KDS 설계기준 24 14 22 콘크리트교 설계기준(케이블교량)

2024년 07월 14일 건설엔지니어

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1. 일반사항

1.1 목적

(1) 이 기준은 무근콘크리트, 철근콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트 교량 구조물과 그 부대 시설물을 설계하기 위하여 필요한 기술적 원리와 최소한의 요구 사항을 규정함으로써 콘크리트 케이블 교량 구조물의 안전성, 사용성 및 내구성을 확보하기 위한 것이다.

1.2 적용 범위

(1) 이 기준은 케이블교량에 사용되는 무근콘크리트, 철근콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트 부재의 설계에 적용한다.

1.3 참고 기준

KDS 14 20 00 콘크리트구조 설계(강도설계법)
KDS 24 10 12 교량설계 일반사항(케이블교량)
KDS 24 12 12 교량 설계하중조합(케이블교량)
KDS 24 12 22 교량 설계하중(케이블교량)
KDS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)

1.4 용어의 정의

(1) 용어와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(1.2)를 따른다.

1.5 기호의 정의

(1) 기호와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(1.3)을 따른다.

1.6 설계 원칙

1.6.1 설계 요구 조건

(1) 목표하는 사용수명 동안 발생 가능한 모든 하중과 환경에 견딜 수 있는 구조적 저항 성능을 가져야 하며, 사용 용도에 부합하는 적합한 재료의 선정, 적절한 설계 및 상세, 엄격한 시공관리를 통해 사용성과 내구성을 만족하도록 설계하여야 한다. (2) 설계는 하중과 하중조합의 규정을 근거로 하여 수행되어야 하며, 적합한 재료와 구조물의 치수가 선정된 후 이들을 토대로 구해진 교량의 구조성능은 이 기준에 규정되어 있는 요구한계기준을 만족하여야 한다.

1.6.2 설계 사항

1.6.2.1 일반사항

(1) 모든 가능한 설계 상황에 부합하는 하중조합에서, 하중효과와 설계강도를 기준으로 적합한 한계상태를 초과하지 않는다는 것을 검증하여야 한다. (2) 구조 계산은 모든 변수를 포함하고 있는 적절한 설계 모델을 사용하여 수행하여야 한다. 이 설계 모델은 구조 거동을 충분히 정밀하게 예측할 수 있는 것이어야 한다. (3) 설계상황을 반영하는 각 하중조합에서 한계상태를 검증할 때 적용하는 재료계수는 표 1.4-1에서 주어진 값을 적용하여야 한다.

| 한계상태 하중조합 | 콘크리트, 철근 또는 프리스트레싱 강재 | |—|—| | 극한한계상태 -Ⅰ, -Ⅱ, -Ⅲ, -Ⅳ, -Ⅴ, -Ⅵ, -Ⅶ | 0.65 | 1.0 | | 극단상황한계상태 -Ⅰ, -Ⅱ, -Ⅲ | 0.90 | 1.0 | | 사용한계상태 -Ⅰ, -Ⅲ, -Ⅳ, -Ⅴ, -Ⅵ | 1.0 | 1.0 | | 피로한계상태 | 1.0 | 1.0 |

1.6.2.2 극한한계상태 및 극단상황한계상태

(1) 구조물의 단면 또는 연결부의 파괴나 과도한 변형에 대한 한계상태를 검토할 때, 설계저항강도가 계수하중효과보다 크다는 것을 검증하여야 한다. (2) 2차 효과에 의해 유발되는 안정성 한계상태를 검토할 때, 작용 하중이 계수하중을 초과하지 않는 한, 불안정이 발생하지 않는다는 것을 검증하여야 한다. (3) 하중의 크기와 하중계수, 하중조합은 KDS 24 12 12와 KDS 24 12 22의 규정을 적용하여야 한다. (4) 각각의 불리하게 작용하는 하중의 경우마다, 동시에 발생한다고 간주되는 하중들의 조합에 의해 유발되는 계수하중효과값을 결정하여야 한다. (5) 건조수축의 하중효과를 고려하는 경우에는 하중계수로 1.0을 사용할 수 있다.

