2.1 슬래브 단면결정
슬래브 단면의 각부 치수는 아래와 같이 결정하는 것이 좋다.
(1) 슬래브의 판 두께는 지지형식에 따라 결정되나 단순지지 형식의 경우는 지간의 1/20~1/14정도로 설계하는 것이 좋다.
(2) 슬래브의 폭은 차도 폭, 보도 폰, 슬래브의 연단거리, 중공관의 배치 등을 고려하여 결정한다.
(3) 캔틸레버 길이는 2m를 크게 초과하지 않도록 하고 지점두께는 300~600mm, 선단 두께는 150~200mm 정도로 한다.
2.1.1 해설
- (1)에 대하여 : 우리나라 도로교설계기준에서는 슬래브교의 최소 판 두께를 25cm 로 규정하고 있지만 중공슬래브교의 상하 슬래브 최소 두께를 고려하면 이 규정은 의미가 없어진다. 일반적으로 중공슬래브의 경우, 판 두께는 단순지지 형식의 경우 지간의 1/20~1/14 의 값을 설계하면 된다. 다만, 1/20 에 가까운 값을 취하면 단면 두께가 작아져 콘크리트의 응력이 커져서 압축측 철근이 필요하게 되어 복철근단면으로 설계하는 경우가 발생하게 되고 또한, 인장철근도 중공 1 블럭마다 많은 양의 배근이 필요하게 되어 복잡해질 수 있다. 따라서 1/20 에 가까운 값을 취하는 경우에는 주의가 필요하다. 참고로 (표 2.1)은 이를 고려하는 경우의 지간거리에 따른 슬래브의 두께를 나타낸 것이다. 한편, 연속교 형식에서는 단순교에 비해 보다 작은 값을 취하게 되며 일본 도로공사에서는 지간의 1/20＋5cm 의 값을 표준적으로 사용하고 있다. (표 2.2)는
연속교의 지간길이에 따른 판 두께의 예이다.
[표 2.1] 단순지지 교량의 지간길이에 따른 판 두께(단위:mm)
| 지간길이(l) | 판 두께(h0) | 지간-판 두께 비(l/h0) |
| 13m | 750 | 1/17.3 |
| 15m | 800 | 1/18.8 |
| 17m | 900 | 1/18.9 |
[표 2.2] 연속교의 지간길이에 따른 판 두께(단위:mm)
| 지간길이(l) | 판 두께(h0) | 지간-판 두께 비(l/h0) |
| 15m | 800 | 1/20 + 50mm |
| 18m | 950 | 1/20 + 50mm |
| 20m | 1050 | 1/20 + 50mm |
- (2)에 대하여 : 슬래브의 폭은 우선적으로 차도의 폭과 보도의 폭을 고려하여 결정한다. 그리고 중공관의 크기, 이격거리 및 연단거리 등을 고려하여 적절하게 보정하도록 한다.
2.2 중공관의 배치
중공관의 크기와 배치는 아래 규정을 만족하는 범위에서 적절하게 선택한다.
(1) 중공관의 크기는 상하부 슬래브 두께 규정을 만족하는 범위에서 결정한다. 단, 중공관의 최대지름은 120cm 이하로 한다.
(2) 중공슬래브의 중공비는 일반적으로 80%이하가 되도록 설계해야 하며, 중공슬래브의 장점을 고려하면 중공비는 대략 60~80%정도 되도록 설계하는 것이 유리하다.
(3) 중공관과 중공관 사이의 순간격(복부폭)은 25cm 이상 또는 슬래브 두께의 1/5 이상으로 한다.
(4) 슬래브의 상부 최소두께는 20cm 로 하고 하부 최소두께는 10cm 로 한다.
(5) 연단거리는 30cm 이상으로 한다.
2.2.1 해설
- (1), (2)에 대하여 : 중공슬래브의 장점은 슬래브 내부에 중공을 설치하여 슬래브교의 단점인 자중을 줄이는 것이다. 따라서 가능하면 큰 중공관을 설치하는 것이 유리하다. 그러나 지나치게 큰 중공관을 설치하면 휨에 대한 단면 강성이 작아져 압축측 콘크리트에 큰 휨응력이 발생하게 된다. 이를 고려하면 중공비는 대략 70% 이하가 되도록 설계하는 것이 유리하다. (표 2.3)은 (표 2.1)의 지간과 슬래브 두께를 가지는 교량에 대해서 위 (4)항의 슬래브 최소두께를 고려하여 최대 중공관을 설치하는 경우의 중공비를 나타낸 것이다. 중공비는 대략 60~70% 수준으로 적정한 값을 가지게 된다. 따라서 중공관의 크기는 슬래브 상하 최소 두께 규정을 만족하는 최대 값으로 선정하여도 큰 무리가 없다.
