콘크리트교각 설계
설계일반사항
2.1.1 개요
교각은 상부구조가 2경간 이상으로 구성되는 경우에 설치되며, 상부구조에 작용하는 하중과 교각의 자중을 안전하게 기초지반에 전달하는 구조물이다.
일반적으로 교각의 계획 혹은 설계에 있어서 가설지점에 관계가 있는 하천, 도로, 철도 등의 관련 자료들로부터 제시된 각종 조건은 교각의 구조계산에서 고려되는 설계조건보다 우선적으로 고려하여야 한다.
2.1.2 교각의 세부명칭
교각의 부분적 명칭은 <그림 509.2.1>에 나타내었다. A는 교량받침부로 상부구조의 지점이 되는 교량받침이 놓이는 곳이다. B는 기둥, C는 기초이다.
2.1.3 교각의 종류 및 형식 결정
교각의 형식은 도로 및 하천 등 부대조건에 의한 외적요소에 제약을 받으며, 형식선정은 미관을 고려하고 입지조건, 구간에 따라 통일시키는 것이 필요하다. 지형조건에 따른 선정기준은 아래와 같고, 교각의 높이에 따른 선정기준은 <표 509.2.1>와 같다.
① 하천부 : 벽식교각(타원형, 특수한 원기둥식)
② 평지부 : 라멘교각, 기둥식교각, 벽식교각
③ 산간부 : 라멘교각(1층, 2층), 기둥식교각,벽식교각
④ 도시부 : 라멘교각, 기둥식교각
⑤ 인터체인지부 : 로커교각, 라멘교각, 기둥식교각
산악지대의 교량에서는 교각높이가 50 m 이상이 되는 경우가 많은데, 높은 교각에 대해서는 상부구조와 함께 교량전체로서의 형식과 구조를 검토해야 하며 시공법도 검토하는 것이 바람직하다.
설계단계별 고려사항
2.3.1 [단계 1] 설계조건
(1) [단계 1-1] 일반사항
일반적으로 교각의 형식은 다양하므로 일률적으로 계획할 수는 없으나 다음과 같은 사항을 고려하여 적정한 재료와 구조 형식을 선정한다.
① 상부구조의 반력 크기 및 교량받침 배치 상황
② 교량가설 위치 현황 및 지질조건
③ 교각의 높이
④ 교량 하부도로 이용 유무(다리 밑 공간 이용 유무)
⑤ 교량의 폭원
⑥ 교각의 시공성 및 경제성
(2) [단계 1-2] 하중
[도․설 2.1] 하중편을 따른다.
(3) [단계 1-3] 지반조건
지반에 대한 조사는 통상 예비조사와 본조사로 나누어 시행되며, 설계, 시공 및 유지관리단계에서 필요시 추가조사를 시행한다. 교각설계를 위한 지반조사는 제504장을 참조한다.
① 예비조사
가. 자료조사 및 현지답사
나. 물리탐사
다. 보링 및 시굴조사
② 본조사
가. 보링, 샘플링, 사운딩
나. 토질 및 암석시험
다. 지하수위 조사
라. 평판재하시험 및 말뚝재하시험
마. 물리탐사
(4) [단계 1-4] 사용재료 강도
① 콘크리트의 설계기준강도
콘크리트의 설계기준강도는 원칙적으로 <표 509.2.2>에 나타낸 값 이상으로 한다.
② 콘크리트 설계기준 강도 상향 설계
현장여건에 따른 시공성 및 경제성 미관등 고려시 설계자의 판단하에 콘크리트의 강도(fck)는 27MPa로 철근의 강도(fy)는 400 MPa로 상향조정하여 설계할 수 있으며, 아래와 같은 기대 효과가 있으므로 교각 설계시 적극 반영할 수 있다.
가. 교량성능 측면
부재단면 축소에 따른 슬림화로 미관이 향상되고, 구조물의 유연성 확보로 내진성능이 우수하다.
철근부식, 콘크리트 마모에 대한 저항성 향상,내약품성 향상 등 철근콘크리트 내구성이 증가되므로 생애주기비용 측면에서 가치가 상승한다.
나. 시공성측면
단위시멘트량 증가로 인하여 워커빌러티가 증대되고, 콘크리트 표면 조직이 조밀해진다. 철근 배근간격 증가 및 사용 철근량의 감소로 전반적으로 시공성이 향상된다.
다. 하부구조물 영향
교각은 장기하중 하에서 주로 압축력을 받는 압축부재이므로 균열에 대한 문제가 휨부재에 비하여 작으므로 고강도 철근을 사용하여도 균열폭의 문제와 콘크리트 전단강도 저하 문제가 적다.
(5) [단계 1-5] 설계방법
교각의 단면설계는 강도설계법에 의해 설계하며 안정성 검토는 허용응력설계법에 의해 설계하는 것을 원칙으로 한다.
2.3.2 [단계 2] 단면제원 가정 및 단면 제상수 산정
(1) [단계 2-1] 교각단면 제원 가정
기둥 단면을 지나치게 크게 설계하면 미관에 불리하고 필요철근보다 최소철근에 의해 설계되어 비경제적이 되고, 반대로 지나치게 작게 할 경우 철근에 의해 단면의 강도가 크게 향상되지 않아 하중을 견디어낼 수 없으므로, 최적단면이면서도 안정성을 확보할 수 있도록 결정되어야 한다.
(2) [단계 2-2] 단면 제상수 산정
단면의 면적, 전단면적(Shear Area), 2차모멘트 등의 상수들을 적절히 산정한다.
