배수공 ❙ 205

배수공

42

배 수 공

고속도로 암거 설계기준 개선 검토 설계처-531

(2014.03.06)

1 검토목적

□ 암거표준도(2008년,국토해양부) 제정 시 기초로 한 ‘콘크리트

구조 설계기준(2012)’ 변경

□ 암거표준도의 설계적용 제약조건으로 인해 별도 설계하고

있는 실정(안전율적용 등 설계자별 임의설계 경향)

□ 개정기준에 맞는 설계기준개선, 암거설계의 표준절차 마련 필요

암거설계기준 개선을 통한 효율적 설계 및 공사원가 절감 도모

2 현행기준

1. 암거표준도 설계적용 기준(국토해양부, 2008)

□ 표준도 작성 참고기준

구 분

내 용

비고

적 용 내 용 관리기관

도로설계기준 시설한계, 재료, 하중, 부재설계 등 한국도로교통협회 2005

도로교설계기준 재료, 하중, 강도, 사용성, 부재설계, 철근상세등 한국도로교통협회 2005

콘크리트구조

설계기준

재료, 하중, 강도, 사용성, 부재설계, 철근상세등 한국콘크리트학회 2007

□ 구조검토 기준

구분 내 용

단면

검토

상․하 슬래브 - 휨(모멘트만 고려)

벽 체 - 휨(모멘트만 고려) ＋ 축력 병행 적용

하중

조합

하중계수 고정하중(D) 노면활하중(L) 연직토압(Hv) 수평토압(Hh)

조합1 최대측압+최대연직하중 1.2 1.6 1.6αH 1.6

조합2 최대측압+최소연직하중 0.9 - 1.6αH 1.6

조합3 최소측압+최대연직하중 1.2 1.6 1.6αH 0.8

재료 콘크리트(24Mpa), 철근(400Mpa)

206 ❙ 배수공

□ 사용범위

o 토피 1.0~10.0m 적용

- 1.0m미만 또는 10.0m 초과시 별도 검토 시행

o 암거의 설계기준강도와 재료의 설계정수가 표준도와 상이한

경우 별도 검토 또는 설계 시행

o 연약지반, 경사지반또는부등침하우려구간, 지반조건상이지반(절성경계부)과

직접기초 아닌 경우(Pile 기초 등), 지하수 영향이 있을 경우 별도 검토 시행

2. 고속도로 암거 관련기준(암거상단 상재토 단위체적중량 검토, 2012, 설계처)

□ 적용기준

o 암거표준도 적용범위 내의 경우 표준도(2008. 국토부) 적용을 원칙

o 토공유동, 현장조건 등에 따라 상재토 단위체적중량 구분 적용

상재토 토사성토 암성토

단위체적중량 19kN/m³ 20kN/m³

o 실시설계시 암거 표준도 적용기준 명확화

- 1.0m미만, 10.0m이상 : 암거표준도 설계조건에 의거 별도 검토 시행

- 토피고(1.0m～10.0m) 국토부 암거표준도 준용 최적설계 시행

․토피고별 단면은 국토부 암거표준도를 준용하고 철근량을 조정

- 벽체 검토시 휨모멘트 + 축력 적용

o 공사중 현장여건과 다른 경우 별도 구조검토 시행 가능토록 설계조건,

적용의 제한범위 등 설계도에 명기

3 현실태 ․ 문제점

□ 실시설계시 국토해양부 암거표준도 활용 미흡

o 적용상의 제약조건*이 많아 암거설치 위치별 지반특성, 토피고

등을 고려하여 개별적으로 설계(2013년 설계노선 표준도 활용율 7.6%)

* 뒷채움재료 및 내부마찰각, 상재토 재료특성, 하중조합 등

배수공 ❙ 207

배수공

* 2013년 설계 준공노선 암거설계 현황

노 선 명 계 별도설계 표준도적용 비 고

계 275 254 21 표준도 적용 : 7.6%

밀양~울산 62 54 8

창녕~밀양 50 50 -

대구순환 73 73 -

당진~천안 90 77 13

□ 설계자별 설계적용 기준 상이

o (안전율) 설계자 및 설계조건에 따라 1.1~1.4적용

o (뒷채움 내부마찰각) 설계자에 따라 ∅25~35 임의 적용

o (단면가정) 암거표준도 단면을 기본으로 철근만 조정하거나 철근과

단면을 동시에 조정하는 설계방식을 취하고 있어 편차 발생

구 분 설계자 A 설계자 B

통로암거

(4.5×4.5m)

