KDS 설계기준 241432 강교 설계기준(케이블교량)

2024년 07월 21일 건설엔지니어

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강재 케이블교량 구조물 설계 기준

1. 일반사항

(1) 목적

이 기준은 강재 케이블교량 구조물의 안전성, 사용성 및 내구성을 확보하기 위한 것이다.

(2) 적용 범위

이 기준은 강재로 제작되어 장경간 케이블교량에 사용되는 보, 뼈대구조, 트러스, 아치, 케이블, 바닥판 및 연결부 등의 설계 규정을 다룬다.

(3) 참고 기준

KDS 14 20 00 콘크리트구조 설계(강도설계법)
KDS 14 31 00 강구조설계(하중저항계수설계법)
KDS 24 10 12 교량설계 일반사항(케이블교량)
KDS 24 12 12 교량 설계하중조합(케이블교량)
KDS 24 12 22 교량 설계하중(케이블교량)
KDS 24 14 31 강교 설계기준(한계상태설계법)

(4) 용어의 정의

각장: 필릿용접이음의 루트에서 가장자리까지의 거리
그루브용접: 접합부재면에 홈을 만들어(개선하여) 이루어지는 용접
끼움재: 부재의 두께를 늘리기 위해 사용되는 판재
내후성강: 적절히 조치된 고강도, 저합금강으로써 부식방지를 위한 도막 없이 대기에 노출되어 사용되는 강재
다이아프램: 전단강도나 전단강성을 확보하기 위하여 설치하는 박스단면내의 격벽
덮개판: 단면적, 단면계수, 단면2차모멘트를 증가시키기 위하여 부재의 플랜지에 용접이나 볼트로 연결된 플레이트
뒴비틀림: 비틀림에 대한 전체 저항 중 단면의 뒴에 저항하는 부분
리밍: 볼트구멍을 드릴로 뚫거나, 펀칭한 후 뚫린 구멍을 잘 마무리하여 가공하는 행위
리브: 보강재의 다른 용어로서 직교이방성 강상판에 교축방향 또는 교축직각방향으로 접합되는 종방향 보강재 및 횡방향 보강재를 각각 종방향 리브 및 횡방향 리브라 칭함
바닥틀: 바닥판을 지지하여 차륜하중을 주부재에 전달하는 역할을 하는 상부구조
바닥판: 포장면이 있든 없든 차륜하중을 직접적으로 지지하고 다른 부재들에 의해 지지되는 구조
바닥판 이음부: 구조물의 구성요소들 간의 상대적인 운동을 조절하기 위한 바닥판의 완전한 또는 부분적인 불연속부
벌크헤드: 강상판에 교축방향으로 접합하는 폐리브의 비틂에 대한 저항강도를 높이기 위하여 폐리브 내부에 설치하는 칸막이 벽
보강재: 하중을 분배하거나, 전단력을 전달하거나, 좌굴을 방지하기 위해 부재에 부착하는 ㄱ형강이나 판재 같은 구조요소
부분용입그루브용접: 연결부재의 전체 두께보다 적게 내부 용입된 그루브용접
분기형 좌굴이론: 이상적으로 직선인 부재에 작용하는 압축력이 특정 크기에 도달하면 이 부재는 갑작스런 좌굴현상으로 파괴에 이를 수도 있고, 동시에 이상적인 직선을 그대로 유지하면서 추가 하중을 더 받을 수도 있는 평형상태에 도달할 수 있다. 이와 같이 동시에 두 가지 평형상태를 가질 수 있는 분기접의 하중을 임계하중이라고 하고, 이 임계하중에 근거한 좌굴이론을 분기형 좌굴이론이라 함
붕괴유발부재: 파괴될 경우 교량의 붕괴 또는 그 기능 상실을 유발시키는 부재
블록전단파단: 접합부에서, 한쪽 방향으로는 인장파단, 다른 방향으로는 전단항복 혹은 전단파단이 발생하는 한계상태
비조밀단면: 국부좌굴이 발생하기 전에 압축요소에 항복응력이 발생할 수 있으나 소성힌지의 회전능력을 갖지 못하는 단면
비지지길이: 좌굴 또는 비틀림에 저항하도록 브레이싱 등으로 변위를 구속시킨 인접한 두 점 사이의 거리
비틀림좌굴: 압축부재가 전단중심축에 대해 비틀어지는 좌굴모드
사각: 교량의 종방향 축에 수직인 직선과 교좌부 축사이의 각, 즉 0도의 사각은 직각 교량을 의미함
세장비: 휨축과 동일한 축의 단면2차반경에 대한 유효좌굴길이의 비
세장판단면: 탄성범위 내에서 국부좌굴이 발생할 수 있는 세장판요소가 있는 단면
소성단면계수: 휨에 저항하는 완전항복단면의 단면계수로서, 소성중립축 상하의 단면적의 중립축에 대한 1차모멘트
소성모멘트: 완전히 항복한 단면의 저항모멘트
소성해석: 강재의 완전탄성-완전소성거동의 가정에 근거한 구조해석
소요강도: 한계상태설계 하중조합에 대한 구조해석에 의해 산정된 구조부재에 작용하는 힘, 응력, 또는 변형을 지칭
