현수교

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현수교에서 교통 데크는 높은 타워 사이에 드리워진 거대한 케이블에 매달려 있는 일련의 와이어 로프로 지지됩니다. 뉴욕의 브루클린 다리와 샌프란시스코의 금문교는 가장 유명한 현수교입니다. 1998년에 완공된 일본의 아카시 해협 대교는 세계에서 가장 긴 현수 경간(지지 타워 사이의 거리)-6,529피트(1,991m); 타워와 해안 사이의 부분을 포함하여 전체 다리의 총 길이는 거의 4km입니다. 아카시 해협 다리 건설에는 10년이 걸렸고 36억 달러가 들었고 6명의 부상자만 발생했습니다(사망 없음). 1세기 전 브루클린 다리는 1,600피트(490m)의 다리를 건설하는 데 14년이 걸렸고 27명의 목숨을 앗아갔습니다.

배경

현수교는 인간이 고안한 최초의 유형 중 하나입니다. 가장 원시적인 버전은 틈의 양쪽을 연결하는 덩굴 로프입니다. 사람은 밧줄에 매달린 채 손을 맞잡은 채 자신을 잡아당기면서 건너편을 여행합니다. 그러한 원시 교량—일부는 200미터에 달함—은 여전히 ​​시골 인도와 같은 지역에서 사용되고 있습니다. 다소 더 정교한 디자인은 사람이 걸을 수 있는 평평한 표면을 포함하며 때로는 덩굴 난간을 사용합니다.

8세기까지 중국 교량 건설업자들은 한 쌍의 철 사슬 사이에 판자를 깔아 현수교를 건설했는데, 이는 본질적으로 케이블 위에 놓인 유연한 데크를 제공하는 것이었습니다. 이후 수세기 동안 비슷한 다리가 세계 여러 지역에 건설되었습니다. 그러나 현수교의 현대 시대는 1808년 James Finley라는 미국인이 교량 케이블에서 단단한 데크를 매달기 위한 시스템에 대한 특허를 낸 이후에 시작되었습니다.

Finley는 12개 이상의 작은 다리를 건설했지만 그의 기술을 통합한 최초의 주요 다리는 Thomas Telford가 영국의 Menai 해협을 가로질러 건설했습니다. 1825년에 완공된 그것은 153피트(47m) 높이, 1,710피트(521m) 길이, 580피트(177m)의 스팬을 자랑하는 석탑을 가지고 있었습니다. 폭이 9m인 도로는 철제 사슬 케이블로 매달린 단단한 플랫폼 위에 건설되었습니다. 1939년에 철 사슬이 강철 막대 링크로 교체되었지만 다리는 여전히 사용 중입니다.

또 다른 미국인인 John Roebling은 1800년대 중반에 현수교 설계에 대한 두 가지 주요 개선 사항을 개발했습니다. 하나는 트러스(대각선 빔으로 교차 가새된 수평 및 수직 거더 어레이)로 견고한 데크 플랫폼을 강화하는 것이었습니다. 경험에 따르면 바람이나 리드미컬한 교통 부하로 인해 충분히 강화되지 않은 데크가 진동을 일으켜 통제할 수 없게 되어 문자 그대로 다리가 찢어질 수 있습니다.

Roebling의 다른 중요한 혁신은 교량의 지지 케이블 건설과 관련이 있습니다. 1830년경에 프랑스 엔지니어들은 여러 가닥의 와이어로 구성된 케이블이 사슬보다 다리를 현수하는 데 더 효과적이라는 것을 보여주었습니다. Roebling은 조립식 케이블을 조립식으로 운반하여 제 위치에 고정시키는 대신 교량에서 케이블을 "회전"하거나 구성하는 방법을 개발했습니다. 그의 방법은 새로운 교량에서 여전히 일반적으로(배타적이지는 않지만) 사용됩니다.

현수교의 역사에는 선구적인 엔지니어가 제안했을 때 불가능하다고 널리 믿었던 성공적인 교량의 예가 풍부하게 뿌려져 있습니다. 한 가지 예는 1851년에서 1855년 사이에 나이아그라 강 협곡을 가로질러 건설된 철도 교량 Roebling입니다. 최초의 트러스 보강 현수교는 석탑 사이에 250cm(10인치) 직경의 케이블 4개로 지지되었습니다. 완공된 지 40년이 지난 지금, 다리는 원래 설계된 것보다 2.5배나 무거운 교통량을 성공적으로 운반하고 있었습니다. 그 시점에서 그것은 퇴역하고 해체되었습니다.

