암거나 지중라멘등의 지하구조물 위에 공사 차량이 지나가는 경우가 있다. 이때 활하중이 설계하중인 KL-510이나 DB-24 이하라면 설계에 반영된 사항이라 특별한 문제는 없겠지만 항상 문제는 일반적이지 않을 때 발생한다.
예를 들어 도로 현장에서 거더를 가설하기 위해 제작장에서부터 교량까지 이동 중에 기시공한 암거 위를 Beam을 적재한 차량이 통과해야 하는 경우 차량의 형태 및 Beam 하중 등을 고려하여 지하구조물에 재하되는 하중을 산정하고, 설계하중 이상일 경우는 구조물의 영향이 없는지 별도의 검토가 필요하다.
이에 기존 설계기준부터 최신기준의 지하구조물의 활하중을 살펴보고 일반적이지 않은 하중에 응용해 보고자 한다.
① DB-24 적용
토목에서 지하구조물이라 하면 암거, 지중라멘, 지하차도, 공동구 등이 있다. DB-24를 적용하여 지하구조물의 활하중을 정의하는 관련기준으로는 공동구설계기준(국토교통부, 2016), 도로설계편람 제7편 지하차도(국토해양부, 2012) 등이 있는데 암거, 지중라멘 등에 통상적으로 아래표를 적용했다.
토피와 구조물폭의 비를 이용하는 활하중 값도 기준에 있지만 아래표를 적용하면 보수적으로 검토할 수 있기 때문에 큰 고민 없이 설계하고 싶을 때 일반적으로 사용해왔다.
*토피의 중간값은 노면 활하중 상위의 값을 적용함
② KL-510 적용
최신설계기준인 KDS 44 90 00(도로암거구조설계기준, 2021) 및 KDS 24 12 21(교량설계하중(한계상태설계법), 2021)은 한계상태설계법의 새로운 표준트럭하중(KL-510)을 적용한다.
앞선 기준처럼 활하중 깊이에 따른 값을 제공하진 않지만, 기준을 따라가다 보면 어떠한 형태의 활하중도 재하 할 수 있게 되어 있다.
설계기준의 내용을 요약해보면 다음과 같다.
(1) 차량활하중은 KL-510을 적용
(2) 차륜에 대한 접지면적은 표준트럭하중의 각 차륜에 대해 면적이
인 하나의 직사각형으로 간주하며 이 직사각형의 폭과 길이의 비는 2.5 : 1 로 한다.
*여기서, P는 차륜의 중량 (kN)
(3) 암거나 매설된 구조물에 대한 충격하중(IM) :
*여기서, D_E= 구조물을 덮고 있는 최소 깊이 (mm)
(4) 토피가 600 mm 이하인 경우에는 슬래브에 직접재하
(5) 채움의 깊이가 600 mm을 초과할 때는 타이어 접촉면적과 크기가 같은 직사각형에 균등하게 작용하는 분포하중으로 간주하며 양질의 입상 채움에서는 깊이의 1.15배, 다른 채움에서는 그 깊이만큼 증가
(6) 몇 개의 바퀴하중이 중복되어 받는 경우에 전체하중은 전 면적에 균일하게 분포시킬 수 있다.
앞에 기준을 근거로 KL-510에 대하여 직접 재하하는 600㎜이하의 경우를 제외하고 토피고 1.0m 이상일 경우 하중이 큰 후륜 및 바퀴하중의 중복이 많은 중륜에 대해 깊이 별로 계산해보자.
중복되는 바퀴하중 수
활하중 검토시 최대한 불리하게 하중을 재하하기 위하여 중복되는 바퀴하중의 범위를 도해를 통하여 중복뒤는 바퀴하중 수를 알아보면 아래와 같다.
KL-510에서 중륜이 후륜보다 바퀴하나당 하중의 크기는 작으나 중복되는 바퀴하중 수를 고려하면 고려해야 할 활하중이 더 클 수도 있다.
위의 도해는 토피고 1.0m의 예인데 중복되는 바퀴 범위 존재 유무를 다음과 같이 유추할 수 있다.
- 폭방향
- 길이방향
보다 간단히 말하면 토피 1.0m 이상에서 인접바퀴의 간격이 2.0m 이하이면 중복되는 바퀴 하중의 수로 고려해야 한다.
이때 설계기준에 따라 중복되는 바퀴 하중의 수를 전체하중 전 면적에 고르게 분포시켜야 한다.
