2020
도 로 설 계 요 령
제2권 토공 및 배수
토공 및 배수
제5편 토공 제6편 배수시설 제7편 암거
제 2 권
3.1 형 상 3.1.1 평면 형상
박스형 암거의 평면 형상은 사각이 클 때는 그림 3.1, 사각이 작을 때는 그림 3.2와 같다.
신축줄눈간격 L1, L2는 15 ~ 30 m로 하고, 직각일 때 L1은 규정에 적합한 규격품으로 겹이 음 없이 배근할 수 있는 길이를 기준으로 한다.
또한 경사각의 각도 및 긴 변과 짧은 변 비의 제한치를 표 3.1에 표시한다.
<표 3.1> 경사각의 각도 및 긴 변과 짧은 변 비의 제한치
지 반 조 건 LL θ
연 약 지 반 0.5 이상 70 이상
보 통 지 반 0.5 이상 60 이상
3.1.2 단면계획
(1)
암거의 최소 토피 두께는 원칙적으로 포장층의 총 두께로 하지만 시설한계의 제한을 받는 부득이한 경우는 포장 표층의 두께로 할 수 있다. 다만 토피 두께가 0.6m 이하인 암거가<그림 3.1> <그림 3.2>
3. 박스형 암거
(2)
도로 횡단 암거의 경우 도로의 편경사 및 암거의 종단경사에 의해 토피가 변할 때에는 그림 3.3과 같이 최대 토피두께()로 부재 단면을 계산하고 이것으로 산정된 단면을 전체에 적용 한다. 단, 토피두께가 0.6 ~ 2 m의 경우에는 활하중의 영향으로 토피가 낮은 쪽의 작용하중 (고정하중+활하중)이 클 수 있으므로 토피가 높은 쪽과 낮은 쪽의 부재단면을 같이 검토하여 불리한 쪽의 단면을 전체에 적용한다.(3)
차선 분리 등의 영향으로 토피 두께의 변화폭이 클 때는 토피 두께의 변화를 감안하여 위치 별로 부재 단면을 정한다.(4)
도로 본선용 암거(종방향 설치)와 같이 암거의 연장이 긴 경우에는 토피변화 1.0 ~ 2.0 m마 다 하중을 산정하여 단면을 결정한다. 다만, 시공이음 사이에서는 가급적 단면 변화를 최소 화하고 최대 토피 높이로 산정한 하중으로 부재단면을 정한다.<그림 3.3> 토피 두께
3.2 하 중
3.2.1 고정하중(DC)
(1)
고정하중을 산출할 때는 표 3.2에 나타낸 단위중량을 기준으로 한다. 단, 고정하중의 크기를 정확하게 산정할 수 있는 경우에는 그 값을 적용한다.<표 3.2> 재료의 단위중량 (단위 : kNm) 재 료 단 위 중 량 재 료 단 위 중 량
철근콘크리트 24.5 역청재(방수용) 11.0
무근콘크리트 23.0 아스팔트 포장 22.6
시멘트모르터 21.0
<표 3.3> 쌓기 재료 특성
구 분 단위 토사 암
흙의 단위중량(
t) kN/㎥ 19 20내부마찰각() ° 30 35
정지토압계수[ sin ] 0.5 0.426
일반적으로 쌓기 재료의 종류는 현장여건에 따라 토질조사를 실시하고 실험을 통하여 구한 특성값을 적용할 수 있다.
3.2.2 토피하중(EV)
(1)
토피하중은 암거상부에 있는 토사의 중량으로 연직방향하중 성분이다.(2)
기초지반이 양호하고 양질의 토사인 경우에 토피하중은 다음 식 3.1에 따라 산정한다. 다만, 기초지반상태에 따라 토피하중의 영향을 별도로 고려할 수 있다.(3)
암거의 상면에 작용하는 토피하중은 다음 식을 근거로 산출한다.P
v
t× D
(3.1)여기서, Pv : 토피하중(kN/m²)
t : 흙의 단위중량(kN/m³) D : 암거 상면의 토피두께(m)DHo
Bo B
H
3.2.3 활하중
(1)
차량활하중은 KL-510을 적용하며, 표준트럭하중 및 차륜접지면적은 아래와 같다.135kN 135kN 192kN 48kN
3.6m 1.2m 7.2m 12.0m
3.0m
0.6m 1.8m 0.6m
<그림 3.5> 표준트럭하중(KL-510)
<표 3.4> 차륜의 접지면적
차륜하중 접지면적(mm2) 통행방향 길이(mm) 통행방향
직각 폭(mm) 비고
135 kN/2 93,750 193 486
(mm2)
192 kN/2 133,330 230 580
차륜하중 135 kN이 2개 축이 연행하는 경우와 차륜하중 192 kN 1개 축이 재하하는 경우 에 접지면적을 고려한 접지압이 토피 3.0 m 이하인 경우에 192 kN 1개축이 재하되는 경우 가 크게 작용하고, 토피 3.0 m 이하인 경우에 135 kN 2개 축이 작용하는 경우가 크다.
