제15장 암거
목차
15.1 개요
+ 암거(culvert)는 원래 땅 속에 묻힌 비교적 작은 통수로(通水路)를 뜻하는 것이었지만, 근래에는 사람이나 차량의 통행을 목적으로 도로나 철도 밑을 가로질러 설치하여 흙으로 덮은 구조물도 암거로 부르고 있다. 소량의 통수(通水)만을 목적으로 하는 작은 암거에는 RC 관이나 PC 관이 쓰이지만, 대량의 통수 또는 사람과 차량의 통행을 목적으로 하는 큰 단면의 암거에는 문형(門形) 라멘(portal frame)이나, 박스 라멘(box ramen)이 쓰인다. 이와 같이 실제로 쓰이는 라멘은 부정정 구조이기 때문에 기초의 부등침하나 이동을 일으키지 않는 견고한 지반이나 기초 위에 설치해야 한다. 또한 온도변화와 건조수축을 설계에 고려해야 한다.
+ 라멘구조는 일반적으로 탄성이론에 의하여 해석한다. 붕괴상태를 기준으로 하는 이른바 극한설계(limit design)의 연구가 많이 진전되기는 하였지만, 라멘구조의 설계에는 제한적으로 적용되고 있다.
15.2 모델링
15.2.1 2차원 모델
+ 실제의 복잡한 부정정 구조물을 그대로 해석한다는 것은 거의 불가능하다. 그러므로 모든 구조물은 해석가능한 모델로 이상화하지 않으면 안 된다. 부재는 도심축과 일치하는 직선으로 나타낸다. 이것을 부재의 축선(軸線)이라 하며, 헌치(haunch)에 의한 도심선의 변화는 무시하는 것이 보통이다. 이것은 부재의 두께가 부재의 길이에 비하여 매우 작기 때문이다.
+ 실제의 라멘은 입체적이어서 3차원 구조물이지만 평면라멘으로 분해하여 해석한다. 이때 이들은 서로 연결되어 있어서 상호작용을 하는 것이지만 독립적으로 거동한다고 가정한다.
15.2.2 지점 모멘트
+ 라멘을 해석할 때, 부재는 일정한 단면 2차모멘트를 가지는 균일단면이라고 가정하는 것은 엄밀하게는 옳지 않다. 예를 들면, 보는 기둥의 전면(前面) 사이에서는 균일단면이지만, 기둥전면에서부터 기둥 중심선 사이에서는 보의 높이가 매우 커져서 단면 2차모멘트는 무한대로 된다고 볼 수 있다. 이러한 관계는 기둥에서도 마찬가지이다. 그러므로 정확한 모멘트를 얻으려면, 부재 높이의 변화가 고려되어야 한다.
+ 부재 높이의 변화를 고려하여 해석하면 부재 높이가 일정하다고 가정하고 해석한 것보다 수평부재의 지점(支點) 모멘트는 약간 크게 나오고, 경간 모멘트는 약간 작은 값이 된다. 이때 부(-)모멘트의 위험단면은 기둥(받침부) 중심선이 아니고 기둥전면(前面)이다. 그 이유는 보와 기둥의 접합부에서 보의 유효높이는 무한대이기 때문이다.
+ 기둥의 경우에는 모멘트 곡선의 기울기가 급하지 않으므로 중심선 모멘트와 보의 상면(또는 하면) 모멘트의 차가 작아서 무시할 수 있다. 그러나 수평부재의 받침부에서는 일반적으로 모멘트도(圖)의 기울기가 급하기 때문에 받침부 중심선 모멘트와 전면 모멘트의 차가 크다. 따라서 받침부 중심선의 모멘트를 설계에 사용한다면 단면이 필요 이상으로 커질 것이다. 그러므로 균일단면으로 보고 계산한 지점 모멘트를 감소시킬 필요가 있다.
15.2.3 단면2차모멘트
+ RCC 휨부재는 인장측 콘크리트를 무시하고 설계한다. 그래서 단면 2차모멘트도 균열환산단면의 2차 모멘트를 사용한다. 그러므로 라멘의 해석에 있어서도 단면 2차모멘트는 균열환산단면을 사용해야 할 것이다.
+ 그러나 라멘의 해석결과에 영향을 미치는 것은 강성비(剛性比, stiffness ratio)이지, 강성도(剛性度, stiffness) 자체는 아니다. 단면 2차모멘트를 계산할 때 균열환산단면을 사용하든, 총단면을 사용하든 어느 한 방법으로 일관하기만 하면 강비에는 큰 차이가 없다. 그러므로 라멘의 해석에 있어서 총 단면에 대한 2차 모멘트를 사용하여 계산하는 것이 편리하므로 그렇게 해석하는 경우가 많으나 바람직한 해석은 아니다. 이때 철근을 무시한 총 단면에 대하여 2차 모멘트를 계산하는 것이 보통이다.
