5.02 설계요령

 

5.02 설계요령

[도로설계편람(제7편 지하차도)-2012년 국토해양부]

위 도로설계편람에서 규정하지 않은 사항은 본 설계요령 구조물공에서 적용한 각종 설계기준을 따른다.

 

1. 하중

  가. 하중의 종류

      설계에 적용하는 하중은 다음과 같다.

      고정하중 ․활하중 ․토 압 ․수 압 ․부력(양압력) ․기타 실하중

    1) 고정하중

      구조물 자중

      기계실 하중

      구조물 내 상판하중 가운데 펌프실, 전기실, 환기기계실 등의 기계하중은 기능실 배치의 변동 등을 고려하여 변전소 이외의 기계실 하중은25kN/m²을

      표준으로 적용할 수 있다. 특수 기계에 대하여는 실중량에 의하고 진동하중 및 교번하중이 생기는 기계에 대하여는 이를 특별히 고려하여야 한다.

 

  2) 활 하 중

    ① 노면 활하중

 

◦도로면의 활하중은 발주처 기준을 따르며 다음 표를 참고할 수 있다.

 

토피 (m)	도로면의 활하중(kN/m2)	토피 (m)	도로면의 활하중(kN/m2)
1.0	51.0	5.0	15.0
1.5	39.0	6.0	15.0
2.0	21.0	7.0	15.0
2.5	17.0	8.0	12.0
3.0	15.0	9.0	11.0
4.0	15.0	10.0이상	10.0

※중간토피에 대한 것은 그 상위의 값을 취한다.

 

      ② 군집하중

         군집하중은 5.0kN/m²의 등분포하중으로 고려할 수 있으며 충격은 고려하지 않는다.

    3) 토 압

․      토압의 적용

        - 구조물 설계 : 정지토압 및 주동토압 사용

        - 가설재 설계 : 주동토압을 원칙으로 하나 가설구조물을 본체로 이용 하는 경우 에는 정지토압을 사용한다.

                           토질정수의 설계반영

        - 토질조사시험(실내․실외시험)의 결과를 이용하여 토질정수를 결정한다.

        - 위에서 결정된 토질정수를 구조물 및 가설재 설계에 반영할 수 있도록 토질 기술자로부터 토질정수 선정 및 이용방법을 제시받아 적용한다.

        - 단면 구조해석 및 가설재 설계에 토질기술자가 제시한 것을 검토, 설계에 반영 토록 한다.

       정지토압

        - 정지토압은 개착식 공법에 의한 지하 박스구조물 등 정지토압을 적용하는 것이 타당한 경우에 적용한다.

        - 토압이 작용하는 박스구조물은 전 설계토압이 작용하는 경우 및 전 설계토압의 1/2이 작용하는 경우 중에서

          불리한 경우의 단면력에 대하여 설계하는 것으로 한다.

        - 정지토압의 계산은 다음식에 의한다.

           Ps = Ks (q + γt h1 + γsub h2)

        여기서, 정지토압계수 Ks = ( 1 - sin ø )

                                  Ps = 토 압 (kN/㎡)

                                  q  = 과재하중 (kN/㎡)

                                  γt : 지하수면 이상의 흙의 단위중량

                                  γsub : 지하수면 이하의 흙의 단위중량

                                  h1 : 지표에서 지하수면까지의 깊이(m)

                                  h2 : 지하수면에서 측압을 구하려는 위치까지의 깊이(m)

                                    ø : 흙의 내부마찰각(°)

        - 배면토사의 경사가 있을때는 그에 상당한 과재하중의 값을 적용한다

․      흙의 단위중량과 내부 마찰각

        - 지반조사 자료의 분석과 경험을 종합적으로 고려하여 토질책임기술자가 제시한 값을 사용한다.

        - 다만, 사질토로서 시험에 의하지 않았을 경우는 토질책임기술자의 판단 하에 토질공학에 입각한 관계식이나

          다음 표의 값을 참고하여 사용할 수 있다.

 

 

 

                    【 토압계산에 사용되는 일반적인 흙의 단위중량과 내부마찰각 】

 

흙의 종류	상대밀도	단위중량 (kN/m3)	내부 마찰각(°)	비고
모래자갈	조밀	20	33
	보통	19	30
	느슨	18	28

 

    4) 수 압

       지하수에 의한 수압은 정수압을 기준으로 다음식으로 계산한다.

