KDS 설계기준 249010 교량 기타시설설계기준 (일반설계법)

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철도교량 신축이음과 받침, 지진격리받침 설계 및 선정 기준

1. 일반사항

1.1 적용범위

본 기준은 철도교량의 신축이음, 받침, 지진격리받침의 설계 및 선정에 관한 요구사항을 기술한다.

2. 조사 및 계획

내용 없음.

3. 재료

내용 없음.

4. 설계

4.1 받침부

(1) 일반사항

• 받침부는 상부구조와 하부구조 사이에서 받침 종류에 따라 수직, 교축, 교축직각 방향 힘을 안전하게 전달하는 역할을 한다.
• 받침부 설계는 주거더 종류, 사각, 하부구조, 지반 조건 등을 고려해야 한다. (받침, 스토퍼, 받침자리, 거더 단부, 낙교방지공 포함)
• 상부구조 수평력을 받침으로만 하부구조에 전달할 수 없을 경우, 스토퍼, 크리프커플러 등 변위 억제장치 설치 가능하다.
• 장대레일-구조물 상호작용력은 레일 응력, 궤도 체결력, 감쇠 특성치들을 고려하여 변위 억제장치를 이용하여 조정 가능하다.
• 받침 앵커 볼트 설계 시 받침과 상부/하부 구조 접합면 마찰력을 고려할 수 있다.
• 받침 내진설계는 KDS 24 17 10(2) 규정을 따른다.
• 받침 유지관리를 위해 접근성을 확보해야 한다. 필요 시 조명 시설 등을 폐합단면 내측에 설치해야 한다.
• 받침은 열차 운행 방해 없이 언제든지 교체 가능해야 한다.
• 받침 교체를 고려한 교량 설계 시 유지관리 지침(2001, 건설교통부) 3을 참조하여 작업 공간을 확보하고 상/하부 구조물을 미리 보강해야 한다.

(2) 받침에 작용하는 부의 반력

• 받침에 작용하는 부의 반력은 다음 식으로 검토한다.

R = R' + R'' + R''' - R''''

• R: 지점 반력 (부의 반력 발생 시 (-) 부호)
• R’: 열차하중 및 충격에 의한 지점반력
• R”: 부의 반력 발생 부분 고정하중에 의한 지점반력

• R”’: 정의 반력 발생 부분 고정하중에 의한 지점반력

• 연속거더, 게르버거더는 부의 반력이 발생하지 않도록 설계한다. 부의 반력 발생 시 정착장치 또는 중량물 설치해야 한다.

(3) 가동받침의 종류

• 가동받침 종류 및 적용은 표 4.1-1을 참고한다. 한 구조물에서 다른 종류의 가동받침과 혼동되지 않도록 한다.
• 신축 거더 길이와 받침 반력 크기에 따라 받침 종류를 명확히 해야 한다. (단순거더, 연속거더, 캔틸레버 등의 경우 신축 관계를 합계한 길이)
• 가동지간 8 m 이하 플레이트 거더 또는 드와프 거더는 소울판(sole plate) 및 받침판(base plate)에 의한 받침으로 한다.
• 교축직각 방향 수평력은 모든 받침이 저항하도록 설계한다. 교량 폭이 넓어 교축직각 방향 신축을 고려해야 할 경우에는 신축을 고려하여 받침을 배치해야 한다.

(4) 가동받침의 이동량

• 가동받침은 온도변화, 처짐, 콘크리트 크리프, 건조 수축, 프리스트레스에 의한 이동량을 고려하여 여유 있는 구조로 해야 한다.
• 받침 이동량 산정에 사용하는 온도변화와 선팽창계수는 KDS 24 14 20(3.2.1) 규정을 따른다.
• 콘크리트 교 건조수축 및 크리프 영향 이동량은 다음 식으로 정의한다.

Δls = αlβ Δlc = (PiAc / Ec)φβ

• Δls: 콘크리트 건조수축 이동량
• Δlc: 콘크리트 크리프 이동량
• α: 선팽창계수
• l: 신축 거더 길이
• β: 건조수축, 크리프 저감계수 (표 4.1-2 참조)
• Pi: 프리스트레싱 직후 PS강재 인장력
• Ac: 콘크리트 단면적
• Ec: 콘크리트 탄성계수

• φ: 콘크리트 크리프계수 (2.0)

• 가동받침 이동량 산정에는 계산 이동량 외에 설치 오차, 하부구조 예상 밖 변위 등을 고려한 여유량을 추가해야 한다.

