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교량 바닥판 설계 적용방안 검토 설계처-1418

(2015.05.21)

1 검 토 배 경

「한계상태설계법 적용 추진방안 검토(설계처-467, 2015.03.03)」에

의거 교량 바닥판 설계에 대한 합리적인 적용 방안을 마련하고자 함.

2 추 진 경 위

구 분 주 요 내 용

2004. 12

· 강 거더교 바닥판 설계 개선방안

* 세로보 설치구간 설계법 개선(강도설계법→경험적설계법)

2006. 11

· 교량 바닥판 프리캐스트 판넬공법의 경험적 설계법 적용방안

* 당초 : 강도설계법 → 변경 : 경험적설계법

2015. 1

· 2015 도로교설계기준(한계상태설계법) 개정 고시

* 2015년 설계용역부터 적용

: 최소피복 변화 및 콘크리트 강도 증가 필요

3 현 설계 기준

□ 교량 바닥판 설계법 개요

구 분 경험적설계법 전통적설계법

적용

범위

ㆍ3개 이상 지지 거더, 유효지간

3.6m 이하 등 제시 조건에 만족

하는 경우에 적용

ㆍ바닥판은 윤하중에 의해 아칭

작용을 한다는 개념임

ㆍ특별한 적용범위 제한 없음

ㆍ저항강도≥작용하중

최소

두께

ㆍ바닥판 두께 240mm 이상

ㆍ상하부 철근 외측면 사이의

두께 150mm 이상

ㆍRC바닥판 두께 220mm 이상

ㆍPSC바닥판 두께 200mm 이상

주철근량 ㆍ바닥판 단면의 0.3% 이상 ㆍ강도 및 사용성 만족 철근량

배력

철근량

ㆍ바닥판 단면의 0.3% 이상 ㆍ주철근량의(120/)≤67%이상

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□ 고속도로 교량의 일반적 교량 바닥판 설계 적용

◦ 거더와 거더 : 일반적으로 공사비가 저렴한 경험적 설계법 적용

* 경험적설계법과 전통적설계법 병용

◦ 캔틸레버 : 전통적설계법 적용

4 한계상태설계법 설계 기준 검토

□ 노출등급에 따른 피복두께 변화

구 분

콘크리트 교면포장 아스팔트 교면포장

거더~거더 캔틸레버 거더~거더 캔틸레버

상면 하면 상면 하면 상면 하면 상면 하면

노출등급 EC3 EC3 EC3 ED1 ED3 EC3 ED3 ED1

최소순피복 30mm 30mm 30mm 45mm 65mm 30mm 65mm 45mm

* EC3 : 비를 맞지 않는 콘크리트

ED1 : 공기 중의 염화물에 노출된 콘크리트 표면

ED3 : 염화물을 함유한 물보라에 노출된 교량부위(포장)

□ 노출환경(부식 등)에 따른 최소 공칭강도 상향 필요

- (콘크리트 교면포장)

: EC3 및 ED1으로 지배 최소 공칭강도  = 30Mpa 이상

- (아스팔트 교면포장)

: ED3로 지배 최소 공칭강도  = 35Mpa 이상

※ 붙임 #1 최소 피복두께 및 강도 산정 근거 참조

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□ 경험적설계법

◦ 하중증가계수 감소에 따른 철근량 변화 없음

◦ 피복두께 변화에 따른 단면 영향

구 분

콘크리트 교면포장 아스팔트 교면포장

비 고

상 면 하 면 상 면 하 면

최소

순피복 30mm 30mm 65mm 30mm

바닥판

최소두께 240mm 245mm(당초 240mm)

적 용

- 아스팔트 교면포장은 현행 두께보다 5mm 커져야 함

- 경험적설계법의 국내 기준은 미국에 비해 두꺼운 단면을 제시 중임

* 국내 : 240mm, 미국 : 178mm (별첨 #2 LRFD 경험적설계법 참조)