(2)
암거나 매설된 구조물에 대한 충격하중(IM)은 백분율로 나타내며 아래와 같다.IM ≥ ％ (3.2) 여기서, DE= 도로 포장면에서 상부슬래브 상면까지의 토피 중 최소 깊이(m)
(3)
토피가 600 mm보다 작은 경우 차량활하중을 슬래브에 직접 작용하는 것으로 검토한다.(4)
토피가 600 mm를 초과할 때는 활하중은 타이어 접지면적의 치수와 동일한 측면을 갖는 직사각형 영역에 균일하게 분포하고, 양질의 채움재료(SB-1)을 적용하며, 재하폭과 길이는 토피고의 1.15배 증가한다.<그림 3.6> 토피 600 mm 이상의 경우 활하중 분배
<그림 3.7> 토피 600 mm 이상의 경우 활하중 분배(영역이 중복된 경우)
(4)
활하중에 의한 상재토압(LS)은 정지 시 측면 토압을 직사각형 분포를 가정하며, 상재토압은 아래와 같이 산정한다.<그림 3.8> 활하중에 의한 상재토압
Ko× s× heq (3.3) 여기서,
: 활하중에 의한 상재토압(kN/m2) Ko : 수평토압계수(정지)
: 흙의 단위중량(kN/m3)
heq : 활하중에 대한 흙의 등가높이(m)
<표 3.5> 활하중에 대한 흙의 등가 높이(heq)
암거하면에서 포장면까지 높이(m) 활하중에 대한 흙의 등가높이(m)
1.5 1.85
3.0 1.50
≥ 6.0 1.15
3.2.4 수평토압
(1)
암거에 작용하는 수평토압은 암거의 강성을 고려하여 정지토압을 적용한다.(2)
일반토사인 경우에는 내부마찰각(∅) = 30°를 적용한다. 단, 특별히 시험을 하였을 경우에는 시험값을 적용한다.(3)
정지토압 산출방법은 다음식과 같다.P Ko× t× Z (3.4) P : 깊이 Z에 대한 정지토압(kN/m2)
t : 흙의 단위중량(kN/m3)Z : 흙이 벽면에 작용하는 깊이(m) Ko : 정지토압계수Ko sin
: 흙의 내부마찰각(°)
암거의 설계시 수평토압은 최대 수평토압뿐만 아니라 수평토압이 실제보다 작게 작용하여 구조물에 불리하게 작용하는 경우에도 검토해야 한다. 이때 감소되는 토압은 실제 감소된 토압과 하중계수가 1이하인 값(0.9)을 사용하여 검토한다.
3.2.5 수압
(1)
암거의 쌓기 재료는 배수가 용이한(SB-1 이상) 재료를 적용하여 수압에 의한 영향을 배제하 고 접속날개벽에서 배수처리토록 할 경우 수압에 의한 영향은 미미하므로 수압작용을 무시 한다.(2)
수압의 영향을 배제할 수 없을 경우에는 수압의 영향을 고려하여 별도 검토한다.3.2.6 지진하중
(1)
지진영향은 KDS 17 10 00 (4.2)에 따른다.(2)
암거구조물 내진설계는 성능에 기초한 내진설계 개념을 적용하였으며 일반적인 지반위에 설치되는 암거의 내진 설계변수는 1.2.2에 따른다. 단, 내진성능과 지반의 종류가 1.2.2에 제시된 조건과 상이한 경우에는 별도로 검토해야 한다.(3)
암거에 대한 지진의 영향은 암거 중량과 흙의 중량이 비슷하여 암거와 주변 흙이 유사한 거동을 하게 되므로 지반이 연약하여 액상화 현상이 예상되거나 활성단층을 가로지르는 경 우에는 반드시 별도 검토해야 한다.3.2.7 기초지지력
(1)
암거의 기초지지력(Q)는 다음 식으로 구한다.Q PV PV Bo WD
W (3.5) WD : 암거의 종방향 단위길이당 중량(kN/m)
Bo : 암거의 외측폭(m)
PV : 상부슬래브에 작용하는 연직하중(kN/m2) PV : 노면활하중(kN/m2)
W : 암거내의 물 또는 활하중
설계단면 계산 시 저판의 자중을 고려하여 계산한다.
3.2.8 지반반력계수
(1)
지반반력계수는 지반과 구조물의 상호작용을 나타내는 값으로 구조물의 형상, 치수, 강성, 재하시간, 깊이에 따른 지반특성변화 등 복잡한 성질을 갖는 상수로 여러 가지 요소를 고려 해야 한다.① 극한한계상태 또는 사용한계상태 지반반력계수 산정은 아래와 같다.
kV kVO
BV
(3.6) 여기서, kV : 연직방향 지반반력계수(kN/m3)kVO: 지름 0.3m의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 연직방향 지 반반력계수(kN/㎥)로서 각종 토질시험 및 조사에 의해 구한 지반탄성계수 로 부터 추정하는 경우에는 다음 식에서 구한다.
kVO
× EO (3.7)
BV =B × min =
B
여기서, BV : 기초의 환산재하폭, B : 구조물의 외측 폭 L : 구조물의 외측 길이
EO : 지반탄성계수(kN/m2) = 2800N(kN/m2)
② 극단상황한계상태
지반반력계수 혹은 전단지반력계수는 지진의 세기와 관련된 붕괴방지수준에 적합한 특성 값을 적용한다.
가. 전단탄성계수의 산정
GD tg × Vs (3.8) 여기서, GD : 지반의 동적전단계수(kN/m2)
t : 지반의 단위중량(kN/m3) g : 중력가속도(m/sec2) Vs : 전단탄성파속도(m/sec)
Vs C × VO (3.9) 여기서, VO : 초기 전단탄성파속도(m/sec)
C : 0.5(붕괴방지수준)
Ed × Gd (3.10) 여기서, Ed : 지반의 동적탄성계수(kN/m2)
: 프와송비(0.45적용) 나. 지반반력계수 산정
상시와 같이 식 3.7을 적용한다. 단, Eo대신 Ed을 대입하여 산정한다.
Ed는 지진 시 성능수준을 반영한 동적탄성계수이지만, Eo는 정적탄성계수에 해당한 다. 지진 시에 필요한 전단지반반력계수는 연직-전단 계수비 λ= 1/3을 적용하여 다 음과 같이 계산한다.
