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6-10 교대 날개벽 설계방법 개선 기술심사처-2449

(2010. 11. 30)

Ⅰ 검토 배경

□ 현행 ‘도로교설계기준’에는 측벽형 교대날개벽 설계시 2변 지지된

판으로 설계하도록 규정되어 있으나, 설계편의를 목적으로 [해설]편에

일본 도로교시방서에서 제시하는 관용 설계법이 수록되어 있으며

날개벽 설계에 이를 적용하고 있음.

□ 교대날개벽은 실제 2변 지지의 고정판이므로 2변 지지된 판

해석(수치해석)을 통해 날개벽에 발생하는 응력분포를 구하고

이에 적합한 철근배근방법을 제안하여 합리적이고 경제적인 설계가

이루어질 수 있도록 하고자 함.

※ 날개벽 관용설계법은 설계편의를 위해 날개벽을 4개 부분으로

분할하여 1변 지지 캔틸레버판으로 단순화시켜 설계하는 방법으로

해석적 방법 보다 간편하나 날개벽의 실제거동과는 차이가 나는

다소 비합리적인 설계법임.

설계법 관용설계법 판해석 (수치해석)

개 요

특 징

- 간편식 사용

- 과다설계

- 해석모델링 필요

- 실거동 특성 반영

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Ⅱ 국내 외 설계 기준

□ 도로교설계기준, 해설 (2008)

2변 고정판 해석은 복잡하므로 날개벽 길이가 너무 길지 않으면

날개벽을 A,B,C,D 구역으로 나눠서 각각 1변 지지 캔틸레버보로

설계한다(☞관용설계법).

다만, 날개벽 길이가 8m 이상 되면 2변 고정판으로 해석한 경우와

차이가 발생하고 비경제적인 설계가 되기 쉬우므로 2변 고정판으로

설계하는 것이 바람직하다(☞판해석).

□ AASHTO Standard Specification (2002)

‘7.5.6 Wingwalls’ 절에 도로제방을 유지하기 위한 날개벽 길이와

날개벽과 교대의 접합부의 철근 정작에 관한 일반적인 사항 수록

□ EURO CODE (2002)

‘4.9 Load models for abutments and walls adjacent to bridges’절에

적절한 하중모델을 사용하여 설계하도록 규정, 설계자의 경험에 의한

설계를 유도하고 있음.

□ 일본 도로교시방서 (2002)

국내 도로교설계기준과 동일함.

☞ 날개벽 설계에 관한 국내 설계기준은 일본 도로교시방서의 조항을

발췌하여 사용하고 있으며, 미국 및 유럽에서는 단면력 산정에 대한

상세한 규정을 두지 않고 설계자가 자유롭게 신뢰성 높은 방법을

채택하도록 유도하고 있음

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Ⅲ 개선안 검토

1. 검토조건

◦ 측벽형 날개벽

◦ 상재하중(10kN/m) 및 토압 고려

◦ 3차원 2변지지 판 해석(범용 수치해석(FEM)프로그램 사용)

◦ 형상변화에 따른 매개변수 해석

2. 단면형상

3. 매개변수

◦ 날개벽 높이(H) : 6m ~ 10m

◦ 날개벽 길이(L) : 3.5m ~ 7.5m

※ 높이와 길이 변화에 따라 총 20개 형상에 대해 검토 수행

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4. 검토결과

4.1 설계모멘트 비교 (관용법/수치해석)

관용법과 수치해석 결과 요약

 

 

 

 

영역	관용법/수치해석	해석 결과
A	0.9 ~ 1.2	수치해석과 관용법에 의한 설계모멘트에 큰 차이 없음
B	1.5 ~ 1.8	관용법으로 계산한 설계모멘트가 수치해석에 비해 50% ~ 80% 정도 높게 산출됨
C	1.3 ~ 1.6	관용법으로 계산한 설계모멘트가 수치해석에 비해 30% ~ 60% 정도 높게 산출됨
D	0.6 ~ 0.8	관용법으로 계산한 설계모멘트가 수치해석에 비해 20% ~ 40% 정도 낮게 산출됨

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4.2 경제성 검토 (H=10.0m, L=7.5m인 경우)

◦ 날개벽 1기 당 주철근이 14%(0.7ton) 감소되어 약 130만원

(= 0.7ton × 190만원/ton)의 공사비 절감 효과가 있음.

관용설계법에 의한 설계 판해석(수치해석)에 의한 설계

주철근량 4.9ton 주철근량 4.2ton (약 14% 감소)

☞ 관용설계법에 의한 설계모멘트는 교대날개벽의 하단부인 B, C 영역에서

정밀해석결과 보다 높게 산정되어 철근이 과다 배근됨.

Ⅳ 개선방안

□ 전처리 및 후처리 기능이 뛰어나고 해석정밀도 또한 매우 높은 범용

수치해석(FEM) 프로그램의 보급으로 복잡한 하중조건과 경계조건을

포함한 구조모델링이 용이해졌으며 해석결과의 신뢰성도 높아짐.

□ 따라서, 교대 날개벽 설계시 관용설계법 사용은 지양하고 판이론에

의한 해석 또는 수치해석 결과를 이용하여 설계

□ ‘도로교설계기준 및 해설’ 개정 의뢰

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Ⅴ 기대효과

□ 단면력 분포에 맞는 합리적인 철근 배근 유도

□ 적정 철근 배근으로 공사비 및 탄소배출량 감소

◦ 공사비 절감 : 약 9억원

- 교량당 공사비 절감액 : 520만원 (= 130만원/날개벽 × 4)

- 교량 개소수 : 168개교 (※ 함양-울산, 당진-천안 고속도로 대상)

◦ CO2 배출량 감소 : 약 1,100ton (1.7억원 - CO2처리비용 : 15만원/ton)

- 주철근 감소량 : 470ton (= 168개교 × 0.7ton(철근량) × 4)

- 철근 1ton당 CO2 배출량 : 2.34ton지하도로

Ⅵ 적용방안

□ 설계 중 또는 설계완료 후 미발주 노선 : 본 방침 적용

□ 공사 중인 노선 : 공사주관부서에서 판단 후 적용

□ 자체 및 수탁사업 설계VE 검토 노선 : 본 방침 적용