수직보강재: 웨브에 부착하는 플랜지와 직각을 이루는 웨브 보강재
스켈럽: 용접선의 교차를 피하기 위해 한쪽의 모재를 절단하여 만든 부채모양의 조치
아이바: 균일한 두께를 가진 특수한 형태의 핀접합 부재로서, 핀구멍이 있는 머리와 구멍이 없는 몸체에 거의 동일한 강도를 부여하도록, 몸체의 폭보다 크게 단조되거나 산소절단된 머리 폭을 가진 인장부재
연결재: 볼트, 리벳 또는 다른 연결기구 등을 총괄해서 지칭하는 용어
완전용입그루브용접: 용접재가 조인트 두께를 넘어 완전히 용접되는 그루브용접(강관구조 접합부에서는 예외)
용접지단: 모재의 면이 용접비드 표면과 교차하는 선
용접작업구: 뒷받침판 등의 설치를 위한 구멍, 일명 스켈럽
유효순단면적: 전단지연의 영향을 고려하여 보정된 순단면적
유효좌굴길이: 압축재 좌굴공식에 사용되는 등가좌굴길이 로서 분기좌굴해석으로부터 결정
유효좌굴길이계수: 유효좌굴길이와 부재의 비지지길이의 비
응력범위: 활하중으로 발생하는 최대응력과 최소응력크기의 차이
이음부: 두 부재를 한 개의 긴 부재로 만들기 위하여 용접이나 볼트를 사용하여 연결되는 영역
인장항복: 인장에 의한 항복
일정진폭 피로한계: 부재가 피로파괴 없이 일정한 응력범위 내에서 무한대의 반복횟수에 견딜 수 있는 최대 응력범위
재하경로: 하중이 작용점에서부터 지점까지 전달되는 과정에 있는 부재와 연결부의 연속경로
전단좌굴: 면내에 순수 전단력에 의해 보의 웨브와 같은 판요소가 변형하는 좌굴모드, 웨브의 전단상수
전단지연: 접합부에서 응력이 집중되거나 응력이 전달되지 않는 현상
전단항복(뚫림): 강관접합에서, 지강관이 붙어있는 주강관의 면외전단강도에 기반한 한계상태
접지면적: 차륜과 도로표면 사이의 접촉 면적
접합부: 2개 이상의 부재 사이에 힘을 전달하는데 사용되는 구조요소 또는 조인트의 집합체
제어플랜지: 이음부에서 상하부 플랜지 중 단면이 작은 플랜지; 계수하중에 의해 플랜지 중간두께에 발생하는 탄성휨응력이 계수휨저항에 대비 최대인 플랜지
조밀단면: 휨을 받을 때 플랜지나 웨브에 국부좌굴이 일어나지 않고 완전소성상태에 도달하는 단면으로서 이 단면은 플랜지와 웨브의 세장비와 브레이싱에 관한 요구 조건들을 만족해야 함.
조인트: 2개 이상의 단부, 표면, 가장자리가 접합되는 영역. 사용되는 파스너 또는 용접의 형태와 하중전달 방법에 의해 분류됨.
존치거푸집: 건설이 끝난 후에도 현장에 남아있는 영구적인 강재 또는 프리캐스트 콘크리트 거푸집
주방향: 등방성 바닥의 경우는 짧은 경간 방향; 직교이방성 판의 경우는 주하중 전달 요소 방향
지강관: 강관접합에서, 주강관 또는 주요부재에 붙어있는 강관부재
지압보강재: 모든 지점부 위의 복부판에 국부좌굴을 방지하기 위하여 설치하는 보강재
직교이방성 강바닥판: 강교량의 상판에 교축방향 또는 교축직각방향으로 종방향 리브 또는 횡방향 리브를 접합하여 교축방향과 교축직각방향의 물리적 성질이 서로 다른 강교량의 상판구조
직교이방성 판: 두개의 주방향으로 서로 다른 구조적 성질을 가지는 판
콘크리트압괴: 콘크리트가 극한변형률에 도달함으로써 압축파괴를 일으키는 한계상태
탄성단면계수: 단면2차모멘트를 도심축에서 단면의 양 끝까지의 거리로 나눈값
파괴인성: 구조용 재료 또는 요소가 파괴되지 않고 흡수할 수 있는 에너지의 양. 일반적으로 샤피 V-노치 시험에 의해 결정함
피로강도: 특정 반복횟수 동안 부재에 파괴가 일어나지 않고 저항할 수 있는 최대응력범위
피로설계수명: 피로균열의 발생 없이 설계교통하중에 저항할 수 있는 기간으로서 설계기준에서는 200년으로 하였음
필릿용접보강: 그루브용접을 보강하기 위해 추가된 필릿용접
하이브리드 단면: 상, 하부 플랜지에 사용한 강판과 다른(일반적으로 낮은) 최소항복강도를 갖는 강판을 웨브로 사용한 거더 단면
합성: 내부 힘의 분산에 있어 강재요소와 콘크리트요소가 일체로서 거동하는 조건
횡방향보강재: 웨브에 부착되고 플랜지와 수직을 이루는 웨브 보강재
횡비틂좌굴: 횡방향 변형과 비틂을 동반하는 좌굴
휨좌굴: 단면의 비틂이나 형상의 변화 없이 압축부재가 휨으로 휘는 좌굴모드

