상임감사위원 팀 장 처 장 본부장

등록번호 설계처 -

보존기간

결재일자

공개구분 공 개

구 조 물 처 장 :

기술심사처장 :

건설계획팀장 :

시공성 향상 및 건설현장 안전사고 예방을 위한

교각 코핑 및 기둥 연결부 설계 개선 검토

2019. 7

설계계획팀장 :

설계기준부장 :

도로설계팀장 :

설 계 처

Ⅰ. 검 토 배 경

□ 그간 건설현장에서 교각 코핑부는 구조적으로 많은 철근량이

배근되고, 그에 따른 철근 간섭으로 인해 시공성이 불리하여 항시

현장에서 작업자 안전에 노출되어 있었던 바,

*최근 3년간(2016~2018) 고속도로 현장 철근 관련 안전사고 9건 발생

□ 이에 대한 개선 방안으로 코핑부로의 매입 기둥 주철근의 합리적인

길이 산정 방안 검토하여 시공성 향상 및 작업자의 안전사고

예방에 기여하고자 함

※ 교각 코핑부 철근 배근 작업시 과다한 철근량 배치로 인해 어려움

Ⅱ. 검 토 방 향

Ⅲ. 현설계 현황 및 국외 사례(기준) 조사

□ 현 설계 현황

o 우리공사 “코핑부 철근 시공성 개선 검토(설계처, ‘99.12)” 에 의거

- 코핑부 기둥철근은 유효단면의 1%이상을 만족하고 구조계산상 여유가

확보되면 2단 철근 중 1단은 코핑 하단에 정착토록 제시하고 있음

☞ 기둥과 보가 일체화된 라멘의 구조세목으로서 캔틸레버 거동을 하는

T형 교각에서는 과하거나 불필요한 구조세목임

o 개 요 도

※기둥 주철근 매입길이 산정

:  = 500MPa,  = 40MPa

철근 직경 : 29mm, h = 3.0m

   × 



 ×   

☞ h/2 +  = 2,664 mm

o 설계 실무에서는 2단 배근이 필요한 곳에서

- 1단은 1/2 지점을 지나서 정착길이만큼 확보하고

- 나머지 1단은 코핑하단부터 정착길이만큼 확보토록 설계함

□ 국외 기준(사례) 조사

o 유럽 기준(사례)

- Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance.

Part 1:General rules, seismic actions and rules for buildings 5.6.2.1

- 축인장력을 받는 기둥의 경우에는 정착장을 EN 1992-1-1:2004에서

산출된 정착장 값의 50%를 할증하여야 함.

< EN 1992-1-1:2004에 의한 정착장 산정 시 >

1. 검토 조건

  ,   , 피복=125mm, 철근간격=100mm,

철근직경=29mm

2. 부착강도 산정

        ×  ×  ×   

3. 기본정착길이 산정

        

4. 설계정착길이 산정

          ×  ×  ×  ×  ×   

5. 기둥철근의 정착길이 산정    ×    ×  = 980mm

o 미국 기준(사례)

- AASHTO LRFD Bridge Design Specifications 8th Edition 5.11.4.3

- Seismic Zones 3, 4에서 기둥과 코핑간의 이음은 축방향 철근이 완전하게

항복하는데 필요한 정착길이의 1.25배 이상을 확보하여야 하며, 소성힌지

구역의 횡방향철근 보강 범위는 기둥최대치수의 1/2배나 380mm 이상

이어야 함.

Ⅳ. 기술 자문 추진

□ 설계 자문 개요

o 자문위원 : 서울시립대 임성순 교수 외 6인

(미국 설계사1)에 근무 중인 기술자 2인 포함)

o 자문기간 : 2019. 5월 ~ 6월

o 자문요청 내용

- “한계상태설계법 상세설계를 위한 교각 코핑 철근 배근 합리화”2)

연구과업에서 교각 코핑부 기둥철근을 최소 정착길이만큼만

배근 하는 것이 타당한 것으로 제시

- 코핑부 배근 개선(안)에 대한 기술 자문 요청

․교각 코핑부 기둥철근은

기둥의 실제 거동에 필요한

정착길이() 만큼만 매입토록

개선

․Π형 교각에서의 적용 가능성

1) 이승우 SE(Parsons Brinckerhoff), 백승훈 PE(TY Lin International)

