철근콘크리트 암거1

鐵筋콘크리트 暗渠(I)

박스형 암거, 아치형 암거, 문형 암거

Ⅰ. 적용

본 편은 철근 콘크리트 암거(박스형 암거, 아치형 암거 및 문형 암거)를 설계함에 있어서 필요로 하는 기본 사항 및 관형 암거의 표준 설계 방법, 그리고 본선용 암거의 설계에 적용한다.

본성용 암거란 본선, 연결로 등을 통과시키기 위해 만드는 것을 말하며, 설계에서는 본편 1~5장을 적용한다. 또 본선에 만드는 U형 옹벽에 대해서도 해당 장소에 따라 본선용 암거를 준용한다.

박스형 암거, 아치형 암거 및 문형 암거의 공통 사항은 박스형 암거의 항에 표시하므로, 아치형 암거 및 문형 암거 항에 표시되어 있지 않는 사항은 박스형 암거 항을 준용한다.

이 요령에 규정되어 있지 않는 사항에 대해서는 아래의 시방서 및 지침에 따른다.

• 콘크리트 표준시방서, 건설부
   
• 도로공사 표준시방서, 건설부
   
• 토목공사 일반 표준시방서, 건설부
   
• 도로 토공 지침, 한국도로공사

Ⅱ. 암거의 계획

1. 평면 형상

암거의 계획은 도로 또는 수로의 상황에 적합하고, 또본선과 평면 교차각이 큰 (90°에 가깝게) 형상을 선택한다.

사각을 이루는 박스형 암거, 아치형 암거 및 무형 암거는 한쪽면만 토압의 영향을 받아 부재에 생기는 응력이 작각 암거보다 크다. 이 영향은 연약지반에 설치하는 암거의 경우가 더 현저하다. 따라서 평면 형상을 직각으로 하는 것이 바람직하다.

수로의 기점과 종점에서 기존 수로의 유속 및 수심이 바뀌면 하상의 세굴 또는 토사의 퇴적에 의한 하상 의 상승이 생겨 호안파괴의 원인이 되므로 계획에 있어서 주의해야 한다.

2. 내공단면

(1) 암거의 내공단면 결정에 있어서는 다음 조건을 만족시켜야 한다.

(가) 도로암거

① 도로의 건축한계 이상일

② 매설관 등의 설치 공간을 확보할 것

(나) 수로암거

① 계획유량을 통과시킬 수 있는 단면일 것

② 내공 높이는 H.W.L + 여유고 이상일 것

(다) 본선용 암거

① 소정의 건축한계 이상일 것

② 조명등 기타 제시설을 설치할 수 있는 공간을 확보할 것

암거의 내공단면은 보통설계 협의과정에서 결정되나 이때 표준설계 단면을 채택하도록 각별히 유의한다.

(2) 연약지반 위에 암거를 시공할 경우에, 시공 후 침하에 의한 장애(도로 건축한계의 부족, 수로 단면의 부족 등)가 예측되고 또한 더올림만으로 대처할 수 없을 때는 암거의 내공 높이에 여유를 둔다.

연약지반 위에 시공되는 암거는 침하에 의해 각종 지장을 받으므로, 선재하(Preloading) 처리하여 시공후의 침하를 적게 하는 것이 원칙이다. 그러나 침하가 공용후에도 장기간 계속되어 암거의 기능에 지장을 주는 일이 많으며, 시공 후의 침하를 더올림만으로 처리할 수 없을 때에는 내공단면의 여유를 두어야 한다. 이렇게 함으로써 침하량만큼 암거 바닥을 덧쳐 올리고, 노면을 덧씌우기해도 암거의 기능을 유지할 수 있게 한다.

3. 암거의 형식 선정

암거의 형식 선정에는 여러 가지 조건이 고려되어야 하므로 일률적으로 정할 수는 없으나 일반적인 선정기준을 <표1>에 표시한다.

<표1> 암거의 형식 선정
 

Ⅲ. 박스형 암거

1. 형상

(1) 평면형상

<그림1>

<그림2>


박스형 암거의 평면형상은 사각이 큰 때는 <그림1>, 사각이 작을때는 <그림2>와 같다. 신축줄간격 L1, L2는 10~15m로 하고, 직각일 때 L1은 공장생산 철근의 규격품으로 겹이음 없이 배근할 수 있는 길이를 기준으로 한다.