1.6.2.3 사용한계상태

(1) 사용성 요구조건을 만족시키기 위해서는 KDS 24 12 12와 KDS 24 12 22에 규정된 사용한계상태 하중조합 -Ⅰ, -Ⅲ, -Ⅳ, -Ⅴ 및 -Ⅵ에 의한 하중효과가 적합한 사용한계기준을 초과하지 않는다는 것을 검증하여야 한다. (2) 사용한계기준은 구조물의 형태와 현장 주변 환경에 따른 사용성 요구조건을 고려하여 정하여야 한다. (3) 만약 필요하다면, 건조수축과 크리프 및 부등침하 등의 간접하중의 하중효과를 고려하여야 한다. (4) 콘크리트 압축응력의 한계값을 설정하여 콘크리트의 손상이나 과도한 크리프 변형을 방지하여야 한다. (5) 철근의 인장응력 한계값을 설정하여 비탄성 변형과 과도한 균열을 제한하여야 한다. (6) 사용한계상태를 검토할 때, 특별히 지정하지 않는 한, 재료계수값은 1.0을 취하여야 한다.

1.6.2.4 피로한계상태

(1) 규칙적인 교번 하중이 작용하는 구조 요소와 부재에 대하여 피로한계상태를 검증하여야 한다. (2) 피로한계상태의 검증은 이 기준 4.4 피로한계상태에 따라 수행하여야 하며 교번 응력이 없거나 현저하지 않은 경우는 피로를 검토하지 않아도 된다.

2. 조사 및 계획

(1) 내용 없음

3. 재료

(1) 재료와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(3)을 따른다.

4. 설계

4.1 프리스트레스 구조의 해석

(1) 프리스트레스 구조의 해석과 관련된 사항은 KDS 24 14 21(1.5.7)을 따른다.

4.2 극한한계상태

(1) 극한한계상태와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.1)을 따른다.

4.3 사용한계상태

(1) 사용한계상태와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.2)를 따른다.

4.4 피로한계상태

(1) 피로한계상태와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.3)을 따른다.

4.5 내구성 및 피복두께

4.5.1 일반사항

(1) 일반사항과 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.4.1)를 따른다.

4.5.2 환경 조건

(1) 환경 조건과 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.4.2)를 따른다.

4.5.3 내구성을 위한 요구사항

(1) 내구성을 위한 요구사항과 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.4.3)를 따른다.

4.5.4 콘크리트 피복두께

(1) 콘크리트 피복두께와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.4.4)를 따른다.

4.5.5 신뢰도 기반 염해 내구성 설계

4.5.5.1 일반사항

(1) 해양환경에 건설되는 콘크리트 교량의 염해에 대한 내구성 설계는 신뢰도 기반 내구성 설계를 적용할 수 있다. 특히 목표 내구수명이 100년을 초과하는 경우나 별도로 피복두께를 산정할 필요가 있는 경우 등 이 기준 4.5.1 ~ 4.5.4의 규정에 따라 피복두께를 산정하기 어려운 경우에는 본 절의 신뢰도 기반 내구성 설계 절차에 따라 피복두께를 산정할 수 있다.

4.5.5.2 한계상태와 내구수명의 정의

(1) 해양 콘크리트의 성능저하는 그림 4.5-1과 같이 2단계에 걸쳐 발생하는 것으로 볼 수 있다. 내구성 설계에서는 철근 위치에서의 염소이온 농도가 임계 염소이온 농도에 도달하여 철근부식이 시작되는 상태를 한계상태로 하며, 이 시점까지의 기간을 내구수명으로 정의한다.

그림 4.5-1 콘크리트 성능저하 모형

4.5.5.3 한계상태방정식

(1) 한계상태방정식은 식 (4.5-1)을 적용한다.