(5) 가동받침의 마찰계수

• 가동받침에 작용하는 수평력 산정 시 마찰계수는 제조사 공인 규격에 따르되, 최솟값은 표 4.1-4를 사용한다.
• 탄성받침은 수평 변위에 따라 수평력을 산정한다.

(6) 받침의 구조상세

• 소울판 및 받침판 두께는 22 mm 이상으로 하고 주거더에 확실히 정착시켜야 한다. 주요부 두께는 주강재 25 mm 이상, 주철재 35 mm 이상으로 한다.
• 앵커 볼트 지름과 매입길이는 받침 위치 고정, 종/횡 방향 하중, 고정모멘트에 의한 축력, 부반력 등을 고려하여 산정한다.
• 앵커 볼트 최소 지름은 30 mm로 한다.
• 부반력 발생 시 정착장치 설치 또는 부반력의 1.5배 이상을 견딜 수 있는 중량물에 고정해야 한다.
• 하부구조와 받침 고정 및 앵커 볼트 매입은 무수축성 모르타르를 사용한다.
• 물기가 있는 곳에 받침을 설치할 경우 배수가 양호한 구조로 하여 방청을 고려해야 한다.
• 가동받침에는 지진 등 예측 불가능한 상황 발생 시 보의 비정상적인 이동을 방지하기 위한 장치를 설치해야 한다.
• 거더 밑 공간 (하부구조 상단과 상부 구조물 하단 사이 공간)을 확보해야 한다.
• 필요에 따라 받침에 방진장치를 설치한다.

(9) 크리프 커플러 및 스토퍼

• 크리프 커플러, 스토퍼 등 변위 억제장치는 다음 영향으로 인해 연결되는 주거더 및 하부구조에 유해한 영향이 가해지지 않도록 설계해야 한다.

• 온도변화, 건조수축, 크리프 등에 의한 주거더 신축

• 수직/수평 하중에 의한 주거더 변형 (변형, 단부 각 변화 등)

• 지진

• 장대레일-구조물 상호작용력 조정을 위해 필요 시 변위 억제장치를 교량에 적용할 수 있다.

• 상판 – 상판 연결 크리프 커플러 (D-D C. C.)

• 상판 – 교각 연결 크리프 커플러 (D-P C. C.)
• 고정/가동 구별이 있는 스토퍼
• 댐퍼식 스토퍼

• 반 고정 스토퍼

• 스토퍼, 크리프커플러 등 변위 억제장치 설계 시 모든 경우의 하중 상태에 대한 해석을 통해 각각 작용하는 최대 수평력을 적용해야 한다.

• 상판 – 상판 연결 크리프 커플러 설계는 다음을 고려해야 한다.

• 지속/점진적인 하중에는 저항하지 않고 일시적인 충격/돌발 하중에 대해 탄성체로 작용하여 수평 하중을 전달한다고 가정해야 한다.

• 콘크리트 또는 프리스트레스트 콘크리트 상판의 경우 크리프 커플러 연결부위 하중 집중점은 표면응력, 파열응력, 앵커부 교란영역 국부응력을 검토해야 한다.
• 강으로 된 상부구조의 경우 받침부 및 응력 집중부 국부응력을 검토해야 한다.
• 일시적인 하중/돌발 하중에 저항하는 경우 유동체로서 이동량과 탄성체로서 탄성 수축 이동량을 고려한 크리프 커플러의 겉보기 탄성계수를 사용해야 한다.

• 모든 크리프 커플러 설계 시 하중은 가장 불리한 조건으로 계산해야 한다.

• 상판 – 교각 연결 크리프 커플러 설계는 다음을 고려해야 한다.

• 가동받침이 적용된 교각에 설치하며, 일시적인 수평하중에 대해 하부구조에서 하중을 나누어 받도록 설계해야 한다.

• 상판 연결부는 상판 면과 평행한 힘을 받으므로 정착 설계를 해야 한다.

• 스토퍼 설계는 다음을 따라야 한다.

• 수평력()에 의해 발생하는 하부구조 매립부, 주거더 매립부에서의 콘크리트 지압응력()은 0.8 를 넘지 않아야 한다.

