개요
철근과 콘크리트를 주재료로 시공하는 철근콘크리트교(Reinforced Concrete Bridge; RC교)는 강교나 합성교에 비하여 내구성, 내화성, 경제성이 우수하고 진동과 소음이 작은 장점이 있다. 특히, RC교는 초기 건설비용도 다른 교량에 비하여 낮지만 철근 부식을 제외하면 유지관리가 거의 필요하지 않기 때문에 공용중 유지관리비용이 적고 물리적 수명도 길다.
그러나 RC교는 단면과 자중이 크기 때문에 장지간 교량에 적합하지 않으며 공기가 길게 소요되고 시공품질이 현장여건에 좌우되는 단점이 있다. RC교 부재에는 콘크리트 균열이 발생할 수 있는데 누수로 인한 철근 부식을 방지하고 침투한 수분의 동결팽창으로 인한 콘크리트 파손을 방지하기 위해서는 균열폭을 제어할 수 있도록
설계하는 것이 필요하다. 최근에 국외에서는 시공속도와 시공품질을 향상시키기 위해서 RC교를 프리캐스트 부재로 설계 및 제작한 후 현장에서 조립 및 연결하여 완
성하는 공법이 일반화되어 있다. 프리캐스트 RC교의 연결을 제외한 기본적인 설계절차는 현장양생 RC교와 유사하다. RC교를 상부구조 형식에 따라 구분하는 경우,
RC아치교를 제외하면 크게 거더가 있는 형식(RCT형거더교, RC박스거더교)과 거더가 없는 형식(RC슬래브교, RC라멘교)으로 구분할 수 있다. 그러나 PSC합성거더교가 본격적으로 가설되기 이전에 시공되었던 RC거더교는 최근에 도로교로 설계되는 경우는 거의 없기 때문에 최근 설계되는 RC교량 형식은 RC슬래브교와 RC라멘교이다.
RC슬래브교는 단면형상으로 구분할 때 속 찬 슬래브와 속 빈 슬래브(Voided Slab)가 있으나 국내에서 1980년대부터 1990년 말까지 가설된 속빈 슬래브교에서 시공중 중공관 부상 등 여러 가지 설계 및 시공상 문제점이 노출되었다. 특히, 속 빈 슬래브교의 지간장 이상으로 설계할 수 있는 PSC슬래브교가 등장하면서 속 빈 슬래브교는최근 신설된 실적이 없는 것으로 알려져 있다.
2006년 말 기준 국내에 가설된 RC슬래브교(속빈 슬래브교 제외)와 RC라멘교의 개소수는 전체 도로교의 35.6%와 22.6%를 차지하고 있으므로 RC슬래브교가 우리나라에서 가장 많이 가설되고 있는 교량형식이라고 할 수 있다. 따라서 본 편람에서도 RC교의 대표적인 상부구조형식인 RC슬래브교와 RC라멘교를 위주로 기술하도록 한다.
공통사항
2.1 설계계산
RC교는 설계하중에 대하여 부재의 안전성과 사용성을 확인하는 방법으로 다음과 같은 절차로 설계한다.
① 사용하중이 설계하중으로 작용할 때의 부재단면의 응력 및 사용성을 확인한다.
② 계수하중이 설계하중으로 작용할 때의 부재단면의 강도를 확인한다.
위에서 RC교 부재의 안전성을 검토할 때는 강도설계법을 설계방법으로 적용하는 것이 원칙이 며, 부재나 단면이 설계 하중조합에 의해 계산되는 소요강도 이상의 설계강도를 갖도록 설계한다. RC교의 단면력 산정에 있어서 RC슬래브교는 판이론, RC라멘교는 뼈대구조이론으로 해석하는 것이 원칙이다. 판구조해석과 뼈대구조해석을 고려한 RC교의 일반적인 설계흐름도를 도식화하면
<그림 507.2.1>과 같이 나타낼 수 있다.
사용성 설계
강도설계법에 의한 하중계수와 강도감소계수를 적용하여 설계된 휨부재는 안전성에 대한 확인이 완료된 것이다. RC 휨부재는 처짐제한, 균열제어, 피로 규정을 만족하도록 설계해야 하는데 이를 사용성 검토 또는 사용성 설계라고 한다.
처짐제한
RC교의 휨부재는 사용하중과 충격에 의해 구조물 강도나 공용중 해로운 영향을 주는 처짐이 나 변형이 발생하지 않도록 설계하여야 한다. RC교 휨부재의 처짐을 제한하는 규정에 대한 검토 방법은 다음과 같다.
① 첫 번째는 상부구조물의 두께를 제한하는
규정에 대한 검토이다. 이 경우 사용하중에 대한 부재의 처짐계산에 의해 더 작은 두께를 사용할 수 있는 경우를 제외하고는 상부구조물 최소두께는 <표 507.2.1>에 정한 값 이상이어야 한다[도․설 4.4.9.5].
표에서, S는 경간장 (m)을 나타낸다. 변단면 부재가 사용되는 경우, 위 값은 정모멘트 단면과 부모멘트 단면에서의 상대강성의 변화를 고려하기 위해서 수정될 수 있다.
② 두 번째는 사용하중을 작용시켜 상부구조물의 처짐을 계산한 후 처짐 값이 처짐 제한기준을 충족하는지 검토하는 것이다. 이 경우 사용 활하중과 충격으로 인한 상부구조물의 처짐이 경간장의 1/800 이하가 되도록 한다. 다만, 보행자가 사용하는 교량에 대해서는 처짐이 경간의 1/1000을 초과해서는 안 된다. 사용 활하중과 충격으로 인한 캔틸레버의 처짐은 캔틸레버 길이의 1/300을 초과해서는 안 된다. 다만, 보행자 용도가 고려된 경우에는 이 처짐의 비는 1/375를 초과해서는 안된다[도․설 4.4.9.5].