철골 작업자가 누워 있는 케이블은 워싱턴주 내로우즈 브리지의 새로운 타코마 현수 케이블을 의미합니다. 1949년 10월 21일.

Tacoma Narrows Bridge는 세계에서 세 번째로 큰 현수교로 1940년 11월 7일 토요일에 붕괴되었을 때 5개월 밖에 되지 않았습니다. 2,800피트(853.4m)를 측정하는 중앙 경간은 두 개의 425피트(129.5m) 사이에 뻗어 있습니다. ) 높은 타워인 반면 측면 경간은 각각 1,100피트(304.8m) 길이였습니다. 현수 케이블은 타워에 매달렸고 강둑쪽으로 1,000피트(304.8m) 뒤로 고정되었습니다. 디자이너 Leon Moisseiff는 세계 최고의 교량 엔지니어 중 한 명이었습니다.

Moisseiff의 의도는 높은 타워 사이에서 부드럽게 아치를 이루는 매우 가느다란 데크 스팬을 만드는 것이었습니다. 그의 설계는 2.4m(8피트) 깊이로 간소화된 도로 측면을 따라 이어지는 강판 보강재의 거더 설계와 케이블 서스펜션의 원칙을 결합했습니다.

640만 달러의 이 다리는 이상한 행동을 경험한 사람들에게 "Galloping Gertie"라는 별명이 붙었습니다. 갑판을 던지고 굴리는 기복을 견뎌야 하는 노동자들은 배멀미를 호소했습니다. 개회 이후에는 바람이 약한 날에도 운전자들이 건널 수 있는 도전적인 스포츠 행사가 되었고, 뱃멀미에 대한 불만이 일반화되었습니다.

State and Toll Bridge Authority 엔지니어들은 폭이 39피트(11.9m)에 불과한 가느다란 2차선 경간의 거동에 대해 조금 더 긴장했습니다. 경간 길이(8-2,800피트[2.4-853.4m])와 관련하여 얕은 깊이로 인해 비율이 1:350이었으며, 이는 금문교나 조지 워싱턴 다리보다 거의 3배 더 유연했습니다. 엔지니어들은 진동을 안정화하기 위해 여러 가지 방법을 시도했지만 효과가 없었습니다.

증인 중에는 톨 브리지 당국의 의장인 Kenneth Arkin과 Farquharson 교수가 있습니다. 10:00까지 Arkin은 풍속이 시속 61.1-67.6km에서 상승한 반면 데크는 1분 동안 3피트(0.9m)가 38번 오르내리는 것을 확인했습니다. 그와 Farquharson은 교통을 멈췄습니다.

신문기자 레너드 코츠워스(Leonard Coatsworth)는 기복 때문에 더 이상 운전할 수 없을 때 다리 한가운데에 자신의 차를 버리고 있었습니다. 그는 딸의 애완견이 차 안에 있었지만 손과 무릎에 내동댕이쳐진 것을 기억하며 잠시 뒤를 돌아보았다. 10시 30분경, 멜빵 밧줄이 찢어지기 시작하여 갑판이 부서지고 코츠워스의 차를 물에 빠뜨렸습니다. 30분 이내에 나머지 데크는 섹션별로 무너졌습니다.

꼬인 다리의 문제를 조사한 엔지니어들은 바람이 항상 같은 각도, 같은 강도로 다리에 부딪히지 않는다는 것을 설명할 수 있었습니다. 예를 들어, 아래에서 오는 바람은 한쪽 가장자리를 들어 올리고 반대쪽 가장자리를 밀어냅니다. 자체를 곧게 펴려고하는 데크가 뒤로 비틀립니다. 반복되는 비틀림은 진폭이 증가하여 브리지가 다른 방향으로 진동합니다. 바람의 거동에 대한 연구는 공기역학이라고 하는 전체 공학 분야로 성장했습니다. 결국 풍동에서 모델을 테스트하지 않고 교량, 건물 또는 기타 노출된 구조물을 설계하지 못했습니다. 그래픽 기능의 발전으로 이 테스트 중 일부는 이제 컴퓨터에서 수행됩니다.

1869년 Roebling은 그가 설계한 Brooklyn Bridge의 부지를 조사하던 중 사고로 사망했습니다. 그의 아들인 Washington Roebling은 그 후 14년 동안 그 유명한 건축물을 지었습니다. 이것은 연철(뜨거울 때 기계로 모양을 만들거나 망치로 만들 수 있는 비교적 부드러운 유형의 철) 대신 강철로 만든 케이블을 사용한 최초의 현수교였습니다. 4개의 16인치(40cm) 직경 케이블 각각은 5,000개 이상의 평행한 강철 와이어로 구성됩니다. 완공된 지 100년이 넘은 Brooklyn Bridge는 현대식 교통량을 많이 운반합니다.