| 지간길이(l) | 판 두께(h0) | 중공관 지름(D) | 중공비(D/h0) % |
| 13m | 750 | 450 | |
| 15m | 800 | 500 | |
| 17m | 900 | 600 |
- (3)~(5)에 대하여 : 현 도로교 설계기준에는 중공관 배치를 위한 최소규정 값을 두고 있다. (표 2.4)는 중공관 설치를 위한 각 국의 제한규정을 비교하여 나타내고 있으며, 우리나라의 규정을 그림으로 나타내면 (그림 2.1)과 같다. 중공관의 순간격은 (1)항에서 언급한 것과 같이 자중을 줄이기 위해서는 작게 두는 것이 유리하다. 그러나 전단력은 중공관 사이의 콘크리트 단면에 의해 대부분 저항하게 되므로 지나치게 중공관 간격을 작게 하면 취성적인 전단파괴의 위험이 커지게 된다. 또한, 간격이 작아지게 되면 콘크리트 타설시 문제가 발생할 수 있다. 이런 점을 고려하여 도로교 설계기준에서는 중공관의 간격을 25cm 이상 또는 슬래브 두께의 1/5 이상이 되도록 최소규정을 두고 있다. 참고로, 중공관 간격을 다르게 한 횡방향 단위부재 실험결과에 의하면 초기거동은 중공관 간격에 관계없이 유사하고 극한상태에서는 간격이 큰 경우가 강성이 다소 증가하였다. 그렇지만, 사용하중 상태에서의 거동은 크게 차이가 나지 않는다. 따라서 전단에 대한 안전과 시공성이 확보되는 범위 내에서 중공관의 간격을 최소로 하는 것이 유리하다. 상부슬래브의 최소두께는 차륜하중이 슬래브의 두께가 가장 얇은 중공관의 중심 위에 직접 위치하는 경우를 고려하여 정해진 것이다. 하부 두께는 철근의 배근과 부력으로 인한 중공관의 부상 등을 고려하여 설정한 값이다. 미국 AASHTO 의 경우 상하부 두께를 14cm 로 동일한 값으로 채택하고 있으나, 우리나라의 경우 상부 두께는 다소 크지만 하부두께는 다소 작게 설정하고 있다. 여기서 규정한 중공하부의 두께 10cm 는 최소 두께규정이므로, 시공성을 고려하여 중공하부의 두께를 결정하는 것이 좋다.
(표 2.4) 중공슬래브 횡단면 주요치수 제한 규정
| 구분(단위:cm) | 중공상부의 최소두께 (h1) |
중공하부의 최소두께 (h2) |
중공과 슬래브 측면과의 최소폭 (d1) |
중공간의 순간격 (d2) |
|
| 도로교설계기준(한국) | 20 | 10 | 30 | 25 또는 h0/5 | |
| 도로교표준시방서(일본) | 15 | 10 | 30 | 15 또는 h0/5 | |
| 도로설계요령(일본도로공단) | 직교 | 15 | 10 | 30 | 25 |
| 사교 | 17.5 | 12.5 | 30 | 25 | |
| AASHTO(미국) | 14 | 14 | 14 | 중공관 중심거리는 슬래브 두께 이상 | |
- 슬래브의 측면에서 첫 중공관까지의 거리인 연단거리는 난간 철근이 배치되고 복부 위치에서 배근이 복잡하게 되므로 콘크리트 타설이 용이하도록 충분한 간격을 유지하여야 한다. 도로교설계기준에서는 30cm 의 간격을 유지하도록 최소규정을 두고 있다
3.2.1.1 모델링 방법
중공슬래브교에서 격자해석이론을 사용하는 경우 격자망의 구성은 다음과 같이 하는 것을 원칙으로 한다.(도로교 설계 요령)
3.2.1.1.1 교축방향 부재의 모델링
(1) 주형은 중공사이의 중심위치로 한다.
(2) 양측 단부의 주형은 슬래브 연단과 연단에 인접한 중공과의 중심위치로 한다.
(3) 전단면의 중심축 위치를 계산하고, 중심축에 관한 각 주형의 단면 2 차 모멘트를 계산한다.
