2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

211

5-4

경관개선 및 유지관리 최소화를 위한

슬래브 교량 상하부 일체화 방안 검토

설 계 처-2176

(2013. 7. 18)

I 검토목적

□ 전체적인 교량 조형미 증가 및 슬림화 구조물 구현을 위한

상․하부구조 일체식 슬래브교 설계 필요

□ 2경간 이상의 슬래브 교량에서 교각 코핑부와 교량받침

배제로 유지관리 최소화 및 경제적인 설계 도모

□ 국내․외 환경 변화에 적극 대응하고, 선진 설계기술 도입을

통한 기술력 향상 및 설계역량 강화

※ 상․하부 일체식 교량(Integral Colum-Superstructure Bridge)

o 개 념 : 상․하부구조의 연결부를 강결로 처리하여 교량받침을

삭제한 구조 형식의 교량

o 적용사례

국 내(국도 동안교) 미 국(Tennesse주 교량)

․국도교량 동안교 등 4개교

․슬래브-코핑 강결 방식

․미국에서는 일반적으로 적용

․슬래브-기둥강결 방식

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Ⅱ 상·하부 일체화 필요성

□ 유지관리 배제 및 안전성이 확보되는 교량 설계 필요

o 교량받침의 잦은 손상으로 유지관리 어려움

- 최근 2개년 교량 부재중 교량받침 손상․결함 30% 발생

【정밀점검 분석결과, 구조물처-12(‘12.12)】

[ ‘08~’09년 정밀점검 결과 부재별 손상현황 ] [받침 결함 유형]

․받침 배치 부적정

․강교 도장 부식

․유간산정 부적정

․교대변위로 받침 손상

․쐐기(몰탈) 파손

․미끄럼, 들뜸 등

o 교량받침 손상에 의한 교량 전체 안전성 위험 초래

교량받침편기로빔단부파손

88선 남하1교(국내)

교량받침앙카볼트파단으로낙교

신동IC RAMP교(국내)

연단거리부족으로 낙교

Nishnomiya Bridge(일본)

□ 교량 코핑부 시공시 안전성 확보 및 시공성 개선 필요

o 코핑부 거푸집 설치 및 해체 작업시 안전사고 다수 발생

- 교량시공시전체안전사고중약13%, 전체사망자수중약27% 발생

(“하이포탈/건설/안전/안전사고 분석”참조)

사고부위 총계

교량공

기초 기둥 벽체 코핑 슬래브 빔

사고건수 47 15 9 8 6 7 2

사망자수 11 3 1 - 3 4 0

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o 코핑부 거푸집 조립 및 철근 가공․조립 등 시공 복잡

□ 교량하부 주행자 조망 및 개방감있는 교량설계 필요

o 지형여건 및 경간장 확보 등을 고려한 상부 구조물 형식 선정으로는

미관개선 효과에 한계

o 코핑 측면부 돌출로 인한 주행자의 시각적 위압감 발생 및 개방감 축소

□ 선진기술 공유 및 확산 통하여 기술선도 필요

o 국내 : 슬래브-코핑 강결방식 적용실적 다수(국도 동안교 등)

o 미국 : 슬래브-기둥(코핑) 강결방식 일반적으로 적용

교량받침 및 코핑 배제 설계필요

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Ⅲ 개선방안 검토

(설계방법 비교 및 상․하부 강결처리방식 검토)

□ 설계방법 비교

구 분 설계개념 및 주요 특징

상․하부

분리교량

(현행)

․구 조 계 : 슬래브+교량받침+코핑+교각

․유지관리 : 교량받침 및 코핑 관리 필요

․변위수용 : 상부구조 신축을 교량받침에서 수용

․구조거동 : 거동 단순 및 해석 용이

․경 관 성 : 코핑에 의한 경관불리, 하부공간 활용 제약

상․하부

일체교량

(개선)

․구 조 계 : 슬래브+(코핑)+교각(교량받침 및 코핑 삭제)

