교량설계시 고려해야할 하중

[장과장]

1. 개 요

구조물 설계에 있어 하중의 평가는 매우 중요하다. 대부분의 경우는 규정화된 시방서를 이용하고 특별한 경우는 검사하도록 한다.

※ 교량을 설계할 때에 고려해야 할 하중의 종류

● 주 하 중 (P)

1.고정하중(D) 2.활하중(L) 3.충격(I) 4.프리스트레스(PS)

5.콘크리트 크리프의 영향(CR) 6.콘크리트 건조수축의 영향(SH)

7.토압(H) 8.수압(F) 9.부력 또는 양압력(B)

● 부 하 중(S)

10.풍하중(W) 11.온도하중의 영향(T) 12.지진의 영향(E)

● 주하중에 상당하는 특수하중(PP)

13.설하중(SW) 14.지반변동의 영향(T) 15.지점이동의 영향(SD)

16.파압(WP) 17.원심하중(CF)

● 부하중에 상당하는 특수하중(PA)

18.제동하중(BK) 19.가설시하중(ER) 20.충격하중(CO)

21.기타

주하중은 구조물에 항시 작용하는 것으로 교량의 기본설계는 이 주하중을 대상으로 해서 행하여 진다. 기타 하중은 교량에 불리한 조합으로 그 기본구조에 재하시켜 그에 대한 강도를 검사한다. 강도가 부족한 경우에는 사용재료의 바꿈, 허용응력의 증가 등이 있다.

2. 고정하중(Dead Load)

고정하중은 구조물 자신의 자중이며 사용된 재료의 체적과 비중으로 정해진다.

구조물의 자중은 그 구조물의 규격에 따라 대체로 정해지며, 설계시 가장 먼저 생각해야 하는 하중 이다. 추정 고정하중으로 계산된 교량의 설계 고정하중과 추정된 값을 비교하여 큰 차가 있으면 단면추정을 다시하여 설계를 반복해야 한다.

3. 활하중(Live Load)

(1) 개 요

철도교량에서는 열차, 도로교량에서는 자동차행렬, 난간은 군중등이 주된 하중으로 된다. 고정하중과는 달리 분포상태 및 하중강도의 시간적 변동이 크며 또한 교량에 동적인 효과를 주어 예측되는 가장 무거운 차축 등을 교량에 가장 불리하도록 재하시켜도 붕괴되지 않으면 안전하다고 말할 수 있으나 그렇게 되면 과대한 강도를 요구하게 되어 합리적이며 경제적인 설계라고는 말할 수 없게 된다.

※ 차량하중 - 표준트럭하중(DB 하중)

교량 등급	하중	총중량(T)	전륜하중 0.1W(kg)	후륜하중 0.4W(kg)	전륜폭b1 (cm)	후륜폭b2 (cm)	차륜 접지폭 a(cm)
1등교	DB-24	43.2	2,400	9,600	12.5	50	20
2등교	DB-18	32.4	1,800	7,200	12.5	50	20
3등교	DB-13.5	24.3	1,350	5,400	12.5	50	20

※ 차선하중(DL 하중)

교량 등급	하중	집중하중P (t/Lane)		등분포하중W(t/m/Lane)
		휨모멘트 계산용	전단력 계산용
1등교	DL-24	10.8	15.6	1.27
2등교	DL-18	8.1	11.7	0.95
3등교	DL-13.5	6.08	8.78	0.71

(2) 자동차 하중

우리나라에서는 표준트럭하중과 차선하중, 보도하중 등을 활하중으로 한다. 국도와 주요도시의 가로에 가설되는 교량은 원칙적으로 1등교, 지방도와 교통량이 적은 지방도시의 가로에 가설되는 교량은 2등교, 또 산간벽지나 교통량이 경미한 곳에 가설될 교량은 3등교로 하되 가설지점의 교통량과 교통하중의 크기를 변경할 수 있다.