균열제어
콘크리트 부재에 발생하는 휨인장균열을 제어하기 위해서는 인장철근을 최대 인장구역내에 적절히 분포시켜야 한다. 다만, 휨모멘트 및 축방향력에 의한 콘크리트의 인장응력이 콘크리트의 설계 인장강도의 60%보다 작을 경우에는 휨균열에대한 검토를 생략할 수 있다.
현행 [도․설 4.4.9.4] 균열의 검토에서는 인장철근의 설계강도가 300 MPa 이상인 경우에는 사용하중에 대하여 계산한 휨균열폭이 <표 507.2.2>에 나타낸 허용균열폭 이하가 되도록 규정하고 있다.
2007년 한국콘크리트학회에서는 [콘크리트구조설계기준(2003)]의 균열제어 규정이 과도하게 엄격하다는 지적과 철근의 부식을 방지하는데 콘크리트 표면에 발생하는 균열폭보다는 콘크리트의 품질, 적절한 다짐, 충분한 피복두께 등이 중요하다는 실험연구 결과를 반영하여 균열 제어규정을 대폭 개정하였다. 그러나, 본 편람에서는
설계과정의 일관성을 확보하기 위하여 휨모멘트와 축력을 받는 RC교 부재의 설계에서는 [도․설4.4.9.4] 균열제어 규정을 적용하는 것으로 기술하였고, 도로교설계기준(2005)의 관련규정[도․설4.4.9.4]이 개정되는 경우에는 해당 규정을 적용하는 것으로 한다. 참고로 2007년 개정된 [콘․설4.2] 균열제어 규정에 대해서 기술하면 다음과 같다.
특별히 수밀성이 요구되거나 미관이 중요한 콘크리트 구조는 지속하중에 대하여 계산한 휨균열폭이 <표 507.2.3>에 나타낸 허용균열폭 이하가 되도록 설계하되, 균열폭의 계산은 CEB-FIPModel Code 1990의 해석방법을 적용하도록 하였다[콘․설 V.3.2 참조].
균열폭을 계산하는 하중이 종전 사용하중에서 지속하중으로 개정되었는데, 이는 사용하중에서 활하중이 제거되면 균열폭이 줄어들게 되며 내구성에 영향을 주는 균열은 지속하중에 의해서 발생하기 때문이다.
그 밖의 구조에 대해서는 다음과 같이 휨인장 철근의 간격을 제한함으로써 균열을 제어하도록 하였다. 콘크리트 인장연단에 가장 가까이 배치되는 철근의 중심간격 s는 다음 식에 의해 계산된 값 중에서 작은 값 이하로 한다[콘․설 6.3.3].
피로검토
콘크리트와 철근의 피로강도는 각 재료의 정적강도에 비하여 낮기 때문에 [도․설 4.4.9.6]에서는 변동하중이 차지하는 비율이나 작용빈도가 많아서 피로에 대한 안전성 검토를 필요로 하는 경우를 다음과 같이 규정하고 있다.
① 충격을 포함한 활하중에 의해서 철근에 발생하는 응력 범위가 <표 507.2.4>에 규정한 응력의 범위를 초과하는 경우 피로에 대한 검토가 필요하다.
② 피로검토가 필요한 경우, 보 및 슬래브의 피로는 휨 및 전단에 대하여 검토한다. 한편, 사용하중 하에서 활하중의 반복작용에 의하여 발생되는 피로현상을 감소하기 위한 제한으로 피로검토가 필요한 구조부재의 높은 응력을 받는 부분에서 철근을 구부리는 것은 피하여야 한다.
RC교량 형식별 설계 주요 사항
3.1 슬래브교
3.1.1 일반사항
슬래브교는 상부구조의 두께에 비하여 폭과 길이가 크고 상대되는 2변이 자유스런 직사각형 판을 주구조로 한 교량이다. 단순지지 RC슬래브교는 보통 10 m 이하의 짧은 지간에 대해서는 1방향 슬래브교가 경제적이다. 단순지지 속 빈 RC슬래브교는 15 m 정도 지간에 사용되며, 경우에 따라 직사각형 모양의 속 빈 슬래브교를 사용하기도 한다. 반면에 연속지지 속 빈 RC슬래브교에서는 지간길이를 최대 25 m 정도까지 가설할 수있다.
단순지지 PSC슬래브교는 20 m 정도 지간, 연속지지 PSC슬래브교는 30 m 지간장 이상 까지 설계가 가능하여 속 빈 RC슬래브교의 적용 지간장보다 유사하거나 크다. 슬래브교의 특징은 다음과 같다.
- 단면특성상 균열안전율이 비교적 크다.
- 장경간에서는 고정하중이 증가하여 불리하며
- 지간장 15 m 정도에서 널리 사용된다.
- 상부구조물의 두께를 줄일 수 있으므로 형고의
제약을 받는 곳에서 유리하다. - 거푸집이 간단하고 콘크리트 타설시 수평이
음을 두지 않고 마무리할 수 있으므로 시공
이 비교적 용이하고 확실하다.
슬래브교의 용이한 가설을 위해서는 다음과 같은 사항에 유의하여 단면계획 및 설계를 실시하는 것이 바람직하다.
단면 계획시 고려사항
① 경제성을 향상시키기 위해 캔틸레버 부분을 길게 할 수 있으나, 슬래브 가장자리의 단면력이 커지므로 이에 대한 구조해석이 필요하고 교량받침 배치에 신중하여야 한다.
② 연속 슬래브 구조에서는 지점부에 헌치를 두거나 이에 상응하는 철근 보강이 필요하며 일반적으로 적절한 헌치를 두는 것이 구조적으로 유리하다.
