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지하박스 구조물 설계 개선방안 기술심사처-2695

(2015.11.23)

1 검토목적

최근 도심지 지하공간 활용 등으로 증가 추세인 지하박스 구조물에

대한 경제적이고 합리적인 단면설계 방안을 검토하고자 함

※ 지하박스 구조물 설치사례

․ 설계 : 동탄지구 경부고속도로 직선화공사, 광명-서울 민자고속도로, 제물포터널,

서부간선지하도로 등

․ 계획 : 경인고속도로 지하화, 만덕-센텀지하도로(부산시), U-Smart Way(서울시) 등

2 현 설계 실태

□ 지하박스 구조물의 특성

구 분 내 용

특 성

․ 단면 결정하는 주요 하중이 토피하중, 토압, 구조물 자중 등 상시

사하중으로 상부하중 변동요인이 작음

☞ 토피고 3.0m인 경우 상부토피 하중의 크기과 연직하중의 비율이

약 7 : 3이며, 토피가 깊어질수록 연직하중 비율이 높아짐

․ 일반적으로 넓은 폭원(다차로 형태의 박스구조)으로 휨지배 거동

특성을 보이나, 벽체 등 연직부재에는 상대적으로 큰 축력 작용

☞ 계수하중(Pu)은 공칭 축하중 강도(Pn)의 약 10~20% 내외

단 면 형 상

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구조물공

□ 슬래브 및 벽체의 설계

o 슬래브 및 좌․우측 벽체는 휨부재 검토, 축력지배인 중앙벽체는

휨․압축부재 검토

구 분 검토조건 검토방법

상 ․하 부 슬 래 브 휨 부 재

‧Mu < ΦMn(휨검토)

‧Vu < ΦVn(전단검토)

좌 ․ 우 측 벽 체 휨 부 재

‧Mu < ΦMn(휨검토)

‧Vu < ΦVn(전단검토)

중 앙 벽 체 (기 둥 ) 휨‧압축부재

‧Mu < ΦMn(휨검토)

‧Pu < ΦPn(축력검토)

‧Vu < ΦVn(전단검토)

※ 관련 기준(콘크리트 구조기준 6.2.2.(5))

휨모멘트와 축력을 동시에 받는 철근콘크리트 부재로서 계수축력이 0.10fckAg

보다 작은 경우 축력의 영향을 무시하고 휨부재로 취급하여 휨강도를 계산할

수 있다.

3 문 제 점

□ 좌․우측벽체 축력 미고려에 따른 단면 증대 불가피

o 일반적으로 휨에 의한 인장지배 단면은 순수 휨부재 설계시 보

수적인 설계가 가능하며 설계방법 간단

o 반면, 인장지배 영역에서 축강도(ΦPn)와 휨강도(ΦMn)의 상관관계를

고려하지 않으므로 단면 증대 등 경제성 저하

※ 축강도(P)-휨강도(M) 상관관계

P-M 상관도

압축지배

영역

인장지배

영역

균형단면

(인장지배영역)