* 교각(코핑)과 슬래브 강결 처리

․유지관리 : 교량받침 및 코핑 삭제로 관리 용이

․변위수용 : 기둥 연성으로 신축변위 처리

․구조거동 : 거동 복잡, 상부에 축력 및 휨모멘트 영향

온도 신축에 따라 교각에 응력 추가발생

․경 관 성 : 하부구조 슬림화로 교량 경관 우수

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□ 상․하부 강결처리 방식 검토

구 분 슬래브-기둥 강결 슬래브-코핑 강결

개요도

장․단점

∙슬래브에 교각(기둥)이 매입

∙슬래브 철근 배근 다소 간단

∙코핑부 배제로 미관확보 유리

∙코핑이 슬래브에 매입

∙슬래브 철근 배근 다소 복잡

∙코핑부 노출로 미관확보 불리

적 용 O

(안전성 및 경제성 검토)

〈 검 토 방 향 〉

▶ 슬래브 응력, 기둥 안전성 및 경제성 검토

▶ 사각 및 교량폭원 영향 검토

▶ 교각 형식별(단주식, 다주식) 적용성 검토 및 강결부위 철근 간섭 검토

□ 강결 처리시 안전성 및 경제성 검토

o 비교검토 대상 : PSC슬래브교(L=20+2@30+20=100m, B=8.5m, 직교, π형교각)

구 분 현행 (받침, 코핑) 개선 (3개 교각 강결)

단 면 도

450

8.500

1.500 3.600 2.500 450

CL OF ROAD

900 200

100

1.000 500 5.500 500 1.000

L 450

8.500

1.500 3.600 2.500 450

CL OF ROAD

900 200

100

1.000 500 5.500 500 1.000

CL 철근배근 D=0.8m H22-2단 30EA D=0.8m H22-2단 30EA

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o 구조 안전성 검토

- 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

결과

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력 3.98 18.0 18.0 3.98

현 행(분리) 2.25 10.3 7.94 2.76 O.K

개 선(강결) 1.71 9.69 7.02 1.87 O.K

- 기둥 안전성 검토

구 분

현 행(분리) 개 선(강결)

상시 지진시 상시 지진시

Mu(KN․m) 125.4 807.5 304.9 716.8

φMn(KN․m) 741.3 1,422.1 741.3 1,411.4

검토결과 O.K O.K

- 검토결과

․강결시에 상․하면에 발생하는 응력은 허용응력 이내로 안전하며,

하부구조로 응력분배가 되어 슬래브 응력이 분리교량보다 낮게 발생

․강결시 설계단면력이 설계강도 이내로 기둥안전성이 확보되나, 지진시

휨모멘트 일부가 교각상부로 분산되어 교각하부에서 휨모멘트 감소

o 공사비 비교검토(교각 1기 기준)

구 분

수 량 공사비(백만원) 증․감

당초 개선 당초 개선 (백만원)

계(제잡비 50%반영) △25

교량받침 3개 - 13 - △13

콘크리트 90㎥ 87㎥ 10 9 △1

거 푸 집 73㎥ 65㎥ 3 2 △1

철근(재료, 가공조립) 18.531ton 17.310ton 21 19 △2

☞ 상하부 일체화교량 설계시 교각 1기당 25백만의 공사비 절감 가능

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□ 사각 영향 검토

o 대상 : RC슬래브교【L=48m(14+20+14), B=12.15m, 사각 30°, π형교각】

o 구조안전성 검토

구 분 Mu(KN․m) φMn(KN․m) Vu(KN) φVn(KN)

슬래브 안전성 2,483 2,669 1,662 1,996

기둥안전성

상시 1,393 4,340 358 1,375

지진시 622 4,160 130 1,215

검토결과 O.K

- 사각이 30°인 RC슬래브 교량에 대해 구조안전성 검토결과 설계

단면력이 설계강도 이내로 안전

- 단, PSC 슬래브교량에 사각이 있는 교량은 프리스트레스에 의한

2차 휨모멘트 및 전단력 영향 평가 곤란하므로 사각이 15°이하인

교량에 대하여 상․하부 일체화교량 적용

* 도로교설계기준(2010) 4.8.4 구조상세 (4)

③ 경사 슬래브교에 있어 경사경간 방향에 PS강재를 배치하면, 슬래브 연단을

따라 프리스트레스 힘이 작용하고 평면내에 전단력이 생기기 때문에 주의를

할 필요가 있다. 단. 사각이 0°부터 15°까지는 그 영향이 작기 때문에

사각을 따라 프리스트레스를 도입하여도 좋다.