(3.11)3.3 하중계수, 하중조합 및 재료계수 3.3.1 하중계수 및 하중조합
(1)
암거구조 설계시 단면검토는 한계상태설계법에 의한 계수하중을 적용하고, 사용성 검토는 사용하중을 적용한다.(2)
암거에 작용하는 하중은 고정하중, 활하중(재하 시, 비재하 시), 토압(최대측압, 최소측압) 등이 있고, 하중계수 및 하중조합에 따라 가장 불리한 조건에 대해 설계한다.(3)
KDS 24 12 11 (4.1)에서 정한 여러 하중 조합에서, 활하중의 하중영향을 증가시킴으로써 구조물에 불리하게 작용하는 고정하중은 KDS 24 12 11과 KDS 24 12 21에서 주어진 최대 하중계수를 적용하고, 반면에 활하중의 하중영향을 감소시킴으로써 구조물에 유리하게 작용 하는 고정하중은 최소 하중계수를 적용한다.(4)
지진하중이 작용하는 경우에 붕괴방지수준에 대한 하중조합은 표 3.6에 따른다. 기능수행 수준에 대한 검토가 필요한 경우에는 발주자와 협의하여 별도의 하중조합을 적용할 수 있다.(5)
수압을 고려해야 하는 경우에 그 하중계수와 하중조합은 고정하중의 하중계수와 하중조합을 따른다.<표 3.6> 하중조합
하 중 조 합
하 중 계 수 고정하중
(DC)
활하중 (LL + IM)
연직토압 (EV)
수평토압 (EH)
상재토압 (LS)
지진하중 (EQ)
극한 I
최대측압 + 최대연직하중
(활하중 재하 시) 1.25 1.8 1.3 1.35 1.8 -
최대측압 + 최소연직하중
(활하중 비재하 시) 0.9 - 0.9 1.35 1.8 -
최소측압 + 최대연직하중
(활하중 재하 시) 1.25 1.8 1.3 0.9 - -
사용 V 1.0 - 1.0 1.0 - -
극단상황 I 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0
3.3.2 재료계수
(1)
재료계수는 설계상황을 반영하는 각 하중조합에 대해 표 3.7에서 주어진 값을 적용해야 한 다.<표 3.7> 재료계수
하중조합 콘크리트 철근
극한하중조합 - I 사용하중조합 - Ⅴ 극단상황하중조합 - I
0.65 1.0 1.0
0.90 1.0 1.0
3.4 극한한계상태 검토 3.4.1 부재단면력 계산
(1) 구조해석시 헌치에 의한 휨강성 및 부재축선의 변화는 그 영향이 적으므로 무시하였으며, 이 경우 부재절점부에 작용하는 휨모멘트는 아래 그림과 같다.
(2) 헌치를 무시하고 구조해석을 하는 경우에는 부재단의 휨모멘트를 그림과 같이 구하면 안전하 다. 또한 헌치의 시점에서 휨모멘트는 그림과 같이 휨 모멘트를 이동하여 구한 값을 사용한다.
휨모멘트
설계 휨모멘트
휨검토 단면
각 부재의 축선
<그림 3.9-1> 단면 검토 시 사용하는 휨모멘트
설계 전단력
전단검토 단면
d
d h x h
<그림 3.9-2> 헌치가 있는 경우의 전단검토 위치
3.4.2 부재의 최소두께
(1)
부재단면의 최소두께는 피복두께, 굵은골재최대치수, 시공성 등을 감안하여 300 mm 이 상이어야 하며, 설계(계수)전단력을 콘크리트의 전단강도로 부담할 수 있는 두께 이상으로 한다.3.4.3 부재의 유효높이
(1)
부재단면의 유효높이는 인장 주철근 중심으로부터 압축부 연단까지의 거리이며, 헌치가 있 을 경우에는 1 : 3 이내의 헌치 단면까지는 유효한 단면으로 설계한다.dh 1 : 3
d
검토단면
1 : 3 d
검토단면
(a) 유효높이 d (b) 헌치가 있는 경우의 유효높이
<그림 3.9-3> 부재의 유효높이
3.4.4 단절점부 보강 (1) 접합부 설계
① 접합부 설계는 KDS 14 20 74 (4.3.1.3)항을 따른다.
② 극한한계상태 하중조합Ⅰ에 의한 부모멘트가 최외측 접합부에 작용하는 경우에 대각선 방 향의 단면에 유발되는 계수인장응력 가
를 넘을 경우는 보강철근을 배치해야 한다.③ ② 항에서 보강철근이 필요한 경우 KDS 14 20 24에 따라 적합한 스트럿-타이모델을 구성하고 보강철근량을 산정할 수 있다.
3.5 사용한계상태 검토 3.5.1 처짐
(1)
처짐계산을 하지 않을 때의 최소두께에 대한 규졍이 교량설계기준(한계상태설계법)에 제시되 어 있지 않아, 기존과 같이 콘크리트구조설계기준의 처짐 규정을 따른다.3.5.2 균열
(1)
균열폭 제한에 대한 관련 규정은 KDS 24 14 21 (4.2.3)에 따른다.(2)
노출환경에 따른 암거의 설계등급은 E등급이다.(3)
설계등급 E의 경우 균열폭의 검토를 위한 하중조합은 사용한계상태 하중조합 V를 따르며, 한계균열폭은 0.3 mm이다.(4)
균열폭은 KDS 24 14 21 (4.2.3.4)에 따라 직접 계산하는 것을 원칙으로 한다.3.6 사각을 이루는 암거
(1)
사각 θ가 표 3.8에 표시한 값 이상일 때는 날개벽(wing)의 방향을 본선에 평행하게 한다(그 림 3.10).(2)
사각 θ 및 LL가 표 3.6에 표시한 값 이상일 때는 연약지반의 경우 θ = 70°, LL = 0.5, 보통지반의 경우 θ = 60°, LL= 0.5가 되도록 암거를 연장한다(그림 3.11).<표 3.8> 경사각의 각도 및 긴 변과 짧은 변 비의 제한치
지 반 θ LL
연 약 지 반 70° 0.5
보 통 지 반 60° 0.5
<그림 3.10> 날개벽 방향 <그림 3.11> 날개벽 방향
3.6.2 설계 계산
(1)
사각을 이루는 암거는 보통의 토압 외에 한쪽 면만 토압을 받는 경우도 고려한다.(2)
저판의 수평 반력은 기초지반의 전단저항과 측면의 수평반력의 비를 고려해서 계산한다.(3)
부재응력은 단위 폭 당 라멘으로서가 아니라 암거 전체의 강성을 고려해서 구한다.(4)
사각을 이루는 암거에 작용하는 편토압의 크기는 기초지반의 상태, 사각, 형상(치수)크기 및 흙쌓기 방법에 따라 다르다.고속국도에 시공한 사각을 이루는 암거의 상황을 조사한 결과, 연약지반에 만들어진 암거에
균열이 발생한 예가 많고, 또 균열 상태 · 변위를 조사한 결과 한쪽 면만 토압을 받는 경우 부재각의 영향이 현저하므로 한쪽 면만 토압을 받는 경우의 영향을 고려한다.