C(t) = C_c - (C_s - C_i) * erf(x / 2 * sqrt(D_0 * t_r * k_t * k_h * k_c))

여기서,

C(t) = 임계 염소이온 농도
C_c = 표면 염소이온 농도 (시간에 따라 일정한 것으로 가정한다.)
C_i = 초기 염소이온 농도 (시간에 따라 일정한 것으로 가정한다.)
erf = 오차함수
x = 피복두께
D_0 = 기준재령 확산계수
t_r = 재령계수
k_t = 온도 보정계수
k_h = 상대습도 보정계수
k_c = 균열을 고려한 확산계수 증가계수
t = 재령
t_s = 노출개시시간

(2) 표면도장공법을 적용하는 경우 한계상태방정식은 다음과 같이 적용한다.

확산계수가 일정한 값에 도달하는 시기 (t_d)보다 도장 성능 유지기간이 작은 경우 식 (4.5-1)에서 t_r에 표면도장 성능 유지기간을 대입한다.
확산계수가 일정한 값에 도달하는 시기보다 도장 성능 유지기간이 큰 경우는 아래 식 (4.5-2)를 적용한다.

C(t) = C_c - (C_s - C_i) * erf(x / 2 * sqrt(D_0 * t_d * k_t * k_h * k_c))

여기서,

t_d = 표면도장 성능 유지기간

(3) 기준재령 확산계수는 기왕의 실험데이터를 사용하여 가정하는 것이 좋다. 만약 실험데이터가 부족할 경우 아래 식을 이용하여 가정할 수 있다.

D_0 = 10^(-11.5 + 0.1 * w_c) (m^2/s)

여기서, w_c는 포틀랜드 시멘트 콘크리트의 수분함량 (%)이다.

D_0 = 10^(-12.1 + 0.1 * w_c) (m^2/s)

여기서, w_c는 실리카 흄을 사용한 콘크리트의 수분함량 (%)이다.

(4) 확산계수의 온도와 상대습도에 대한 보정계수는 다음과 같이 적용한다.

온도 보정계수

k_t = exp(a * (T - T_0))

여기서,

T = 지역 연 평균 기온 (℃)
T_0 = 기준온도 (일반적으로 20℃)
a = 비례상수 (실험값이 없는 경우 포틀랜드 시멘트의 경우 0.03, 플라이애쉬 또는 슬래그 혼합시멘트의 경우 0.025를 가정할 수 있다.)
상대습도 보정계수

k_h = 1.0 (해중/물보라 지역/간만대) k_h = 0.7 (해상대기중)

(5) 균열을 고려한 확산계수의 증가계수는 다음을 적용한다.

균열발생 가능성이 없는 경우

k_c = 1.0

균열발생 가능성이 있는 경우

k_c = 1.5

(6) 재령계수는 식 (4.5-8)을 이용하여 산정한다.

t_r = (t / 28)^(k_f)

여기서,

k_f = 시멘트 중량 대비 플라이애쉬 혼입율 (%) / 50, 시멘트 중량 대비 고로슬래그 혼입율 (%) / 70

(7) 기준재령 확산계수와 재령계수는 신뢰할 만한 자료가 있는 경우 그 값을 사용할 수 있다.

4.5.5.4 목표 신뢰도

(1) 목표 신뢰도는 표 4.5-1에 따라 유지보수비용 대비 초기 비용의 수준을 감안하여 설정한다.

| 유지보수비용 대비 부식확률을 낮추기 위한 초기 비용 수준 | 신뢰도 등급 | 신뢰도 지수 | 부식확률 (%) | |—|—|—|—| | 낮음 | Ⅰ | 1.96 | 2.5 | | 보통 | Ⅱ | 1.65 | 5.0 | | 높음 | Ⅲ | 1.28 | 10.0 |