·균형편심() 이하의 축력에서는

 → 까지  이 증가함에

따라 증가

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4 휨․압축부재 적용성 검토

□ 검토 방법론

o 박스형태의 단면을 갖는 지하차도, 지중 함형라멘 등 적용 사례조사

o 토피고를 변수로 하여 휨․압축부재 설계 시 효과 검증

□ 지하박스 구조물 벽체 휨․압축부재 설계 사례

o 도로시설물 : 서부간선지하도로, 제물포터널 등

구 분 휨부재 설계 휨·압축부재 설계

서부간선

지하도로

1련BOX벽체

(토피고 14.0m) ∙철근량 : 23.5 ton/m ∙철근량 : 20.7 ton/m

2련BOX벽체

(토피고 8.8m) ∙철근량 : 11.1 ton/m ∙철근량 : 10.7 ton/m

제물포터널 지하차도부 ∙벽체두께 : 1.3m ∙철 근 : 8,224ton

∙벽체두께 : 1.1m ∙철 근 : 7,440ton

o 철도 및 지하철 등의 지하박스 구조물은 휨·압축부재 설계 기적용

□ 적용성 검토결과

o 휨·압축부재 설계 시 단면 또는 철근량 축소 가능

o 토피고가 클수록, 지간장이 넓을수록 효과 증대

□ 설계자문 결과

o 자문위원 : 경북대 윤영묵 교수 등 5명

o 주요내용

- 지하박스 구조물 벽체의 휨·압축부재 설계적용 적정

- 벽체와 기둥 판별에 따른 적합한 구조세목 적용 필요

- 우각부 등 응력교란영역에 대한 설계방법 개선 필요

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5 개선방안

□ 지하박스 구조물 벽체 설계방법 개선

o (적용대상) 지하차도, 지중함형라멘, 암거 등 박스형 단면 벽체

o (기본원칙) 좌·우측 벽체 설계 시 휨·압축부재 설계 및 최신 설계

기준 적용을 통한 합리적이고 경제적인 설계 유도

구 분 현 행 개 선

좌 ․ 우 측

벽 체

∙(축력검토 미시행) ∙Mu < ΦMn(휨검토) ∙Vu < ΦVn(전단검토)

∙Pu < ΦPn(축력검토) ∙Mu < ΦMn(휨검토) ∙Vu < ΦVn(전단검토)

o 휨·압축부재 설계 일반사항

- 단면 설계 전 벽체 또는 기둥 여부 판별 후 단면 특성에 적합한 구조

세목 적용(수평철근, 띠철근 관련 규정 등)

※ 판별조건 : 콘크리트 구조기준 11.2.(1)

․벽체 조건 : Pu ≤ 0.4 x fck x Ag 이고 수직철근량 As ≤ 0.01 x Ag

․기둥 조건 : 벽체 이외의 조건

- 암거 등 벽체 두께가 얇은 구조물의 경우 콘크리트 단면만으로

전단에 저항할 수 있도록 계획

- 휨·압축부재 설계 시 균열 등 사용성 검토 시행

- 고정하중 감소 및 활하중 미재하 상태를 반영할 수 있는 하중

조합 포함

- 하중조합별 모멘트 및 축력을 P-M 상관도에 표기하되, 단면에

불리한 하중조합 선별적 표기

- 상재하중 재하전 측면토압이 크게 발생될 수 있는 지하 복층구조

등 특수한 구조물의 경우 시공단계 안정성 검토 추가

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o 최신 설계기준(스트럿-타이모델) 반영

- 적용대상 : 벽체와 슬래브가 접합하는 우각부 등 응력교란 영역

※ 스트럿-타이 모델 (Strut-Tie Model)

스트럿(콘크리트), 타이(철근), 그리고 스트럿과 타이의 단면력을 받침부나 부근의

B영역(*)으로 전달시켜 주는 절점 등으로 구성된 콘크리트 구조부재 또는 D영역

(**)의 설계를 위한 트러스 모델

(*) B영역(Bernoulli or Beam Region)

보 이론의 평면유지원리가 적용되는 부분

(**) D영역(Disturbed or Discontinuity Region)

집중하중에 의한 하중 불연속 또는 단면이 급변하는 기하학적 불연속부 및 보 이론의

평면유지원리가 적용되지 않는 영역

- 스트럿-타이 모델 예시【도로교설계기준 한계상태설계법(2015)】

구 분 닫힘모멘트 열림모멘트

내 용

기둥과 보의

깊이가 유사

기둥과 보의

깊이가 크게 다름

작은열림모멘트

(As/bh≤2%)

큰열림모멘트

(As/bh＞2%)

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□ 기대효과

o 보수적인 설계 관행에서 경제적이고 합리적인 설계로의 전환

o 휨․압축부재 설계시 약 4~10%의 공사비 절감 효과

구 분

토피고1) H=5.0m 토피고 H=3.0m

지하차도 (양방향 4차로) 지중함형라멘 (8.0 x 5.2)

공사비2)

기존 12,043 천원/m 4,811 천원/m

개선 11,509 천원/m 4,410 천원/m

증 감

감 534 천원/m

(감 4.4%)

감 401 천원/m

(감 8.3%)

주1) 구조물 형식별로 가장 많이 적용되는 토피고를 기준으로 하였으며, 일반적으로 토피고가 클수록 휨

모멘트와 축력이 커지므로 휨․압축 부재 설계 시 절감효과가 큼

주2) 공사비는 제잡비를 제외한 직접공사비임

6 적용방안

□ 자체 및 수탁설계VE 검토 노선 : 본 방침 적용

□ 설계중인 노선 : 본 방침 적용

붙 임 : 1. 구조물 형식별 Case-Study 결과 요약

2. 설계자문 주요내용