또 다른 랜드마크 현수교는 Joseph Strauss가 1933년부터 1937년까지 샌프란시스코 만의 입구인 금문교를 가로질러 건설했습니다. 금문교의 길이는 1,966m, 주 경간은 1,280m입니다. 2개의 타워는 높이가 227m(746피트)입니다. 그들은 총 80,000마일(129,000km)의 강철 와이어를 포함하는 2개의 7,125톤(650만 kg) 케이블을 지원합니다. 엄격한 안전 예방 조치에도 불구하고 11명의 근로자가 사망했습니다. 19명은 건설 중 갑판 아래에 매달려 있는 안전망으로 구조되었으며, 이는 이후 교량 프로젝트의 표준이 된 혁신입니다.

미국에서 가장 유명한 교량 파손 중 하나는 1940년 워싱턴 주 퓨젯 사운드의 Tacoma Narrows 교량이 붕괴된 것입니다. 당시 세계에서 세 번째로 긴 현수교였던 이 다리는 매우 매끄럽게 설계되었습니다. 2개의 차선과 인도를 위한 충분한 너비의 경간은 길이가 2,800피트(853m)였습니다. 트러스로 보강하는 대신 데크는 높이가 2.4m에 불과한 두 개의 강철 대들보로 보강되었으며 일부 교차 가새가 연결되어 있습니다. 이 설계는 트러스보다 강성이 낮을 뿐만 아니라 바람이 열린 트러스 배열을 무해하게 통과하지 않고 구조물에 강한 힘을 가할 수 있도록 했습니다. 완공된 지 4개월 후, 다리는 42mph(68km/h)의 바람에 의해 증가하는 진동 패턴으로 설정되었고 자체적으로 찢어졌습니다. 10년 후에 건설된 교체 교량은 33피트(10m) 두께의 강철 트러스로 보강된 데크로 설계되었습니다.

원자재

현수교의 많은 구성 요소는 강철로 만들어집니다. 데크를 단단하게 만드는 데 사용되는 거더가 한 가지 예입니다. 강철은 또한 케이블이 현수교 타워 꼭대기에 놓이는 안장 또는 개방형 채널에도 사용됩니다.

강철이 와이어로 당겨지면(늘어날 때) 강도가 증가합니다. 결과적으로 상대적으로 유연한 강철 와이어 묶음은 동일한 직경의 단단한 강철 막대보다 더 강합니다. 이것이 현수교를 지지하기 위해 강철 케이블을 사용하는 이유입니다. Akashi Kaikyo Bridge의 경우 실리콘으로 강화된 새로운 저합금강이 개발되었습니다. 인장 강도(당김 힘에 대한 저항)는 이전의 강철 와이어 공식보다 12% 더 큽니다. 일부 현수교에서는 케이블을 구성하는 강선이 아연 도금(아연 코팅)되어 있습니다.

대부분의 현수교 타워는 강철로 만들어졌지만 일부는 철근 콘크리트로 지어졌습니다.

디자인

각 현수교는 여러 요소를 고려하여 개별적으로 설계해야 합니다. 예를 들어, 사이트의 지질학은 타워와 케이블 앵커리지의 기초를 제공하며 지진에 취약할 수 있습니다. 연결되는 물의 깊이와 특성(예:담수 또는 바닷물, 해류의 강도)은 물리적 설계와 강철 보호 코팅과 같은 재료 선택 모두에 영향을 미칠 수 있습니다. 항해 가능한 수역에서는 기지에 인공 섬을 건설하여 가능한 선박 충돌로부터 타워를 보호해야 할 수도 있습니다.

Tacoma Narrows Bridge 재해 이후 모든 새로운 교량 설계는 금문교의 설계와 마찬가지로 풍동에 축척 모델을 배치하여 테스트되었습니다. 예를 들어 아카시 해협 대교의 경우 세계 최대의 풍동이 건설되어 교량 단면의 1/100 스케일 모델을 테스트했습니다.

매우 긴 교량에서는 타워를 설계할 때 지구의 곡률을 고려해야 할 수도 있습니다. 예를 들어, 뉴욕의 Verrazano Narrows Bridge에서 높이가 700피트(215m)이고 4,260피트(298m) 간격으로 서 있는 타워는 정상에서보다 약 1.75인치(4.5cm) 더 멀리 떨어져 있습니다. 바닥.