또한 경사각의 각도 및 긴 변과 짧은 변 비의 에한치를 <표2>에 표시한다.

<표2>
 

(2) 토피 두께와 부재 단면

최소 토피 두께는 원칙적으로 포장 두께(일반적으로 50cm 정도)로 하지만 건축한계의 제한 등 부득이할 경우에는 15cm 까지 한다. 또, 암거 위의 토피 두께가 변할 때는 최대 토피 두께(h2)로 계산하고 이것으로 정해진 단면을 전체에 적용한다. (<그림3>)

단, 차선 분리등의 영향으로 토피 두께의 변화폭이 매우 클 때는 각각의 토피 두께로 부재 단면을 정한다.

<그림3>

2. 하중

(1) 사하중 및 토압

① 상부슬래브의 하중

(가) 암거 윗면에 작용하는 연직하중은 식(1)로 계산 한다.(<그림4>)

<그림4>

<표3>

P_v = αㆍrㆍD ................. (1)

여기서,

P_v : 암거 윗면에 작용하는 연직 토압(t/m²)

r : 암거 상부의 흙의 단위체적중량 (t/m³)

D : 암거의 토피 두께(m)

B₀ : 암거의 외측 폭(m)

α: 연직 토압계수

α의 값은 D/B₀의 값에 따라 <표3>의 값으로 한다.

(나) 상부슬래브 하중은 식(2)로 계산한다.

W_d = r_cㆍT₁ ....................(2)

W_d : 상부슬래브 하중 (t/m3)

r_c : 철근콘크리트의 단위체적중량(t/m3)

(r_c = 2.5 t/m³ 로 함)

T₁ : 상부슬래브 두께

②암거 저면에 작용하는 하중

암거 저면에 작용하는 하중은 식(3)으로 계산한다.
 

여기서,

q_d : 암거 저면에 작용하는 하중 (t/m³)

T₃: 암거의 측벽 두께(m)

H : 암거의 내공 높이(m)

B₀: 암거의 외측폭(m)

③ 수평 토압

암거 측면에 작용하는 토압은 식(4)에 계산한다.(<그림5>)

P_h = KㆍrㆍZ

여기서,

P_h : 암거 측면에작용하는 수평토압 (t/m³)

K : 정지토압계수 (K = 1-sinФ)

Z : 포장면에서 임의 점 까지의 깊이

④ 흙의 단위체적중량 r는 일반적으로 포장을 포함해서 2t/m³로 하는 것이 좋으나 흙의 토피 두께가 클때는 실제의 흙에 따라 값을 채택한다.

⑤ 연직토압계수에 대해

암거 위의 흙 기둥에 작용하는 전단응력은 서로 반대 방향으로 작용한다.

<그림5>

따라서, 암거의 상면에 작용하는 연직 토압은 철근 콘크리트 암거와 같이 강성이 큰 암거에서는 rㆍD 의 값보다 증가하고 코리게이트 파이프와 같은 경우는 rㆍD 의 값보다 감소한다. 연직 토압계수는 α는 이 증가비율을 나타낸 것이다.

<그림6>은 각종 자료에 대한 α의 값을 나타낸 것이다. 이 현상은 영구적이 아니고 시가나 경과와 함께 흙의 리락세이션 때문에 감소되는데 시간 경과와 α의 관계는 분명치 않다. 만일 암거가 말뚝기초 등과 같은 강성기초로 지지되어 있지 않아서 흙쌓기의 침하와 더불어 암거가 동시에 침하하는 경우에는 α= 1.0 으로 본다

⑥ 암거 저면의 지반반력 계산에 대해서는 암거 저판이 자중으로 작용하나,단면 계산에서는 상쇄되므로 고려하지 않는다.

⑦ 측벽에 작용하는 토압을 크레 하면 우각부의 휨모멘트는 증가하고 지간 중앙의 휨모멘크는 감소한다.

<그림6>

(2) 활하중

① 활하중

(가) 활하중은 DB-24하중을 재하한다고 보고 일&#42104;&#36929;적으로 뒷바퀴 하중(T₁)을 사용한다.

(나) DB-24에 의한 암거 종방향 단위 길이당 하중은 식(5)로 계산한다.
 