(5)
사각을 이루는 암거의 토압에 의한 부재응력은 저판과 단변 측 측벽과의 수평반력 분담비의 영향이 크므로 이것으로 고려한다.3.7 종방향 검토
(1)
일반적으로 암거는 15 ~ 30m
정도의 간격으로 신축줄눈을 둔다. 이와 같은 경우는 일반적 으로 종방향의 검토는 하지 않아도 된다.(2)
특별히 기초지반이 좋지 않은 경우와 상재 토피 두께나 지반조건이 급변하는 경우에는 종방 향 검토를 하여 암거의 종방향 보강의 필요 유무를 결정한다.(3)
일반적으로 종방향 해석은 탄성스프링을 경계 조건으로 하고, 암거의 횡단면을 단면 강성으 로 하는 탄성보로 보고 검토를 수행한다.(4)
암거의 종방향 안전 여부는 암거 횡단면을 보 단면으로 보고, 종방향 배력철근을 인장철근으 로 하여 단면을 검토한다.(5)
신축줄눈의 형식에 대해서는 ʻ3.8.6 신축이음ʼ을 참조하고, 기초지반이 좋지 않을 때는 ʻ3.10 기초ʼ 를 참조한다.3.8 구조세목 3.8.1 피복두께
(1)
피복두께는 KDS 24 14 21 (4.4)의 해당 규정을 따른다.(2)
암거의 표준 환경조건은 표 3.9과 같다. 표 3.9에서 제시된 표준환경조건과 가설조건이 다 른 경우에는 KDS 24 14 21 (4.4.4)에 따라 피복두께를 산정해야 한다.<표 3.9> 표준 환경조건에 따른 노출등급
(3)
피복두께는 콘크리트 표면과 그에 가장 가까이 배근된 철근 표면사이의 거리로 부착력의 안 전한 전달, 철근의 부석방지, 내화성을 고려하여 다음 해설 표 3.10을 따른다.<표 3.10> 최소피복두께 구 분 노출 등급
내구성 요구 (mm)
최소피복 증감(mm) 최소피복
두께
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 계 (mm)
수로 외측 EC2 35 0 0 0 0 10 - 10 45
내측 EC4 40 0 0 0 0 10 - 10 50
통로 외측 EC2 35 0 0 0 0 10 - 10 45
내측 EC4 40 0 0 0 0 10 - 10 50
3.8.2 철근의 정착 및 이음
(1)
철근의 정착 및 이음은 KDS 24 14 21 (4.5.4)와 (4.5.5)를 따른다.(2)
이 기준에서 제시하는 가설조건과 상이한 경우에는 설계자는 관련 설계기준에 부합되도록 검토한 후 정착길이 산정방법을 변경하여 적용할 수 있다.(3)
이형철근 정착길이 및 겹이음 길이의 위치 결정 시 각 철근의 이음이 한 곳에 집중되는 것을 방지하도록 계획해야 한다.3.8.3 우각부
(1)
우각부 철근의 구부리는 반지름은 10 db(db : 철근직경) 이상으로 한다.3.8.4 암거 사각부의 보강
(1)
암거의 사각부에 대한 보강은 해당단면의 슬래브 주철근을 사각부 보강 철근으로 사용하여 둔각부에서 수선을 내린 지점까지 사보강 철근을 배치하여 보강해야 한다.(2)
판이론에 따른 별도의 해석방법을 사용한 경우 그 결과를 반영할 수 있다.3.8.5 최소철근비와 철근상세
(1)
해석에 의하여 소요철근량을 산정한 휨부재단면의 경우 다음 값 중 큰 값 이상의 철근량을 배근해야 한다. min
min
(3.12)
단, 다음의 경우에는 최소철근비를 적용하지 않는다.
① 단면에서 사용된 철근량이 해석으로 요구되는 철근량보다 최소한 1/3 이상인 경우
② 극한한계에 필요한 철근량의 1.2배 이상인 경우
(2)
수축과 온도변화에 대한 보강철근의 방향별 단면적은 다음 값을 만족해야 한다.
≥
(3.13) 여기서,
: 부재의 총 단면적(mm2)
: 철근의 설계기준항복강도(MPa)(3)
인장철근의 최소단면적을 필요한 수축철근량과 같아야 한다.(4)
겹침이음부를 제외한 일반단면에서 인장철근 단면적은 콘크리트 단면적의 0.04배 이하이어 야 한다.(5)
받침점 부근의 상부 주철근과 같이 배력방향 휨모멘트가 발행하지 않는 영역을 제외하고 주 철근량의 20% 이상의 배력철근을 배근해야 한다.(6)
벽제의 수평 철근은 각 벽체의 표면에 배치되어야 한다. 수평 철근량은 수직 철근량의 25%또는 중 큰 값 이상이어야 한다.
(7)
철근의 최대간격은 슬래브 두께의 3배와 450 mm 중 작은 값을 초과하지 않아야 한다.(8)
철근의 최대간격은 다음과 같다.① 주철근 : 3h ≤ 400 mm( 는 슬래브 높이)
② 배력, 수평철근 : 3.5h ≤ 400 mm
(9)
자유단 모서리 철근① 지지되지 않은 슬래브 자유단 모서리에는 축방향 철근과 횡방향 철근을 배치해야 하며, 일반적으로 그림 3.12와 같이 배치한다.
≥
<그림 3.12> 슬래브의 자유단 모서리 철근
3.8.6 신축이음
(1)
신축이음의 방향은 측벽에 직각으로 하는 것을 원칙으로 하며, 토피두께가 작은 경우(암거의 상면이 노상에 위치 할 경우)는 중앙분리대의 위치 또는 차선표시 방향으로 하는 것이 바람 직하다.(2)
도로 쌓기 중앙부에 지반응력이 크므로 제반조건이 불량한 경우에 신축이음의 위치는 도로 중앙부를 피해야 한다.(3)
신축이음부는 안전성을 갖추고 방수 성능을 고려한 구조이어야 한다.(a) 토피 두께가 얇을 때 중앙분리대 또는 차선 표시에 맞춘다. (b) 토피 두께가 두꺼울 때 측벽에 직각으로 한다.