□ 전통적설계법

◦ 하중증가계수 및 강도관련계수 변화로 단면 여유력 확대

→ 보다 경제적 설계 가능

ex) 유효지간 2.0m 일 경우

구 분 2010 도로교설계기준 한계상태설계법

관계식 ≥ ≥

활하중 증가계수 2.15 1.80

강도 관련 계수

0.85(휨)

* 강도감소계수

0.65(콘크리트), 0.90(철근)

* 재료저항계수

저항강도 77.022 kN-m 79.730 kN-m

작용력 62.213 kN-m 50.904 kN-m

작용력

저항강도 1.24 1.57

하중은 18.2% 감소하며, 저항강도는 3.5% 증가

※ 붙임 #3-1 설계기준 변경에 따른 바닥판 활하중 검토 참조

※ 붙임 #3-2 유효지간 2.0m일 경우 설계 예제

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◦ 단면 규격 변화 불필요

- 최소두께 220mm 이상이나 통상적으로 240mm 적용 중이며,

- 하중 또는 피복두께 등 변화 요인 발생시 철근량, 철근강도 및

콘크리트강도 등으로 유연하게 대처 가능

- 유효깊이(d) 증가로 저항강도 증가 “콘크리트 교면포장에 해당”

도로교설계기준(2010) 한계상태설계법

· 유효깊이 : 180mm · 유효깊이 : 200mm

* 부모멘트에 대한 유효깊이 증가

□ 자문위원 의견 반영 검토

◦ 상면 온도철근 추가 배근

당 초 (자문 전) 변 경

· 배력철근량에 대한 별도 규정이 없어

· 일반적으로 온도철근량으로 배근

(0.15%×1/2 = 0.75%)

· 하면배력철근량으로준하여철근배근

· Min(주철근 백분율 120/ 또는

67%) 이상

· 유효지간 2.2m인 경우 약 0.2%

◦ 바닥판 콘크리트 강도 일원화

구분 콘크리트교면포장 아스팔트교면포장 노출바닥판포장

당초

(자문 전)

30Mpa 35Mpa 30Mpa

개선 35Mpa 35Mpa 35Mpa

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◦ 관련부서 의견 반영

- 콘크리트 교면포장 하부 바닥판 상부 순피복

: 기준 30mm 이상 → 개선 50mm

- 콘크리트 교면포장 하부 바닥판 구조설계시 아스팔트 교면포장

(8cm)을 고려한 하중 반영

ex) 유효지간 2.2m인 경우 모멘트 소폭 증가

: 당초 Mdw=0.557kN․m → 변경 Mdw=0.891kN․m

□ 교량 바닥판 단면설계 결과 및 분석

◦ 검토조건

- 콘크리트 교면포장 하부(거더∼거더사이)에 대해 검토

- 신 설계기준 + 자문의견 반영

◦ 설계결과 및 분석

- 전통적설계법은 경험적 설계법과 비교 시

․주철근은 증가하고, 배력철근은 감소(유효지간 1.8m 이상부터)

․전체 철근량은 감소

※ 별첨 #4 소요 철근비 및 철근량 세부현황 참조

지간(m)

2010/2015

경험적설계법

(철근 400Mpa)

2010년도

전통적설계법

(철근 400Mpa)

2015년도

한계상태설계법

(전통적, 철근 400Mpa)

1.6

주철근 0.300% 0.365% 0.282%

배력철근 0.300% 0.244% 0.189%

1.8

주철근 0.300% 0.402% 0.312%

배력철근 0.300% 0.270% 0.209%

2.0

주철근 0.300% 0.441% 0.342%

배력철근 0.300% 0.295% 0.229%

2.2

주철근 0.300% 0.481% 0.374%

배력철근 0.300% 0.322% 0.251%

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□ 경제성 검토

◦ 유효지간 및 철근강도에 따른 소요 철근비, 재료비 비교

(한계상태설계법 기준 및 자문의견 반영)

* 소요 철근비 : 교축+교축직각방향,  /  

- 바닥판 단위 면적당 소요철근비(%)/철근 재료비(원)