(3) [단계 2-3] 받침연단거리 검토
받침면은 받침을 통해서 상부구조로부터의 집중하중을 받는 곳이고, 또 지진시에는 큰 수평력이 작용하는 곳이다. 따라서 받침 끝에서 정부연단거리까지의 거리가 작으면 고정단에서는 전단면에 연하여 받침부가 파손되는 경우가 있으며, 또한 가동단에서는 받침을 벗어나 들보가 낙하 하는 경우도 있다. 그러므로 하부구조 정부에 있어서 교축방향의 받침연단과 하부구조 정부연단 사이의 거리S(mm)는 규정값 이상을 사용하도록 하고 있다
① 거더의 경간길이 100 m 이하
(509.2.1a) S=200+5L
(509.2.1b) S=300+4L
(4) [단계 2-4] 최소 받침지지길이 검토
교량의 단부에 있어서 지진시 낙교를 방지하기 위하여 내진설계시 최소 받침지지길이 N은 다음 값보다 작아서는 안된다.
(509.2.2)
여기서,
L : 인접 신축이음부 또는 교량단부까지의 거리(m). 다만, 지간 내에 힌지가 있는 경우의 L은 힌지 좌․우측방향의 거리인 L1 과 L2의 합으로 한다.
H : 기둥 또는 교각의 평균높이 (m)
θ : 받침선과 교축직각방향의 사잇각 (도)
[단계 3] 하중산정
(1) [단계 3-1] 고정하중 산정
① 상부구조로부터의 고정하중반력
② 교각 자중
(2) [단계 3-2] 활하중 산정
하부구조를 설계하는 경우에 상부구조에 재하하는 활하중은 DB 또는 DL하중 가운데 하부구조에 가장 불리한 영향을 주도록 재하하는 것을 원칙으로 한다.
(3) [단계 3-3] 풍하중 산정
① 상부구조에 작용하는 풍하중
플레이트거더교에 작용하는 풍하중은 교량 하나의 교축방향길이 1 m 당 <표 509.2.3>에 나타난 값으로 한다.
② 하부구조에 작용하는 풍하중
하부구조에 직접 작용하는 풍하중은 교축방향과 교축직각방향에 작용하는 수평하중으로 한다. 풍하중의 크기는 풍향방향의 유효연직투영면적에 대하여 <표 509.2.4>의 값으로 한다.
또한, 기둥이 풍향에 대해 2개가 앞뒤로 늘어서 있을 때는 다음과 같이 재하 한다. 기둥이 직경의 2배 이상 떨어져 있는 경우는 단일 부재가 2개 존재한다고 생각하여 풍하중측 부재에는 <표 509.2.4>의 값을 재하한다. 이 외의 경우에는 풍하중측 부재에 재하하는 풍하중은 <표 509.2.4>의 0.5배로 한다.
③ 활하중에 대한 풍하중
활하중이 재하 될 때에는 교면상 1.5 m의 위치에서 1,500 N/m의 풍하중이 활하중에 대하여 작용하는 것으로 본다.
④ 태풍이나 돌풍에 취약한 지역
태풍이나 폭풍시의 하중을 재하하고 폭풍시의 안전율을 적용한다.
(4) [단계 3-4] 온도하중 산정
상부구조의 온도에 의한 변형을 교각 상단에 가했을 때의 교각 변위에 의한 등가하중과 상부자중에 대한 받침의 마찰력 중 작은 값을 사용한다.
① 가동받침의 이동량 산정시 온도변화 및 선팽창계수
콘크리트의 온도변화 범위는 지역별 평균기온을 고려하여 정한다. 가동받침의 이동량 산정시 온도변화 및 선팽창계수는 <표 509.2.5>와 같으며 보통의 경우 온도의 승강은 각각 15℃로 하면 된다. 단면의 최소치수가 700 mm 이상인 경우에는 위 표준을 10℃로 하면 된다.
② 가동받침의 마찰계수
가동받침에 작용하는 수평력을 산정할 때 받침의 마찰계수는 제조자의 공인된 규격에 따르되 최소값은 <표 509.2.6>의 값을 적용하도록 한다. 탄성받침의 경우에는 받침의 수평변위에 따라 수평력을 산정한다.
(5) [단계 3-5] 수압 산정
① 정수압 산정
정수압의 산정은 다음 식과 같이 산정할 수 있다. 단, 지반 내에 있는 구조물에 작용하는 수압이 이 이론수압의 값까지 작용하지 않는 것이 확실한경우에는 그 확실한 값까지 감소시킬 수 있다.
(509.2.3)
여기서,
Ph : 수면에서 h만큼 깊은 곳의 정수압 (MPa)
h : 수면에서의 깊이 (m)
wo : 물의 단위중량 (kN/m3)
A : 교각의 연직투영면적 (m2)
② 유수압
유수방향에 대한 교각의 연직투영면적에 작용하는 수평하중으로 하고 다음 식에 의하여 산출한다.
(6) [단계 3-6] 충돌하중의 산정
① 차량 충돌
교각에 대한 방호시설이 설치되어 있지 않는 경우 노면 위 1,800 mm에서 수평으로 작용하는 것으로 보고 각주를 설계한다.
- 차도방향에 대해서 : 1,000 kN
- 차도직각방향에 대해서 : 500 kN
② 유목 등의 충돌
유목 및 기타의 유송잡물이 충돌할 우려가 있는 경우에는 다음 식에 의해 충돌력을 산출하고 그 작용 높이는 수면으로 한다. 유송잡물에 의한 영향에 대해서는 편람 509.5.5를 참조한다.
P=0.1 Wv
(509.2.5)
여기서,
P : 충돌력 (kN)
W : 유송잡물의 중량 (kN)
v : 표면유속 (m/s)
③ 선박의 충돌
항로상 또는 항로 근처에 교각을 설치하여 선박과 충돌할 우려가 있는 경우에는 이것을 설계에 고려하여야 한다. 선박충돌에 대비한 충돌방호공 설계방법은 편람 509.5.6을 참조한다.