(5) 기호의 정의

=: 피로상세범주; 부재 전단면적(mm²) (4.6.1.2)
=: 한 방향 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값 (4.2.1.2)
=: 한 방향 한 차로의 일일트럭교통량의 설계수명기간 동안 평균값 (4.2.1.2)
=: 압축 부재의 전단면적(mm²) (4.6.1.2), (4.8)
=: 인장 부재의 순단면적(mm²) (4.8)
=: 박스거더 단면의 내부단면적(mm²) (4.7.8.2)
=: 강재 단면적; 슬래브 단면적; 보강재의 전단면적(mm²) (4.8)
=: 웨브단면적(mm²) (4.8)
=: 아이바 몸체의 폭(mm) (4.6.1.2)
=: 종방향보강재의 폭(mm) (4.7.11.2)
=: 전단좌굴응력 대 전단항복강도의 비; 직교이방성에 있는 리브를 조절하기 위한 바닥홈의 두께(mm) 피로상세범주 (4.2.1.2)
=: 뒴상수 (4.6.1.2)
=: 원형강관의 외경 (4.6.1.2); 웨브높이 (4.6.1.2)
=: 소성모멘트 상태에서의 압축력을 받는 웨브높이(mm) (4.6.6.2)
=: 수직보강재의 간격(mm)
=: 강재의 탄성계수(MPa) (4.5.3.1), (4.5.3.2), (4.7.8.2) 피로상세범주 (4.2.1.2)
=: 응력으로 표현된 공칭휨강도(MPa) (4.8)
=: 압축플랜지 공칭휨저항강도(MPa) (4.6.7.2), (4.7.8.1), (4.7.8.2)
=: 강재의 최소인장강도; 전단연결재의 최소인장강도(MPa) (4.8)
=: 압축을 받는 보강판의 극한압축강도(MPa) (4.7.8.2), (4.7.11.2)
=: 휨에 의하여 압축응력과 전단응력이 동시에 발생하는 보강판의 극한압축극한강도(MPa) (4.7.8.2)
=: 종방향보강재의 극한강도(MPa) (4.7.11.2)
=: 핀의 항복강도; 강재의 최소항복강도(MPa) (4.6.1.2), (4.7.8.2), (4.8)
=: 압축플랜지의 최소항복강도(MPa) (4.6.7.2)
=: 플랜지의 최소항복강도(MPa) (4.8)
=: 철근의 최소항복강도(MPa) ) (4.7.8.2)
=: 인장플랜지의 최소항복강도(MPa) (4.8)
=: 설계하중에 의한 플랜지의 순수비틂 전단응력 (4.6.7.2)계수하중에 의해 강바닥판에 발생하는 전단응력 (4.7.8.2)
=: 강재의 전단탄성계수(MPa) (4.6.1.2)
=: 단면2차모멘트(mm⁴) (4.6.1.2)
=: 수평보강재의 단면2차모멘트(mm⁴) (4.7.11.2)
=: 단부를 기준으로 한 수평보강재의 단면2차모멘트(mm⁴);아치리브보강재의 단면2차모멘트(mm⁴) (4.7.8.2)
=: 단부를 기준으로 한 수직보강재의 단면2차모멘트(mm⁴);약축에 대한 단면2차모멘트(mm⁴) (4.6.1.2)
=: 순수비틂상수(mm⁴) (4.6.1.2)
=: 유효좌굴길이계수 (4.6.1.2)
=: 세장비 (4.6.1.2)
=: 플랜지 하면에서 필릿용접 끝단까지의 거리; 판 좌굴계수;리브를 따라 휨모멘트의 분포를 나타내는 계수 (4.6.1.2), (4.7.8.2)
=: 전단응력 판 좌굴계수 (4.7.8.2)
=: 비지지길이; 고정점간 거리; 부재단부에서 첫 브레이싱점까지의 거리(mm) (4.6.1.2)
=: 비지지길이(mm) (4.6.1.2)
=: x-방향, y-방향의 저항계수가 고려된 설계휨강도(N·mm) (4.6.1.2)
=: x-방향, y-방향에서의 설계하중에 의한 휨모멘트(N·mm) (4.6.1.2)