       F = γw․h (kN/㎡) 여기서, γw : 물의 단위중량 h : 지하수 깊이

  나. 구조물 안정 검토

    1) 양압력 검토 기준

       구조물 설계시는 지하수로 인한 양압력에 대하여 안전여부를 검토 하여야 한다.

 

B : 구조물에 작용하는 양압 력의 폭(m)     hw : 지하수위로부터 구조물 바닥슬래브 하단까지의 높이(m)     Wc : 구조물 벽체의 자중(kN/m³)

 

    2) 양압력에 대한 검토

       구조물 안정검토시 지하수위 이하에서는 간극수압이 작용하므로 정수압이 작용하는 것으로 양압력에 대한 안정성 여부를 검토해야 한다.

       양압력에 의한 안전율이 부족할 경우는 보강 key, Anchor설치 등 필요한 조치를 취하여야 한다.

       양압력에 의한 안정계산시는 구체자중과 마찰력, 상재 하중만으로 검토한다. 단, 구조물 벽체와 주변 뒷채움 흙과의 측면마찰력은 방수재의 밀림 등을

       고려하여 무시한다.

       상재하중은 포장하중과 지하수위 이상 및 이하의 토피하중을 합하여 구한다.

    압력(U) : U = hw × B × γw

    저항력(R) : R = W1(구체자중) + W2(상재고정하중)

    안전율(FS) : - 공사중 : FS≥1.1(가장 위험한 공사단계)

        - 완공후 : FS≥1.2(조사수위 적용시)

                     FS≥1.05(GL-1.0m 극한상황)

   영구 구조물에서 부력방지용 인장 말뚝 설치시에는 인장말뚝의 앵커 인장력을 구조 계산시 고려해야 한다.

2. 하중조합

   지하차도 구조물의 설계단면력은 콘크리트구조기준에 규정된 조합중에서 가장 불리한 외력을 일으키는 조합을 사용하여 계산한다.

3. 구조해석 및 단면설계

  가. 일반사항

    1) 구조형상 및 단면은 구조물의 내공치수를 확보하고, 관련규정에 부합되며 안전도와 사용성을 고려하여 적절하도록 설계하여야 한다.

    2) 기초지반이나 단면의 변화가 심한 구간등 필요한 구간에 대하여는 3차원의 거동 및 종․횡방향의 단면에 대하여도 검토하여야 한다.

    3) 헌치부는 단면변화에 따른 응력집중이 발생치 않도록 가급적 완만하게 하여야 한다.

  나. 활하중의 재하

    1) 활하중의 재하방법

       활하중은 해당 바닥판이나 노면에만 재하된 것으로 보아 해석한다.

    2) 고정하중과 활하중의 조합

       모든 지간에 고정하중을 재하하고 부재에 최대단면력이 발생하도록 활하중을 각지 간에 연속 또는 불연속으로 재하한다. 

         그러나 고정하중이 지배하는 구조물에서는 활하중을 만재한 상태에서 단면력을 구해도 좋다.

  다. 경 간

    1) 받침부와 일체로 되어있지 않은 부재는 순경간에 보나 슬래브의 두께를 더한 값을 경간으로 하여야 한다.

         그러나 그 값이 받침부의 중심간 거리를 넘을 필요는 없다.

    2) 골조 또는 연속구조물의 해석에서 휨 모멘트를 구할 때 사용하는 경간은 받침부의 중심간 거리로 하여야 한다.

         받침부와 일체로 시공된 보의 경우 받침부 전면의 모멘트로 설계할 수 있다.

  라. 단면 2차 모멘트

      단면 2차 모멘트는 철근을 무시하고 부재의 콘크리트 전단면에 대하여 계산해도 좋다.

        단, 철근을 고려할 때는 환산단면으로 계산하여 산출한다.

  마. 전산 구조해석

    1) 하중재하 및 설계 단면력 산정

       설계단면은 <가. 하중과 나. 하중조합>을 사용하여 필요한 하중조합으로 재하하여 가장 불리한 설계 단면력으로 설계한다.