(7) [단계 3-7] 원심하중 및 제동하중
① 원심하중
교량의 곡선부는 모든 설계차로에 재하된 DB하중의 백분율로서 표현되는 다음과 같은 원심하중에 의해 설계하여야 한다.
CF : 원심하중으로서 충격을 포함하지 않는 활하중의 백분율
V : 설계속도 (km/hr)
R : 곡선반경 (m)
곡선궤도의 경우 원심하중은 궤도차량하중의 8%로 본다. 원심하중은 교면상 또는 레일면 상 1,800mm의 높이에서 횡방향으로 작용하는 것으로 한다. 이 원심하중은 지점을 통하여 하부구조로 전달되므로 하부구조의 설계시에도 이것을 고려하여야 한다.
② 제동하중
자동차의 제동하중 및 궤도차량의 제동하중은 극단적으로 가벼운 교량 및 궤도가 있는 교량 등 특별한 경우에 고려하는 것으로 한다. 자동차의 제동하중은 최대하중 효과가 발생하도록 설계차로 위에 재하된 DB 하중의 10%로 하고 교면상 1,800mm 되는 위치에서 자동차의 진행방향으로 작용하는 것으로 본다. 궤도상의 제동하중은 윤하중전체의 10%로 하고 레일면상의 1,800 mm 높이에서 차량의 진행방향으로 작용하는 것으로 한다.
(8) [단계 3-8] 지진하중 산정
내진해석에 의한 교축방향과 교축직각방향의 지진하중을 고려하여야 한다.
단계 4] 하중조합
(1) [단계 4-1] 사용하중 검토시 하중조합
<표 509.2.8> 사용하중 검토시 하중조합
여기서,
D = 고정하중 또는 이에 따른 단면력
L = 활하중 또는 이에 따른 단면력
W= 풍하중 또는 이에 따른 단면력
WL = 차량활하중에 작용하는 풍하중 또는 이에
따른 단면력
E = 지진하중 또는 이에 따른 단면력
CO = 충돌하중 또는 이에 따른 단면력
G = 부등침하, 크리프, 건조수축, 제작 또는
시공시 치수착오, 습도변화 또는 온도변화
등으로 인한 팽창 또는 수축변형으로 유발된
변형력 또는 이에 따른 단면력
Q = 부력 또는 양압력, 수압, 파압 등의 하중
또는 이에 따른 단면력
CF = 원심하중 또는 이에 따른 단면력
[단계 5] 구조해석 및 단면력 산정
(1) [단계 5-1] 해석 모델링 및 하중재하
해석모델의 절점은 단면력을 정리해야 하는 위치와 단면상수가 변화되는 곳, 그리고 하중재하 위치를 적절히 나누어 주어야만 한다.
하중의 재하는 하중의 특성에 따라 집중하중 및 분포하중으로 재하한다. 또한, 기둥과 보의 지점부에 특히 큰 헌치가 있는 경우나 보 부재 또는 기둥 부재의 부재두께가 매우 큰 경우에 <그림 509.2.12>에 도시한 바와 같이 강역의 영향을 고려하여야 한다.
① 부재 단부가 다른 부재와 접합할 때는 그 부재단에
서 부재 두께의 1/4 안쪽 점에서부터 절점까지로 한다.
② 부재가 그 축선에 대해 25° 이상 경사진 헌치를 갖는 경우에는 부재 두께의 1.5배가 되는 점에서부터 절점까지로 한다. 다만, 헌치의 경사가 60° 이상의 경우는 헌치의 시점부터 부재 두께의 1/4 안쪽 점에서부터 절점까지로 한다.
(2) [단계 5-2] 하중조건별 단면력 산정 각 하중 조건별로, 검토단면별로 단면력을 산출한다.
(3) [단계 5-3] 사용하중 조합시 단면력산정 조합된 단면력을 각 위치별로 기초의 안정검토 및 균열검토용으로 정리한다.
(4) [단계 5-4] 계수하중 조합시 단면력산정
조합된 단면력을 각 위치별로 부재설계 검토용으로 정리한다. 부재 절점부에 작용하는 설계 휨모멘트는 <그림 509.2.13>에 도시한 바와 같이 결정한다.
부재 절점부에 대한 설계 전단력은 변단면 및 헌치의 영향이 작기 때문에 단면력의 이동은 하지 않는다. 단, 기둥 단면이 원형이나 정다각형 기둥인 경우는 기둥단면과 같은 면적의 정사각형 기둥단면으로 치환하여 내민길이를 구한다.
(5) [단계 5-5] 최대편심 작용시 단면력 산정
기둥설계시 최소 축하중 및 최대 모멘트 또는 최대 편심에 대하여 설계하여야 한다. 최대축하중과 최소모멘트에 조합된 단면력을 각 위치별로 부재설계 검토용으로 정리하며 [단계 5-4]와 동일한 방법으로 검토한다.
2.3.6 [단계 6] 부재의 설계
(1) [단계 6-1] 캔틸레버부 위험단면의 선정
내민보는 캔틸레버보로 설계하여야 한다. 캔틸레버보의 내민길이는 기둥단면이 직사각형인 경우 기둥 앞면에 있어서 연직단면으로부터 보의 끝까지의 길이로 한다. 원형단면이나 정다각형 기둥인 경우는 기둥단면적과 같은 면적의 정사각형 기둥단면으로 치환하여 내민길이를 구하도록 한다. 또 기둥단면이 타원형인 경우는 단면이 반원형과 직사각형으로 이루어지는 것으로 하여 원형인 경우의 규정에 따라 내민길이를 구하도록 한다.
(2) [단계 6-2] 브래킷단면 검토
① 일반사항
캔틸레버부는 전단경간에 대한 깊이의 비가 1.0이하인 경우에 대해서는 코벨로서 검토하며 그 강도는 전단으로 지배된다. 브래킷은 그 위에 놓인 보가 신축하고 또 보가 브래킷에 부착됨으로써 크리프, 건조수축 및 온도에 의한 보의 변형이 구속되기 때문에 <그림 509.2.15>와 같은 수평인장력 Nuc가 작용한다.