4.5.5.5 설계절차

(1) 피복두께와 확산계수를 변화시키면서 철근 부식에 대한 신뢰도를 산정하여 이 기준 4.5.5.4에서 제시하는 신뢰도 지수를 초과하도록 피복두께와 목표 확산계수를 결정한다. 신뢰도의 계산은 일계이차모멘트법과 같은 Level Ⅱ 방법이나 몬테카를로 시뮬레이션(Monte-Carlo simulation)과 같은 Level Ⅲ 방법을 이용할 수 있다. (2) 기존의 경험 등을 바탕으로 콘크리트 배합을 정한 후에 (1)항에서 결정된 목표 확산계수를 만족하는 지를 이 기준 4.5.5.7에서 정하는 바에 따라 검증하여 최종 배합을 결정한다.

4.5.5.6 확률분포의 가정

(1) 임계 염소이온 농도, 표면 염소이온 농도, 피복두께, 확산계수 및 확산계수의 재령계수는 반드시 확률변수로 고려해야 한다. 확률분포의 종류는 표 4.5-2를 기본으로 하되, 신뢰할 수 있는 실험 또는 실측 데이터가 있는 경우 확률분포의 종류를 달리 가정할 수 있다.

| 확률변수 | 기호 | 확률분포 | 평균 | 변동계수 | |—|—|—|—|—| | 임계 염소이온 농도 | C_c | 정규분포 | 표 4.5-3 | 표 4.5-3 | | 표면 염소이온 농도 | C_s | 정규분포 | 표 4.5-4 | 표 4.5-4 | | 확산계수 | D_0 | 정규분포 | 변수 | 0.2 | | 재령계수 | t_r | 베타분포 | 식 (4.5-8) | 0.2 | | 피복두께 | x | 대수분포 | 변수 | 0.1 |

(2) 임계 염소이온 농도의 평균과 변동계수는 노출환경과 결합재 종류에 따라 표 4.5-3과 같이 가정할 수 있고, 신뢰할 수 있는 실험 또는 실측 데이터가 있는 경우 다른 값을 적용할 수 있다. 제설염 적용 시에는 해상대기중과 동일하게 가정할 수 있다.

| 노출환경 | 평균 (%, 결합재질량비) | 변동계수 (-) | |—|—|—| | 해 중 | 2.2 | 0.7 | | 간만대/물보라 지역 | 0.7 | 0.2 | | 해상대기중 | 0.7 | 0.2 |

(3) 표면 염소이온 농도의 평균과 변동계수는 노출환경에 따라 표 4.5-4와 같이 가정할 수 있고, 신뢰할 수 있는 실험 또는 실측 데이터가 있는 경우 다른 값을 적용할 수 있다. 제설염 적용 시에는 해당지역의 제설염 살포주기와 살포량을 토대로 평균과 변동계수를 산정해야 한다.

| 노출환경 | 평균 (%, 결합재질량비) | 변동계수 (-) | |—|—|—| | 해 중 | 3.0 | 0.30 | | 간만대 | 4.0 | 0.30 | | 물보라 지역 | 1.5 | 0.30 | | 해상대기중 (해안선 부근) | 1.0 | 0.30 | | 해상대기중 (해안선으로부터 100m까지) | 0.4 | 0.9 | | 해상대기중 (해안선으로부터 250m까지) | 0.3 | 0.6 | | 해상대기중 (해안선으로부터 500m까지) | – | 0.4 | | 해상대기중 (해안선으로부터 1000m까지) | – | 0.3 |

(4) 여기서 제시하지 않은 다른 변수도 필요에 따라 확률변수로 고려할 수 있으며, 이 때 해당 변수의 평균과 표준편차는 신뢰할 수 있는 실험 또는 실측 데이터에 기초하여 합리적으로 가정해야 한다.