    2) 토사부에 지지되는 구조물의 해석방법

       저판밑의 지지부에 지반스프링을 두어 해석하거나 상․하부 하중의 평형을 고려하여 기둥 및 벽체 하부에 지점을 두고 해석할 수 있으며, 지반스프링을

       두고 해석하는 경우에 사용되는 지반 반력계수는 각종 조사 및 시험 결과에 의해 얻어진 변형계수 및 기초의 재하폭등의 영향을 고려하여 정한다.

       지반스프링에 인장력이 발생 할 경우에는 인장스프링을 제거시켜 압축스프링만 남겨둔 상태로 계산한다.

    3) 암반지반에 지지되는 구조물의 해석방법
       암반지반에 위치하는 경우에는 저판밑에 지반스프링을 두어 해석하거나, 또는 집중 하중을 받는 벽체 혹은 기둥하단부위에 회전 또는 이동지점의

       경계조건을 부여하고 저판에 양압력을 작용시켜 해석한다.

       지반 반력계수는 시험성과가 있을 때에는 시험치를 사용하되, 시험치가 없는 경우 에는 암반의 공학적 특성치(변형계수, 일축압축강도, RQD등)와의

       상관관계에서 구하여 사용한다.

4. 사용성 검토

   구조물 또는 부재가 설계 내용 기간 중 충분한 기능과 성능을 유지하기 위하여 사용 하중하에서 균열을 검토하여야 한다.

   사용성 검토는 도로교 설계기준(2010년)을 적용하였으며, 2012년 콘크리트 구조기준의 내용에 의해서 검토를 하여도 좋다.

  가. 균열의 제한

    1) 허용 균열폭

      교량과 그 부대시설의 구성 요소는 아래 표에 정해진 노출 환경으로 구분하여 설계하여야 한다. 부재에 발생하는 균열폭은 노출 환경에 따라 정해진

      허용균열폭 Wa을 초과 하지 않아야 한다. 다만, 표에 적용하는 피복두께는 100mm이하 이어야한다.

      교량 구조물의 소요 성능을 확보하기 위해서 이 절에서 정한 노출 환경에 따른 균열폭제한은 시공 중인 임시상황뿐만 아니라 정상상황에서 예측되는

      적합한 하중조합에서 적용하여야 한다.

 

 

                                             < 허용균열폭 Wa(mm) >

 

강재의 종류	강재의 부식에 대한 환경조건
	건조 환경	부식 환경	부식성 환경	고부식성 환경
철근	0.4mm와 0.006tc 중 큰 값	0.3mm와 0.005tc 중 큰 값	0.3mm와 0.004tc 중 큰 값	0.3mm와0.0035tc 중 큰 값
PS 강재	0.2mm와 0.005tc 중 큰 값	0.2mm와 0.004tc 중 큰 값	-	-

여기서 tc : 최외단 주철근의 외측표면과 콘크리트 표면사이의 최소 피복두께(mm)

 

    2) 균열의 검토

       휨모멘트 및 축방향력을 받는 부재에서 비균열 단면으로 계산한 콘크리트의 인장응력이 보다 작을 경우에는 휨균열을 검토하지 않아도 좋다.

       휨모멘트 및 축방향력을 받는 부재에서 아래 규정을 만족하는 경우 휨균열폭에 대한 검토가 이루어진 것으로 간주할 수 있다.

       보 또는 1방향 슬래브에서 휨균열을 제어하기 위하여 콘크리트 인장 연단에 가장 가까이 배치된 휨철근의 중심 간격 s는 아래 식에 의해 계산된 값

       중에서 작은 값 이하로 하여야 한다.

 

      여기서, Kcr은 건조환경에 노출되는 경우에는 280이고, 이 외의 환경에 노출되는 경우에는 210이다. Cc는 인장철근이나 긴장재의 표면과 콘크리트 

      표면상이의 최소 두께이다. fs 는 사용하중 상태에서 인장연단에서 가장 가까이에 위치한 철근의 응력이다. 다만, 간단한 방법으로 균열을 검증하고자

      할 때에는2/3fy를 근사적으로 사용할 수 있다.

       특별히 수밀성이 요구되는 구조의 경우에는 콘크리트구조기준(2012)의 부록Ⅲ에 주어진 방법에 의해 균열폭을 산정하여야 하며, 그 결과를 위의 표에

      규정된 허용균열폭을 기준으로 균열폭을 검토하여야 한다. 전단균열, 비틀림 균열의 검토가 필요한 경우에는 적절한 방법에 따라 검토해야 한다.