2) 연구기관 : 한국도로공사, 서울대학교, 한국도로협회, 효명ECS(2019)

□ 설계 자문 주요 내용

구분 주요 내용 조치계획 및 검토결과

1

- 해외 기준3)에서도 소성힌지 구역에서 1.25배

정착장 길이 이상으로 기둥 주철근이 매입

되도록 규정되어 있으므로, 위 기준 준용은

합리적이라 판단되나, 지진구역에 대한 비교

로 적용이 가능한 지 확인 필요

- 미국 강진 구역 설계응답스펙트럼이

국내 지진보다 크게 산정되므로

미국 기준 준용 가능

(붙임 #1참조)

2

- 기둥 주철근 정착길이 보다는 소성힌지

구역의 횡방향 철근 배근 범위(0.5D)가 지배

인자가 될 수 있음.

- 주철근 정착길이와 횡방향 철근

배근 범위 중 큰 값으로 적용토록

검토

3

- T형 교각 및 Π형 교각 모두 사용 가능하나,

Π형 교각은 코핑 높이가 낮아 정착길이만큼

확보가 안 되는 경우 갈고리 또는 기계적

연결이 필요함.

- 설계 단계에서 검토

미국 설계사에 근무 중인 자문위원의 기술자문 결과 미국 내에서

는 강진구역(미서부 캘리포니아 등)에서 정착길이의 25% 할증으로

적용 중임을 확인

3) AASHTO LRFD 8th 2017

Ⅴ. 설계 개선 방안 검토

□ “기둥 주철근 매입길이 ” 국외 기준 준용 여부 검토

o 유럽기준(Eurocode 8)은

- 내진 설계 시 기본 정착길이의 1.5배로 배근하도록 규정

- 그러나, 현 시점에서는 국내 기술자들은 유로코드에 익숙치 않은

실정임

o 미국기준(AASHTO LRFD BDS 8th)은

- 지진구역 3, 4에서 기본 정착길이의 1.25배로 배근하도록 규정

- 현행 도로교설계기준(한계상태설계법) 지진 관련 하중조합이

위 기준을 준용하고 있으며,

- 국내 지진하중은 미국 지진하중(지진구역 4)보다 월등히 작은

것으로 비교됨(붙임 #1 참조)

☞ AASHTO LRFD 기준 준용한 기둥 주철근 매입길이 산정 가능

□ 교각 형상 및 구조 거동에 따른 개선방안 검토

1) 단주식(T형) 교각

- 소성힌지 발생 유무는 교각 하단에서

결정되며,

- 교각 상단에 연결되는 코핑부는 소성

힌지 발생이 없으므로,

- 기본 정착길이( )만큼만 매입

 =  

2) 다주식(Π형) 교각 : 소성힌지 발생 여부에 따라 구분 필요

① 소성힌지 발생이 없는 경우 : T형 교각과 동일하게 적용

② 소성힌지 발생이 있는 경우

: 기둥 횡방향 철근 배근 범위를 함께 고려하여 산정

① 소성힌지 無:  = Max(  , 0.5D , 380mm)

② 소성힌지 有:  = Max(1.25  , 0.5D , 380mm)

붙임 #2 기둥 주철근 매입길이() 설계 방법

Ⅴ. 기 대 효 과

□ 시공성 개선

o 현장 시험시공 및 작업자 인터뷰를 통한 효과 확인

*건설현장 협조 필요(건설처)