③ 교량 계획 시 직교(사각 : 0°)로 설계하는 것이 좋으나 불가피하게 사각이 요구될 때에는 가급적 사각의 영향이 적은 15° 이내로 계획함이 구조적으로 유리하다. RC슬래브교의 한계사각은 45° 정도, 속 빈 RC슬래브교와 PSC슬래브교의 한계사각은 30° 정도이다.
슬래브 두께 결정
슬래브 두께는 구조형식, 지간장, 사각에 따라 결정되며 [도․설 4.4.9.5]의 규정과 같이 처짐을 제한할 수 있는 최소두께 이상이어야 한다. 또한 교량 계획 시 고려되어야 할 h/L(슬래브 두께/경간장)의 비는 기존에 설계된 슬래브 교량에 대하여 조사한 결과 1/16 ～ 1/20 정도가 적당한 것으로 알려져 있다(<표 507.3.1> 참조).
헌치크기 결정
슬래브 지점부는 일반구간보다 단면력이 커서 교량 전체에 걸쳐 슬래브 두께를 증가시킬 경우 비경제적이므로 경제적인 설계를 위해서 일반적으로 지점부에는 헌치를 설치한다. 헌치의 크기는 단면 크기에 의해 결정되므로
일괄적으로 그 크기를 결정할 수는 없으며, 헌치길이를 길게 할 경우 지점부의 강성이 커져 정모멘트의 감소효과가 나타난다. 설계자가 어느 정도의 구간에 걸쳐 헌치를 둘것인가를 각 구조물에 따라서 적절하게 결정하여
야 하나 <그림 507.3.1>에 나타낸 것과 같이 일반적으로 헌치의 두께는 일반 구간보다 200 mm이상 더 크게 하고 헌치길이는 헌치 두께의 3배 이상으로 설계하고 있다.
설계 일반사항
[도․설 4.8.2]에 규정된 RC슬래브교 설계일반사항을 정리하면 다음과 같다.
① 슬래브교의 단면력은 설계하중에서 고려되는 DB하중과 DL하중을 각각 고려하여 그 중에 서 최대 단면력에 대하여 설계하여야 한다. 단면력 계산에서 슬래브교 난간에 작용하는 축방향력 및 차량방호책에 작용하는 충돌하중 영향을 고려하여야 하는 바 이는 [도로안전시설 설치 및 관리지침-교량용 방호울타리편]을 참조하도록 한다.
② 속 빈 슬래브교를 제외한 슬래브교에서 선형받침이나 이와 근사한 형상으로 지지되는 교량의 경우 전단력에 대한 검토를 생략할 수 있는데,이는 선형 또는 이와 근사한 형상으로 지지된 속빈 슬래브교를 제외한 슬래브교는 반력이 받침선상에 분포되어 작용하므로 일반적으로 전단력에 대하여 안전하기 때문이다.
③ 속 빈 슬래브교의 전단력 검토는 설계계산을 쉽게 할 수 있도록 콘크리트 부분의 폭의 총합과 동일한 복부폭을 갖는 T형보의 단면으로 간주해도 좋다.
구조해석
(1) 구조해석 일반
① 슬래브교의 구조해석은 판이론에 따라 수행하는 것을 원칙으로 한다. 다만 연속 슬래브교와 같이 지지조건이 복잡한 경우 또는 곡선교와 사교 같은 경우에는 격자이론과 유한요소법 등에 의하여 해석할 수 있다.
속 빈 슬래브교는 이방성판으로 단면력을 계산하는 것이 바람직하지만, [도․설 4.8.4]에 규정된 최소치수 규정을 만족하는 경우 등방성판으로 보고 단면력을 계산하여도 좋다.
② 보도, 차도 구별이 없고 차도쪽 캔틸레버 부분의 내민 길이가 250 mm 이하인 슬래브교는 캔틸레버 부분이 없는 슬래브교 처럼 단면력을 산정하여도 좋다. 캔틸레버 부분이 있는 슬래브교의 구조해석은 캔틸레버 부분에 작용하는 하중및 강성의 영향을 고려하여 [도․설 4.7]의 바닥판 규정에 따라 설계하여야 한다.
③ 지점반력과 받침선 방향의 단면력은 받침종류, 받침 간격 및 사각 등에 의하여 그 분포가 변화하기 때문에 이를 고려하여 계산하여야 한다.
(2) 슬래브교의 경간 및 휨모멘트
① 고정하중에 의한 휨모멘트는 하중이 슬래브전 면적에 고르게 분포된 것으로 간주하여 계산 하여도 좋다. 다만 피복두께, 난간 등 편재하중의 영향을 무시할 수 없는 경우에는 재하위치의 영향을 고려하여 휨모멘트를 계산하여야 한다. 고정하중에 의한 경간 직각방향의 휨모멘트는 근사적으로 경간방향의 휨모멘트에 다음 식의 β
값을 곱하여 계산해도 좋다. 또한 사각이 30° 이상이면 지간과 판폭비( )와 상관없이 β=1/6로 하는 것이 좋다.
2005년 개정된 [도․설 4.8.3.2]의 (1)항에서 β=1/6를 적용하는 한계사각이 “60° 이하”로 잘 못표기되어 있으며, 식(4.8.1)에서 l/b 가 0.7내지 2.0인 경우 β값 보간 식이 잘 못 표기되어 있으므로 식(507.3.1b)를 적용하도록 한다. 한편, [도․설 4.8.3.2, 그림 4.8.2]에서 사각의
정의는 받침선에 수직한 선과 교축 사이의 각으로 개정되었다(<그림 507.3.2> 참조>.
② [도․설 4.8.3.1] 캔틸레버판이 있거나 받침 간격, 사각으로 인하여 지점반력과 받침선방향의 단면력 분포가 변화하는 경우에 대하여 단면력을 계산할 때에는 슬래브교의 지간을 직슬래브교에서는 받침중심간격인 ln으로 하고, 사각 45° 이하인 경우에는 사각의 영향이 작으
므로 다음 식에 따라 결정할 수 있다.