여기서, 콘크리트가 부담하는 전단력은 없는 것으로 가정한다.
전단경간에 대한 깊이의 비가 1.0 이상인 경우는 일반보로서 검토한다. 그러나 가급적 일반보가 되도록 단면을 선정하는 것으로 하여 수평철근 과다배치로 인한 시공성 저하를 예방토록 한다.
② 설계단면력 산정
받침부면의 단면은 전단력 Vu, 모멘트[Vuav+Nuc(h-d)] 및 수평인장력을 동시에 견디도록 설계하여야 한다. h는 받침부 면의 총높이이다.
③ 전단마찰철근의 설계
전단력 Vu를 저항할 전단마찰철근 Avf의 설계는
[도․설 4.4.6.4]에 따라야 한다. 일반콘크리트에 대해서는 전단강도 Vn은 0.12fckbw 또는 5.6bwd보다 크게 취해서는 안된다. 전경량콘크리트 또는 모래경량콘크리트에 대해서는 아래 식보다 크게 취해서는 안된다.
④ 휨모멘트 철근의 설계
모멘트 [Vuav+Nuc(h-d)]에 저항할 철근 Af는 [도․
설 4.4.3] 및 [도․설 4.4.4]에 따라 구하여야 한다.
⑤ 수평인장철근의 설계
인장력 Nuc를 저항할 철근An은 로부터 결정하여야 한다. 인장력 Nuc는 인장력을 피하도록 특별한 규정이 마련되어 있지 않는 한0.2Vu보다 작게 취해서는 안된다. 인장력 Nuc는 이 인장력이 비록 크리프, 건조수축 또는 온도변화에 기인한 경우라도 활하중으로 간주하여야 한다.
⑥ 주인장철근의 산정
주인장철근의 단면적 As는 (Af+An)과 (2Af/3+An)
중에서 큰 값과 같아야 한다.
⑦ 폐쇄스터럽, 띠철근의 산정
As와 나란한 페쇄스터럽이나 띠철근은 그 총단면적 Ah가 0.5(As-An)이상이라야 하고 As에 인접한 유효깊이의 2/3내에 균등하게 배치하여야 한다.
⑧ 브래킷 또는 코벨의 전면에서 주인장철근 As는 다음 방법 중 한 방법에 의해 정착되어야 한다.
ⓐ 적어도 같은 크기의 횡방향 철근에 구조적으로 용접되어야 하며, 이러한 용접은 주인장철근 As의 명시된 항복강도를 발휘할 수 있게 설계되어야 한다.
ⓑ 주인장철근이 수평갈고리 형태가 되도록 구부린다.
ⓒ 기타 확실한 정착방법을 사용한다.
(3) [단계 6-3] 깊은 보 단면 검토
① 일반사항
보의 높이가 지간에 비하여 보통의 경우보다 높고, 보의 폭이 지간이나 높이보다 매우 작은 보를 깊은 보(Deep Beam)라고 한다. 일반적으로 보의 지간 ln 과 보의 유효높이 d와의 비가 ln / d < 5 인 보 또는 전단지간 a와 보의 유효높이 d 와의 비가 a / d < 2 인 보를 말한다. 만일 a / d가 1이하인 경우는 브래킷에 의한 검토를 만족하여야 한다. <그림 509.2.16>에 도시한 높이가 큰 보의 경우 최소수평전단철근의 배근으로 경제성 및 시공성이 저하될 수 있으므로 가급적 일반보가 되도록 단면
을 산정하는 것으로 한다.
건조수축 및 온도균열을 제어하기 위하여 배력철근은 작은 직경의 철근을 좁게 배근한다. 균열유발 줄눈 및 신축줄눈을 설치하여 균열을 집중하거나 온도에 의한 신축을 흡수한다.
(6) [단계 6-6] 기둥에 작용하는 부재력 산정
교각지점의 상황에 따라 각 하중을 설계기준에 따라 조합하여 사용하여야 한다. 또한, 기둥설계시 최소 축하중 및 최대 모멘트, 또는 최대 편심에 대하여 설계할 경우 계수를 적용하여 기둥의 안정성을 확인하여야 한다 [도․설 2.2.3.2].
(6) [단계 6-7] 층안정 지수 및 세장비 산정
① 압축부재의 비지지길이 산정
압축부재의 비지지장 lu는 바닥슬래브들 사이의 순거리, 보 및 거더들 사이의 순거리, 기타압축부재를 횡방향으로 지지하는 부재들 사이의 순거리로 취한다. 헌치가 있는 경우의 비지지장은 해당 평면내에 있는 헌치의 하단으로부터 잰 거리로 한다. 기둥의 유효길이 계수는 다음에 서술한 간편식에 의해 구할 수 있다.
② 세장비 산정
일반적인 경우 장주의 설계에서 요구되는 복잡한 해석을 생략하도록 허용하기 위해 설계기준에서는 세장의 영향(Effect of Slenderness)을 무시할수 있는 하한을 주고 있으며 세장비가 다음 조건을 만족할 경우 세장의 영향을 무시한 단주로 설계한다.
나. 비횡구속구조
(509.2.21)
세장비가 ( klu / r) min 보다 큰 장주로 판명된 기둥은 좌굴의 영향을 반영하여 단모멘트 M2를 확대한 확대모멘트 Mc로 설계하여야 한다. 만일 세장비가 100이 넘어갈 경우 P-Δ 해석을 수행하여야 하며 항목별 상세기준은 다음과 같다.