여기서 P : 종방향단위 길이당 하중 (t/m)

(다) 활하중의 분포는 접지폭 0.2m 로지간방향에만 45°로 분포한다.

② 연직 하중 및 측면 하중

(가) 토피 두께 4m 미만인 경우

암거 상면에 작용하는 활하중에의한 연직하중은 식(6)으로 계산한다.
 

여기서,

P_vl : 암거상면에 작용하는 활하중에 의한 연직하중 (t/m²)

W₁ : 활하중의 분포폭 (W₁ = 2D+0.2) (m)

D : 토피두께 (m)

I : 충격 계수

P : 식(5)에서 구한 값

충격계수 I 값은 <표4>의 값으로 한다.

<표4>
 

<그림8>

한편 B > W₁ 경우에는 <그림8>의 P_vl이 암거 전폭(W₁)에 작용한다고 본 상태와 0.2m+2D 의 폭에 재하되는 경우의 모멘트가 같다고 놓아 P_vl을 구하여, 이 값을 등분포 하중으로 한 다면력을 구한다. 이때의 암거 전폭에 작용하는 P_vl은 식(7)과 같이 구한다.
 

또, 암거 지면에 작용하는 활하중은 식(8)로 계산한다.
 

여기서, q_l : 암거 저면에 작용하는 활하중 (t/m²) 암거의 측면에 작용하는 수평하중 활하중 (P_hl)은 깊이 z 에 관계없이 일정하게 0.6t/m²로 한다. 이상과 같이 계산한 연직하중을 고려하는 단면에 대해 최대응력이 생기는 위치에 배치해서 단면력을 계산한다. (<그림8>)

(나) 토피 두께 4m 이상인 경우

토피 두께 4m이상인 경우의 연직 하중 및 측면 수평 하중은 <그림9>에 표시하는 일정한 하중을 생각하면 된다.

③ 본선용 암거에 대해서는 박스, 라멘의 밑판에 연직 스프링을 고려한 구조계로 설계를 하며 하중은 박스형 암거의 항을 적용한다.

<그림9>

<그림10>

<그림11>

또한, 다음의 하중에 대해서도 동시에 고려해야 한다.

(가) 활하중에 의해 저판 축선에 작용하는 연직하중은 식(9)로 계산한다.
 

여기서,

P_vl : 저판 축선에 작용하는 연직 하중 (t/m²)

T₁ : 윤하중(T₁ = 9.6t)

B₁ : 활하중의 분포폭 (B₁ = D_L + 2t + 0.5) (m)

L₁ : 활하중의 분포폭 (L₁ = D_L + 2t + 0.2) (m)

I : 충격계수 (i = 0.3)

D_L : 저판 두께 (m)

t : 포장 두께 (m)

(나) 격벽에는 충돌하중을 고려한다.

④ 본선용 암거에 대해서는 활하중이 저판에 작용하게 되므로 본선 이외의 암거의 활하중을 다르게 적용하여야 할 것이며, 이때 충격계수 역시 <표4>을 따르지 않고
i = 0.3 을 적용하도록 한다.

(3) 온도 변화 및 건조수축의 영향

암거를 설계할 때는 일반적으로 온도변화 및 건조수축의 영향은 생각치 않아도된다.

일반적으로 암거는 토피가 있으므로 온도 변화는 토피 두께의 증가와 더불어 급격히 감소하여 토피 두께 50cm 정도에서 그 변화가 대단히 작아진다.

즉, 온도 변화와 건조수축의 영향을 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우는 휨모멘트비를 구하면 <표5>와 같이 되어 무시할 수 있는 값이므로 이들 영향은 생각치 않아도 된다.

<표5>
 

여기서,

M_t : 온도 변화 (-10℃)의 영향에 따른 휨모멘트

M_s : 건조수축 (-15℃)의 영향에 따른 휨모멘트

M_n : 온도 변화 및 건조수축을 고려하지 않을 경우의 휨모멘트

(4) 지진의 영향

일반적으로 박스형암거는 흙 속에 설치되며 다소변위(구조물 전체로서의 변위)가 허용되기 때문에 지진의 영향은 고려하지 않아도 된다.

(5) 하중의 조합

암거의 단면 계산에 사용하는 하중 조합은 토피 두께 4.0m 미만과 4.0m 이상의 두가지로 나누어서 생각한다.