제조
프로세스

현수교 건설은 3개의 다리를 순차적으로 건설하는 것입니다. 물에 떠 있는 타워 건설은 케이슨(원형 댐 역할을 하는 강철 및 콘크리트 실린더)에서 시작됩니다. 실제 타워를 준비하기 위해 물 아래의 땅으로 낮추어지고 물을 비우고 콘크리트로 채워집니다. 주요 구성 요소:타워 및 케이블 고정 장치, 지지 케이블 자체 및 데크 구조.

타워 건설

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1 타워 기초는 충분히 단단한 암석층을 파고 준비합니다. 일부 교량은 타워가 마른 땅에 건설되도록 설계되어 건설이 더 쉽습니다. 타워가 물 속에 서 있을 경우, 그 건설은 케이슨(원형 지하실 역할을 하는 강철 및 콘크리트 실린더)을 물 아래 지면으로 낮추는 것으로 시작됩니다. 케이슨 내부에서 물을 제거하면 작업자가 실제로 물 속에서 작업하지 않고도 기초를 굴착할 수 있습니다. 굴착이 완료되면 콘크리트 타워 기초가 형성되고 부어집니다.

2 건설 세부 사항은 각 고유한 다리에 따라 다릅니다. 예를 들어 아카시 해협 대교를 생각해 보십시오. 두 개의 철탑은 각각 두 개의 기둥으로 구성되어 있습니다. 각 기둥은 30개의 수직 블록(또는 레이어)으로 구성되며 각 블록은 10m(33피트)입니다. 다리의 케이블을 지지하는 구조물인 앵커리지는 견고한 암석에 단단히 부착된 거대한 콘크리트 블록입니다. 타워와 앵커리지가 완료되면 타워를 가로지르는 앵커리지에서 다른 앵커리지까지 케이블의 최종 경로를 따라 파일럿 라인을 연결해야 합니다. 키가 큰; 이 블록 각각은 차례로 세 개의 수평 섹션으로 구성됩니다. 기둥 사이에 위치한 크레인이 각 기둥의 세 부분을 들어 올려 레이어를 완성했습니다. 각 기둥에서 블록을 완성한 후 "부트스트래핑" 크레인을 다음 층으로 들어 올려 다음 층의 섹션을 제자리로 들어 올렸습니다. 적절한 간격으로 기둥 사이에 대각선 가새가 추가되었습니다.

앵커리지 건설

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3 앵커리지는 교량 케이블의 끝이 고정되는 구조물입니다. 그들은 강한 암석에 단단히 부착된 거대한 콘크리트 블록입니다. 앵커리지를 건설하는 동안 강한 아이바(한쪽 끝에 원형 구멍이 있는 강철 막대)가 콘크리트에 박혀 있습니다. 앵커리지 앞에 장착된 스프레이 안장은 개별 와이어 번들(5단계 참조)이 펼쳐지는 지점에서 케이블을 지지합니다. 각 와이어 번들은 앵커리지의 아이바 중 하나에 고정됩니다.

케이블 구조

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4 타워와 앵커리지가 완료되면 타워를 가로지르는 앵커리지에서 다른 앵커리지까지 케이블의 최종 경로를 따라 파일럿 라인을 연결해야 합니다. 다양한 방법을 사용하여 파일럿 라인을 배치할 수 있습니다. 예를 들어, Niagra River 다리의 경우 Roebling은 연결을 만들기 위해 협곡을 가로질러 연결된 파일럿 라인으로 연을 날 수 있는 첫 번째 젊은이에게 10달러의 보상을 제공했습니다. 오늘날 헬리콥터가 사용될 수 있습니다. 또는 배를 타고 드넓은 공간을 가로질러 선을 긋고 제자리로 들어 올릴 수도 있습니다. 파일럿 라인이 설치되면 작업자가 케이블 형성에 참여할 수 있도록 파일럿 라인 아래 약 3피트(1m)에 교량 전체 길이에 대해 캣워크가 건설됩니다.