토피고

(10m)

구 분 콘크리트(㎥) 철근(ton) 거푸집(㎡) 공사비(원) 비고

설계자 A 17.7 1.53 25.6 3,572,942

설계자 B 15.0 1.51 24.9 3,329,938

증 감 △2.7 △0.02 △0.7 △243,004 공사비기준

7%

208 ❙ 배수공

□ 표준도 개정의 즉시성 부족으로 설계반영 곤란

o 국토해양부의 암거표준도(2008) 제정이후 콘크리트 구조설계기준(2012) 등

관련기준의 지속적인 변경

구 분 콘크리트구조기준 2007 콘크리트구조기준 2012

철근강도 - 500Mpa(SD500) 까지 허용 - 600Mpa(SD600) 까지 허용

콘크리트

탄성계수

fcu = fck + 8

fcu = fck + Δf

Δf 는 fck 40MPa = 4MPa

60MPa = 6MPa

40~60MPa는 직선보간

하중조합

U=1.2D+1.0E+1.0L+0.2S

U=0.9D+1.3W+1.6(αHHv+Hh)

U=0.9D+1.0E+1.6(αHHv+Hh)

U=1.2(D+Hv)+1.0E+1.0L+0.2S+(1.0Hh또는0.5Hh)

U=0.9(D+Hv)+1.3W+(1.6Hv또는0.8Hh)

U=0.9(D+Hv)+1.0E++(1.0Hh또는0.5Hh)

o 관리 여건상 변경된 기준에 부합하는 표준도 개정 시행곤란

o 콘크리트 구조 재료적용기준 변경에도 기존의 표준도를 근간으로

하는 설계방법 답습

사용재료 강도상향조정, 설계 표준화로

암거설계 효율화 및 공사원가 절감 필요

4 설계기준 개선 검토

1. 추진방향

￭개정된 시방기준을 근간으로 한 사용재료 최적화

(콘크리트 및 철근 강도 상향)

￭암거 설계적용 기준 및 설계방법 표준화

배수공 ❙ 209

배수공

2. 사용재료 적정 강도조합 검토

□ 개 요

o 암거설계의 주재료인 콘크리트, 철근의 강도를 상향조정하여

최적단면설계 및 공사비 절감 도모

□ 강도별 적용성 검토

o 수로암거(2.0×2.0m - 토피고 5m)

구 분

CASE 1

Con'c=27MPa

철근=500MPa

CASE 2

Con'c=30MPa

철근=500MPa

CASE 3

Con'c=27MPa

철근=600MPa

CASE 4

Con'c=30MPa

철근=600MPa

비고

단면 안정성 1.31 1.32 1.56 1.57

안전율

사용성(균열) 1.12 1.12 1.12 1.12

경제성(원) 681,114 691,194 714,099 724,179

o 통로암거(4.5×4.5m - 토피고 5m)

구 분

CASE 1

Con'c=27MPa

철근=500MPa

CASE 2

Con'c=30MPa

철근=500MPa

CASE 3

Con'c=27MPa

철근=600MPa

CASE 4

Con'c=30MPa

철근=600MPa

비고

단면 안정성 1.09 1.08 1.21 1.21

안전율

사용성(균열) 1.42 1.42 1.20 1.20

경제성(원) 2,383,487 2,417,354 2,413,825 2,444,641

☞ 단면 안전성 및 사용성은 CASE 1, 2 모두 안전율 90% 수준으로 양호

☞ 경제성의 경우 CASE 1이 가장 저렴 → 단면 최소두께 및 철근비의

제약으로 적정강도 이상의 재료 적용시 경제성 측면에서 불리

□ 현장적용성 검토

o 구조물별 강도 적용 사례 (단위:MPa)

