교량 하부구조 확대기초의 두께 및 유효폭 결정 방법

1. 개요

기초는 기둥이나 벽체 등 수직부재를 통해 전달되는 하중을 지반으로 전달하는 하부구조입니다. 기둥이나 벽체 같은 수직부재는 지반에 접하는 단면적이 작기 때문에, 지반에 접하는 단면적을 크게 하여 하중을 안정적으로 전달할 수 있게 만든 것이 확대기초입니다. 확대기초는 부재로서 필요한 두께를 확보함과 동시에 강체로서 취급되는 두께를 가져야 합니다. 즉, 확대기초는 휨모멘트와 1방향 및 2방향 전단력에 대하여 충분한 강도를 발휘할 수 있는 두께를 가져야한다는 뜻입니다.

도로교 설계기준에서 말뚝, 기둥, 벽체 등 수직부재는 확대기초에 고정지지 되어 있다는 전제에서 설계체계가 정리되어있습니다.

따라서, 확대기초는 이러한 수직부재보다 큰 강성도를 가져야하므로, 확대기초는 강체로서 취급되는 두께를 갖는 것을 원칙으로 하고 있습니다.

2. 확대기초의 두께

확대기초에 대한 강체로서의 취급 여부는 지반반력 및 말뚝반력에 미치는 확대기초의 강성의 영향을 고려하여 판정합니다. 일반적으로 확대기초는 아래의 식을 만족할 때 강체로 취급할 수 있습니다.

독립 확대기초의 경우	연속 확대기초의 경우
다만, 암반 등 변형계수가 작은 지반 위에 시공되는 직접기초의 확대기초에 대하여 강성 평가식을 적용하는 경우에는, 강체로 보아야 할 확대기초의 두께가 현저하게 두꺼워지는 경향이 있습니다. 일반적으로 이와 같은 지반에서는 허용되는 지반반력에 여유가 있고 변형이 작게 발생하므로, 비교적 단단한 지반 위에 설치되는 확대기초에 대해서는 확대기초 두께의 상한 값을 확대기초 긴 변의 1/5 정도로 보아도 좋습니다. 이때 확대기초 설계에서는 확대기초의 탄성거동을 고려할 필요는 없고 강체 확대기초와 같은 방식으로 설계하면 됩니다.

3. 확대기초의 유효폭

확대기초의 엄밀한 구조해석을 수행하지 않는 경우에는 확대기초를 보 부재로서 해석하게 되는데, 이때 기둥이나 벽체로부터 전달되는 하중에 의한 작용폭인 유효폭이 고려되어야 합니다.

그러나 도로교설계기준 개정시 휨모멘트에 대한 확대기초의 유효폭 규정 삭제로 도로설계요령과 상이하여 설계시 혼선이 발생되고 유효폭 고려에 따른 확대기초의 최적설계가 어려운 경우가 발생합니다. 참고로, 휨모멘트에 대한 확대기초의 유효폭은 아래와 같은 식으로 정하는 것을 원칙으로 하였으나, 확대기초의 두께가 강체로 볼수 있을만큼 충분한 두께를 가졌다면 전폭으로 유효폭을 사용할수 있습니다.

4. 확대기초의 강체해석시 유효폭 적용여부 관련 설계기준

① 도로교표준시방서(1996) : ‘확대기초의 두께’와 ‘유효폭’을 동시에 규정

5.5.2 확대기초의 두께 확대기초는 부재로서 필요한 두께를 확보함과 동시에 강체(剛體)로서 취급되는 두께를 가져야 함을 원칙으로 한다. 또 확대기초 상면의 경사는 원칙적으로 1:2보다 완만하도록 한다. 5.5.5 유효폭 (1) 휨모멘트에 대한 확대기초의 유효폭은 식(5.5.3)에 의함을 원칙으로 한다.

② 도로교설계기준(2000, 2005) : ‘확대기초의 두께’만 규정 (유효폭 규정 삭제)

③ 도로교설계요령(2009) : ‘확대기초의 두께’와 ‘유효폭’동시 규정 (유효폭 적용 원칙, 강체 두께 확보시 전폭)

④ 도로설계편람(2008) : 도로교설계기준(2000, 2005)과 동일하게 규정

5. 확대기초 두께에 대한 강체 검토 예제

① 독립확대기초

② 연속확대기초

6. 결론

기존 도로교설계기준(2000)이 개정될 때,‘휨모멘트에 대한 확대기초의 유효폭’규정이 삭제되면서 도로교설계요령(2009)과 기준이 상이하여 확대기초를 설계 검토할 때 혼선이 발생하였습니다. 이와 같은 문제점으로 기초의 안정성검토(지지력, 전도 및 활동)시 안전율의 여유가 많음에도 불구하고 기초의 유효폭을 확보하기 위해서 기초폭 축소(최적설계)가 어려웠습니다.

따라서, 확대기초가 부재로서 필요한 두께를 확보함과 동시에 강체로서 취급되는 두께를 만족하고, 안정성검토(전도, 활동 및 지지력)에 대한 검토 기준을 만족한다면, 휨 및 전단검토 및 사용성 검토시 유효폭을 확대기초 전폭으로 사용할 수 있을 것입니다. 반면에 전도 및 확동에 대한 안정검토가 필요없는 말뚝기초에 적용되는 확대기초에 대해서 그 두께를 최소화 하기 위한 설계로 휨 및 전단철근량을 증가시켜 강도를 향상시킨다면 확대기초로서의 구조적 역할을 증명할 방법이 없을 것입니다.

최신 설계기준인 도로교설계기준(한계상태설계법)에는 누락된 내용이지만 보다 정밀한 구조해석을 통한 설계가 수행되지 않는다면, 확대기초의 강체로 취급되는 두께 검토처럼 기초 두께를 결정하는 중요한 설계인자가 필요하다고 판단됩니다.

7. 참고문헌

1) 도로교표준시방서 (1996)

2) 도로교설계기준 해설 (2000)

3) 도로교설계기준 해설 (2008)

4) 도로설계편람 (2008)

5) 도로교설계요령 (2009)

6) 도로교설계기준(한계상태설계법)해설 (2015)

7) 확대기초의 강체조건 만족시 유효폭 개념 적용여부 및 철근배근 검토(2010)

About the Editor

호미

구조 엔지니어 경력 4년

아직 배울 것이 많은 구조 뉴비입니다.

이전에는 지중 구조물, 지하철, 가시설 설계 프로젝트에 참여하였고, 현재는 사장교 설계 프로젝트에 참여하고 있습니다. 구조 엔지니어로서 많이 부족하지만, 토목 기술인들의 지식 정보 공유라는 좋은 취지에 함께 참여하게 되어 영광입니다. 토목인 모두 파이팅!

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