5 케이블 회전을 시작하기 위해 큰 와이어 스풀이 앵커리지에 배치됩니다. 와이어의 자유 끝은 스트랜드 슈(아이바에 고정된 강철 채널) 주위에 고리가 있습니다. 스풀과 스트랜드 슈 사이에 와이어가 파일럿 라인에 장착된 물레 주위에 감겨 있습니다. 이 바퀴는 다리의 경로를 가로질러 와이어를 운반하고 와이어는 다른 앵커리지에서 스트랜드 슈 주위에 고리를 형성합니다. 그런 다음 바퀴는 첫 번째 고정 장치로 돌아가 다른 가닥을 제자리에 놓습니다. 원하는 수의 와이어 가닥 묶음이 형성될 때까지 이 과정을 반복합니다(약 125개에서 400개 이상까지 다양함). 회전하는 동안 캣워크에 서 있는 작업자는 와이어가 부드럽게 풀려 꼬임이 없는지 확인합니다. 스풀이 소진되면 와이어 끝이 새 스풀의 와이어에 접합되어 연속 가닥을 형성합니다. 다발이 충분히 두꺼워지면 테이프나 와이어 스트랩을 간격을 두고 붙인다. 메인 지지 케이블에 수직 케이블을 부착한 후, 데크 구조는 지지대에서 양방향으로 구축되어야 합니다. 타워에 가해지는 힘의 균형을 항상 유지하기 위해 정확한 속도로 타워를 지지하십시오. 움직이는 크레인이 데크 섹션을 제자리로 들어 올려 작업자가 이전에 배치한 섹션과 메인 서스펜션 케이블에 매달린 수직 케이블에 부착합니다. 전선을 함께 유지하기 위해. 스풀에서 나오는 와이어는 절단되어 앵커리지에 고정됩니다. 그런 다음 다음 번들에 대해 프로세스가 다시 시작됩니다.

완전한 케이블에 필요한 번들의 수는 다양합니다. 금문교에서는 61개, 아카시 해협대교에서는 290개입니다. 적절한 수가 회전되면 방사형으로 배치된 특수 배열의 잭을 사용하여 묶음을 컴팩트한 케이블로 압축하고 강철 와이어를 감습니다. 주위에. 강철 클램프는 데크를 지지 케이블에 연결하는 수직 케이블의 고정 지점 역할을 하기 위해 미리 결정된 간격으로 케이블 주위에 장착됩니다.

데크 건설

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6 메인 지지 케이블에 수직 케이블을 부착한 후 데크 구조를 시작할 수 있습니다. 타워에 가해지는 힘이 항상 균형을 유지하기 위해 구조물은 정확한 속도로 지지 타워에서 양방향으로 건설되어야 합니다. 한 기술에서는 메인 서스펜션 케이블 위에서 굴러가는 움직이는 크레인이 데크 섹션을 제자리로 들어 올려 작업자가 이전에 배치된 섹션과 메인 서스펜션 케이블에 매달린 수직 케이블에 부착하여 완성된 길이를 확장합니다. 또는 크레인을 데크에 직접 놓고 각 섹션이 배치될 때 앞으로 이동할 수 있습니다.

마무리

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7 데크구조가 완성되면 기초층(예:강판)으로 덮고 포장한다. 강철 표면을 페인팅하고 조명용 전선을 설치하는 것은 다른 마무리 단계의 예입니다. 또한 지속적인 유지 관리 절차가 시작됩니다. 예를 들어, 철공 17명과 화가 38명의 상주 직원이 금문교에서 매일 계속 작업하여 부식되는 리벳과 기타 강철 부품을 교체하고 다리를 보호하는 페인트를 손질합니다.

미래

각 현수교는 기능과 미학 모두에 주의를 기울여 독특하게 설계되었습니다. 다리의 부피를 줄이고 효율성을 높이기 위해 새로운 재료가 사용되거나 개발될 수도 있습니다. 그리고 혁신적인 디자이너는 때때로 자신의 도전 과제에 대해 특이한 솔루션을 만듭니다. 예를 들어, 1989년 지진으로 심하게 파손된 샌프란시스코-오클랜드 베이 브릿지의 동쪽 경간을 대체하기 위해 1998년에 승인된 설계는 단 하나의 타워로 지지되는 현수교입니다. 주요 케이블은 위에서 설명한 대규모 앵커리지가 아니라 교량 자체의 데크 지지 구조에 앵커됩니다.

아마도 현재 새로운 현수교에 대해 개발 중인 가장 야심찬 계획은 시칠리아와 이탈리아 본토를 연결하는 계획일 것입니다. 지지 타워는 Messina Strait의 반대편 해안에 건설되어야 하기 때문에 주 경간은 9,500-10,800피트(2,900-3,300m) 길이가 될 것입니다. 제안된 설계 중 하나는 400m(1,312피트) 높이의 타워를 사용합니다. 개발자들은 2006년까지 다리를 건설하기를 희망합니다.