<그림 3.13> 암거의 이음위치 및 방향
(4) 신축이음의 형식 및 적용
신축줄눈은 구조상 안전함과 동시에 충분한 방수처리를 해야 한다. 그러므로 신축이음 형식 적용에 있어서 충분한 배려가 필요하다. 그림 3.14는 신축 및 시공이음의 한 예이다.
(5)
신축이음의 간격을 15 ~ 30m
정도로 하는 것이 측벽의 건조수축에 의한 균열발생을 완전 히 배제하는 것은 아니지만 영향을 줄일 수 있는 방법은 된다.(6)
저판의 신축이음을 힌지 구조로 했을 때의 힌지근의 소요단면적 계산 예를 다음과 같이 예시 한다.[계산 예]
① 블록 토피 두께 D = 1.0m, 활하중 P = 2P(1+
) = 2 × 64kN/m × (1+0.3) = 166.4kN/m [여기서, P는 종방향 단위 길이 당 하중 ()]암거 종방향의 강성 EI는 무한대로 하고, 저면은 스프링 받침으로 한다(그림 3.15).
② 블록 토피 두께 D = 0 m , 활하중이 실리지 않음 P = ΣP + ΣPv Q = Σq 라 하면,
P- S- Q = 0 P×
L - Q×
× L = 0 (3.14)
식 3.14에서, =
×
Pv= B×D× = 6×1×20 = 120 kN/m Pl= 166.4 kN/m
P= (Pv+Pl)L = (120+166.4) × 15 = 4296 kN S = P/4 = 1074 kN
소요 철근량을 As라 하면, a= 80MPa As a
S Nmm
× N
mm 사용 철근량을 라 하면
As= H32 - 20개 = 794.2 mm2× 20 = 15,884 mm2＞ 13,400 mm2 따라서, 힌지근의 배근은 아래 그림 3.16과 같이 된다.
<그림 3.15>
<그림 3.16> 힌지부 배근
3.8.7 헌 치
암거의 우각부에는 응력 집중이 생기기 쉬우므로 헌치를 만드는 것이 좋으나, 시공성을 고 려하여 헌치를 두지 않을 수도 있다(단, 암거의 하부 헌치는 생략한다). 그러나 지간이 큰 암거(8 m 이상)에 대해서는 헌치가 우각부의 응력 집중을 저감시킨다는 점에서 경제적인 경우도 있으므로 비교 검토 후 헌치를 고려한다. 또, 토피 두께가 두꺼울 때는 우각부의 전 단응력으로 단면이 결정되고 단면 두께가 두껍게 되므로 헌치를 고려하도록 한다.
3.8.8 가드레일용 지주의 구조
토피가 얇은 암거의 경우 가드레일용 지주를 2 m 간격으로 상부 슬래브에 만든다.
이 구조의 참고도는 그림 3.17과 같다.
<그림 3.17> 가드레일 지부 상세
3.9 날개벽의 설계 3.9.1 날개벽의 설계
(1)
암거의 날개벽은 스스로 자립상태를 유지할 수 있도록 설계하며, 암거와 날개벽은 이음 철근 을 두어 연결 처리한다.(2)
날개벽의 흙쌓기 경사는 1 : 1.5를 표준으로 하고, 근입 깊이는 1m
로 한다. 또, 날개벽의 최대길이는 8 m로 하고, 두께는 50 mm 단위로 최소 500 mm를 적용하며, 최대의 경우도 측벽 두께 이상이 되지 않게 한다[그림 3.26(a)].(3)
쌓기시 암거가 쌓기면 밖으로 노출되는 경우 날개벽 위의 흙막이부는 높이 300 mm, 폭은 날개벽의 두께로 한다. 또, 쌓기 높이가 작을 때는 원칙적으로 높이는 포장 두께, 폭은 날개 벽의 두께로 하고, 날개벽의 두께가 500 mm 이하일 때는 흙막이부의 두께는 500 mm로 한다[그림 3.18(b)].(4)
날개벽은 본선의 종단경사에 평행하게 한다.단, 토피가 3 m 이상일 때는 수평으로 해도 된다[그림 3.18(c)].
(a) 날개벽의 흙쌓기 경사
(b) 날개벽 두께
(c) 날개벽 경사
<그림 3.18> 날개벽 형상
(5)
사각을 이루는 암거에서 끝부분을 연장했을 때 날개벽 및 흙쌓기부의 처리는 그림 3.19(a)를 표준으로 하고, 이와 같이 할 수 없을 때에는 그림 3.19(b)로 해도 된다.
(6)
높은 흙쌓기의 암거 날개벽은 암거를 연장하는 것과 옹벽을 설치하여 날개벽을 짧게 하는 것을 비교 검토한 후 경제적인 것으로 결정한다(그림 3.20).<그림 3.20> 옹벽 설치 검토
3.9.2 평행날개벽의 계산
(1)
평행날개벽은 암거 본체를 고정단으로 하는 캔틸레버로 설계하며, 암거 본체의 접합부 전폭 을 폭으로 계산한다.또, 토압은 일반적으로 정지토압계수를 사용하여 식 3.15, 식 3.16, 식 3.17로 계산해도 된 다(그림 3.21).
Mx
oxKo× t× hx× X xdx
Ko× t
ox
nx ho
X xdx
Ko × t
ho× X n ho × X
n X
(3.15)
여기서,
n h
n
마찬가지로,
V
x
K
o×
t h
oX hoX n
n
X
(3.16)따라서, 날개벽 부근에서의 단면력은 식 3.13으로 주어진다.
m
A h
AM
x
× v
A h
AV
x ×
(3.17)여기서, Mx : 날개벽 끝단에서 X의 위치에서의 휨모멘트(kN · m) Vx : 날개벽에서의 X 위치에서의 전단력(kN)
mA : 날개벽에서의 단위 폭 당 휨모멘트(kN · m/m) vA : 날개벽에서의 단위 폭 당 전단력(kN / m)
: 암거본체와 연결부의 강성영향에 의한 증가계수 α = 1.2 : 1 - Sin∅ = 1 - Sin30° = 0.50
∅ : 쌓기 재료 내부 마찰각 hA : 날개벽 부근의 유효높이 (m) hO : 날개벽 단부에서 수직부의 높이(m) hn : 날개벽 단부에서 경사부의 높이(m)
t : 흙의 단위중량 = 19.0(2)
날개벽이 근입되는 전면에서 1m
이상 떨어진 곳의 수동토압은 생각하지 않는다.(3)
방호책이나 방음벽을 설치하는 날개벽은 그 영향을 고려해서 계산한다.날개벽 부근에서의 단면력은 식 3.18, 식 3.19로써 구해도 된다.