가. 세장한 장주해석시 유효강성의 적용
ⓐ 코핑검토시 전단면 유효
기둥 : EcIg
코핑 : EcIg
ⓑ 지진시 탄성모멘트를 산정할 경우에는
전단면 유효
기둥 : EcIg
코핑 : EcIg
ⓒ 상시 P-△ 해석시
기둥 : 0.7EcIg
코핑 : 0.35EcIg
ⓓ 좌굴해석시 기둥유효강성 : EcIg
ⓔ 지신시 P-△추가 모멘트 산정
기둥 : 0.5EcIg
코핑 : 0.75EcIg
나. 좌굴한계상태
높은 교각에서 좌굴한계 상태 안전율 적용범위
다. P-△해석시 수렴조건
ⓐ 수렴시까지 5회 반복계산
ⓑ 수렴결정 추가 변위(Tolerance)는 1.0×10-5으로 설정
라. P-M상관도
P-M상관해석 프로그램을 사용, P-△해석된 설계단면력을 P-M상관도상에 단주(모멘트가 확대되지 않는 =1)로 적용하여 상관해석 시행
마. 기초단면 검토
기초단면 검토시 유효강성 적용
기둥 : 0.7EcIg를 적용하고 P-△효과 배제
코핑 : 0.35EcIg
바. 내진해석
추가변위를 수렴조건에 해당될 때까지 반복적용
사. 철근비와 축력비가 결정된 이후의 설계단계에서는 ATC-32의 항복유효강성식을 적용한다.
※위 상세기준은 도로교설계기준 등 관련기준에 동 내용이 개정되기 전까지 잠정적으로 적용하도록 한다.
다. 회전반경( r)의 산정
회전반경 r은 직사각형 압축부재에 대해서는 안정이 고려되는 방향의 단면치수의 0.3배, 원형압축부재에 대해서는 지름의 0.25배를 사용할 수 있다. 그 외의 형상에 대한 r은 콘크리트의 총단면적에 대하여 계산할 수 있다.
③ 층안정지수 산정
횡방향 상대변위에 대하여 다음 식에 주어지는 안정지수(Stability Index) Q의 값이 0.05이면 그구조물의 그 층은 횡방향 상대변위가 방지되어 있다고 보아도 좋다.
(8) [단계 6-8] 모멘트 확대계수 산정
① 횡구속 구조물의 확대모멘트
횡구속 구조물의 경우에는 압축부재는 계수 축하중 Pu와 부재곡률의 영향을 고려한 아래의 확대모멘트 Mc를 사용하여 설계한다.
(509.2.23)
여기서,
M2 : 기둥의 상․하부 단모멘트 중 큰 값
: 횡구속 골조에서 압축부재의 양단사이의 부재곡률의 영향을 반영한 모멘트 확대계수
가. M2의 산정
단모멘트 M2는 Pu(15+0.03h)보다는 커야하며 여기서, 15와 h는 mm 단위이다.
만일 단모멘트 M2가 매우 작거나 0이 나오는 경우 기둥의 설계는 다음의 최소 단모멘트를 적용하여야 한다.
라. 근사화한 휨강성( EI )
임계하중 Pc를 정의할 때 중요한 문제는 균열이나 크리프, 콘크리트의 응력-변형률 곡선의 비선형성으로 인한 강성의 변화이므로 합리적으로 근사화한 휨강성 EI를 사용한다.
라. 2축 휨을 받는 압축부재의 특징
외측 기둥인 경우에 2축 압축의 강도는 1축 압축에 비해 20% 정도 증가하며 2축 인장상태는 2축 하중에 의한 영향이 없다. 1축 압축 1축 인장 상태인 경우 인장응력의 증가에 따라 압축강도가 직선적으로 감소한다.
③ 다발철근 적용에 대한 검토
기둥의 축방향 철근이 2단 배근 이상이 필요한 교각의 시공시 다발철근으로 배치함으로써 시공성 향상 및 안전한 작업이 되도록 유도할 수 있으므로 관련 설계규정과 다발철근 배근에 대한 배치법등을 아래에 소개한다.
가. 2단 이상 배근시 단점
ⓐ 내부철근의 띠철근 배근시 작업공간 협소로 시공성 결여
ⓑ 외측 및 내측 철근간격 협소로 콘크리트 타설 및 다짐시공 불리
ⓒ 내부 배근철근의 중심이 한쪽으로 편기되어 작업의 안전성 결여
나. 관련 설계규정[( )는 관련규정 번호체계]
ⓐ [도․설 4.3.5.3] 다발철근의 배치
(1) 한다발내에 4개 이하의 이형철근이어야 하고 이러한 다발철근은 스터럽이나 띠철근으로 둘러싸여야 한다.
(2) 각 다발철근의 철근단은 모든 철근을 받침점에서 끝나게 하지 않고, 부재의 경간내에서 절단되는 경우에는 철근지름의 40배 이상 서로 엇갈리게 다발내에 철근을 절단하여야 한다.
(3) 보에서 D35를 초과하는 철근은 다발로 사용할 수 없다.
ⓑ [도․설 4.3.3] 철근의 피복두께
(2) 피복두께는 철근지름 이상이어야 한다.
또한 다발철근을 사용할 경우에는 등가지름 이상이어야 하나 60 mm 보다 크게 할 필요는 없다.
ⓒ [도․설 4.3.5.1] 철근의 간격
(5) 철근간격을 철근지름으로 나타내는 경우, 철근 다발의 지름은 등가단면적으로 환산된 1개의 철근지름으로 보아야한다.
ⓓ [도․설 4.3.13] 다발철근의 정착길이
[도․설 4.3.13.1] 정착길이
하나의 다발철근 내에 있는 개개철근의 정착길이는 철근다발이 아닌 경우의 각철근의 정착길이에 3개의 철근으로 구성된 다발철근에 대해서는 20%, 4개의 철근으로 구성된 다발철근에 대해서는 33%를 증가시켜야 한다.