W (설계 차선폭) = Wc / N

(3) 열차 하중

우리나라 철도교 설계에는 사하중, 활하중, 충격, 원심하중, 풍하중, 횡하중, 제시동하중 및 기타(온도변화, 진동, 가설하중)를 고려한다. 사하중 산출은 강중량 추산도표를 적용하고, 활하중은 L,S 하중 중 생각하는 부재에 큰 영향을 주는 쪽을 적용한다.

4. 충격 (Impact)

차량하중은 교량에 상당한 충격을 주며 그 영향은 해당 차량하중에 충격계수를 곱한 값으로 함.

                    15

I (충격계수) = ---------- ≤ 0.3

                  40 + L

5. 풍하중

수평으로 작용하는 활하중으로 설계부재에 가장 불리한 응력이 일어나도록 재하시킨다.

※ 판 형 교 의 풍 하 중

단 면 형 상	단 면 크 기	비 고
1 ≤ B/D < 8	[400-200(B/D)] D ≥ 600	B : 교량 총폭(M) D : 교량 총높이(M)
8 < B/D	240 D ≥ 600

6. 지진 (Earthquake)

(1) 설계진도

구조물이 지진에 의해 진동이 일어나면 그 구조물의 각 부분은 각각 가속도와 질량에 비례한 힘, 관성력을 갖는다. 이 힘을 정적인 구조물에 가해서 일어나는 응력이 어느 허용응력내에 있으면 대체로 진동에 설계가 가능하다.

Kn (설계 수평진도) = V1 * V2 * V3 * K0

(2) 우리나라의 주요지진 내용

․ 속리산 지진 (1978년 9월 16일) : 규모 5.2 ․ 삭주 지진 (1980년 1월 8일) : 규모 5.3

․ 울산 지진 (1992년 1월 21일) : 규모 4.0

(3) 내진설계

ㄱ. 내진설계의 절차 및 흐름도

시방서의 적용범위

예 비 설 계

▪ 가 속 도 계 수 결 정 ▪ 내 진 등 급 설 정 ▪ 지 반 계 수 결 정 ▪ 응답 수정 계수 결 정

단

경간

YES

교

량

NO

내진2등급교

내진1등급교

설계 지진력 결정

설계지진력 결정

해석방법의 결정

▪ 단일모드스펙트럼 ▪ 복합모드스펙트럼 ▪ 면진슈 적용 Seismic Isolation 해석

설계변위 결정

설 계 변 위 결 정

각 부 재 의 방 향 별

탄성지진력과 변위 결정

방향별 탄성지진력 합성

▪ 설계지진력 결정 ▪ 설계변위 결정

▪ 구 조 부 재 설 계 ▪ 기 초 설 계 ▪ 교 대 설 계

(해당사항 없음)

부재

단면의

No

단면조정

적정

여부

Yes

내진설계 완료

ㄴ. 내진설계방법의 종류 및 적용

해석방법	내 용	사각의 고려가 중요한 일반교량	사각이 심하지 않은 일반교량	교 대 옹 벽
단일모드 스펙트럼	기하학적인 형상등이 급격히 변하지 않는 일반교량에 적용	△	○
다중모드 스펙트럼	기하학적인 형상등이 급격히 변하여 정밀해석이 요구되는 구조물에 적용	○ (설계적용 해석법)
적용사유	-	각 방법의 해석을 수행한 후 비교검토하여 최적의 해석법을 선택	단순한 모델링을 하여 설계의 간편 도모	-

기본모드	m번째 진동모드	Tm=4초를 넘는 M번째 진동모드	계수 설명
Cs = 1.2AS / T^2/3	Csm = 1.2AS / Tm ^2/3	Csm = 3AS / Tm^4/3	A : 가속도계수 S : 무차원지반계수 T : 교량의 주기

가. 가속도 계수 (도로교설계기준 p.455)

(1) 지진재해도 해석 결과에 근거하여 우리나라의 지진구역을 표와 같이 설정한다. 각 지진구역에서의 평균재현주기 500년 지진지반운동에 해당하는 지진구역계수는 표에 수록된 바와 같이 구역 Ⅰ에서는 0.11, 구역 Ⅱ에서는 0.07이다.