• 스토퍼는 휨모멘트, 전단력에 대해 안전하도록 설계해야 한다.
• 댐퍼식 스토퍼는 정한 분산률을 만족하도록 구조 치수를 정해야 한다.
• 댐퍼식 스토퍼 고정 스토퍼 내 판 스프링은 상시 교축 방향 수평력에 대해 안전하도록 설계해야 한다.

(10) 받침자리 및 거더 단부

• 받침자리 및 거더 단부는 받침 및 스토퍼에 작용하는 하중을 하부구조에 확실하게 전달할 수 있는 구조여야 한다.
• 받침 및 스토퍼에 작용하는 하중을 받침자리 및 거더 단부 설계에 적용해야 한다.
• 받침자리에는 수평 전단력에 대해 지름 13 mm 이상의 철근을 최대 200 mm의 간격으로 교축 방향과 교축직각 방향에 배치해야 한다.
• 받침 끝에서 거더 끝단까지 거리는 받침에 작용하는 수평력 및 연직력에 대해 안전해야 한다.

• 스토퍼 주변 설계는 다음을 고려해야 한다.

• 단부 가로보에 설치하는 경우 단부 가로보는 주거더 중심 간을 지간으로 하는 양단 고정보로 보고 설계해야 한다.

• 스토퍼 주변에는 스토퍼에 작용하는 수평력()에 저항할 수 있는 보강철근을 정착길이를 갖도록 배치해야 한다.

(11) 낙교방지공

• 거더를 지지하는 곳에는 지진 시 낙교가 방지될 수 있어야 한다.
• 미끄럼 방지기구가 있는 받침으로 스토퍼를 사용하지 않는 방식의 경우, 지진 시 예상외 변위가 생겨도 받침 상부가 하부로부터 이탈하지 않도록 가동측 받침부에 이동 제한장치를 설치해야 한다.
• 하부구조가 지진 시 상부구조 변형을 제한할 수 있도록 탄성구조로 설계되고, 동일 교축직각 방향 단면에 2개 이상의 고정 받침 설치 등으로 지지가 확실하게 보장되는 경우, 낙교방지공 추가 설치는 필요하지 않다.

4.2 부속설비

(1) 상판에 부설해야 하는 시설물

• 철도 운영과 연관하여 상판에 부설해야 하는 시설물은 다음과 같다.

• 접지 장치 (전기적 절연체에 대한 안전 요구도)

• 전차선로 지주 또는 신호기 프레임 고정 장치
• 방수재
• 구조물 신축이음장치
• 배수로
• 공동관로 (cable ditches, 전기장치 인터페이스)
• 난간과 방음벽

• 탈선 방호벽

• 이들 시설은 교량 설계에 중요한 영향을 줄 수 있으므로, 위치 결정 전에 주의 깊게 검토해야 한다.

• 철도는 길이가 긴 교량 구간을 포함하므로, 전기, 기계, 신호 관련 시설이 토공 구간과 만나는 곳 또는 교량 상에서 만나는 곳들을 주의 깊게 확인하고 고려해야 한다.

(가) 접지

• 모든 구조물 (상부/하부 구조)은 부식 방지를 위해 KDS 47 60 00에 따라 접지 장치를 설치해야 한다.
• 세부 설계 및 도면은 접지 상세를 제시해야 한다.

(나) 전차선로 지주와 신호기 고정장치

• 교량 상판에 설치되는 전차선로, 신호기 지주 고정블록은 고속 주행 시 발생하는 하중과 휨을 견딜 수 있게 설계해야 한다.
• 동일한 요구사항은 신호 프레임과 지주에도 적용해야 한다.
• 정확한 설치 위치와 상세 사항은 도면에 제시해야 하며 KDS 47 60 00에 따라 설치해야 한다.

(다) 방수

• 철근 부식 방지 및 교량 내구성 향상을 위해 교량 상부 바닥판에 교면방수 등 보호공을 적용해야 한다.
• 철도교량 보호공법은 교량 형식, 궤도 형식, 하중 조건, 환경 조건 등을 고려하여 선정해야 하며, 보호성능, 시공성, 유지관리, 친환경성, 경제성 등을 평가하여 선정해야 한다.

(라) 신축이음장치

• 레일신축이음장치

• 레일에서 허용할 수 없는 초과 응력 발생을 해결하기 위해 적용한다.