2005년 개정된 [도․설 4.8.3.2]의 (2)항에서 한계사각이 “45° 이상”로 잘 못 표기되어 있으나 이를 “45° 이하”로 해석하여야 한다.
③ 지간이 10 m 이하 단순슬래브교의 활하중에 의한 경간 중앙에서의 경간 방향 및 경간직각방향의 단위폭(1 m)당 설계 휨모멘트는 바닥판 설계휨모멘트 산정 식[도․설 4.7.5.1]을 적용하여 계산해도 좋다.
④ 경간이 10 m를 넘는 단순슬래브교의 활하중에 의한 경간 중앙에 발생하는 경간 방향의 단위폭당 설계 휨모멘트는 보도 등에 3.5 kN/m2의 등분포하중을 재하하고 차도에는 DL하중의 주재하하중을 만재하여 산출한 휨모멘트를 슬래브 전폭으로 나눈 값으로 산정하는 것이 가능하다.
라멘교
3.2.1 일반사항
부재의 절점들이 강결되어 있는 뼈대 구조물을 라멘구조라고 하는데 구조형식상 구분으로 거더교형식과 기둥이 일체화된 구조를 포함할 수 있으나 본 절에서는 수평 슬래브 부재와 수직부재(벽체)가 강결되어 있는 RC라멘구조를 위주로 기술한다. RC라멘교는 구조물의 절점 부위가 철근으로 연속되어 있고 콘크리트도 연속 타설되기 때문에 일체화된 구조로 된다. 따라서 RC라멘교에서는
하중이 어느 한 부재에만 작용하더라도 다른 부재에 변형과 응력이 발생하게 된다.
RC라멘교의 특징은 다음과 같다.
① 상하부구조가 일체로 가설되기 때문에 일반적으로 신축이음과 받침이 불필요하고, 유지관리가 용이하다. 반면에 수직부재(벽체)에 작용하는 토압과 수압이 상부구조에 전달된다.
② 수평부재에 작용하는 휨모멘트의 일부를 수직부재가 부담할 수 있기 때문에 동일한 지간의 슬래브교에 비하여 상부구조 두께를 낮출 수 있다. 일반적으로 설계 경간장은 15 m 이하이다.
③ 부정정구조이기 때문에 부재의 일부가 항복해도 응력이 재분배되어 인성이 있는 구조이다. 반면에 온도, 건조수축, 기초의 부등침하에 의한 영향이 크다.
④ 다경간 교량에서는 지진력(수평력)을 각 하부구조에 분산하도록 설계가 가능하고 강결구조이기 때문에 내진 저항성이 우수하다.
⑤ 문형 라멘교를 제외한 T형 라멘교, Π형라멘교, 연속 라멘교에서는 교량의 시점과 종점에 신축이음과 받침을 두는 경우가 있다.
설계 일반사항
라멘교는 수평부재와 수직부재가 강결되는 것으로 설계하며, 슬래브교, T형교, 박스거더교 등의 단면형상의 고유 사항에 대해서는 도로교 설계기준과 콘크리트구조 설계기준의 해당 규정에 따른다. 그러나 라멘교 벽체에 토압이나 수압이 작용하는 경우에는 [도․설 제5장] 하부구조편의 관련 규정을 적용하여 설계하여야 한다.
구조해석
라멘교는 부정정구조물이므로 고전적인 해석방법으로 단면력을 산정하는 것은 번거롭기 때문에 유한요소 해석방법을 적용하여 해석하는 것이 일반적이다. 라멘교의 구조해석 시 유의사항은 다음과 같다.
① 구조해석으로 단면력을 계산할 때의 라멘축선은 콘크리트 전단면을 유효로 하는 부재단면의 도심축선에 일치시키는 것을 원칙으로 한다.
② 단면의 변화가 있는 경우의 축선은 단면 변화에 따라서 변화시킨다. 다만 <그림 507.3.3(a)>에 나타낸 것과 같이 헌치가 있는 라멘교와 단면의 변화가 크지 않은 경우에는 헌치의 영향과 변단면의 영향을 무시하고 축선을 직선으로 가정해도 좋다.
③ 기둥의 축선의 하단은 기둥이 기초구조와 일체로 강결된 경우에는 기초구조의 상면으로 하고 힌지구조에 결합되어 있는 경우에는 힌지의 중심으로 한다. 기초의 침하 또는 회전이 무시될수 없다고 생각되는 경우에는 기초를 등가 스프링으로 치환하여 해석하는 것이 바람직하다.
④ 기둥과 보의 절점부에 큰 헌치가 있는 경우나 보부재 또는 기둥부재의 부재두께가 매우 큰경우에는 강역의 영향을 검토하는 것이 좋다. 강역에 대한 설계기준은 [도․설 4.12.3]의 규정을 따른다.
라멘 부재 절점부
라멘부재의 절점부는 단면력에 의한 응력의 방향이 급변하여 응력의 전달구조가 복잡하다. <그림 507.3.4>에는 휨모멘트가 작용할 때의 절점부 응력분포상태를 나타내었다.
① 라멘부재의 절점부는 이에 접속하는 부재상호간에 단면력이 확실하게 전달되도록 설계하여야 한다.
② 라멘의 절점 접합부에는 매우 큰 모멘트와 전단력이 작용한다. 그러므로 절점부는 접합되는 부재들이 서로 단면력을 확실하게 전달할 수 있도록 모서리에 헌치를 두어 이 부분의 모멘트는 증가시키고 경간 모멘트는 감소시키도록 한다.