(2) 평균재현주기별 최대유효지반가속도의 비를 의미하는 위험도계수 기준은 평균 재현주기 500년 지진이다.

(3) 교량이 위치할 부지에 대한 지진지반운동의 가속도계수 A는 내진등급별 설계지진의 재현주기에 해당되는 위험도계수를 지진구역에 따른 지진구역계수에 곱하여 계산한다.

지진구역	행 정 구 역(5)
Ⅰ	시	서울특별시, 인천광역시, 대전광역시, 부산광역시, 대구광역시, 울산광역시, 광주광역시
	도	경기도, 강원도남부(1), 충청북도, 충청남도,경 상북도, 경상남도, 전라남도북동부(2), 전라북도
Ⅱ	군	강원도북부(3), 전라남도남서부(4), 제주도

주) : (1) 강원도 남부(군,시) : 영월, 정선, 삼척시, 강릉시, 동해시, 원주시, 태백시

(2) 전라남도 북동부(군,시) : 장성, 담양, 곡성, 구례, 장흥, 보성, 여천, 화순, 광양시, 나주시, 여천시, 여수시, 순천시

(3) 강원도 북부(군,시) : 홍천, 철원, 화천, 횡성, 평창, 양구, 인제, 고성, 양양, 춘천시, 속초시

(4) 전라남도 남서부(군,시) : 무안, 신안, 완도, 영광, 진도, 해남, 영암, 강진, 고흥, 함평, 목포시

(5) 행정구역의 경계를 통과하는 교량의 경우에는 구역계수가 큰 값을 적용한다.

￭ 지진구역계수 (재현주기 500년에 해당)

지진구역	Ⅰ	Ⅱ
구역계수	0.11	0.07

￭ 위험도 계수

재현주기(년)	500	1000
위험도계수	1.0	1.4

나. 내진등급과 설계지진수준

(1) 교량의 내진등급은 표와 같이 교량의 중요도에 따라서 내진Ⅰ등급, 내진Ⅱ등급, 내진특등급의 3가지 등급으로 분류한다.

(2) 교량은 표에서 내진등급별로 규정된 평균재현주기를 갖는 설계지진에 대하여 설계되어야 한다.

￭ 도로교의 내진등급과 설계지진

내진등급	교 량	설계지진의 평균재현주기
내진Ⅰ등급교	-고속도로, 자동차전용도로, 특별시도, 광역시도 또는 일반군도상의 교량 -지방도, 시도 및 군도 중 지역의 방재계획상 필요한 도로에 건설된 교량, 해당도로의 일일계획교통량을 기준으로 판단했을 때 중요한 교량 -내진Ⅰ등급교가 건설되는 도로위를 넘어가는 고가교량	1000년
내진Ⅱ등급교	내진특등급교와 내진Ⅰ등급교에 속하지 않는 교량	500년

다. 지반의 분류

(1) 지반의 영향은 교량의 지진하중을 결정하는데 고려되어야 한다. 지반계수 S는 다음에 정의된 지반종류에 근거를 두고 있다.

￭ 지반계수

지반계수	지 반 종 류				지 반 종 류
	Ⅰ	S=1.0	Ⅱ	S=1.2	Ⅲ	S=1.5	Ⅳ	S=2.0

￭ 지반의 분류

지반종류	지반종류의 호칭	지표면아래 30m 토층에대한 평균값
		전단파속도 (m/s)	표준관입시험 (N치(1))	비배수전단강도 (kPa)
Ⅰ	경암지반 보통암지반	760이상	-	-
Ⅱ	매우 조밀한토질지반 또는 연암지반	360에서760	＞50	＞100
Ⅲ	단단한 토사지반	180에서360	15에서50	50에서100
Ⅳ	연약한 토사지반	180미만	＜15	＜50
Ⅴ	부지 고유의 특성평가가 요구되는 지반

주) : (1) 비 점착성 토층만을 고려한 평균 N치

(2) 지반종류V는 부지의 특성 조사가 요구되는 다음 경우에 속하는 지반으로서, 전문가가 작성한 부지종속 설계응답스펙트럼을 사용하여야 한다.