mA= (1.7ℓ- 3.0)P + 0.17ℓ× m (3.18)
mA= (0.6ℓ- 1.0)P – 0.11ℓ× m (3.19)
여기서, mA : 날개벽 부근 상단의 단위 폭 당 휨모멘트(kN · m/m) mA : 날개벽 부근 하단의 단위 폭 당 휨모멘트(kN · m/m) P : 날개벽 상단에 작용하는 단위길이 당 수평력(kN · m/m) m : 날개벽 상단에 작용하는 단위길이 당 휨모멘트(kN · m/m)
<그림 3.21> 토압계수 적용
(4)
시공 시의 검토는 특별히 필요할 때 이외는 하지 않아도 된다.(5)
날개벽의 응력 분포 및 암거 본체에의 내력 전달을 본체의 강성을 고려해서 해석하면, 그림 3.22(a), (b)와 같이 날개벽 부근에서의 휨 모멘트는 상부 슬래브에서 크고, 측벽에 작게 분 포한다. 이와 같은 이유로 설계계산에 있어서는 단면력을 모두 20 % 증가시킨다.그림 3.22(b)와 같은 날개벽에서 하단의 철근이 없는 부분은 α= 1.2로 하면 안전 측이므로 유효높이로 를 잡을 수가 있다. 또, 측벽부에의 전달은 그림 3.23(a), (b)와 같이 암거 종 방향에는 암거 높이의 1/4에서 60 %, 1/2에서 15 % 정도 감소한다.
식 3.15, 식 3.16의 계산 결과를 그림 3.24, 그림 3.25에 나타낸다.
날개벽의 길이 방향의 중간점에서 응력 분포는 대략 균등하므로 할증은 고려하지 않아도 된 다(그림 3.22).
(a) 날개벽의 휨 모멘트 분포도
(b) 날개벽의 휨 모멘트 분포도
<그림 3.22> 휨 모멘트 분포도
(6)
방음벽과 같이 비탈면 측에서 하중을 받으면 날개벽의 전면에 인장응력이 생길 때가 있으므 로 검토가 필요하다. 식 3.18, 식 3.19는 날개벽 길이 ℓ ≥ 2 m일 경우이지만, ℓ＜ 2 m일 경우 방음벽 h = 5.0 m, 풍하중 3 kN/m2을 고려해서 계산하면 최소 부재두께 30 cm, 최소 철근량 4-H16/m로 충분히 안전하다.날개벽의 부재 두께별 사용 철근과 저항모멘트, 저항전단력의 계산 예
(a) 측벽에의 모멘트 전달도
(b) 측벽에의 모멘트 전달도
<그림 3.23> 모멘트 전달도
<표 3.12> 소요 철근량 부재 두께
Tw(mm)
사 용 철 근 AS(mm2)
저항모멘트 MR(kN·m/m)
저항전단력 SMR(kN/m)
300
H16-8(개/m) 1,589 56 174
H16-4
H19-4 1,940 67 174
350 H19-8 2,292 98 214
400 H19-4
H22-4 2,694 136 254
450 H22-8 3,097 181 294
500 H22-4
H25-4 3,575 236 332
550 H25-8 4,054 300 371
600 H25-4
H29-4 4,597 375 410
단, fsa= 180 MPa, a= 0.9 MPa, fca= 8 MPa 토압에 의한 날개벽의 휨모멘트 Mx ‥‥‥‥
토압에 의한 날개벽의 전단력 Sx ‥‥‥‥
= 1.0(m)
= 4(kN/m3) = 21(kN/m3) n = 1.3 ~ 2.1
<그림 3.24> 단면력 표 토압에 의한 날개벽의 휨 모멘트 Mx ‥‥‥‥
토압에 의한 날개벽의 전단력 Sx ‥‥‥‥
= 0.7(m)
= 4(kN/m3)
<그림 3.25> 단면력 표
<그림 3.26> 단면력 표
[날개벽의 설계 계산 예]
ℓ = 7.15 m, ho= 1.00 m, n = 1.5로부터 (가) 토압만 받을 경우
단면 A - A'의 단면력을 그림 3.24에서 구한다.
mA= 817 kNㆍm
= 383 kN 단위폭당 mA hA
MA×
×
kN · m/m
sA hA SA×
×
kN · m 표 3.7에서,
날개벽 두께 Tw= 450mm ＜ T3= 500 mm (측벽 두께) mR = 181 kN · m/m ＞
sR = 294 kN/m ＞ sA
(나) 토압과 방음벽 하중을 받을 경우
(a) 토압에 의한 단면력 계산 예 (1)과 마찬가지로,
ℓ= 6.50 m h= 0.70 n = 1.5로 해서 mA = 483 kN · m (그림 3.25)
EmA hA MA×
×
kN · m/m (b) 방음벽 하중에 의한 단면력
풍하중 Pw= 3.0 kN/m2으로 하면 날개벽에서의 수평력 및 휨 모멘트는, P = Pw×hw= 3.0 × 5.00 = 15.0 kN /m
m = Pw×hw
×
= 3.0×5.002×1/2 = 37.5 kN · m/m
이 되므로 풍하중에 의한 단위 폭 당 단면력은 식 3.18, 식 3.19를 사용해서, WmA = (1.7 - 3) P + 0.17 × m
= (1.7 × 6.5 -3) × 15.0 + 0.17 × 6.5 × 37.5
= 120.8 + 41.4 = 162.2(kN · m/m) WmA′ =
(1.7 - 3)P - 0.11 × m
= 40.3 - 26.8 = 13.5(kN · m/m)이 된다.