(4) 중공을 같은 면적의 구형공간으로 치환하고((그림 3.3)) 중공슬래브 전단면의 비틂 상수를 계산하여 주형개수로 등분하여 이를 각 주형의 비틂 상수로 한다. 전단면의 비틂 상수는 식 (3.1)에 의하여 구한다.
(5) 내민보(cantilever) 부분은 하중으로 생각해도 좋다.
3.2.1.1.2 교축 직각방향 부재의 모델링
(1) 가로보는 주형과 직교하도록 배치하기로 하고, 부재의 간격은 유효지간의 1/4 이하로
등분으로 한다.
(2) 각 부재의 유효폭(B)은 분할폭으로 한다.(그림 3.4)
(3) 각 부재의 비틂 상수는 식 (3.2)에 의하여 구한다. 여기서, β 는 지간/슬래브 폭 비에 따른 값이며, (표 3.1)과 같다. 복부를 고려할 때는 중관관의 크기와 배치 등을 고려하여 복부폭(tw)을 정한다. (그림 3.4)
- 복부를 무시할 때
- 복부를 고려할 때
3.2.1.2 모델링의 주의사항
(1) 설계자가 구조물이 어떻게 거동하기를 원하는 지를 염두에 두고 설계에 반영하여야 한다. 즉, 프리스트레스된 부분이 있다면 이에 평행하게 보를 위치시키거나, 단부보가 있는 곳에는 이를 따라 격자 보요소를 위치시켜야 한다.
(2) 실제 구조물에서 어떻게 힘이 분포하는 가를 고려하여야 한다. 예를 들어, 각 단부 격자요소는 상판 단부에서의 수직전단흐름의 합력과 거의 같은 값을 지니도록 하여야 한다.
(3) 아주 좁은 슬래브의 경우에는 종방향 격자 보요소를 하나의 요소로 이상화할 수 있으며, 상판이 매우 넓거나 설계조건이 매우 까다로운 경우에는 약 20 개의 요소로 이상화하면 충분하다.
(4) 횡방향 격자요소의 간격은 집중하중을 받는 경우에 종방향 격자요소를 따르는 하중의 분포를 정확하게 고려하기 위해 충분히 작아야 한다. 즉, 횡방향 격자요소의 간격은 유효지간의 1/4 보다 작아야 한다. 또한, 내부 지점과 같이 갑작스럽게 변화하는 구간에서는 좀더 촘촘하게 격자요소를 배치해야 한다.
(5) 사각이 20°보다 작은 단순 지지된 상판은 직각의 지점을 가진 격자 모델링으로 해석할 수 있다. 하지만, 사각이 큰 경우 또는 상판이 연속적일 경우, 격자 지점의 선은 실제 구조물의 경사 지점의 약 5° 이내이어야 한다.
(6) 사교인 경우라도 단부 또는 슬래브 중간에 보강된 격벽의 방향이 사각이 아닐 경우는 이에 대한 횡방향 격자요소가 종방향 격자요소에 직각이 되도록 배치한다.
(7) 상판의 사각이 크거나 받침부(bearings)가 서로 가깝게 배치되어 있다면, 받침부의 압축력이 전단력에 미치는 국부적인 영향을 고려하여 모델링하여야 한다.
(8) 격자해석에서는 집중하중이 격자요소의 폭에 걸쳐 분포되는 하중을 나타낸다고 암시적으로 가정한다. 따라서 독립된 지점부(point supports)를 지닌 상판은 두 개의 격자 보요소로 모델링하는 것이 가장 좋을 경우도 있다. 먼저, 전체 상판을 조악한 망으로 모델링하여 경간 사이의 모멘트 등의 분포에 대해 연구하고, 다음으로 지점부의 작은 부분을 대표하는 곳만
세밀하게 모델링하는 것도 좋은 방법이다. 위와 같이 세밀하게 모델링한 작은 구역의 경계에 작용하는 힘과 변위는 조악한 격자모델링의 결과로부터 구한 값을 사용한다.
6.14 중공관의 부상방지
(1) 콘크리트 타설시 중공관이 부상하지 않도록 하여야 한다. 중공관의 부상방지를 위해서 중공관에 작용하는 부력을 산정하여 부력에 저항할 수 있도록 강선이나 와이어 등으로 충분히 지지해야 한다.