③ 절점부의 모서리에는 휨모멘트의 작용방향에 따라 균열이 발생하려는 경향이 있으므로 이에 대응하여 철근을 보강하여야 한다. 라멘부재 절점부에 대한 설계기준은 [도․설4.12.4]의 규정을 따른다. [콘․설 15.2.3]에서는 콘크리트 라멘부재 접합부(절점부)에 대한 설계기준을 규정하고 있으며, 해석방법은 스트럿-타이 모델에 의한 해석, 유한요소해석, 허용응력에 의한 근사해법으로 정하고 있다.
RC 슬래브교 설계
판이론에 의한 설계단계별 고려사항
4.4.1 [단계 1] 설계조건
(1) [단계 1-1] 교량 등급 및 제원[도․설 1.3, 1.5]
① 교통량이 많거나 중차량 통과가 빈번한 특수산업시설에 인접한 지방도, 시도 및 군도상의 교량은 1등급교로 설계함을 원칙으로 한다. 다만 일일 계획교통량이 1,000대 미만인 경우에 지방도, 시도 및 군도상의 교량을 2등급교로 설계할 수 있다. 교통량이 극히 적은 경우에는 예외적으로 발주청의 판단에 의하여 3등급교로 설계할 수 있다.
② 교량의 폭원 구성, 건축한계, 선형 등은 도로의 구조․시설기준에 관한 규정에 따른다.
③ 연속슬래브 구조에서는 지점부에 헌치를 두거나 이에 상응하는 철근보강이 필요하나, 일반적으로 적절한 헌치를 두는 것이 구조적으로 유리하다.
(2) [단계 1-2] 사각 여부
교량 계획시 사각이 없도록 교량을 직교로 설계하는 것이 좋으나 불가피하게 사각이 요구될 때에는 가급적 영향이 적은 15° 이하로 계획함이 구조적으로 유리하다.
(3) [단계 1-3] 하중조건 및 기준강도 결정
교량설계에 적용하는 하중은 교량의 형식이나 교량 가설지점의 조건에 따라 하중의 종류 및 하중조건이 적절히 결정되어야 한다.
[단계 2] 설계단면가정
(1) [단계 2-1] 단면 가정
① 철근 콘크리트 차도측 바닥판의 최소 두께는 220 mm 또는 [도․설 4.7.4.1]의 <표 4.7.1>에있는 값 중 큰 값으로 한다. [도․설 4.7.4.1]의 <표 4.7.1>에 나타낸 캔틸레버 바닥판의 최소두께는 지지점에서의 두께를 의미한다. 여기서, L은 트럭하중에 대한 바닥판의 지간장(m)을 의미한다.
② 처짐계산을 생략할 수 있는 경우의 휨부재의 최소높이 및 두께는 <표 507.4.1>의 규정에 의거한다.[콘․설 4.3.1] <표 507.4.1>의 값은 일반콘크리트(Wc = 2,300kg/m³)와 항복강도 400 MPa 철근을 사용한 부재에 대한 값이며 다른 조건에 대해서는 그 값을 수정하여야 한다. 1,500～2,000 kg/m³ 범위의 단위질량을 갖는 구조용 경량콘크리트에 대해서는 계산된 값에 (1.65 – 0.00031 Wc)를 곱해야 하나 1.09보다 작지 않아야 한다. 가 400 MPa 이외인 경우에는 계산된 값에 (0.43 + / 700)를 곱하여야 한다.
③ 캔틸레버 부분을 길게하면 다소 경제성을 높일 수 있으나 캔틸레버 영향을 감안한 구조계산시 주판의 가장자리가 불리해지므로 이에 대한 구조해석이 필요하고 교좌장치 배치에 신중하여야 한다.
④ RC슬래브교에서 장경간은 고정하중의 증가로 불리해지므로 단순경간의 경우 15 m 이하에서 널리 사용하는데 보통 적용지간의 범위는 단지간에서 5～12 m, 연속교에서 10～18 m 정도이다.
⑤ 형고는 구조형식, 지간, 사각의 각도에 따라 틀리며 [도․설 4.4.9.5]에 규정된 처짐의 제한 최소 두께 이상이어야 한다. 국내에서 고속국도에 건설된 RC슬래브교량에 대하여 형고비를 조사한결과 16～20 정도가 적당할 것으로 사료되며 조사결과 <표 507.3.1>에 나타내었다.
⑥ 연속교의 경우, 교각부와 연속지점부는 일반구간보다 단면력이 커서 전교량에서 슬래브 두께를 키울 경우 비경제적인 설계가 되므로 경제적인 설계를 위하여 일반적으로 교각에 헌치를 설계한다. 헌치의 크기는 단면적의 크기에 의해 결정되므로 일률적으로 그 크기를 정할 수는 없으나, 헌치의 설치구간을 길게 할 경우 교각부의
강성이 커져 정 모멘트의 감소효과가 나타나므로, 설계자가 어느 구간만큼 헌치를 두는 것이 적당한지는 각 구조물에 따라 설계자가 결정할 사항이다. 그러나, 일반적으로 헌치의 두께는 일반 구간보다 200 mm 이상 더 크게 하고 헌치길이는 헌치두께의 3배 이상으로 하는 것이 적당하다.
[단계 2-2] 단순교
일반 단순교는 [도․설 4.8]을 참조한다.
[단계 2-3] 시공방법 및 받침부 고려
연속슬래브 구조에서는 온도변화, 건조수축, 프리스트레스 힘 등에 의하여 변형이 구속되어 부정정력이 발생하므로 이에 대한 고려와 시공방법 및 받침부 조건을 고려한 구조 해석을 해야 한다 [도․설 4.11.3].