구분

라이닝 교 량

옹벽

개착터널 터널 슬래브 코핑 기둥 기초 라멘교

Con'c 24 27 27 40 40 27 27 24

철근 300 400 400 400 500 500 400 400

o 철근가공

- 500Mpa : 교각부에 적용중이며, 현장가공 가능

- 600Mpa : 최소 내면반지름 3db～4db 으로

현장가공 어려움(취성파괴 및 재질 손상우려)

※ 600Mpa는 국내 사용량이 미미하여 주문생산만 가능

D13→39㎜

【검토결과】경제성 및 적용성이 양호한 CASE 1(콘크리트27Mpa, 철근500Mpa) 적용

210 ❙ 배수공

3. 암거 설계 표준화

□ 암거 설계조건 및 기준 제시

o 개정된 시방기준을 기초로 설계조건 및 단면설계 기준 설정

o 과다설계 방지를 위한 최적단면 설계방법 및 안전율 명시

구 분 내 용

설계

조건

및

기준

o 사용재료 특성

- 콘크리트 강도(fck) = 27 MPa

- 콘크리트 탄성계수(Ec) =      = 26,700 MPa

- 철근강도(fy) : 500 MPa , 철근 탄성계수(Es) = 200,000 MPa

o 성토재 특성

- 토사성토 : 단위중량 19KN/㎡, 내부마찰각 30˚

- 암 성 토 : 단위중량 20KN/㎡, 내부마찰각 35˚

o 하중조합 - 콘크리트 구조설계기준(2012) 적용

o 수압 - 지하수에의한수압(절토부) 및암거내공단면80%내부수압고려(수로암거)

o 설계 안전율 - 90%내외 적용

o 단면조정 기준 - 단면 최적화시 단면 축소는 50㎜ 단위 적용

o 철근간격 - 주철근 배근간격 : 100㎜, 125㎜, 150㎜

※『첨부2. 암거 설계조건 및 기준』참조

5 결론 및 기대효과

□ 암거재료 강도 상향

구 분

당 초 변 경

콘크리트 철 근 콘크리트 철 근

강 도 24Mpa 400Mpa 27Mpa 500Mpa

※『첨부1. 재료 강도상향 안전성 및 사용성 검토』참조

☞ 고속도로 암거 콘크리트 및 철근강도 상향으로 단면축소 및

철근량절감에따른경제성향상(2014년이후설계노선적용시82억원절감)

배수공 ❙ 211

배수공

□ 암거 설계기준 및 방법 표준화

구분 설계조건 명시 최적단면 설계

내용

o 사용재료 특성 : 재료중량, 강도

o 성토재 특성 : 상재토 단위중량,

내부마찰각, 토압계수 등

o 하중조합:콘크리트구조설계기준(2012)반영

o 벽체철근해석방법제시: 슬래브해석

o 최소단면 기준 설정 : 전단철근이

불필요한 단면 설계

o 철근간격 및 안전율 명시

☞ 고속도로 암거설계기준 개선으로 설계자별 임의설계에 따른

안전율 과다 해소 및 지침 제시에 따른 표준화된 암거설계 가능

6 적용방안

□ 실시설계 및 보완설계 노선 : 본 방침 적용

□ 건설 및 공용중인 노선 : 주관(시행)부서 판단 후 적용

※ 국토교통부 암거표준도 개정시 본방침을 적용하도록 건의

첨 부 #1. 재료 강도상향 안정성 및 사용성 검토

#2. 암거 설계조건 및 기준

#3. 콘크리트 구조설계기준(2012) 변경사항

#4. 관련분야 전문가 의견

212 ❙ 배수공

(첨부#2)

암거 설계조건 및 기준

1. 설계조건

1) 재료중량

o 철근콘크리트 = 24.5 kN/㎡

o 아스팔트포장 = 22.5 kN/㎡

o 콘크리트포장 = 23.0 kN/㎡

2) 사용재료의 강도

o 콘크리트 강도(fck) = 27 MPa

o 콘크리트 탄성계수(Ec) =      = 26,700 MPa

o 철근강도(fy) : 500 MPa

o 철근 탄성계수(Es) = 200,000 MPa

3) 성토재(암거상단 상재토 단위체적중량 검토, 2012.2, 설계처-370)