[도․설 4.3.13.2] 보정계수
다발철근의 정착길이 계산시 [도․설 4.3.11]에 기술된 계수를 적절하게 선택하기 위해 다발철근 한 묶음은 한 다발내 전체 철근단면적을 등가단면으로 환산하여 산정된 지름으로 된 하나의 철근으로 취급하여야 한다.
ⓔ [도․설 4.3.18.1] 겹침이음
(2) 다발철근의 겹칩이음은 다발내의 개개철근에 대해 필요로 하는 겹침이음길이에 따라 결정되어야 하며 각 철근은 [도․설4.3.13]에 따라 겹침이음 길이를 증가시켜
야 한다. 그리고 한 다발내에서 각 철근의 이음은 중복하지 않아야 한다. 또한 두 다발철근을 개개 철근처럼 겹침이음 하지 않아야 한다.
다. 다발철근 배근에 따른 효과
ⓐ 띠철근이 철근 외측부 1회 시공됨에 따라 철근조립 시공성이 향상되며 콘크리트 타설시 내외측 철근이 동시 띠철근으로 지지함에 따라 안전성이 확보된다.
ⓑ 내측 띠철근(가외철근)의 미시행으로 철근량이 감소하고 작업공정을 단순화 할 수 있다.
④ 유효단면적에 대한 고려사항
하중에 의해 요구되는 단면보다 큰 단면으로 설계된 압축부재의 경우, 감소된 유효단면적을 사용하여 최소철근량과 설계강도를 결정할 수 있다. 이때 감소된 유효단면적은 전체 단면적의 1/2이상이어야 한다. 이러한 유효단면적은 축력이 주된 하중으로 작용하여 휨모멘트보다는 축력이 강도를 지배하는 압축부재에 적용된다. 따라서 압축부재의 감소된 유효단면적은 최소편심 이하의 편심을 갖는 하중이 설계를 지배하는 경우에 적용될 수 있다.
(10) [단계 6-10] P-M 상관도 작성 임의의 기둥에서 소성중심으로부터 e만큼의 편심거리에서 축하중 P가 작용할 때, e의 변화에 따라 기둥의 공칭축방향 하중강도 Pn의 값이 달라진다. 이와 같이 e의 변화에 따른 Pn의 값, 즉 Pn과 Mn과의 상관관계를 나타낸 그림을 P-M상
관도라 한다(<그림 509.2.17> 참조).
① 중심축하중을 받는 압축파괴기둥( e < emin )
작용편심이 최소편심 emin 보다 작을 경우 기둥의 파괴는 단면 전체의 압축파괴에 지배되며 기둥상관도상의 영역Ⅰ에 해당된다. 이때 최소편심이라 함은 모멘트의 작용을 무시하고 극한변형율의 균등분포하는 것으로 볼 수 있는 편심거리를 말한다.
작용편심이 최소편심 emin과 평형편심 eb 사이에 놓일 경우 기둥의 파괴는 인장측 철근이 파괴되기 전에 압축측 콘크리트가 파괴되는 압축파괴에 지배되며 기둥상관도상의 영역Ⅱ에 해당된다.
③ 균형하중을 받는 파괴기둥
( e = eb , ε s = ε y )
작용편심이 평형편심과 일치할 때의 파괴형태로, 이 때 평형편심이라 함은 압축측 콘크리트의 극한 변형률이 0.003이 됨과 동시에 인장측 철근의 변형률이 ε y가 되는 평형파괴시의 편심거리를 말한다.
④ 편심하중을 받는 인장파괴기둥
( e ＞ eb, ε s> ε y )
작용편심이 평형편심보다 클 경우 기둥의 파괴는 인장측 철근의 인장파괴에 지배되며 기둥상관도상의 영역Ⅲ에 해당한다. 그러나 이 0.1 fck․ Ag보다 작은 경우에는
강도감소계수는 기둥의 강도감소계수 φ c를 쓰는 것이 아니라 (띠철근 0.7 나선철근 0.75)에서 0(보의 강도 감소계수 0.85)까지 직선 변화하는 것으로 보고 직선보간법에 의해 구한다. 반대로 큰 경우는 를 적용한다. 따라서 기둥상관도상의 cd선은 cd’선으로 변화하게 된다.
(11) [단계 6-11] 기둥의 전단설계 및 심부
구속철근량 산정(편람 510.1.1.13 참조)
2.3.7 [단계 7] 기초의 설계
(1) [단계 7-1] 기초 두께의 가정
확대기초는 부재로서 필요한 두께를 확보함과 동시에 강체로서 취급되는 두께를 가져야 함을 원칙으로 한다. 또한, 확대기초 상면의 경사는 원칙적으로 1:2 보다 완만하도록 한다. 확대기초의 두께를 정하는 요인은 다음과 같다.
① 부재로서 필요한 두께
가. 휨모멘트에 대하여
나. 전단력에 대하여
다. 펀칭전단력에 대하여 필요한 두께
② 강체로서 취급되는 두께
확대기초의 설계는 말뚝과 기둥이나 벽구조물의 접속부로서 각각 확대기초에 고정지지 되어 있다는 전제에서 설계체계가 정리되어 있다. 즉, 확대기초는 말뚝 혹은 기둥이나 벽에 비하여 어느 정도의 강도가 필요하게 된다. 따라서 여기에서 확대기초는 강체로서 취급되는 두께를 갖는 것을 원칙으로 하였다.
확대기초를 강체로서 취급하느냐, 취급하지 않느냐는 지반반력 및 말뚝반력에 미치는 확대기초의 강성의 영향을 고려해서 판정하는 것으로 하고 확대기초가 다음 식을 만족할 때, 이를 강체로 보면 된다.