[단계 3] 하중계산
(1) [단계 3-1] 고정하중 계산
슬래브 자중은 범용해석프로그램의 쉘요소로 모델링하여 요소 자중으로 계산한다. 포장하중은 단위면적 당 하중으로 계산하여 등분포 하중으로 재하하도록 한다. 방호벽과 중분대의 하중은 각단면별로 나누어 절점에 작용할 수 있도록 계산 한다[도․설 2.1.2].
(2) [단계 3-2] 활하중 계산
바닥판과 바닥틀을 설계하는 경우의 활하중으로 [도․설 2.1.3]에 의거하여 활하중을 재하한다.
① [단계 3-2-1] 지간별 충격계수 산정 지간별 충격계수의 산정은 [도․설 2.1.4]에 의거한다.
② [단계 3-2-2] DB 및 DL하중 산정 DB하중과 DL하중은 [도․설 2.1.3]을 따르며,DB하중의 크기는 [도․설 2.1.3]의 <표 2.1.2> 를 참고한다.
가. 차도부분에는 DB하중을 재하한다. DB하중은 한 개의 교량에 대하여 종방향으로는 차로당 1대를 원칙으로 하고, 횡방향으로는 재하 가능한 대수를 재하하되 설계부재에 최대응력이 일어나 도록 재하한다. 교축 직각 방향으로 볼 때, DB하중의 최외측 차륜중심의 재하위치는 차도부분의 단부로부터 300 mm로 한다. 지간이 특히 긴 세로보나 슬래브교는 DL하중으로도 검토하여 불리
한 응력을 주는 하중을 사용하여 설계한다.
나. 보도 등에는 5×10-3 MPa의 등분포하중을 재하한다.
다. 궤도에는 궤도의 차량하중과 DB하중 가운데 설계부재에 불리한 응력을 주는 것을 재하한다. 궤도의 차량은 차량 수에 제한이 없는 것으로 보고 설계부재에 가장 불리한 응력을 주도록 재하한다. 차량의 점유폭과 하중은 해당 궤도의 규정을 따른다.
(3) [단계 3-3] 온도하중 및 지점이동의 영향 슬래브 상면과 하면의 온도차는 5oC로 한다. 부정정 구조물에서 지반의 압밀 침하 등으로 인하여 장기간에 걸친 지점의 이동 및 회전의 영향을 고려해야 할 경우에는 최종 이동량을 추정하여 단면력을 산정하여야 한다. 단면력의 산정은 탄성계산에 따른다[도․설 2.1.12, 2.1.15].
[단계 4] 모델링
(1) [단계 4-1] 판요소로 모델링
슬래브를 유한요소법을 이용하여 2차원 또는 3차원 삼각형, 사각형의 요소로 모델링하면 불규칙적 기하형태, 이방성 거동, 비탄성 거동 등 복잡한 구조계를 지점조건 및 사각을 고려하여 정확하게 모델링할 수 있으며, 슬래브에 작용하는 모든 하중을 정확히 재하할 수 있어 정확한 단면력과 지점반력을 얻을 수 있다[도․설 4.8.3.1].
(2) [단계 4-2] 사교
경사지간( )과 슬래브 전체폭( )의 비( )가
0.5이하가 될 때에는 판이론에 따라 해석하는 것이 좋다[도․설 4.8.3.2]. 지점부에 탄성받침을 사용하는 경우 스프링으로 모델링한다.
[단계 4-3] 하중 재하
① [단계 4-3-1] 고정하중 재하
RC슬래브교의 슬래브 자중은 쉘요소의 자중으로 처리하고 포장층은 등분포하중으로, 그리고 방호벽과 증분대는 계산한 자중을 절점하중으로 치환하여 Load하중으로 처리한다.
② [단계 4-3-2] 차선별 활하중 재하
③ [단계 4-3-3] 온도하중 재하
④ [단계 4-3-3] 지점이동의 영향
지점이동의 영향은 최종 침하량을 10 mm로 가정하여 계산한다.
[단계 5] 단면력 산정
(1) [단계 5-1] 반력, 모멘트 및 전단력 산정
① [단계 5-1-1] 속 빈 슬래브교
원칙적으로 이방성판으로 단면력을 계산해야 하나, [도․설 4.8.4(1)]에 규정된 최소치수 250mm를 만족하는 속 빈 슬래브교의 경우 등방성판으로 보고 단면력을 계산해도 무방하다. 전단력을 검토할 경우 비지 않은 부분의 폭의 총합과 같은 복부폭을 갖는 T형보의 단면으로 보아도 좋다.
② [단계 5-1-2] 속 찬 슬래브교
선형 또는 선형과 근사한 모양으로 지지된 속빈 슬래브교를 제외한 슬래브교의 경우에는 전단력에 대한 검토를 생략할 수 있다[도․설 4.8.2].
③ [단계 5-1-3] 캔틸레버판 슬래브교
캔틸레버 부분에 작용하는 하중과 강성의 영향을 고려한 해석을 한다. 또한 지점반력 및 받침선 방향의 단면력은 받침 배치 및 경사각의 영향을 고려하여 계산한다[도․설 4.8.3].
4.4.6 [단계 6] 철근량 계산 및 단면 검토
(1) [단계 6-1] 정․부 모멘트 구간별 단면 검토 강도설계법에 의하여 사용하중에 대한 하중계수와 하중조합을 [도․설 2.2.3.2]의 규정에 의거하여 정리하면 다음과 같다.
[단계 6-1-1] 단면 유효높이(d) 검토
가. [단계 6-1-1-1] 유효높이에 의한 철근량(As) 계산
나. [단계 6-1-1-2] 소요철근량 계산[도․설 4.7.5]
(가) [단계 6-1-1-1]에서 계산된 철근량으로 소요 주철근량을 산정한다. 또, 바닥판에는 집중하중으로 작용하는 활하중을 수평방향으로 분산시키기 위해 주철근의 직각방향으로 배력철근을 배치하여야 한다. 배력철근량은 계산된 주철근량의 백분율로 산정하며 다음과 같다[도․설 4.7.5.7].여기서 은 바닥판의 지간장(m)를 의미한다.