• 강교 60 m 이상, 콘크리트/강합성교 90 m 이상일 경우 철도설계지침 3.2 궤도-교량 종방향 상호작용 해석(2011년)의 축력 해석에 따라 축력이 허용 범위를 초과하는 개소에 설치해야 한다.
• 현장 여건상 또는 기타 사유로 필요하다고 판단되는 개소에 설치할 수 있다.
• 일반 체결구를 사용할 경우이며 지형 변화가 심한 경우 또는 연약지반 구간인 경우 별도로 축력 해석을 수행해야 한다.
• 불연속 궤도의 고정점 간 거리는 400 m로 제한해야 한다.

• 설치 조건은 철도설계지침(궤도편) (2010) 7.4 장대레일 신축이음장치를 따른다.

• 교량 구조물 신축이음장치

• 상세 도면에 표현해야 하며 반드시 철도 시방에 의하여 완제품 시험을 시행해야 한다.

• 다음을 고려하여 설치해야 한다.

  • 건조수축, 온도 변화, 시동/제동 하중 등에 의한 교량 종방향 움직임에 대한 자유 신축 공간 제공
  • 지진 발생 시 구조물 사이 충돌 방지를 위한 공간 제공
  • 이음 각 연결부 면에서 도상 유지
  • 넓은 유간 발생 시 인적 손상 방지
  • 교각 또는 교대 상에서 도상 자갈 이탈 방지
  • 횡방향 도상 경사 준용하는 수직 방향 치수 조절 허용
  • 정규적인 절연
  • 교체와 제거 등의 유지관리
  • 크리프와 건조 수축에 의한 큰 변형이 예상되는 경우 장래의 수평 유간 조절에 대한 허용치 확보

• 신축량 산정에는 기본 신축량 외에 설치 오차, 하부구조 예상 밖 변위 등을 고려한 여유량을 추가해야 한다.

• 교량 구조물 신축이음장치에는 상대 변위 크기에 따라 레일신축이음장치 설치 여부를 결정해야 한다.
• 강재 플레이트 형식은 작은 상대 변위를 허용하는 곳에 적용해야 한다.
• 탄성계의 얇은 판을 사용하여 큰 변위를 허용하는 경우에는 레일 신축 이음을 제공해야 한다.

(마) 배수시설

• 모든 상세 도면에 표현해야 한다.
• 바닥이 폐상식인 경우 가능한 한 큰 배수공 및 배수관을 설치하고 배수 경사는 1/100 이상으로 해야 한다.
• 구조상 물이 고이는 부분은 배수공을 뚫거나 배수공을 설치해야 한다.
• 프리스트레스트 콘크리트 박스거더 교량의 경우 상판 배수는 단면 중심으로 2%의 경사를 가지고 있어야 한다. 배수구는 단면 중심에 위치하도록 설계해야 한다. 우수 등 유입수는 박스 안쪽 관으로 집수되어 교각 위치에서 지면으로 배수되도록 한다.

(바) 공동관로

• 전기장치와 접촉에 원활하도록 설계해야 한다.
• 공동관로 장치는 상세 도면에 표현해야 한다.
• 도상 자갈이 공동관로를 덮지 않도록 설치 높이를 설정해야 한다. 특히 곡선부에서는 켄트 영향선을 고려하여 공동관로 높이를 설정하거나 자갈막이벽 등을 설치해야 한다.

(사) 난간과 방음벽

• 상세 도면에 표현해야 한다.
• 설치를 위해 제공해야 하는 앵커나 고정장치를 정확한 위치와 함께 설계 도면에 표현해야 한다.
• 난간 고정장치는 설계 조건에 주어진 풍하중 외에 난간 꼭대기 부분에 800 N/m의 수평 하중을 추가로 견딜 수 있도록 설계해야 한다.
• 방음벽은 교량 부위에 작용하는 풍하중 등의 영향을 고려하여 설계해야 한다.

(아) 탈선방호벽

• 고속철도에서 주행 중인 열차가 교량 위에서 탈선하는 것을 방지하는 시설물을 설치해야 한다.
• 열차 주행 속도에 따른 탈선 하중, 직선/곡선 구간 시설물 높이, 폭 등을 고려하여 설계해야 한다.

(2) 유지관리 설비

• 교량 점검, 유지관리를 위해 접근로, 점검 통로, 교각 점검 시설 등과 교량 박스 내부 점검을 위한 조명등 (조도 10 Lux 이상)을 설치해야 한다.
• 현지 여건을 감안하여 관련 기준에 따라 설치해야 한다.