가. 독립확대기초 및 벽확대기초의 경우
다만, 암반 등 변형계수가 큰 지반상에 설치되는 직접기초의 확대기초에 대해 윗 식의 강성평가식을 적용하는 경우 강체로 보아야 할 확대기초의 두께는 현저하게 두꺼워지는 경향이 있다. 일반적으로 이와 같은 지반에서는 허용되는 지반 반력에 여유가 있고 변형도 작을 것이라 생각되므로 비교적 단단한 지반상에 설치되는 확
대기초에 대해서는 확대기초 두께의 상한값을 확대기초 긴 변의 1/5 정도로 보아도 좋다. 이 때 확대기초 설계에서는 확대기초의 탄성거동을 고려할 필요는 없고 강체 확대기초와 같은 방식으로 설계하면 된다.
또한, 입지조건에 의해 충분한 확대기초 두께를 얻지 못할 경우, 큰 지하매설물이 확대기초 아래에 위치해 있기 때문에 1개의 확대기초 중에서 말뚝 배치가 한곳에 치우치게 되어 환산 지반반력계수가 불균일하게 되는 경우, 혹은 확대기초의 치수가 크기 때문에 확대기초 두께도 현저하게 두꺼워질 경우 등에서는 확대기초를 탄성체
로 하여 설계해도 좋다. 이런 경우에는 해석모델을 설정하는데 있어서 설계가 안전하게 되도록 충분히 검토를 해 둘 필요가 있다.
(2) [단계 7-2] 기초 안정검토
기초의 안정성검토는 전도, 활동, 지지력에 대하여 수행하여야 하며 기초의 변위량은 허용변위량을 초과하여서는 안된다. 기초의 허용변위량은 상부구조에 유해한 영향을 미치지 않도록 제한하여야 한다. 직접기초 및 케이슨 기초는 양질의 지지층에 지지되어 있어야 한다. 직접기초는 그 지지기구로 보아서, 측면마찰에 의하여 수직하중을 분담 지지한다는 것은 거의 기대할 수 없으므로, 사질토 및 자갈모래층에 있어서는 충분한 강도를, 점성토에서는 압밀의 염려가 없는 양질의 층을 각각 필요
로 한다. 케이슨기초에서는 일반적으로 저면의 치수가 크기 때문에 말뚝기초에 비해서 케이슨기초 주변의 저항보다는 저면지지에 의한 저항이 훨씬크다. 따라서 지지력을 유지하고 경제적이고 또한 확실하게 발휘시키려면 양질인 지지층에 도달시키는 것은 말뚝기초 때보다 더 한층 필요하게 된다. 말뚝기초는 상부구조의 형식과 기능, 말뚝의 지지기구, 시공성을 고려하여 적절한 근입깊이를 결정하여야 한다.
강관널말뚝기초는 타입공법에 의한 선단지지를 원칙으로 하고 있으며 또한, 우물통부의 하단구속을 지반에 의해 기대하는 구조체이기 때문에 양질인 지지층에 관입시킬 필요가 있다. 평상시에 있어서 설계상의 지반면을 정하기 위해서는 오랫동안에 걸쳐서 안정된 토층이어야 하고,지지력이 기대될 수 있는지 여부의 판단이 필요하다.
[단계 7-3] 기초의 단면검토
① 휨설계
가. 휨모멘트의 계산
ⓐ 독립확대기초 및 벽확대기초의 휨모멘트는 캔틸레버보로서 산출하여야 한다.
ⓑ 연속확대기초 사이의 확대기초부는 구조물의 연속성 및 구속조건을 고려하여 설계하여야 한다.
ⓒ 연속확대기초의 캔틸레버로서 작용하는 부분은 독립확대기초와 같이 설계하여야 한다.
ⓓ 설계단면에 있어서 휨모멘트는 기둥 또는 벽 앞면의 확대기초 전면적에 작용하는 하중에 의하여 발생하는 휨모멘트로 한다.
나. 휨에 대한 위험단면
ⓐ 직사각형의 기둥 또는 벽체를 지지하는 확대기초의 위험단면은 기둥 또는 벽체의 전면으로 한다.
ⓑ 강체철판을 갖는 기둥을 지지하는 확대기초의 위험단면은 강철저판연단과 기둥전면의 중간으로 한다.
ⓒ 원형이나 정다각형 기둥을 지지하는 확대기초는 기둥단면적과 같은 면적의 정사각형 기둥단면으로 취급하여 위험단면을 결정해도 좋다.
② 전단설계
가. 전단에 대한 위험단면
확대기초의 전단강도를 결정할 때는 다음 위험단면 중 가장 불리한 것으로 하여야 한다.
ⓐ 1방향작용의 위험단면은 기둥 또는 벽체의 전면에서 d거리에 위치하는 전체폭을 가로지르는 평면으로 한다.
ⓑ 2방향작용의 위험단면은 집중이나 반력을 받는 구역에서 d/2 거리에 위치하는 둘레에 수직하는 평면으로 한다.
ⓒ 말뚝으로 지지된 확대기초에서는 위험단면의 전단력은 [콘․설 12.3.2]에 따라 결정되어야 한다.
전단강도 및 설계
확대기초의 전단강도 및 설계는 [도․설 4.4.6.6]의 규정에 따른다.
(4) [단계7-4] 철근량 계산
① 확대기초의 주철근은 2방향으로 배근하고,배근방향은 말뚝배치를 고려하여야 한다.
② 1방향 확대기초와 정사각형 확대기초의 휨철근은 전폭에 걸쳐 균등하게 배치하여야 한다.
③ 2방향 직사각형 확대기초의 휨철근은 다음과 같이 배치하여야 한다.
ⓐ 긴 변 방향의 휨철근은 전폭에 걸쳐 등간격으로 배치하여야 한다.
ⓑ 짧은 변 방향의 휨철근은 식(509.2.34)으로 결정되는 철근량을 확대기초의 짧은 변의 폭만큼의 중심구간 폭에 걸쳐 균등하게 배치하여야 하며, 중심구간폭의 중심선은 기둥 또는 교각의 중심선으로 한다. 나머지
철근량은 기초 중심구간 폭의 외측부분에 균등하게 배치하여야 한다.