지간

(m)

2010/2015

경험적설계법

①

2010년도

전통적설계법

②

2015년도

한계상태설계법

(전통적, 400Mpa)

③

2015년도

한계상태설계법

(전통적, 500Mpa)

④

1.6 1.20/17,306 1.22/17,562 0.94/13,568 0.75/11,280

2.0 1.20/17,306 1.47/21,242 1.14/16,490 0.91/13,709

2.4 1.20/17,306 1.74/25,096 1.36/19,575 1.09/16,274

2.5 1.20/17,306 1.81/26,087 1.41/20,373 1.13/16,938

2.8 1.20/17,306 2.02/29,131 1.58/22,834 1.27/18,983

3.0 1.20/17,306 2.16/31,220 1.70/24,531 1.36/20,395

☞ 전통적설계법으로 철근강도 조정(400→500Mpa)시 경제적 설계 가능

※ 별첨 #4 소요 철근비 및 철근량 세부 현황 참조

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5 검 토 결 론

□ 최소 순피복 및 공칭강도

구 분

최소 순피복 공칭강도

(Mpa)

거더와 거더 사이 캔틸레버

상 면 하 면 상 면 하 면

콘크리트 교면포장 50mm 30mm 50mm 45mm 35 이상

아스팔트 교면포장 65mm 30mm 65mm 45mm 35 이상

※ 노출바닥판도 35Mpa 적용

□ 교량 바닥판 설계방법

◦ 유효지간 2.5m 이하 거더 교량

: 한계상태설계법의 전통적설계법(철근 500Mpa 또는 400Mpa)으로 설계

◦ 유효지간 2.5m 초과 거더 교량

: 경제성 등에 따라 한계상태설계법의 전통적설계법(철근 500Mpa

또는 400Mpa) 또는 경험적설계법(철근 400Mpa) 중 선택

※ 교량 상면 배력 철근량 보강

: 하면 배력 철근량에 준하여 배근

☞ {Min(주철근 백분율 120/ 또는 67%} 이상

6 적용방안 및 기대효과

□ 적용방안

: 2015년 한계상태설계법 본 설계 교량부터 적용

* 한계상태설계법 적용 추진방안 검토(설계처-467, 2015.03.03) 참조

□ 기대효과

◦ 강도 및 피복증가에 따른 교량의 내구수명 증대

◦ 교량 바닥판 설계법 검토를 통한 공사원가 절감 도모

- 실시설계 중 노선 적용 시 : 약 56억원 예산 절감

※ 붙임 #5 공사비 산출근거 참조

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[붙임 #3-1]

설계기준 변경에 따른 바닥판 활하중 검토

구 분 도로교설계기준 2010 도로교설계기준(한계상태설계법)

계수하중 조합 1.3Md+2.15M(l+i) 1.25Mdc+1.5Mdw+1.8M(l+i)

적용 활하중

ㆍDB-24 ㆍKL-510 표준트럭하중

ㆍ충격계수 : 15/(40 + L)≤0.3 ㆍ충격계수 :25%(피로한계상태:15%)

Mu

유효지간2.0m 62.213kNㆍm 50.904kNㆍm (81.8%)

유효지간2.2m 67.541kNㆍm 55.366kNㆍm (82.0%)

유효지간2.4m 72.951kNㆍm 59.910kNㆍm (82.1%)

유효지간2.6m 78.442kNㆍm 64.536kNㆍm (82.3%)

유효지간2.8m 84.015kNㆍm 69.244kNㆍm (82.4%)

유효지간3.0m 89.669kNㆍm 74.034kNㆍm (82.6%)

유효지간3.2m 95.405kNㆍm 78.906kNㆍm (82.7%)

유효지간3.4m 101.222kNㆍm 83.861kNㆍm (82.8%)

유효지간3.6m 107.121kNㆍm 88.897kNㆍm (83.0%)

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[붙임 #3-2]

유효지간 2.0m일 경우 설계 예제

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