① 토피 두께 4.0m 미만의 경우

토피 두께 4.0m 미만일 때에는 <그림12>에 표시한 (a),(b) 두 가지의 하중에 대해 계산한 단면력 중 큰 쪽으로 단면 계산을 한다.

<그림12>

② 토피두께 4.0m 이상의 경우

토피두께 4.0m 이상일 때에는 <그림13>과 같은 방법으로 단면력을 계산한다.

③하중계수 및 하중 조합

<그림13>

설계단면력을 구하기 위한 하중계수 및 조합은 '콘크리트 표준시방서 설계편 제2편 강도설계법 3.2 설계 하중조합'과 '철근콘크리트 설계 편람(Ⅱ) 제4장 전단 및 비틀림설계'를 참고한다.

3. 단면력의 계산

(1) 하중 계산시에는 외측 치수선 (B₀, H₀ ) (<그림14(a)>)를 쓰고, 이것을 기준으로 계산한 하중을 응력 계산시에 우각부의 강역을 고려해서 골조선 (B', H')(<그림14(b)>)에 적용한다.

(2) 우각부의 단면응력은 각각의 강역 단면력을 사용해서 구한다. (<그림15>)

(3) 우각부의 내측은 응력 집중의 영향을 고려해서 콘크리트의 허용응력을 60kg/㎠ (σ_ck = 240kg/㎠인 경우) 정도로 하고, 철근의 허용응력은 변하지 않는 것으로 검토한다.

(4) 단면응력의 계산시 측면은 축방향력을 고려하고, 상부슬래브, 바닥슬래브에는 축방향력을고려하지 않는다.

(5) 암거를 계산할 때 라멘의 부재 절점의 강역을 고려해서 부재 단면을 경제적으로 설계한다.

(6) 강역을 고려했을 때 단면응력은 <그림15>①~① 단면에 대해서는 ①~① 단면의 휨모멘트로 검토하는 것이 보통이지만 하중에 토압과 같은 불확실한 요소가 들어 있으므로 안적측이 되도록 M₁으로 검토한다.

<그림14>

<그림15>

(7) 우각부를 휨을 받는 보라고 생각했을 때 단면의 불연속 효과에 의한 응력 집중 영향을 고려해서 이와 같이 정했다.

강역 고려 방법은 부재의 축선을 따라 축선이 교차하는 지점(수평 부재와 수직 부재의 축선교점)을 원점으로 하여 수직 부재 쪽으로는 수평 부재의두께의 ½, 수평 부재 쪽으로는 수직 부재의 두께의 ½에 해당하는 길이를 실제 부재의 강성 보다 10~100배의 강성을 갖도록 강성의 입력자료를 증가시킨다.

보통 10배의 강성을 입력하면 우각부 휨모멘트의 오차가 4% 정도이며, 100 배의 강성을 입력하면 0.4%정도의 우각부 후미모멘트 오차가 발생한다. 통상은 100배의 강성을 입력한다.

<표6>
 

4. 사각을 이루는 암거

(1) 형상

부득이 사각을 이루는 암거로 설계할 때는 다음과 같은 요령으로 처리한다.

(1) 사각 α가 <표6>에 표시한 값 이상일 때는 날개 벽(Wing)의 방향을 본선에 평행하게 한다. (<그림16>)

<그림16>

(2) 사각 α 및 L₀/L가 <표6>에 표시한 값 이상일 때는 연약지반의 경우 θ= 70°, L₀/L = 0.5, 보통지반의 경우 θ=60°, L₀/L=0.5 가 되도록 암거를 연장한다. (<그림17>)

<그림17>

(2)설계 계산

①사각을 이루는 암거는 보통의 토압 외에 한쪽면만 토압을 받는 경우도 고려한다. 사각을 이루는 암거의 토압에 의한 부재 응력은 저판과 단변측 측변과의 수평반력 분담비의 영향이 크므로 이것을 고려한다.

②저판의 수평반력은 기초지반의 전단저항과 측면의 수평반력의 비를 고려해서 계산한다. 사각을 이루는 암거에 작용하는 편토압의 크기를 기초지반의 상태, 사각, 형상(치수) 크리 및 흙쌓기 방법에 따라 다르다.