여기서, 유효폭은 기둥이나 받침대의 중심선이 유효폭의 중심이 되도록 하며, 기초판의 단변 폭 길이로 취한다.
④ 윗면 철근은 아랫면 철근의 1/3이상을 배근하여야 한다.
⑤ 말뚝에 인발력이 생기는 경우에는 윗면에 철근을 배근한다.
(5) [단계7-5] 기초의 사용성 검토
[단계 6-5] 사용성 검토 참조
2.3.8 [단계 8] 받침보강의 설계
(1) [단계 8-1] 교량받침 용량 산정
상부에서 작용하는 수직력 및 수평 탄성지진력에 대하여 안전율을 가진 교량받침을 사용하여야 한다. 교량받침 면의 치수는 교축방향과 직각방향에 대해서 상기 연단거리를 고려하여 정하며, 교량받침의 상부 받침판이 받침부를 벗어나지 않도록 한다.
직교 및 사교에서 교축의 직각 및 경사방향은 교량받침 연단과 하부구조 연단거리중 부득이하여 경사방향으로 연단거리 확보가 불가능할 때는 별도의 응력검토를 하여 구조계산서에 첨부하고 구조물도를 보완토록 한다.
연단거리교량받침부의 형하공간은 인체의 일부분(머리 및 어깨)이 들어가서 작업을 하거나 세밀하게 관찰을 할 수 있고, 유지보수시 Jack의 설치가 가능한 공간인 400 mm를 확보하도록 한다. 단, 부득이한 경우는 450 mm까지 가능하며 10,000 kN 이상 용량인 경우에는 교량받침의 치수를 감안하여 별도의 검토를 수행한다.
교량받침은 무수축모르타르로 처리하고 높이는 50 mm를 기준으로 하고 폭은 교량받침보다 50mm 이상 여유를 둔다.
① POT형식 받침인 경우 (10,000 kN미만) ILM교량인 경우 85 mm로는 받침부 철근의 배근이 어려우므로 형하공간을 최대 450 mm까지 허용(받침높이 135 mm)
② 플레이트 형식 받침인 경우
플레이트 형식의 교량받침장치는 그 자체의 두께가 크므로 아래와 같이 규격별로 구분하여 적용 한다.
ⓐ 500 kN ～ 2,500 kN 인 경우
형하공간 400 mm적용하며 받침부는 225 mm
～ 100 mm를 적용한다.
ⓑ 2,750 kN ～ 4,000 kN인 경우
형하공간 450 mm적용하며 받침부 145 mm ～
100 mm를 적용한다.
ⓒ 4,500 kN이상인 경우
교량받침부 없이 무수축모르타르 50 mm만 시공하며 형하공간 365 mm를 적용한다.
2) [단계 8-2] 교량받침 하면 콘크리트보강
① 연직하중에 대한 보강
교량받침 하면에 작용하는 지압력(연직하중)에 의한 인장응력 발생에 대해 보강한다. 교량받침에 작용하는 연직하중은 고정하중과 활하중의 조합으로 계산한다.
② 수평하중에 대한 보강
교량받침 하면에 작용하는 수평하중에 의한 전단력에 대해 보강한다.
교량받침에 작용하는 하중은 탄성지진력, 온도변화의 영향, 풍하중의 영향 등에 대하여 고려하여야 한다.
(3) [단계 8-3] 교량받침 하면 철근보강 범위 및
철근량 산정
① 연직하중에 대한 철근량 산정
교량받침 하면에는 연직하중에 의해 인장응력이 발생하므로 교축방향 및 교축직각방향으로 아래의 식에서 구한 철근량을 배근하여야 한다.
② 수평하중에 대한 보강철근량 산정
교량받침 하면에는 수평하중에 대한 보강철근으로서 아래의 식에서 구한 철근량을 배근하여야 한다.
③ 교량받침 하면 보강철근 배치범위
보강철근은 <그림509.2.21>에 도시한 바와 같은 범위 안에 배치토록 한다.
④ 보강철근 배치 방법
보강철근의 배치는 <그림 509.2.22>에 도시한바와 같이 가급적 2단 이상으로 한다. 첫 번째 추가 보강철근은 배력철근으로부터 100 mm를 이격시켜 배근하고 이후는 100 mm ～ 150 mm 간격으로 배치한다. 일반적인 간격은 100 mm로 하고 있다.
(4) [단계 8-4] 교량받침 콘크리트보강
수평하중에 의해 발생하는 교량받침과 하부구조 상면사이의 전단응력에 대하여 수직철근의 전단마찰로 저항한다. 수평력에 의한 45° 방향의 전단파괴는 고려하지 않아도 지장은 없다. 교량받침 콘크리트의 폭이 이에 비해 100 mm의 여유가 더있으므로 45° 방향의 전단 파괴면은 발생치 않을 것으로 판단된다.
① 보강 철근량 산정
② 보강철근 배근방법
교량받침 콘크리트의 높이가 200 mm 이하의 경우는 1단 배치하고, 200 mm 이상인 경우는 2단 배치토록 한다. 철근은 교량받침 콘크리트 상면에 서 구부려 하부구조 구체에 필요 정착길이 이상매입시켜야 한다.
상면의 철근배근 간격은 교량받침장치 하면 보강철근의 간격과 일치시키도록 한다. 앵커의 시공을 고려하여 철근 중심간 간격은 125 mm를 기준으로 한다. 온도 및 건조수축에 대한 최소 철근규정을 준수하여야 한다.
③ 보강철근 배치 예
보강철근 배치 예는 다음 그림을 참고한다.
∙H ≤ 200 mm인 경우
답글 남기기