(3) 방재 설비

• 교량 시/종점부 및 하부에는 무단 침입/적치물 등으로 인한 화재 예방을 위해 방호 울타리 및 위험 표지를 설치해야 한다.
• 교량 위에서 사고 발생 시 안전하고 신속한 대피가 가능하도록 대피로, 안전 난간, 중간 대피 통로 등을 설치해야 한다.
• 철도시설안전기준에 관한 규칙에 따라 설치해야 하며, 현지 여건을 감안하여 조정하여 설치해야 한다.

(4) 방음설비

• 소음 발생 현황, 환경 조건 등을 고려하여 선택해야 하며 강도, 내구성 등을 검토해야 한다.

• 상부음 또는 구조음에 대처할 목적으로 교량의 측면 및 하면에 방음벽을 설치하는 차음공

• 구조음에 대처할 목적으로 강판면에 제진재를 붙이거나 콘크리트로 강부재를 둘러싸는 제진공
• 주거더 부재에 전해지는 진동 에너지를 억제할 목적으로 발라스트 매트를 깔거나 궤도용 슬래브 보자리에 고무를 붙인 방진 슬래브 등의 방진공
• 궤도면, 방음벽 등에 흡음재를 부설한 흡음공

• 이들을 조합하여 사용할 수 있다.

• 차음공 구조 및 재료는 소요되는 차음 효과, 강도를 가지는 것 이외에 보수에 대해서도 고려해야 한다.

• 풍하중은 방음벽에 수직으로 적용하며 풍하중 강도는 KDS 24 12 21(4.10)을 따른다.
• 차음공에 이용하는 강재 및 볼트의 허용 응력은 일반 허용 응력의 1.25배로 한다. 다만, 폭풍 시 풍압에 대해서는 1.5배로 한다.
• 차음공에 이용하는 강재의 세장비는 표 4.2-1의 값을 초과하지 않도록 해야 한다.
• 제진공에 이용하는 제진재료는 소요되는 제진 효과, 강도 및 내구성을 가진 것으로 해야 한다.
• 제진재료는 진동에 의해 떨어져 나가지 않도록 고정해야 한다.

표 4.1-1 가동받침의 종류

| 받침 종류 | 소울판과 받침판을 조합한 받침 | 주철 또는 주강의 미끄럼 받침, 탄성받침 및 포트받침 | 동합금 받침, 롤러 받침, 탄성받침 및 포트받침 | |—|—|—|—| | ℓ(m) 거더 | 단경간 | 반력과 무관하게 사용 | 반력과 무관하게 사용 | | | | R≤ 2000kN | R > 2000kN | | | 두경간 이상 | | | | | | R≤ 2000kN | R≤ 1000kN | | | | R≤ 2000kN | R > 1000kN |

• 주 : 가. ℓ 은 교량에서 신축을 고려한 길이
• 나. R 은 지점에서 최대 반력이고 복선 재하인 경우 위 표 값의 1.5배로 한다.

표 4.1-2 건조수축, 크리프의 저감계수, β

| 콘크리트의 재령(월) | 0.25 | 0.5 | 1 | 3 | 6 | 12 | 24 | |—|—|—|—|—|—|—|—| | 건조수축, 크리프의 저감계수(β) | 0.8 | 0.7 | 0.6 | 0.4 | 0.3 | 0.2 | 0.1 |

표 4.1-3 콘크리트의 크리프계수와 건조수축량

| 콘크리트의 크리프 계수 | = 2.0 | |—|—| | 콘크리트의 건조 수축 | 20℃ 하강 상당 |

표 4.1-4 가동받침의 마찰계수

| 마찰 기구 | 접촉하는 재료 | 마찰계수 | |—|—|—| | 활동 마찰 | 강재의 선받침 | 0.25 | | | 주철의 선받침 | 0.20 | | | 고력 황동 주물 받침판 받침 | 0.15 | | | 불소 수지 받침판 받침 | 0.05 | | | EP소재 받침판 받침 | 0.12 | | 회전 마찰 | 롤러 및 로커 받침 | 0.05 |

표 4.2-1 차음공에 사용하는 강재의 세장비

| 부재의 종류 | 세장비 | |—|—| | 압축재 | 150 | | 인장재 | 240 |

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