=: 응력범위의 반복횟수 (4.2.1.2)
=: 일정진폭 피로한계값에 해당하는 응력반복횟수 (4.2.1.2)
=: 무한수명 응력범위(cut-off Limit)에 해당하는 응력범위 반복횟수 (4.2.1.2)
=: 트럭당 응력범위의 반복횟수; 강재에 대한 콘크리트의 탄성계수비; 전단연결재의 수; 볼트의 수 (4.2.1.2)
=: 공칭강도; 공칭지압강도; 공칭압축강도 (4.6.1.2)
=: 웨브 국부좌굴에 의한 플랜지 하중저감계수 (4.6.7.2)
=: 하이브리드 단면의 플랜지 응력감소계수 (4.6.7.2)
=: 좌굴이 발생하는 축에 대한 단면회전반경(mm) (4.6.1.2)
=: 고정점 사이에서 웨브 평면의 수직축에 대한 단면회전반경(mm) (4.6.1.2)
=: 판두께(mm); 집중하중을 받는 플랜지의 두께(mm); 슬래브 또는 판의 두께(mm) (4.9.5.3)
=: 플랜지의 두께(mm); ㄷ형 전단연결재 플랜지의 두께(mm) (4.6.7.2)
=: 횡방향 하중을 받는 판의 두께(mm); 보강재의 두께(mm) (4.2.1.2)
=: 콘크리트 바닥판의 두께(mm); 보강재의 두께(mm) (4.7.11.2)
=: 공칭전단강도(N) (4.8)
=: 설계하중에 의한 전단력(N) (4.8)
=: 이음점 웨브의 설계전단력(N) (4.8)
=: 플랜지에 있는 수평보강재의 간격과 웨브에 가장 가까운 플랜지 수평보강재와 웨브간의 거리중 큰 값(mm); 박스거더 단면에서 플랜지의 중심간격(mm) (4.2.1.2)
=: 플랜지 이음판 설계 시 적용되는 계수 (4.8)
=: 플랜지 유효단면적 계산 시 플랜지 전단면적에 적용되는 계수 (4.8)
=: 하중계수 (4.2.1.2)
=: 활하중의 응력범위(MPa) (4.2.1.2)
=: 무한수명 공칭피로강도(MPa) (4.2.1.2)
=: 상세범주 에 대한 공칭피로강도(MPa) (4.2.1.2)
=: 공칭피로강도(MPa) (4.2.1.2)
=: 일정진폭 피로한계값(MPa) (4.2.1.2)
=: 보강된 플랜지에서 보강재와 판의 일부로 구성된 스트럿기둥의 세장비 (4.7.8.2)
=: 보강된 플랜지에서 보강재 사이 판에 대한 세장비 (4.7.8.2)
=: 지압에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 지압볼트의 저항계수 (4.1.4.2)
=: 블록전단에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 압축에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 완전 그루브용접에 사용되는 용접재료의 전단 또는 인장에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 부분 그루브용접에 사용되는 용접재료의 저항계수 (4.1.4.2)
=: 휨에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 볼트의 전단에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 전단연결재의 저항계수 (4.1.4.2)
=: 고장력볼트의 인장에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 인장부재의 파단에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 전단에 대한 저항계수 (4.1.4.2)
=: 필릿용접의 전단에 대한 저항계수 (4.1.4.2)