(2) 중공관에 작용하는 부력을 최소화하기 위하여 콘크리트를 2 단 타설 할 수 있다. 콘크리트 타설시의 환경조건에 따라 콘크리트 1 차 타설 후 2~6 시간 경과된 시점에서 2 차 타설을 하여 부력을 감소시킬 수 있다. 그러나 이때에는 신구콘크리트 접합면에 시공이음부가 발생하지 않도록 콘크리트 타설 시간조절에 주의하여야 한다.
6.14.1 해설
- (1)에 대하여 : 시공 중 콘크리트 타설시의 부력으로 중공관이 부상하는 경우가 생기면 여러 문제를 발생시켜 결국 중공슬래브교의 성능을 저하시킬 수 있다. 중공관이 부상하게 되면 설계시에 적용했던 슬래브의 두께가 최소 두께보다 얇아져서 사용 중 차륜하중에 의해서 균열이 발생할 수도 있다. 중공관을 지지하기 위해서 설치된 지지대는 충분한 강성 및 강도를 가져야 한다. 지지대의 충분한 강성 및 강도가 확보되지 않으면 중공관 결속시 중공관 하부의 두께가 최소 두께보다 얇아지는 경우도 생길 수 있다. 중공관에 작용하고 있는 부력(FB)을 계산할 때 정밀 계산법의 대용으로 중공관의 부피(VB)에 콘크리트의 단위비중(rc)을 곱하여 계산할 수 있다.
- (2)에 대하여 : 중공관 높이의 1/2~2/3 위치를 기준으로 2 단으로 나누어 콘크리트를 타설하면, 콘크리트가 어느 정도 경화되어 중공관의 부력을 구속함으로써 중공관의 부력을 최소화 할 수 있다. 단, 신구콘크리트 접합면에 시공이음부가 발생하지 않도록 콘크리트 타설 시간조절에 주의하여야 한다.
6.15 중공관의 결속
(1) 부상방지를 위해 와이어나 철선 등의 결속선으로 중공관을 고정할 때 중공관이 처짐 또는 변형이 발생하지 않도록 지지해야 하며, 부력을 계산하여 결속선의 설치개소를 결정한다. 결속선의 간격은 중공슬래브의 종방향으로 중공관 지름의 2 배를 초과할 수 없으며, 거푸집 하면에 충분히 결속하여 부력에 의한 중공관의 부상을 방지해야 한다. 중공관의 결속시에는
결속선의 풀림이나 결속선의 손상이 발생하지 않도록 해야 한다.
(2) 중공관의 부상방지를 위한 목적으로 중공관을 하부 인장주철근에 고정해서는 안되며, 반드시 합판과 목재 및 기타재료로 구성된 거푸집이나 동바리에 고정해야 한다.
6.15.1 해설
- (1)에 대하여 : 중공관을 결속시킬 때 와이어 및 철선 등으로 무리하게 결속하는 경우, 중공관 자체에 처짐이나 변형이 발생할 수 있으므로 이러한 변형이 발생하지 않도록 주의해야 한다. 중공관을 고정할 수 있는 결속선은 중공관의 부력을 충분히 지지할 수 있는 재료를 사용해야 한다. 결속선의 설치개소는 부력을 계산하여 결정한다. 중공관을 와이어 및 철선 등을 사용하여 결속할 때 중공슬래브의 종방향으로 중공관 지름의 2 배 이하의 간격으로 고정하며, 거푸집 하면에 충분히 결속하여 중공관의 부상을 방지해야 한다. 중공관을 정위치에 고정하기 위해서는 받침 철근 등으로 지지하여 과도한 중공관의 처짐을 방지하는 것이 바람직하다.
- (2)에 대하여 : 중공관 부상방지용도의 결속선을 편의상 하부 인장주철근에 결속하면 중공관의 부력이 철근의 무게보다 크게 작용하므로 중공관의 부상을 방지하기 어렵다. 따라서 중공관의 부상방지를 위해서는 거푸집이나 동바리에 고정해야 한다. 이때 (그림 6.1)의 (a)와 같이 결속선이 하부 거푸집합판에서 직접 꺾이도록 고정해서는 안되며, 반드시 (그림 6.1)의 (b)와 같이 거푸집 하면에 목재와 기타재료 등으로 보강한 후 결속하여 하부거푸집의 손상에 따른 중공관의 부상을
방지해야 한다.
출처: 중공슬래브의 해석, 설계, 시공 및 보수/보강 지침 (2001.07.)
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