15.2.4 지지조건
+ 구조물을 해석하기 위해서는 그 구조물을 여러 개의 2차원 구조물(평면 구조물)로 분할한다. 이때 부재단부(部材端部)의 구속상태를 정확하게 판단하기란 거의 불가능하며, 지지조건의 해석여하에 따라 모멘트의 전달에 상당한 차이가 있다. 어느 절점(節點)의 회전에 대한 구속은 그 절점에서 서로 직교하는 다른 부재들에 의해 영향을 받으며, 또 생각하고 있는 부재에 평행한 인접부재들에 의해서도 영향을 받는다.
+ 철근콘크리트 벽체와 일체로 시공된 가로보의 단부(端部)는 완전히 고정된 것으로 볼 수 있으며, 조적벽체 위에 놓인 보의 단부는 회전에 대한 구속이 없다고 보아야 한다. 즉, 힌지지점으로 보아야 한다.
+ 압축성 있는 토질(土質) 위에 놓인 비교적 작은 확대기초가 기둥을 지지할 경우, 그 토질이 기초의 회전에 대한 저항력이 작기 때문에 기둥하단을 힌지단(端)으로 보는 것이 보통이다. 암반 위에 놓인 확대기초 또는 말뚝기초에 접속된 기둥의 하단은 완전히 고정된 것으로 본다. 전면기초(mat foundation)로 지지된 기둥의 하단도 고정으로 본다.
15.2.5 하중
- (1) 연직토압
- (2) 수평토압
- (3) 활하중
15.3 설계
15.3.1 절점부 설계모멘트
+ 라멘의 절점, 즉 부재들의 접합부(接合部)에는 매우 큰 모멘트와 전단력이 작용한다. 그러므로 절점부는 접합되는 부재들이 서로 단면력을 확실하게 전달할 수 있도록 설계해야 한다. 접합부의 모서리(隅角部)에 헌치(haunch)를 붙이면, 전술한 바와 같이 그 부분의 모멘트는 증가하고, 경간 모멘트는 감소한다. 그러므로 모서리에 헌치를 붙이는 것이 역학적으로 유리하며, 또 헌치는 응력을 원활하게 전달하는 구실도 한다. 그래서 원칙적으로 모서리에 헌치를 붙이되, 응력을 검토할 때는 1:3의 경사부만이 유효한 것으로 본다.
15.3.2 절점부 응력분포
+ 라멘의 절점부에서는 단면력에 의한 응력의 방향이 급변하여 응력의 전달기구(傳達機構)가 복잡하다. 다음 그림은 절점부의 부(負) 모멘트로 인한 응력의 분포를 보인 것이다. 이 그림은 헌치 시점(始點)의 응력이 중앙부보다도 크다는 것을 보여 주고 있다. 그리고 단면 A-A' 및 B-B'의 응력은 탄성이론에 의한 보통의 방법으로 계산한 응력에 비하여 점 A' 및 B'의 압축응력은 약간 크고, A 및 B의 인장응력은 거의 같다. 그러나 실험의 결과들은 별문제가 없다는 것을 보여 주고 있기 때문에, 이들 단면에서의 응력검토는 보통의 부재단면과 같은 방법으로 해도 좋다.
15.3.3 절점부 철근배치
+ 라멘의 절점부에서는 균열이 발생하기 쉬우므로, 철근의 배치에 특별한 주의가 필요하다.
+ 중간 절점부: 주철근, 피철근, 헌치철근, 스터럽을 배치하며, 헌치철근의 길이는 \(b \sim 1.5b\) 정도로 한다.
+ 단부 절점부: 갈고리(hook)를 활용하고, \(A_s/2\) 이상의 피철근을 배치하며, 정(正) 모멘트 및 부(負) 모멘트에 대한 보강철근을 각각 배치한다.
15.4 예제: 배근 상세
15.4.1 박스형 암거
출처: YouTube, Greyspace Engineering Services
박스형 암거의 시공 순서는 다음과 같다:
| 순서 | 작업 내용 |
|---|---|
| ① 바닥 슬래브 배근 | Base Slab - Bottom Distribution Rebars |
| ② 하부 헌치부 배근 | 하부 헌치 구간 철근 배치 |
| ③ 바닥 슬래브 콘크리트 타설 | Base Slab Concreting |
| ④ 벽체 배근 | Horizontal Rebars (벽체 수평·수직 철근) |
| ⑤ 벽체 콘크리트 타설 | 벽체 구간 콘크리트 타설 |
| ⑥ 상부 헌치부 배근 | 상부 헌치 구간 철근 배치 |
| ⑦ 천장 슬래브 배근 | 천장 슬래브 철근 배치 |
| ⑧ 천장 슬래브 콘크리트 타설 | 천장 슬래브 콘크리트 타설 |
[과제] KCI 예제
[KCI 예제] 제15장 라멘
[참조] 한국콘크리트학회, 콘크리트구조 학회기준 예제집, 기문당, 2020.12.
예제 15.1 지중라멘교의 설계
박스형 지중라멘교(암거)를 설계 하중 및 조건에 따라 설계하라.
• 라멘 해석 → 단면력(모멘트, 전단력, 축력) 산정
• 각 부재(바닥 슬래브, 벽체, 천장 슬래브, 헌치) 단면 설계
• 절점부 철근배치 상세 결정
→ KCI 예제 PDF 파일을 참조하여 풀이할 것.