- 주철근이 차량진행방향의 직각인 경우는 120/ L 과 67% 중 작은값 이상으로 산정한다.
- 주철근이 차량 진행방향에 평행한 경우 55/ L과 50% 중 작은 값 이상으로 산정한다.
(나) 주철근이 차량진행방향에 직각인 경우, 캔틸레버부를 제외한 구간에서는 위에서 산정된 배력철근을 바닥판 경간 중앙부의 1/2 구간에 배근하며, 나머지 구간에는 산정된 배력철근량의 50%이상만 배근하여도 좋다.
(다) 배근되는 배력철근량은 온도 및 건조수축에 대한 철근량 이상이어야 한다. 이때 바닥판단면에 대한 온도 및 건조수축 철근량의 비는 0.2%이다.
(라) [도․설 4.7.6.2(4)]에서는 설계에서 고려한 것과 반대방향의 모멘트가 발생하는 예기치 않은 경우에도 철근콘크리트의 바닥판이 어느 정도의 저항을 할 수 있도록 압축 측에도 인장철근의 1/2 이상을 배치하도록 규정하고 있다.
[단계 6-1-2] 휨 검토
철근비( ) 및 설계모멘트( )를 계산하고 허용치와 비교․검토한다.
③ [단계 6-1-3] 전단 설계 필요(스터럽 여부)검토[도․설 4.4.6] 전단력이 발생되는 지점부는 전단 검토에 의
하여 전단철근 필요여부를 결정한다.
④ [단계 6-1-4] 스터럽 간격 및 철근량 계산전단 철근이 필요한 경우, [도․설 4.4.6.3]에 의거하여 전단설계를 실시한다.
⑤ [단계 6-1-5] 둔각부 보강 철근량 계산경사슬래브교의 둔각부 슬래브 위쪽에는 부모멘트에 대하여 경사경간 방향 및 받침선 방향으로 가외철근을 배치하여야 한다. 가외철근량은 경간중앙부의 경사 단위폭당의 정철근량에 사각의 크기에 따른 계수 K를 곱하여 계산하는 것으로 한다. 이러한 경우 둔각부 슬래브의 위쪽에 배치되는 철근은 가외철근의 일부로 보아도 좋다[도․설 4.8.4].
[단계 7] 지점부 횡방향 단면검토
(1) [단계 7-1] 단면력 산정
지점부의 교축 직각방향 단면력을 산정한다.
(2) [단계 7-2] 단면 검토
지점부를 보로 간주하여 본 편람 ‘4.4.6 [단계6]’을 참조해서 철근량 계산 및 단면 검토를 한다.
[단계 8] 사용성 검토
강도설계법에 의해 설계된 휨부재는 그 강도이외에 사용성이 반드시 충족되어야 한다. 따라서 휨부재는 사용하중 작용시 처짐이 [도․설4.4.9.5]에 따라 조절되어야 할 뿐 아니라 하중의 반복작용에 따른 철근의 피로응력한계, 또 휨균열을 조절하기 위한 철근의 배근 조건도 충족되어야 한다.
(1) [단계 8-1] 처짐제한 검토
처짐계산에 의해 좀 더 작은 두께를 사용할 수 있는 경우를 제외하고는 상부 구조물의 최소 두께는 <표 507.2.1>에 나타낸 값을 따라도 좋다 [도․설 4.4.9.5]. 변단면 부재가 사용되는 경우, <표 507.2.1>에 나타낸 최소두께 값은 정의 모멘트와 부의 모멘트, 단면의 상대적 강성의 변화를 감안하여 조정될 수 있다. <표 507.2.1>은 권장값이므로 필요하다면 처짐계산에 의해 확인하는 것이 바람직하다.
(2) [단계 8-2]균열 검토
균열의 검토는 [도․설 4.4.9.4]의 규정을 따른다.
(3) [단계 8-3] 피로 검토
콘크리트 슬래브의 피로검토는 활하중에 의한 콘크리트 슬래브 모멘트 변화가 큰 곳에서(주로지간의 중앙점이 검토 대상이 됨) 최대 모멘트와 최소 모멘트에 의한 응력을 어느 한계 이내에 들도록 하여 검토하며 [AASHTO 8.16.8.3, 도․설4.4.9.6], 주로 콘크리트 슬래브, 콘크리트 박스교 등의 주철근이 차량 진행방향에 평행한 슬래브에 대해 검토한다. 이것은 차량 진행방향으로의 모
멘트 변화가 크기 때문이며 차량 진행방향의 직각 방향은 응력 차이가 크지 않아서 검토할 필요성이 적다. 사용하중 하에서 충격을 포함한 활하중에 의해 철근에 발생하는 응력 범위가 <표 507.2.4>에 규정한 응력 범위 이내일 경우에는 피로에 대해 검토할 필요가 없다 .
뼈대구조이론에 의한 설계단계별 고려
사항
4.5.1 [단계 1] 설계조건
편람 ‘4.4.1 [단계 1]’을 참조
4.5.2 [단계 2] 설계단면 가정
편람 ‘4.4.2 [단계 2]’을 참조
4.5.3 [단계 3] 하중 계산
(1) [단계 3-1] 고정하중 계산
슬래브 및 헌치하중은 해석프로그램내에서 자중으로 고려하고 방호벽 중분대, 포장 하중은 별도로 계산하여 부재하중으로 계산한다. 슬래브,방호벽 중분대, 포장 등의 하중을 자중으로 처리하지 않고 부재하중이나 절점하중으로 고정하중을 계산하고자 하는 경우에는 각 단면별로 단위길이당 하중으로 환산하는 방식을 사용한다.