상 재 토 토사 성토 암 성토 비 고

단위중량 19 KN/㎡ 20 KN/㎡

내부마찰각(∅) 30° 35°

토압계수(정지토압) 0.5 0.426   sin

4) 지진계수

o 내진등급 : 2등급 500년 빈도 지진(위험도계수 : 1.0)

o 지진구역 : Ⅰ구역(지진구역계수 : 0.11), Ⅱ구역(지진구역계수 : 0.07)

o 지반종류 : 내진설계기준에 따라 Sa, Sb = 1.0, Sc = 1.2, Sd = 1.5, Se = 2.0

o 내진성능 : 붕괴방지수준으로 설계

5) 노면 활하중 : DB-24 적용

o 토피두께 1.0m≤D<4.0m인 경우

- Bo ≤ W인 경우 : Pv  B⋅W

 Pr   i

   D

Pr   i (kN/㎡)

- Bo  W인 경우 : Pv Bo

 Pr   iBo  D  (kN/㎡)

- 충격계수

토피두께(D) 0.15m≤D≤1.0m 1.0m<D≤2.0m 2.0m<D≤3.0m 3.0m<D

충격계수(i) 0.3 0.2 0.1 0

배수공 ❙ 213

배수공

o 토피두께 4.0m 이상인 경우

- Pv = 10 kN/㎡

o 토피두께 1.0m 미만인 경우

- 차륜 집중하중이 암거의 상부슬래브에 분포하중으로 작용하기에는 토피두께가 너무

작으므로 차륜하중을 직접 재하하여 별도검토를 수행하여야 한다.

o 암거내공 6.0m 이상인 경우

- 지중 RC 라멘교의 노면활하중 적용(고속도로건설공사 교량설계기준, 2001)

6) 수압

o 성토부 암거 : 미고려

o 절토부 암거 : 지하수의 영향에 의한 수압 고려

o 수로암거 : 암거 지지력 검토시 암거내공단면 80%의 내부수압 고려

7) 하중조합(콘크리트구조기준 2012 적용)

o 계수하중

구 분 D Hv L Hh

LC1 1.200 1.600 1.600 1.600

LC2 1.200 1.600 1.600 0.800

LC3 0.900 0.900 　1.600

o 사용하중

구 분 D Hv L Hh

LC1 1.000 1.000 1.000 1.000

LC2 1.000 1.000 1.000 0.500

LC3 1.000 1.000 　1.000

o 지진하중(붕괴방지)

구 분 D Hv L Hh E

LC1 1.200 1.200 1.000 1.000 　1.000

LC2 1.200 1.200 1.000 0.500 　1.000

LC3 0.900 0.900 　1.000 　1.000

LC4 0.900 0.900 　0.500 　1.000

o αH : 토피의 두께에 따른 연직방향 하중 Hv에 대한 보정계수

- h ≤ 2.0 m 에 대해서, αH = 1.0

- h ＞ 2.0 m 에 대해서, αH = 1.05 - 0.025h (≥ 0.875)

8) 온도변화 및 건조수축의 영향

o 암거를 설계할 때는 일반적으로 온도변화 및 건조수축의 영향은 고려하지 않아도 된다.

9) 기초 지반

o 구조계산상의 작용반력과 암거 설치 위치에서의 허용지지력을 반드시 확인하여야 한다.

o 통로암거는 내부 활하중과 수로암거는 내부 수압을 고려하여 작용반력을 산정하여야 한다.