(가) 액상화가 일어날 수 있는 흙, 퀵클레이와 매우 민감한 점토, 붕괴될 정도로 결합력이 약한 붕괴성 흙과같이 지진하중 작용시 잠재적인 파괴나 붕괴에 취약한 지반

(나) 이탄 또는 유기성이 매우 놓은 점토지반 (다) 매우 높은 소성을 갖은 점토지반

(라) 층이 매우 두꺼우며 연약하거나 중간 정도로 단단한 점토지반

라. 응답수정계수

(1) 내진설계를 위해 추가로 규정한 설계요건을 모두 충족시키는 경우, 교량의 각 부재와 연결부분에 대한 설계지진력은 탄성지진력을 아래의 표의 응답수정계수로 나눈 값으로 한다. 다만 하부구조의 경우 축방향력과 전단력은 응답수정계수로 나누지 않는다.

(2) 내진설계를 위해 추가로 규정한 설계요건을 충족시키지 못하는 경우, 하부구조와 연결부분에 대한 응답수정계수는 각각 1.0과 0.8을 넘지 못한다.

(3) 응답수정계수 R은 하부구조의 양 직교축방향에 대해 모두 적용한다.

(4) 벽식교각의 약축방향은 기둥규정을 적용하여 설계할 수 있다. 이때 응답수정계수 R은 단일 기둥의 값을 적용할 수 있다.

￭ 응답수정계수, R

하부구조 R	연 결 부 분(1) R
벽 식 교 각 2	상부구조와 교대 0.8
철근콘크리트 말뚝 가구 (Bent) 1. 수직말뚝만 사용한경우 3 2. 한 개 이상의 경사말뚝을 사용한 경우 2	상부구조의 한 지간내의 신축이음 0.8
단일 기둥 3	기둥, 교각 또는 말뚝가구와 캡빔 1.0 (Cap Beam)또는 상부구조
강재 또는 합성강재와 콘크리트 말뚝 가구 1. 수직말뚝만 사용한경우 5 2. 한 개 이상의 경사말뚝을 사용한 경우 3	기둥 또는 교각과 기초 1.0
다주 가구 5

주) : (1) 연결부분은 부재간에 전단력과 압축력을 전달하는 기구를 의미하며, 교량받침과 전단키가 이에 해당된다. 이때 응답수정계수는 구속된 방향으로 작용하는 탄성지진력에 대하여 적용된다.

ㄷ. 교대ㆍ옹벽해석에 적용된 기준

                 ￭ 지진시 토압산정

지진시 토압은 Coulomb의 주동토압계수를 수정한 Mononobe-Okabe 방정식을 이용함.

여기서, KAE : 주동토압계수 , KPE : 수동토압계수

φ : 흙의 내부마찰각 , θ : tan-1{kh/(1-kv)}

δ : 흙과 교대사이의 마찰각 , i : 뒷채움흙의 경사각

β : 흙의 표면에서의 경사 , kh : 수평가속도계수

kv : 연직가속도계수

                 ￭ 지진시 관성력

안정계산시	단면검토시
자중 + 뒷굽상의 배면토	자 중

7. 기타하중

(1) 온도변화 (Temperature gradient)

강교에서는 가설시의 온도변화의 범위를 -20℃(추운곳에서는 -30℃) ～ 50℃로 한다. 콘크리트교의 온도변화 범위는 지역별 평균기온을 고려하여 정하며 보통 온도의 승강은 각각 15℃로 한다.

(2) 충돌하중

중량 W의 물체가 충돌해서 속도가 V0에서 V1으로 변하면 그 충돌력은 접촉부분의 변형과 힘의 동적관계임을 알게된다.

자동차의 충돌           W

               FΔt = ----- (υo - υ1)

                        g

유목 등의 충돌하중 P = 0.1 × W × υ

(3) 수압 (Hydraulic Pressure)

․ 정수압을 받을때 Ph = ωo x h

․ 유수압을 받을때 P = K x υ2 xA