 

  나. 처짐의 제한

      처짐 계산에 의하여 더 작은 두께를 사용하여도 유해하지 않다는 검토를 한 경우를 제외하고, 큰 처짐에 의하여 손상되기 쉬운 칸막이벽이나

      기타 구조물을 지지하지 않는 1방향 구조물의 경우 다음 표에 정한 최소 두께를 적용하여야 한다.

 

                   <처짐을 계산하지 않는 경우의 보 또는 1방향 슬래브의 최소 두께>

 

부 재	최소두께 , h
	단순지지	1단 연속	양단 연속	캔틸레버
	큰 처짐에 의해 손상되기 쉬운 칸막이벽이나 기타 구조물을 지지 또는 부착하지 않은 부재
․1방향 슬래브	ℓ / 20	ℓ / 24	ℓ / 28	ℓ / 10
․보 ․리브가 있는 1방향 슬래브	ℓ / 16	ℓ / 18.5	ℓ / 21	ℓ / 8

 

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

      철근을 사용한 부재에 대한 값이며 다른 조건에 대해서는 그 값을 다음과 같이

      수정하여야 한다.

        - 1,500～2,000 kg/m³범위의 단위체적질량을 갖는 구조용 경량콘크리트에 대해서는 계산된 h값에

          (1.65～0.00031mc)를 곱해야 하나, 1.09보다 작지 않아야 한다.

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

5. 기타사항

  가. 배수설비

      지하차도에 유입되는 강우 및 지하수 등의 배수처리가 자연배수로 불가능한 경우에는 배수구를 집수정과 연결시켜 배수펌프로 강제 배출시키며

      배수펌프는 자동으로 작동하도록 한다. 집수정의 크기는 유입수량 및 펌프의 용량에 의해 결정되나 배수효 과 및 청소, 유지관리 등을 고려하여

      최소 면적 및 기계실을 폭 4m×6m로 하고 집수 정의 깊이는 2.0m이상으로 한다. 또한 집수구에는 침사조를 설치하여야 하며 배수펌프는 잠수형으

      하며 펌프용량은 강우 및 지하수의 유입량으로 산정하여 결정하며 펌프의 고장 및 수리를 위해 예비 펌프를 1대 추가하여 설치하도록 한다.

       배전판, 방송시설등 기전시설은 침수를 대비하여 지상에 설치되도록 한다.

    1) 집수정 용량 계산

        집수정 용량계산은 하수도 설계기준에 의해 원칙적으로 합리식을 사용하도록 한다.

        집수면적은 지하차도중 BOX 구간을 제외한 연장과 노면폭으로 하며 인근 노면수의 유입을 고려한다.

        지하차도의 우수 유출량 산정의 확률년수는 10년 확률빈도를 적용한다.

        집수정의 용량은 하수도 기본계획재정비 보고서의 강우 강도식에 따라 합리식을 따른다.

        지하차도는 일반적으로 도심지내에 시공되는 경우가 많으며, 주요 기반시설로서 침수피해 발생시 도로의 기능 상실 등 큰 손실을 야기할 수 있다.

          따라서 지하차도 배수설계를 위한 설계발생빈도는 50년 이상을 적용하는 것이 바람직하며, 다음 표를 참고할 수 있다.

 

 

                                       < 도로 배수시설물의 설계빈도 >

 

구 분	발 생 빈 도
암거 및 배수관 (도시계획구간 등의 경우)	25년 (50년)
노면 및 비탈면 배수	10년
측도 및 도로 인접지 배수	10년
집수정 등 배수 구조물간 접속부	접속하는 시설물 중 빈도가 큰 값 적용

 

    2) 집수조의 크기

       집수조의 크기는 배수량을 30분 이상 저수할수 있어야 한다. 집수조에 설치되는 침사조는

       사람이 자유롭게 청소할 수 있는 크기로 하고 집수조 전 용량의 20 ～30% 크기로 한다.

    3) 배수펌프

       배수펌프 형식은 배수용 수중 모타펌프로하며 펌프용량을 유입량으로 산정하고, 고장 및 수리를 위해 예비펌프를 1대 추가하여 설치한다.

  나. 내 장

      지하차도에서의 내장은 주로 시각환경을 개선하는 목적으로 설치되며 불연재료로 함을 원칙으로 한다.