고속도로에서 시공한 사각을 이루는 암거의 상황을 조사한 결과, 연약지반에 만들어진 암거에 균열이 발생한 예가 많고 또 균열 상태,변위를 조사한 결과 한쪽면만 토압을 받는 경우 부재각향이 현저하므로 한쪽면만 토압을 받는 경우의 영향을 고려한다.

③부재 응력은 단위폭당 라멘으로서가 아니라 암거 전체의 강성을 고려해서 구한다.

5. 종방향검토

(1) 일반적으로 암거는 30m정도의 간격으로 신축줄눈을 둔다. 이와 같은 경우는 일반적으로 종방향의 검토는 하지 않아도 되나, 특별히 기초지반이 좋지않을 때는 종방향의 검토를 하는 것이 좋다.

(2) 종방향 검토시에, 종방향강성 EI를 무한대로 보고 지지조건은 탄성받침으로 한다.

6. 구조 제목

(1)배근

① 주철근의 배근은 철근의 덮개를 <그림18>과 같은 값으로 한다.

② 우각부의 배근은 <그림19>를 표준으로 한다.

③ 배력철근량은 주철근량의 25% 정도로 한다.

④ 사각부의 배근

사각부의 배근은 측벽의길이 방향으로 사각부 이외의 단면과 같은 간격으로 배근한다.

<그림18>

<그림19>

<그림20>

(2)신축줄눈

① 신축줄눈의 간격은 30m정도로 한다.

② 신축줄눈의 방향은 원칙적으로 측벽에 직각으로 하나 토피두께가 작을 때는 중앙분리대의 위치 또는 차선표시 방향으로 하는 것이 좋다.

③ 줄눈의 형식 및 정용

신축줄눈은 구조상 안전함과 동시에 충분한 방수처리를 하여야 한다. 그러므로 신축줄눈 형식 적용에 있어서 충분한 배려가 필요하며, 표준 형식 (표7>을 적용한다 (<그림 22>)

<표7>
 

④ 신축줄눈의 간격을 30m 정도로 하는 것이 측벽의 건조수축에의한 균열 발생을 완전히 배제하는 것은 아니지만 영향을 줄일 수 잇는 방법은 된다.

⑤ 저판의 신축줄눈을 Ⅲ형의 힌지 구조로 했을 때의 힌지근의 소요단면적 계산 예를 다음과 같이 예시한다.

[계산예]

① 블럭 토피 두께 D = 1.0m

활하중 P_t = 2P(1+i) = 2 ×6.4 t/m ×(1+0.3) = 16.64 t/m (여기서 P는 식(5)참조)

암거 종방향의 강성 EI는 무한대로 하고 저면은스프링 받침으로 한다. (<그림 23>)

<그림22>

<그림23>

②블럭 토피 두께 D=0m, 활하중이 실리지 않음

P = ΣP_t + ΣP_v     Q= Σq

라 하면,

P - S - Q = 0
 

식 (10)에서,
 

P_v = BㆍDㆍr = 6 ×1 ×2 = 12t/m

P_t = 16.64t/m

P = (P_v + P_t)L = (12 + 16.64) ×15 = 429.6t

S = P/4 = 107.4t 

소요 철근량을 A_s라 하면, τ_a = 800㎏/㎠
 

사용철근량을 A_s라 하면,

A_s = D32 - 20개 = 7,942 ×20 = 158.84cm² >134.25cm²

따라서, 힌지근의 배근은 아래 <그림24>와 같이 된다.(<그림 24>)

(3)헌치

암거의 우각부에는응력 집중이 생기기 쉬우므로 헌치를 만드는 것이 좋으나 시공성을 고려해서 헌치를 두지 않을 수도 있다. 그러나 지간이 큰 암거 (8m이상)에 대해서는 헌치가 우각부의 응력 집중을 저감시킨다는 검에서 경제적인 경우도 있으므로 비교검토 후 헌치를 고려한다. 또, 토피 두께가 두꺼울 때는 우각부의 전단응력으로 단면이 결정되고 단면 두께가 두껍게 되므로 헌치를 고려하도록 한다.

토피가 얇은 암거의 경우 가드레일용 지주를 2m 간격으로 상부슬배르에 만든다. 이 구조의 참고도는 <그림 25>와 같다.

<그림 25>