2. 조사 및 계획

(1) 내용 없음

3. 재료

(1) 강재

사용강재 및 접합 재료는 KDS 14 31 05(3.1.1), KDS 14 31 05(3.1.2)를 따른다.

(2) 철근 및 콘크리트

철근 및 콘크리트의 품질은 KDS 14 20 00을 따른다.

(3) 형상 및 치수

형상 및 치수는 KDS 14 31 05(3.3)를 따른다.

(4) 재료의 강도

강재의 강도는 KDS 14 31 05(3.4.1)을 따른다.
접합재료의 강도는 KDS 14 31 05(3.4.2)를 따른다.
철근 및 콘크리트의 강도는 KDS 14 20 00을 따른다.

(5) 물리 상수

물리 상수는 KDS 14 31 05(3.5)를 따른다.

(6) 기타강재

핀, 롤러 및 록커는 KDS 14 31 05(3.6.1)를 따른다.
스터드 전단연결재는 KDS 14 31 05(3.6.2)를 따른다.
스테인레스 강재는 KDS 14 31 05(3.6.3)를 따른다.
케이블은 KDS 14 31 05(3.6.4)를 따른다.

4. 설계

(1) 한계상태

(1.1) 일반사항
- 강재 또는 강재와 다른 재료를 결합시켜 만들어진 부재의 구조적 거동은, 건설 중, 이동 운반 중, 또는 가설 시뿐만 아니라 그 구조물의 공용 기간 동안 가장 큰 응력이 발생될 수 있는 모든 단계에 대해 검토해야 한다.
- 구조 부재는 극한한계상태, 극단상황한계상태, 사용한계상태 및 피로한계상태에서 요구되는 조건을 적절히 만족시켜야 한다.
(1.2) 사용한계상태
- KDS 24 10 12의 (4.1.5.1) 및 (4.1.7.1)의 규정을 적용한다.
- 강구조물은 KDS 24 12 12의 표 4.1-1에 있는 사용한계상태 하중조합 II의 조건을 만족시켜야 한다.
(1.3) 피로와 파단한계상태
- 각 구조부재 및 상세는 KDS 24 10 12(4.1.5.2) 및 이 기준 4.2에 규정된 피로에 대한 검토가 있어야 한다.
- KDS 24 12 12의 표 4.1-1의 피로한계상태조합 및 KDS 24 12 22(4.3.3)에 규정된 피로 활하중을 적용한다.
- 플레이트 거더의 웨브는 이 기준 4.6.5.3의 규정을 만족시켜야 한다.
- 이 기준 4.6.10.2에 있는 전단연결재의 피로에 대한 적절한 규정을 적용한다.
- 인장피로를 받는 볼트는 이 기준 4.2.1의 규정을 만족시켜야 한다.
- 요구되는 파괴인성치는 이 기준 4.2.2에 따른다.
(1.4) 극한한계상태
- (1.4.1) 일반사항
  - 강도 및 안정성 검토 시 KDS 24 12 12의 표 4.1-1에 규정된 적합한 극한한계상태 조합을 이용한다.
- (1.4.2) 저항계수
  - 극한한계상태에 대한 저항계수는 다음 값을 취한다.
    - 휨에 대해: = 1.00
    - 전단에 대해: = 1.00
    - 축방향 압축력에 대해(강재): = 0.90
    - 축방향 압축력에 대해(합성부재): = 0.90
    - 인장력에 대해(순단면 적용 시 파단): = 0.80