(다) 합성 단면력
따라서, 토압과 방음벽 하중의 합성 단면력은 다음과 같이 된다.
mA= EmA+ Wm = 119 + 162 = 281(kN · m/m) mA= EmA + WmA‘ = 119 + 14 = 133(kN · m/m)
풍하중에 의한 할증계수는 1.25이므로 통상의 경우로 환산하여서, mA′= 281/125 = 225 kN · m/m ＞ EmA= 119 (kN · m/m) mA′= 13./125 = 106 kN · m/m ＜ EmA= 119 (kN · m/m) 가 되므로 표 3.7에서 소요 철근을 구하면 아래와 같이 된다.
날개벽 Tw= 500mm = T ···OK
저항모멘트 mR= 236 kN · m/m ＞ mA= 225 kN · m/m
사용철근 As = H22 - 4개/m ┐ H25 - 4개/m ┘
풍하중이 반대 방향일 경우의 검토 [날개벽 전면이 인장]
mA = EmA - WmA = 119 - 162 = -43 kN · m/m (통상의 경우로 환산 -35 kN · m/m)
소요 철근량 As fsa× j × d
MA
× ×
×
mm2 사용 철근 H16 - 4개/m = 794 mm2···OK
3.9.3 배근 및 단면응력 검토
(1)
날개벽 부근은 원칙적으로 그림 3.27와 같이 배근한다.<그림 3.27> 날개벽 철근배치
(2)
날개벽 전면의 철근은 일반적으로 H16 - 4개/로 해도 좋으나, 전면에 인장응력을 받을 때는 그 필요 철근량 이상으로 한다.(4)
암거 본체의 측벽에 배근하는 보강 철근은 휨 및 인장을 받는 부재로 검토한다.<그림 3.28> 날개벽 상단부 철근 배치
3.10 기 초
(1)
암거의 기초는 직접기초를 원칙으로 한다.(2)
연약지반에 암거를 설치할 경우는 원칙적으로 암거 시공 전에 선재하, 배수 공법 등에 의하 여 지반 개량을 한다.<그림 3.29> 치환재의 형상
(3)
연약층의 두께가 얇을 때는 연약층을 제거하고, 양질의 재료로 치환한다. 또한, 치환 재료는 뒤채움재 이상으로 하고, 지하수위가 있는 경우는 알맞게 섞은 쇄석 등 양질의 것을 사용한 다. 그 형상은 그림 3.29를 표준으로 한다.(4)
지지층이 횡방향 또는 종방향으로 경사져 있는 경우에는 그림 3.30, 그림 3.31과 같이 버림 콘크리트, 치환 기초 등으로 부등침하를 방지해야 한다.45°
양호한 지반 성토후 굴착 치환재
하고 치환 콘크리트
30cm
<그림 3.30> 횡방향으로 지반이 경사진 경우의 예
45° 치환재
성토후 굴착 하고 치환
<그림 3.31> 종방향으로 지반이 경사진 경우의 예
(5)
연약지반 위에 구조물을 축조하는 경우 말뚝기초로 하기도 하지만, 주위의 지반이 침하하면 구조물을 말뚝으로 저항하는 형태가 되어 상재토압이 큰 하중으로 말뚝에 걸리게 된다. 또, 포장면이 울퉁불퉁하게 되어 주행에 방해가 되므로 암거는 직접기초가 바람직하다.(6)
연약지반에 암거를 설치할 때, 일반적으로 지반 개량을 하여 잔류침하를 일정치 이하로 하는 것이 바람직하나 곤란한 경우에는 ʻ3.11.4 연약지반 위의 암거의 설치 방법ʼ을 참조해서 설 계한다.암거 기초의 연약지반 개량에 있어서는 ‘｢제5편 토공｣ 14. 연약지반상의 흙쌓기’를 참조 한다.
3.11 기타 암거 설계에 관한 주의사항 3.11.1 암거의 뒤채움 및 배수
(1)
암거의 뒤채움 재료 및 형상은 ｢제5편 토공｣에 따른다.(2)
암거 측벽에는 뒤채움부의 배수를 위하여 배수용 파이프를 설치한다.(3)
구조물의 뒤채움은 재료를 포설하기 전 구조물의 벽면에 200 mm마다 층두께를 뒤채움 전 에 표시하여 층 다짐 상태를 확인할 수 있도록 해야 한다.(4)
뒤채움은 대형 로울러에 의한 다짐을 해야 하며, 구조물에 손상이 되거나 변위가 발생해서는 안 된다. 다만, 대형 다짐장비에 의한 다짐작업이 곤란한 경우에는 마이티 팩 또는 소형 램머 (rammer) 등을 사용하여 다짐해야 한다.(5)
뒤채움은 양 층을 동시에 해야 하나, 현장 여건상 부득이 한 경우에는 감독자의 승인을 받아 야 한다.(6)
시공자는 상부 슬래브 콘크리트를 타설 · 양생하여 설계기준강도의 80 % 이상을 확보한 후 뒤채움을 해야 한다.(7)
뒤채움의 1층 다짐 완료 후 두께는 200 mm 이하이어야 하며, 각 측은 KS F 2312의 E 방법 에 의하여 구한 최대건조밀도의 95 % 이상의 밀도로 균일하게 다짐해야 한다.(8)
시공자는 현장밀도에 의한 다짐관리가 부적합하다고 판단될 경우에는 KS F 2310에 따라 다짐관리를 해야 하며, 상부 포장 형식에 관계없이 지지력계수(D)는 침하량 0.25 cm에서 30 kgf/cm3 이상이어야 한다.(9)
토피고 3.5m
이하의 암거, 땅깎기부와 같이 지하수가 용출되는 지역, 피압대수층이 하부에 존재하는 지역, 기초지반이 연약지반인 경우에는 암거 뒤채움 재료 SB-1을 사용해야 하며, 상기 이외의 토피고 3.5 m 이상인 암거로 대체 재료(일반 노상토급 토사)를 사용할 경우 완 충재와 보온재로서 토목공사용 EPS 패널과 같은 재료 (최소 두께 100 mm 이상)를 사용해야 한다.(완충재, 보온재 수량 산출 시 별도 산출)<그림 3.40> 암거의 배수용 파이프
3.11.2 암거 내 도로
(1)
암거 내 도로의 포장은 하지 않는 것이 원칙이다.(2)
암거 앞뒤의 도로가 포장되어 있을 때는 그 포장의 종류에 따라 암거 내 도로를 포장한다.(3)
포장이 유리하다면 간단한 포장을 한다.(4)
암거 내 도로의 횡단경사는 3 ~ 5 %의 편경사를 둔다. 단, 포장할 때는 앞뒤에 맞는 경사로 한다.3.11.3 수로가 있는 암거
수로 암거 및 수로를 병설하는 암거의 경우 하류 측에 지수벽을 만든다. 지수벽의 깊이 h는 호안공의 밑까지로 한다.