□ 교량폭원 영향 검토

o 대상 : PSC 슬래브교【L=150m(5@30), 직교, π형교각】

o 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

결과

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력 3.98 18.0 18.0 3.98

발생

응력

B=12.15m 2.80 7.91 11.00 3.62 O.K

B=24.30m 3.29 7.38 9.33 3.37 O.K

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o 기둥 안전성 검토

구 분

B=12.15m B=24.30m

상시 지진시 상시 지진시

Mu(KN․m) 5,286 1,766 4,994 1,930

φMn(KN․m) 6,213 5,772 6,204 5,717

검토결과 O.K O.K

o 검토결과

- 교량 확폭시 슬래브 휨응력 및 기둥 부재 단면력은 분리시와

유사한 경향을 보이고 적합

- 확폭시에 지점부 슬래브의 강성 증가로 인하여 경간 중앙부 슬래브

응력이 분리교량보다 낮게 발생

□ 단주식 기둥 검토

o 대상 : PSC슬래브교(L=20+2@30+20=100m, B=8.5m, D=1.6m, 직교)

o 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

결과

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력 3.98 18.0 18.0 3.98

단 주 식 1.99 10.1 6.97 1.94 O.K

o 기둥 안전성 검토

구 분 상시 지진시

Mu(KN․m) 2,386.3 2,929.1

φMn(KN․m) 9,106.9 12,220.9

검토결과 O.K

o 펀칭 전단력 검토

구 분 설계 펀칭전단응력 공칭 펀칭전단응력 결과

교축방향 1.320Mpa 2.199Mpa O.K

교축직각 1.318Mpa 1.581Mpa O.K

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o 횡방향 처짐 검토

구 분 처짐량 처짐 제한 비고

단 주 식 9.0mm 9.5mm O.K

o 검토결과

- 단주식으로 설계시 슬래브의 휨응력 및 처짐량과 기둥안전성은

허용치 이내로 안전

- 다주식 교각에 비해 기둥안전성 및 횡방향 처짐 등에 불리하므로

교각 직경을 확대해서 안전확보 필요

□ 교각-슬래브 강결처리 부위 철근간섭 검토

o BIM(Building Information Modeling) 검토시 철근 간섭 영향없음

o 기둥 주철근은 상부 슬래브에 규정된 정착길이 이상을 확보필요

o PSC 슬래브교의 경우 기둥 주철근 상단과 상부 강연선의 간섭이

발생하지 않도록 설치

o 슬래브 하면 지점부 횡방향 보강철근은 기둥철근과의 간섭을 최소화

할 수 있도록 2 Cycle로 설치

<평 면 도> <단면 A-A>

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Ⅳ 검토결론 및 기대효과

□ 검토결론

o 2경간이상 연속 슬래브교는 상․하부 일체식(교량받침 및 코핑

삭제)으로 설계시 구조안전성이 확보

o 사교인 경우 RC 슬래브 교량은 사각이 30° 이하에서 적용가능하며,

PSC 슬래브교량에 대해서는 사각이 15° 이하인 교량에 한정 적용

o 교각 형식은 단주, 다주식으로 설계 가능하며, 기둥안전성 등

구조 성능 및 경제성 등을 종합적으로 검토 후 적용

o 상세설계시 시공성 및 안전성 고려 교고에 따른 동바리 형식

비교․검토 후 적용

o 곡선교 구조 안전성은 상세설계시 추가검토 반영

□ 기대효과

o 실시설계중인 노선(당진～천안 6개교량) 적용시 750백만원 절감

o 향후 10년간(‘14～’22) 교량받침 도장 및 교체 등 유지보수 비용

약 40억원 절감 예상(교량받침 수명 및 보수주기 분석, 구조물처)

Ⅴ 적용방안

□ 설계중인 노선 : 설계 주관부서에서 판단하여 적용

붙 임 : 1. 코핑 및 교량받침 최소화 설계흐름도

2. 국내․외 적용사례

3. 구조계산 결과

2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

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설 계 흐 름 도

① 지형여건에 따른 경간구성 계획

② 전체 교각을 강결로 처리했다 가정하여 상하부 안전성 검토

③ 안전성 검토결과에 따라 강결 적용범위 축소하여 재검토

붙 임 #1

2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

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구조계산 결과

□ 현행방법(교량받침 설치)과 강결처리 비교검토

o 비교검토 대상 : PSC슬래브교(L=20+2@30+20=100m, B=8.5m

직교, 다주식 교각)