    - 인장력에 대해(전단면 적용 시 항복): = 0.95
    - 핀의 지압력에 대해: = 1.00
    - 볼트의 지압력에 대해: = 0.80
    - 전단연결재에 대해: = 0.85
    - 인장력을 받는 F8T, F10T, F13T볼트에 대해: = 0.80
    - 인장력을 받는 일반볼트에 대해: = 0.80
    - 전단력을 받는 F8T, F10T, F13T볼트에 대해: = 0.80
    - 전단력을 받는 일반볼트에 대해: = 0.65
    - 블록전단에 대해: = 0.80
    - 기타 연결요소의 전단 파단: = 0.80
    - 웨브의 국부좌굴에 대해: = 0.80
    - 완전용입 그루브용접 시의 용접 금속에 대해:
      - 유효단면적에 대한 전단력: = 0.85
      - 유효단면적에 수직한 인장 또는 압축력: = 모재
      - 용접선에 평행한 인장 또는 압축력: = 모재
    - 부분용입 그루브용접 시 용접금속에 대해:
      - 용접선에 평행한 전단력: = 0.80
      - 용접선에 평행한 인장 또는 압축력: = 모재
      - 유효단면적에 수직한 압축력: = 모재
      - 유효단면적에 수직한 인장력: = 0.80
    - 필릿용접 시의 용접금속에 대해:
      - 용접선에 평행한 방향의 인장 또는 압축력: = 모재
      - 용접금속의 목에 작용하는 전단력: = 0.80
    - 관입상태가 불량한 지반으로 인한 영향을 받고 압축력을 받는 말뚝의 축방향력에 대해:
      - H형 말뚝: = 0.50
      - 강관 말뚝: = 0.60
    - 관입상태가 양호한 지반에서 압축력을 받는 말뚝의 축방향력에 대해:
      - H형 말뚝: = 0.60
      - 강관 파일: = 0.70
    - 비항타말뚝의 축방향력과 휨의 조합에 대해:
      - H형 말뚝의 축방향력에 대해: = 0.70
      - 강관 파일의 축방향력에 대해: = 0.80
      - 휨에 대해: = 1.00
    - 항타 시의 저항계수에 대해: = 1.00
(1.5) 극단상황한계상태
- KDS 24 12 12의 표 4.1-1의 모든 적용 가능한 극단상황한계상태조합에 대해 검토한다.
- 극단상황한계상태에 대한 저항계수는 볼트의 경우를 제외하고는 모두 1.0을 취한다.
- 내하력 설계에 의해 보호되지 않은 볼트 조인트는 극단상황한계상태에 대해 지압이음 형식으로 거동하는 것으로 가정하며, 저항계수는 이 기준 4.1.4.2에 주어진 볼트 지압력에 대한 값을 적용한다.

(2) 피로 및 파단

(2.1) 피로
- (2.1.1) 일반사항
  - 피로는 하중유발피로와 변형유발피로로 분류된다.
- (2.1.2) 하중유발피로
  - 적용강교량 구조상세에 대한 피로설계 시 고려하여야 할 응력은 활하중에 의해 발생된 응력범위이다.
  - 전 길이에 걸쳐 전단연결재가 설치되고

”