(1)
호안의 근입 깊이는 세굴을 고려하여 정하나, 유속이 빨라 세굴의 염려가 있을 때는 수로 바닥에 버림 콘크리트를 치는 것이 좋다.(2)
호안의 기초 콘크리트 및 버림 콘크리트는 기초재를 쓰지 않아도 된다.(3)
언더패스(under pass)형 암거, 저류형 암거를 설계할 때에는 측벽의 수압을 고려한다.(4)
세부 설계기준은 ｢하천 설계기준(2018)｣에 따른다(상세한 내용은 한국수자원학회의 하천설 계기준 해설을 따른다).<그림 3.42> 지수벽
3.11.4 연약지반 위의 암거 설치 방법
시공 장소가 연약지반이기 때문에 구축 후에 침하가 예상되는 경우에는 암거를 더올림하여 설치한다.
(1)
더올림은 선재하 제거 후의 잔류침하량 Sr을 ‘｢제5편 토공｣ 14.7 제체의 침하 검토’에 따라 구하고, 그 수치에 따라야 하지만 암거 전후의 도로 설치 상황, 수로의 통수 기능, 암거 이음 부의 구조 등 조건이 허용하는 한 더올림을 많이 하는 것이 좋다.(2)
더올림은 암거 종단방향으로 일률적으로 하는 것을 원칙으로 한다. 단, 연약층 두께가 암거 종단방향으로 크게 다를 때나, 선재하를 할 수 없고 암거를 흙쌓기에 앞서서 시공할 때에는 암거 각부의 잔류침하량을 추정하여 더올림을 정한다.(3)
암거의 침하는 공용 후에도 장기간에 걸쳐 계속되므로, 더올림으로 장기간의 침하에 대처하 지 못하고 장래 암거의 기능에 장애를 끼칠 염려가 있을 때는 암거 내공높이에 여유를 두어 야 한다.(4)
암거의 침하 실태조사에 따르면, 선재하를 했던 박스형 암거의 암거 종단방향 침하 형상이 중앙부에서 항상 가장 크지 않고 다양한 형태로 나타나고 있다. 그러므로 시공 편의를 고려 하여 더올림은 암거 종단방향으로 일률적으로 하기로 한다(그림 3.43 참조).부득이 선재하 공법을 채택할 수 없고, 암거를 흙쌓기에 앞서서 시공할 때는 더올림을 다음 과 같이 한다. 즉, 암거 중앙부의 침하량 을 기본으로 해서 암거 단부의 더올림 양을 토피 두께와의 관계로부터 그림 3.44를 이용하여 구한다. 이 더올림 관계를 표시하면 그림 3.44 와 같다.
<그림 3.43> 선재하를 한 경우 더올림량
<그림 3.44> 토피 두께와 침하비
침하비 암거 중앙부의 침하량 암거 단부의 침하량
(5)
잔류 침하량의 추정에 있어서 현행 방법은 그림 3.46에서 볼 수 있듯이 공용 후 장기간에 걸쳐 일어나는 침하를 추정하기 어렵다. 침하 추적 조사결과에 따르면, 이와 같은 장기 침하 를 포함한 잔류 침하량은 개략적으로 식 3.16으로 표시된다(그림 3.47 참조).암거 내공 높이의 여유에 대한 검토에 대해서는, 잔류 침하량을 식 3.16에 따라 구하고, 더올 림에 의하여 대처할 수 없는 침하분을 내공 높이의 여유로 한다. 단, 식 3.16은 장기침하의 발생 원인 · 발생 조건 등 명확치 않는 점이 많이 있으므로, 시험 흙쌓기 또는 유사한 시공 조건에서의 침하 추적 자료가 있을 경우 그 결과에 따라 정하는 것이 바람직하다.
잔류 침하량 Sr Sr Sr Sr (3.16) 여기서, Sr : 재하한 흙쌓기의 제거 시점으로부터 흙쌓기 완성 후 600일 까지의 침하량이며,
｢제5편 토공｣을 참조하여 계산으로 구한다(600일은 침하 추적조사 결과에서 의 침하 경향이 개략 변화점에 해당함).
: 재하한 흙쌓기의 제거 시 지반 회복의 영향에 의한 침하량이며, 시공 시에는 실 측치로부터 구한다. 설계 시 또는 관측치가 없을 때는 5 ~ 15 cm로 가정한다.
: 충적층으로 된 연약지반에서의 흙쌓기 완성 후 600일 이후의 장기침하량이며, 표 3.8로부터 구한다.
<그림 3.47> 선재하 공법의 침하곡선
<표 3.8> 잔류 침하량 충적층 연약 두께
D(m)
잔류 침하량
Sr(mm) 비 고
D ≤ 10 100 ∙ 연약층 두께에 N값 10 이상의 층 및 모래, 모래자갈의 혼합물 층은 포함되지 않음
∙ 홍적층에 대해서는 이 표를 적용할 수 없음 10 ＜ D ≤ 30 300
D ＞ 30 500
주) 침하 추적 조사결과에 따라 사용 후 약 5년의 침하량을 층 두께별로 표시한 것이다. 연간 침하량은 매년 줄어드는 경향이 있고, 5년 이후의 침하량은 미소할 것으로 생각되나 암거 용도에 따라 고려할 필요가 있다.
(6)
침하에 의하여 수로 벽의 높이를 높일 경우가 예상될 때는 수로 벽의 구조를 그림 3.48과 같이 장래 보수하기 쉬운 구조로 한다.<그림 3.48> 수로벽 구조