□ 예산절감

o 4차로용 교각 1개소 : 1.7백만원

☞ 향후 계획 중인 도로4) 건설 물량 추정 시 183억원 절감

4) 국토부 “고속도로 건설 5개년 계획(2016~2020)” 및 “제4차 국도․국지도 5개년(’16～’20) 계획” 참조

Ⅴ. 적용 및 향후 추진 계획

□ 적 용

o 설계 중 노선부터 적용

o 공사 중 노선은 현장여건에 따라 즉시 시행

□ 추후 국가기준으로의 등재 추진

붙임 #1 국내기준(KDS)과 미국기준(AASHTO)의 지진하중 설계응답

스펙트럼 비교

#2 기둥 주철근 매입길이 설계 방법

#3 미국기준(AASHTO LRFD 8th) 발췌

#4 유럽기준(Eruocode) 발췌

붙임 #1

국내기준(KDS)과

미국기준(AASHTO)의

지진하중 설계응답스펙트럼 비교

□ 지진구역(Seismic Zones)

각 교량은 아래 표에 따라 4개의 지진 구역 중 하나에 할당되며, 지진 구역은

전국의 지진 위험의 변화를 반영하며 분석 방법, 최소 지지 길이, 기둥 설계 세부

사항 및 기초 및 교대 설계 절차에 대한 다양한 요구 사항을 허용하는 데 사용됨.

1) 미국(AASHTO) 설계응답스펙트럼을 기준으로 한 Seismic Zone 구분

2) 국내(KDS) 설계응답스펙트럼을 기준으로 한 Seismic Zone 구분

※ SD1 : 설계응답스펙트럼의 주기 1초에서의 탄성지진응답계수

□ 지진하중 설계응답스펙트럼 비교

1) KDS 설계스펙트럼 산출 조건

- 지진구역 : Ⅰ

- 재현주기 : 1,000년

- 지반종류 : S5 (깊고 연약한 지반, 전단파 속도 VS < 180m/s)

2) AASHTO 설계응답스펙트럼 산출 조건

- 지진구역 : 캘리포니아주 강진구역 (PGA=1.0, SS=2.0, S1=0.9)

- 재현주기 : 1,000년

- 지반등급 : E (연약한 지반, 전단파 속도 VS < 180m/s)

3) 지진하중 설계응답스펙트럼 비교

붙임 #2

기둥 주철근 매입길이 설계 방법

□ 적용 조건(중요)

1) 철근직경() = 35mm 이하

2) 콘크리트설계기준 강도() = 100MPa 이하

(if,  ≥ 69MPa ☞ D10@300 이상의 횡방향 철근보강 필요)

3) If, 철근 항복강도( ) ≥ 520MPa → 횡방향 최소철근 배근 필

요

4) 도막되지 않은 철근 및 보통콘크리트 사용

□ 기둥 주철근 기본 매입길이( ) 산정 방법

  =  ×



 × 

여기서,

 = 기둥 주철근 직경 (mm)

 = 기둥 주철근 항복강도 (MPa)

 = min(철근 중심피복, 철근 중심간격의 1/2) (mm)

 = 콘크리트 설계기준강도 (MPa)

□ 기둥 주철근 매입길이 산정 계산 및 설계 예시

1 기둥 주철근 기본 매입길이( ) 계산

    ×



 ×     

여기서,

 = 28.6mm

 = 500MPa ,  = 40MPa

 = min(125, 100/2) = 50mm

D = 2,300 mm

2. 기둥 주철근 매입길이( ) 설계 방법

: 기둥 구조계산 결과에 따라 소성힌지 발생 여부 판단

① 소성힌지 발생이 없는 경우

 = Max(1.0  , 0.5D, 380mm)

 = Max(1.0×1,182=1,182mm, 0.5×2,300=1,150mm, 380mm)

= 1,182 mm

② 소성힌지 발생이 있는 경우

 = Max(1.25  , 0.5D, 380mm)

 = Max(1.25×1,182=1,182mm, 0.5×2,300=1,150mm, 380mm)

= 1,478 mm

붙임 #3

미국기준(AASHTO LRFD 8th) 발췌

 

붙임 #4

유럽기준(Eruocode) 발췌

EN 1992-1-1:2004에 의한 정착장 산정 시

1. 검토 조건   ,   , 피복=125mm, 철근간격=100mm,

철근직경=29mm

2. 부착강도 산정         ×  ×  ×   

3. 기본정착길이 산정         

4. 설계정착길이 산정        

  ×  ×  ×  ×  ×   

5. 기둥철근의 정착길이 산정    ×    ×  = 980mm