구 분 현행 (받침, 코핑) 개선 (3개 교각 강결)

단 면 도

450

8.500

1.500 3.600 2.500 450

CL OF ROAD

900 200

100

1.000 500 5.500 500 1.000

L 450

8.500

1.500 3.600 2.500 450

CL OF ROAD

900 200

100

1.000 500 5.500 500 1.000

CL 철근배근 D=0.8m H22-2단 30EA D=0.8m H22-2단 30EA

o 구조 안전성 검토

- 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력(도로설계기준) 3.98 18.0 18.0 3.98

현 행(분리) 2.25 10.3 7.94 2.76

개 선(강결) 1.71 9.69 7.02 1.87

- 기둥 안전성 검토

구 분

현 행(분리) 개 선(강결)

비고

상시 지진시 상시 지진시

Mu(KN․m) 125.4 807.5 304.9 716.8

φMn(KN․m) 741.3 1,422.1 741.3 1,411.4

Pu(KN) 6,198.1 3,219.7 5,894.6 3,189.7

φPn(KN) 12,601.1 5,670.4 12,601.1 6,280.4

Vu 31.6 338.8 83.6 786.3

φVn 688.0 533.2 672.2 1,028.7

검토결과 O.K O.K

붙 임 #3

2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

223

□ 사각 적용방안 검토

o 대상 : RC슬래브교【L=48m(14+20+14), B=12.15m, 사각 30°, 다주식】

o 구조안전성 검토

- 슬래브 안전성 검토

Mu(KN․m) φMn(KN․m) Vu(KN) φVn(KN) 검토결과

2,483 2,669 1,662 1,996 O.K

- 기둥 안전성 검토

구 분 상시 지진시 비고

Mu(KN․m) 1,393 622

φMn(KN․m) 4,340 4,160

Pu(KN) 5,719 2,895

φPn(KN) 17,818 19,364

Vu(KN) 358 130

φVn(KN) 1,375 1,215

검토결과 O.K

□ 교량폭원 영향성 검토

o 대상 : PSC 슬래브교【L=150m(5@30), 직교, 다주식】

o 구조안전성 검토

- 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력(도로설계기준) 3.98 18.0 18.0 3.98

B=12.15m 2.80 7.91 11.00 3.62

B=24.30m 3.29 7.38 9.33 3.37

2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

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- 기둥 안전성 검토

구 분

B=12.15m B=24.30m

비고

상시 지진시 상시 지진시

Mu(KN․m) 5,286 1,766 4,994 1,930

φMn(KN․m) 6,213 5,772 6,204 5,717

Pu(KN) 9,432 5,908 9,233 6,699

φPn(KN) 11,086 19,310 11,470 19,845

Vu 607 1,127 559 1,242

φVn 1,585 1,385 1,574 1,430

검토결과 O.K O.K

□ 단주식 기둥 검토

o 대상 : PSC슬래브교(L=20+2@30+20=100m, B=8.5m, D=1.6m, 직교)

o 구조 안전성 검토

- 슬래브 안전성 검토

구 분

지점부(Mpa) 중앙부(Mpa)

상면(인장) 하면(압축) 상면(압축) 하면(인장)

허용응력(도로설계기준) 3.98 18.0 18.0 3.98

단 주 식 1.99 10.1 6.97 1.94

- 기둥 안전성 검토

구 분 상시 지진시 비고

Mu(KN․m) 2,386.3 2,929.1

φMn(KN․m) 9,106.9 12,220.9

Pu(KN) 11,273.6 6,460.1

φPn(KN) 43,023.5 26,953.0

Vu(KN) 576.4 2,992.1

φVn(KN) 2,184.2 3,791.7

검토결과 O.K

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225

- 펀칭 전단력 검토

구 분 설계 펀칭전단응력 공칭 펀칭전단응력 비고

교축방향 1.320Mpa 2.199Mpa O.K

교축직각 1.318Mpa 1.581Mpa O.K

- 횡방향 처짐 검토

구 분 처짐량 처짐 제한 비고

단 주 식 9.0mm 9.5mm O.K