토피에 따른 활하중 검토
최신기준 활하중의 내용을 식으로 정리하면 다음과 같다.
- 활하중
계산예
① 후륜 1.0m일 때 다른 채움
② 중륜 1.0m일 때 다른 채움
계산예와 같이 하여 깊이별 토피에 따른 KL-510의 하중을 구하고 DB-24와 같이 아래와 같이 비교해 보았다.
Case study 결과는 다음과 같은 결론에 도달했다.
- 토피두께가 3.0m 정도부터 활하중은 수렴(활하중 영향이 급격히 작아짐)
- DB-24의 토피별 활하중 값은 KL-510에 비해 보수적인 편임
- 중복되는 바퀴하중의 수를 고려할 때 KL-510에서 후륜보다 중륜이 더 큰 값임
위의 제시한 식을 적용하여 규격화되지 않은 하중에 대해서 서론에서 언급한 현장에서 지하구조물 위에 빔을 적재한 차량이 통과할 경우에 대해 예를 들어 보자.
검토조건
- 지하구조물 : 지중라멘
- 토피두께 : 최종 계획고는 5.0m이나 3.0m 가성토 해놓은 상태
- 빔 92톤, 길이 35m
- 차량 : 트레일러+돌리
(차량 제원은 차량 회사에서 제공 받고, 이번 예시에서는 아래 그림과 같음)
-빔 하중의 계산
따라서, 빔 운반차량 바퀴별 작용 아래표와 같다.
토피에 따른 활하중 검토
가성토 높이를 고려하여 토피두께 3.0m일 경우 계산했는데 토피 두께 별로 하중을 구하고 KL-510과 비교한 값을 아래 표와 같이 정리했다.
토피두께가 얕을 경우 재하하는 중복되는 바퀴의 범위는 크진 않겠지만 구조물에 불리하게 작용시켜야 하기때문에 중복되는 바퀴의 수를 고려하면 재하해야 하는 활하중의 값은 대단히 커진다.
본 예제에서는 상재토압과의 관계를 고려하여 이에 토피고를 고려하여 하중계수 [연직토압 (19kN/m² × DE) × 1.3, 활하중 × 1.8]를 곱한 값을 비교해 보았다.
설계는 계획토피고 5.0m와 KL-510을 고려하여 설계하였는데 예제에서는 가성토 3.0m일 때 연직토압과 돌리 활하중을 합한 값(94.7kN/m²)이 설계값(103.7kN/m²)보다 작기 때문에 검토자는 상세검토 전에 안전하다고 판단 할 수 있을것이다.
위에 그래프에서 보듯이 토피고와 활하중의 합계는 2.0m~3.5m에서 제일 작기 때문에 활하중이 설계하중 이상일 경우 계획고가 높다면 가성토의 높이를 조정하여 예제처럼 보강 없이도 지하구조물의 안전성을 확보할 수 있다.
단, 계획 성토고가 1.0m 정도로 얕고 설계활하중으로 설계된 지하구조물의 위로 예제의 차량이 통과한다면 우회도로 확보, 별도의 보강 방안 등 대책이 필요할 것이다.
지하구조물 활하중에 대해 최신기준에 대해 고찰해 보았고, 현장에서 발생할 수 있는 일반적이지 않은 하중에 대해 알아보았다.
설계기준을 수치적으로 풀어서 토피두께가 3.0m 정도부터 활하중은 수렴한다는 것을 살펴봤고, 중복되는 바퀴하중의 수를 고려할 때 돌리 같이 바퀴수가 많은 차량은 활하중에 대해 바퀴수를 고려하면 하중값이 커진다는 것을 알아봤다.
또한 현장에서는 최신 설계기준을 적용하면 어떠한 형태의 차량하중이든 활하중값을 산정하여 지하구조물의 안전성을 검토할 수 있어야 할 것이고, 토피고와 활하중과의 관계를 고려하여 가성토고를 조정하여 지하구조물의 안전성을 확보할 수도 있을 것이다.
[1] 공동구설계기준(국토교통부, 2016)
[2] 도로설계편람 제7편 지하차도(국토해양부, 2012)
[3] KDS 44 90 00 : 2021(도로암거구조설계기준, 국토교통부)
[4] KDS 24 12 21 : 2021(교량설계하중(한계상태설계법), 국토교통부)
[5] 도로설계요령 제2권 7편 암거(한국도로공사, 2020)
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