214 ❙ 배수공

2. 최적단면 설계

1) 부재의 최소단면은 300mm이상 적용

2) 부재의 단면은 계수전단력을 콘크리트의 전단강도로 부담할 수 있는 두께이상 적용

(암거단면이 대체적으로 작아 전단철근 규정에 따라 d/2 간격으로 배근시

전단철근간격과 배력철근간격이 일치하지 않아 시공성이 불리함)

3) 단면 최적화시 단면 축소는 50mm단위로 적용( 300mm, 350mm, 400mm, ··· )

4) 피복 두께

구 분 시(방mm규)정 사(용m피m)복 비 고

암

거

통 로 노출면(내측) 40 70 (90) ( )는 무늬거푸집 사용시

지중면(외측) 60 90 (100) ( )는 주철근 ø22 이상 사용시

수 로 노출면(내측) 80 90 (100) ( )는 주철근 ø22 이상 사용시

지중면(외측) 60 90 (100) ( )는 주철근 ø22 이상 사용시

주) 1. 시방규정 : 철근의 표면과 콘크리트 표면과의 최단거리

2. 사용피복 : 주철근 도심에서 콘크리트 표면까지의 거리

5) 최소 철근 : H13이상~H29이하 적용

6) 주철근 배근간격 : 100mm,125mm,150mm 적용

7) 배력철근 배근간격: 설계기준에 맞추어 온도철근 간격 조정(CTC 200, CTC 300)

- 슬래브 수평철근비

∙f y≤400 MPa : 0.0014<Pmin<0.002, ∙f y>400 MPa : 0.0014<Pmin<0.002× 400

f y 8) 벽체부 단면 검토 : 슬래브 단면으로 검토, 배력철근 슬래브규정 적용

9) 우각부 검토 : 스트럿타이 해석 적용

10) 부재 단면력 : 암거단부 강역 및 헌치를 고려한 휨모멘트 산정

11) 설계 안전율 : 90% 내외 적용

12) 사용성 검토

o 처짐검토 : 처짐 계산에 의하여 더 작은 두께를 사용하여도 유해하지 않다는 검토를 한

경우를 제외하고 1방향 구조물의 경우 다음표에 정한 최소 두께는 다음에 따른다.

<처짐을 계산하지 않는 경우의 보 또는 1방향 슬래브의 최소 두께>

부 재

최소두께 , h

단순지지 1단 연속 양단 연속 캔틸레버

․1방향 슬래브 ℓ / 20 ℓ / 24 ℓ / 28 ℓ / 10

․상기 표의 값은 일반콘크리트 (mc=2,300 kg/m³)와 설계기준항복강도 400 MPa 철근을 사용한

부재에

대한 값이며, fy가 400 MPa이외인 경우는 계산된 h값에 (0.43+fy/700)를 곱하여야 한다.

o 균열검토 : 철근 간격 검토규정 적용

Sa = 375 x (Kcr / fs) - 2.5 x Cc

Sa = 300 x (Kcr / fs)

Sa는 두 식중 작은 값 적용

배수공 ❙ 215

배수공

(첨부#3)

콘크리트 구조설계기준(2012) 변경사항

□ 철근 설계기준항복강도 한계변경

구분 콘크리트구조기준 2007 콘크리트구조기준 2012 비고

2.2.3

(4)

2.2.3강재

(4) 일반적으로 설계기준항복강도 fy가

300MPa이상인 철근이 주로 사용

되고 있으며, 이구조기준에서는 500

MPa(SD500)까지는 허용되고…

2.2.3강재

(4) 일반적으로 설계기준항복강도 fy가

300MPa이상인 철근이 주로 사용

되고 있으며, 이구조기준에서는

600MPa(SD600)까지는 허용되고…

□ 피로를 고려하지 않아도 되는 철근과 긴장재의 응력범위변경

구분 콘크리트구조기준 2007 콘크리트구조기준 2012

2.3.2

2.2.3(2)

강재의 종류와 위치

철근또는 긴장재의

응력 범위(MPa)

이형

철근

SD 300

SD 350

SD 400

130

140

150

강재의 종류와 위치

철근또는 긴장재의

응력 범위(MPa)

이형

철근

300 Mpa

350 Mpa

400 Mpa이상

130

140

150

□ 콘크리트 탄성계수변경

구분 콘크리트구조기준 2007 콘크리트구조기준 2012 비고

2.3.2

Ec =   

fcu = fck + 8 (3.4.3)

Ec =   

fcu = fck + Δf (3.4.3)

Δf 는 fck 40MPa = 4MPa

60MPa = 6MPa

40~60MPa는 직선보간