(2) [단계 3-2] 활하중 계산
바닥판과 바닥틀을 설계하는 경우의 활하중으로 [도․설 2.1.3]의 규정에 의거하여 활하중을 재하한다. 뼈대구조이론에 의한 설계에서는 횡방향에 대하여 단위폭(1 m)당 하중을 계산한다.
① [단계 3-2-1] 지간별 충격계수 산정
판 해석에 의한 설계단계별 고려사항 [단계3-2] 참조
② [단계 3-2-2] DB 및 DL하중 산정[도․설2.1.3]
판 해석에 의한 설계단계별 고려사항 [단계3-2] 참조
(3) [단계 3-3] 온도하중 및 지점이동의 영향
[도․설 2.1.12, 2.1.15]
슬래브교에서는 종방향에 대하여 가동단 받침을 사용할 경우 온도하중에 의한 응력은 없다. 슬래브 상면과 하면의 온도차는 5℃로 한다. 지점이동의 영향은 최종침하량을 10 mm로 가정하여 계산한다.
[단계 4] 모델링
(1) [단계 4-1] 횡방향 단위폭당 모델링 슬래브교를 횡방향 단위폭당 모델링하여 단위폭당의 단면력을 계산한다. 2차원 모델링으로 해석이 간단하지만 사각에 의한 예각부와 둔각부의 지점 반력차이, 캔틸레버부가 있는 경우의 해석,그리고 지점의 위치에 따른 영향을 고려한 해석이 곤란하다. 따라서 단순 직교에 적용하는 것이
좋다.
(2) [단계 4-2] 지간=경사지간( )
경사슬래브에 있어서 15° 이상의 사각을 가지는 경우 판해석법을 적용하는 것이 바람직하다. 그러나 사각이 15° 이하인 경우에는 사각의 영향이 작으므로 경사지간( )을 슬래브의 전체폭( )으로 나눈 값에 관계없이 지간( )을 경사지간( )으로 하여도 좋다.
(3) [단계 4-3] 하중 재하
① [단계 4-3-1] 고정하중 재하
슬래브 및 헌치하중은 Program내에서 자중으로 처리하고 방호벽, 중분대 및 포장하중 등은 단위폭(1 m) 당 하중으로 산정하여 부재하중으로 재하한다.
② [단계 4-3-2] 차선별 활하중 재하
어느 설계부재의 최대응력이 3차로 이상의 활하중 동시 재하로 인해 발생하는 경우에는 그 활하중 응력을 다음 백분율로 감소시킨다.
- 3차로 : 90%
- 4차로 이상 : 75%
③ [단계 4-3-3] 온도하중 재하
④ [단계 4-3-3] 지점이동의 영향
[단계 5] 단면력 산정
(1) [단계 5-1] 반력, 모멘트 및 전단력 산정
① [단계 5-1-1] 지간 ≤ 10 m
지간 10 m 이하의 단순 슬래브교의 활하중(충격을 포함)에 의한 지간 중앙에 있어서의 지간방향 및 지간 직각방향의 단위폭(1 m) 당 설계휨모멘트는 판이론에 따라 계산하면 다소 복잡하다. 따라서 [도․설 4.7.5.1]를 참조하여 계산해도 무방하다.
② [단계 5-1-2] 지간 ＞ 10 m
지간이 10 m를 넘는 단순슬래브교의 활하중에 의해 지간 중앙에 발생하는 지간 방향의 단위폭(1 m)당의 설계휨모멘트는 보도 등에 3.5×10-3MPa의 등분포하중을, 차도부분에 DL하중의 주재하중을 만재하고 산출한 휨모멘트를 슬래브의 전폭으로 나눈 값으로 하는 것이 가능하다. 또한,지간 중앙에 발생한 지간 직각방향의 단위폭(1 m) 당의 설계 휨모멘트는 [도․설 4.7.5.1에 따라 계산하는 것이 가능하다.
③ [설계단계 5-1-3] 캔틸레버판 슬래브교 캔틸레버 부분에 작용하는 하중과 강성의 영향을 고려한 해석을 한다. 또한 지점반력 받침선방향의 단면력은 받침 배치 및 경사각의 영향을 고려하여 계산한다[도․설 4.8.3].
[단계 6] 철근량 및 단면 검토
본 편람 ‘4.4.6 [단계 6]’을 참조
4.5.7 [단계 7] 지점부 횡방향 검토
RC 슬래브교를 뼈대구조이론에 의해 해석하는 경우는 지점부 횡방향 단면 검토를 해야 한다.[도로설계요령 3권 5.7.4]
(1) 연속 슬래브 지점의 설계를 하는 경우에는 연속 슬래브의 지점을 포함하여 모멘트 0인 점 사이의 거리를 지간으로 하고, 받침 반력을 집중하중으로 하는 가상 단순 받침 슬래브로 구조해석을 해도 좋다.
(2) 연속 슬래브지점 교축직각방향의 설계는 교축직각방향에 대한 받침조건을 만족시키기 위해 지점에 생기는 전단력을 지지하는 보로서 구조해석을 하는 것으로 한다.
(3) 고정하중 및 활하중에 의한 반력은 받침선상, 주판폭내에 등분포하중으로 작용하는 것으로 생각한다. 이 때 활하중은 받침선상 각 단면에 최대응력이 생기도록 재하한다.
(4) 받침간격이 크게 되는 경우에는 교축 직각방향 휨모멘트를 줄이기 위해 받침수를 늘여 받침간격을 단축하는 것으로 한다. 받침수가 3개 이상인 경우 가로보는 연속보로 해석하는 것을 원칙으로 한다.
4.5.8 [단계 8] 사용성 검토
사용성 검토는 본 편람 ‘4.4.8 [단계 8]’을 참조한다.
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