        내장에는 블록붙임, 타일붙임. 칠, 패널 등이 있으며 현재 주로 적용하고 있는 것은 타일붙임이 대부분이다.

    1) 내장의 목적

       조명효과를 크게하고 지하차도안의 시각환경을 양호하게 유지한다.

       지하차도의 벽면을 한 가지로 하여 미관을 갖춘다.

        - 배선, 배관을 가능한 노출시키지 않음.

        - 피복면의 고르지 않은 부분을 조정함.

        - 누수 등을 벽면에 노출시키지 않음.

           지하차도안의 소음을 흡수한다.

    2) 내장이 구비할 조건

        내장 설치폭은 단면의 감소를 최소화하면서 좁은 범위에 시공할 수 있을 것

        내장표면의 반사율은 장기적으로 양호할 것

        내장표면은 매연 등의 오염물이 부착되지 않고 또한 부착된 오염물은 물로 청소 하기 쉬울 것

        내장은 구조상 어느정도 이상의 강도와 내식성 및 내후성을 가지고 있고, 미관이 양호할 것

        화재시 내화성이 우수하여 유해가스가 발생하지 않을 것

        흡음 내장은 흡음률이 높을 것

        경제적인 시공과 유지 보수가 용이할 것

        내장면에 자동차 접촉시 내장구조의 파괴에 의해 2차적인 재해를 일으킬 염려가 적은것

        동결 융해에 의한 재질 변화가 적을 것

    3) 내장재 설치 높이는 터널공의 터널 내장재 설치 높이를 준용함.

  다. 조명설비

      지하차도의 조명설비는 6. 터널공의 전기시설 기준을 따르도록 한다.

  라. 방수공

      방수공법은 크게 구체방수와 외벽방수로 구분할 수 있다.

      구체방수는 굳지 않은 콘크리트에 액상 혹은 분말 방수재를 투입하여 콘크리트 경화 후 내부 공극 충진 등을 통한 수밀성 향상으로 방수 기능을

      발휘하는 것이다.

      외벽방수는 경화된 구조물 외벽에 도막계, 쉬트계, 복합계 등 방수재를 도포 혹은 접착시켜 방수기능을 수행하는 공법이다.

      방수공법 선정시에는 내구성, 구조물 거동 대응성, 방수성 등 기본적인 성능뿐만 아니라 경제성, 현장 특성을 고려한

      시공성 및 지하차도의 중요도 및 규모 등을 고려한 종합적인 검토와 판단이 필요하다.

  마. 신축이음장치

    1) Box 구조물

       지하Box구간에는 20~50m간격으로 신축이음장치를 설치하는 것이 바람직하나 그 이상의 신축이음 길이를 적용할 경우에는 신축이음에 대한
       상세검토를 수행한다.

    2) U-Type 구조물

       U-Type 구조물은 외기에 노출되어 있어 온도변화가 크고, 높이 변화가 커서 지반조건 및 구조물 강성의 차이가 있으므로 20m 이내로

       신축이음을 설치하는것이 바람직하나 그 이상의 신축이음 길이를 적용할 경우에는 신축이음에 대한 상세검토를 수행한다.

       또한, Box 구조물과의 접합부에도 신축이음을 두어 거동이 다른 구조물을 분리하여 안전성을 도모한다.

       신축이음부에는 dowel bar 등을 설치하여 구조물 단차발생 등을 방지토록 하고, 누수방지를 위한 방수재를 설치하는 것이 바람직하다.

       차륜하중을 직접 받아 파손 등으로 유지관리가 필요한 바닥슬래브에는 방수성, 유지보수성, 주행성을 감안하여 앵글조인트를 등을 적용할 수 있다.

  3) 신축량 검토

     신축량이라 함은 온도변화에 의한 신축량과 건조수축에 의한 신축량의 합이다.

      ① 온도변화에 의한 신축량

          온도변화에 의한 신축량 △Lt은 다음과 같다.

          △Lt = α․L ․△t

 

          여기서, α : 선팽창 계수 (1.0×10-5)

          L : 신 축 장

          △t : 온도변화 (±20°C)

 

      ② 콘크리트의 건조수축에 의한 신축량

          건조수축에 의한 신축량 △Lsh 은 다음과 같다.

          △Lsh = εsh ․ L

 

          여기서,εsh : 건조수축 변형률(1.5×10-4)