 강사장교의 시공

2.3.1 교량의 가설

본 교량의 가설 공법은 도심지에서의 시공 기간을 최소화 하기 위하여 Fig 5와 같이 가설

벤트 설치 후 크레인을 이용한 대블럭 공법을 적용하였으며, 차량의 통행을 고려하여 주로

야간에 실시하였다. 가설은 먼저 중앙의 강아치주탑의 시공을 완료한 후 상부 강궤도빔을

가설벤트 위에 거치하고, 최종 케이블 긴장 후 가설벤트를 철거하는 순으로 시공하였으며,

교량은 지난 2012년 4월 최종 완공되었다.

2.3.2 시공 중 선형관리

장력 도입 시 모든 케이블들은 서로에게 영향을 주기 때문에, 주변 케이블의 장력 및 캠

버 변화까지 동시에 고려하여 조정하여야 한다. 또한 모노레일의 궤도빔은 그 자체가 하중

을 지지하는 구조물임과 동시에 차량의 주행을 위한 궤도가 된다. 이러한 궤도빔의 시공은

타 구조물에 비하여 높은 정밀성을 요구하기 때문에 본 교량에서는 영향 Matrix를 이용하여

시공중 장력 및 캠버를 정밀하게 관리할 수 있도록 하였다. 영향 Matrix란 특정케이블의 단

위길이 조정과 단위하중 도입에 따른 주변 케이블의 장력 변화 효과가 고려되도록 케이블

상호간에 미치는 영향의 정도를 산술화한 것으로서 본 교량에서는 장력과 처짐을 모두 조절

변수로 고려하여 선형관리를 수행하였다.

Fig 5. Man-pyeung Arch Pylon Cable Stayed Bridge During Construction (left) and After Completion (right)

소

너

상

탑

m

보

보

으

입

을

인

모

하

2.3.3. 케

본 교량에

소요 길이와

너트를 이용

상의 오차는

탑 정착구에

mm의 길이로

보정이 가능

보하였으며,

으며, 목표하

최근 국내

입 혹은 계획

을 도입하였

인 146.25 m

모노레일이

하는 경전철

[1] Daegu

Constru

케이블 오차

적용된 P

와 제작길이간

용하거나 shi

는 별도의 방

에·설치하는

로 제작되었

능하도록 설

, 실제 케이

하였던 장력

Fig 6.

에 경전철에

획 중에 있는

였다. 만평네

m를 횡단하는

가지는 슬림

철용 교량 건

Metropolit

uction Projec

보정

WS 타입 케

간의 오차가

im plate를 삽

방법을 고려

는 방법으로

었으며, 각

계하였다.

이블 설치 및

력 및 캠버조

FEM Analysis

에 대한 관심

는 가운데,

네거리 아치

는 교량으로

림함과 장경

건설의 좋은

tan Urban R

ct Design Spe

케이블은 공

가 발생할 수

삽입하는 등

해야 한다

케이블의

블록을 서

제작 전 상

및 긴장시 적

조정을 성공

s and Field App

3

심이 증가하

대구도시철

주탑 강사장

로서, 케이블

경간 교량의

사례가 될

참

Railroad Co

ecification

공장제작 후

수 있다. 작

등 비교적 간

. 본 교량에

길이오차를

로 조합할

상세 FEM해

적용 결과 케

공적으로 완료

plication of Su

3. 결 론

하면서 각 지

철도 3호선은

장교는 도심

블 교량으로

개방성을

것으로 생

참고문헌

onstruction H

후 현장에 반

작은 오차의

간단하게 보

에서는 별도

를 보정하였다

수 있게 하

해석을 통하

케이블을 안

료하였다.

upplementary A

지자체별로

은 국내최초

심지를 횡단

로는 드물게

극대화한 본

생각된다.

Headquarter

반입되는 특

경우 케이블

보정할 수 있

도의 정착블록

다. 정착블록

하여 최대

여 정착블록

안정적으로 정

Anchorage Blo

다양한 형식

초로 모노레

단하는 철도교

사교 형식으

본 교량은 향

s (2008) D

특성상 현장

블 정착부에

있으나, 일정

록을 제작하

록은 300, 5

1,100 mm의

록의 안전성

정착시킬 수

ock

식의 경전철

일 형식의

교로서는 큰

으로 설계되

향후 도심을

Daegu Metro

장에서의

에 있는

정량 이

하여 주

00, 600

의 오차

성을 확

수 있었

철이 도

경전철

큰 규모

되었다.

을 통과

o 3rd

Line