4.5.5.7 설계결과의 검증 및 품질관리

(1) 확산계수는 반드시 실험을 통해 검증해야 한다. 실험방법은 전기영동시험법 (NT Build 492: Chloride migration coefficient from non-steady-state migration experiments)을 적용하되, 이 시험방법의 적용이 곤란한 경우에는 장기침지실험법 (NT Build 443: Accelerated chloride penetration)을 적용할 수 있다. 단, 장기침지실험을 적용할 경우 실험결과를 기준재령 확산계수로 환산하여야 한다. (2) 확산계수 측정을 위한 시험체는 현장에서와 동일한 방법으로 양생해야 하며 시험은 기준재령에 실시해야 한다. (3) 6회 이상의 실험으로 구한 확산계수 측정값의 평균과 표준편차는 각각 다음의 조건을 만족해야 한다.

확산계수 실험치 평균 ≤ 설계기준 확산계수
확산계수 실험치 표준편차 × 설계기준 확산계수 ≤ 설계기준 확산계수

여기서,

V_D = 확산계수의 변동계수

4.6 구조 상세

4.6.1 철근 상세

(1) 철근 상세와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.5)를 따른다.

4.6.2 부재 상세

(1) 부재 상세와 관련된 사항은 KDS 24 14 21(4.6)을 따른다.

4.7 주탑 설계의 특별 고려사항

4.7.1 일반사항

(1) 이 기준은 케이블교량에 사용되는 철근콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트 주탑의 설계에 적용한다. (2) 이 기준에서 언급되지 않는 사항은 KDS 24 14 21을 따라야 한다. (3) 주탑에 낙뢰의 피해가 우려되는 경우에는 피뢰대책을 수립하여야 하며, 이때 세부적인 사항은 KDS 24 14 42(4.5.1)을 따른다.

4.7.2 해석

4.7.2.1 일반사항

(1) 주탑 설계를 위한 구조해석은 KDS 24 10 12의 방법을 따른다. (2) 구조해석을 위한 재료 모델은 이 기준 3. 재료를 따르며, 실험에 의해 검증된 재료 모델을 사용할 수 있다.

4.7.2.2 국부 응력 해석

(1) 응력 교란영역의 극한한계상태의 해석을 위하여 KDS 24 14 21(4.1.5)의 스트럿-타이 모델을 사용할 수 있다. (2) 응력 교란영역의 사용한계상태의 해석을 위하여 3차원 유한 요소법을 사용할 수 있다. (3) 콘크리트의 탄성계수는 균열과 크리프를 고려하지 않은 최대값을 쓸 수 있다.

4.7.3 주탑의 정착영역 설계

4.7.3.1 일반사항

(1) 주탑의 정착영역에서 강재와 콘크리트가 같이 쓰이는 경우는 가장 불리한 재료에 대해 안전하게 설계하여야 한다. (2) 강재의 정착구가 사용되는 경우 이는 케이블의 수평하중의 합을 부담할 수 있어야 한다. 강재 정착구의 응력과 변형을 검사하여야 한다.

4.7.3.2 후프 프리스트레스의 주탑 부재에 미치는 영향에 대한 검토

(1) 사용한계상태에서 주탑의 정착영역에 발생할 수 있는 인장균열을 억제하기 위해서 후프 프리스트레스를 도입할 수 있다. (2) 시공 중과 사용한계상태의 모든 경우에 대하여 후프 프리스트레스가 전체적으로 작용할 때와 부분적으로 작용할 때를 구분하여 검토하여야 한다. (3) 후프 프리스트레스는 주탑 부재의 극한한계상태 검토에서는 고려하지 않는다.

4.7.3.3 후프 프리스트레스의 국부영역 해석

(1) 후프 프리스트레스의 국부영역 해석에서는 특별한 경우를 제외하고는 3차원 해석방법을 적용하여야 한다. (2) 시공 중과 사용한계상태의 모든 경우에 대하여 국부영역에 발생하는 응력과 변형은 한계값 이하이어야 한다.

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