KDS 설계기준 249011 교량 기타시설설계기준 (한계상태설계법)

2024년 07월 21일 건설엔지니어

“

1. 일반사항

1.1 적용범위

이 기준은 교량의 신축이음과 받침, 지진격리받침의 설계 및 선정에 관한 요구사항을 기술하고 있다.
이 기준에서 사용하는 단위는 별도의 언급이 없는 한 MPa, mm, rad, ℃를 사용한다.
이 기준에서 기술하고 있는 기타시설 이외에도 해당 시설 및 장치의 안정성과 적절성이 기술적으로 확인된 경우에는, 이를 이용한 개선된 설계를 인정한다.

1.2 용어정의

1.2.1 신축이음관련 용어

개방형 신축이음: 신축이음을 통해 물이나 불순물의 침투를 허용하는 신축이음
교축방향 축에 대한 회전: 교량의 주경간에 평행한 축에 대한 회전
교축직각방향 축에 대한 회전: 교량의 교축직각방향에 평행한 축에 대한 회전
교축방향 신축이음: 바닥판이나 상부구조를 두개의 독립 구조계로 분리하기 위해서 경간 방향으로 평행하게 설치되는 신축이음
구속장치: 상부구조들 또는 상부구조와 하부구조 사이에 설치되어 느리게 발생하는 온도 신축은 허용하면서 지진 또는 기타 동적으로 발생하는 하중을 전달하는 장치
밀폐형 신축이음: 신축이음을 통해 오물이 들어가는 것을 완전히 방지한 신축이음
방수형 신축이음: 구조물로의 누수를 방지하기 위해 신축이음 아래에 물받이를 설치해 놓은 개방형 또는 밀폐형 신축이음
반복-제어 신축이음: 일체식 교량에서 접속 슬래브(approach slab)와 교량과의 반복적인 교축방향 이동을 흡수하기 위해 설치되는 교축직각방향 접속 슬래브 신축이음
봉함재: 습기 및 불순물이 신축이음을 통과하는 것을 방지하도록 설치되는 고무 또는 기타 탄성재
봉함재형 신축이음: 봉함재(seal)를 가지고 있는 신축이음
시공이음: 단계별 순차적인 시공을 위해 사용되고 있는 임시 이음
일체식교량: 상부구조와 하부구조가 일체로 되어 있는 교량
이음: 두 부재사이의 구조적 불연속점
이동: 교량의 교축방향이나 교축직각방향의 수평변위

1.2.2 받침관련 용어

검사(inspection): 정기적인 관찰, 기록, 보고의 작업
경질 크롬면(hard chromium surface): 경질 크롬 층으로 도금된 강재의 지지 요소
교체(replacement): 받침의 주요 부품 또는 받침 전체에 대한 갱신
누적이동거리(accumulated slide path): 변동 회전에 의해 발생하는 상대 이동의 합
내부 봉함링(internal seal): 압축을 받고 있는 탄성중합체가 피스톤과 포트 사이로 돌출하는 것을 방지하기 위한 포트받침의 구성요소
마찰계수(coefficient of friction): 수평하중(저항 하중 )과 수직하중()의 비
미끄럼 탄성받침(sliding elastomeric bearing): 일방향 또는 이방향으로 수평 이동을 수용하기 위하여 미끄럼 요소와 결합된 탄성받침
미끄럼 판(sliding plate): 받침이 미끄럼 요소와 결합될 때 받침의 상부 미끄럼 표면과 접촉하는 구성 요소
미끄럼 포트받침(sliding pot bearing): 일방향 또는 모든 방향으로의 수평 이동을 수용하기 위하여 미끄럼 요소와 결합된 포트받침
받침(bearings): 상부구조의 하중을 하부구조로 전달시키고, 하중·회전·크리프·건조수축·온도변화 등에 의한 상부구조의 이동을 가능하게 하는 부속시설
받침시스템(bearing system): 상부 구조의 이동 및 하중전달을 제공하는 받침의 조합 시스템
배치(batch): 동일한 생산설비로 동일한 부품 생산에 사용되는 탄성중합체 각각의 배합 또는 배합의 혼합물
보수(servicing): 청소, 기름칠, 페인팅 및 사소한 결점에 대한 복구
복합 재료(composite material): 가이드에 사용되는 미끄럼 재료
스트립받침(strip bearing): 받침의 길이가 너비의 최소 10배인 평패드받침
미끄럼면(sliding surface): 상대변위를 수용하기 위하여 이종 재료로 이루어진 한 쌍의 평면 또는 곡면의 조합
미끄럼재(sliding materials): 미끄럼면을 형성하는 재료
유도장치(guide): 미끄럼 받침에서 특정 축에 대해 구속하는 요소
유지관리(maintenance): 보수 및 교체작업
윤활제(lubricant): 고무패드와 금속 사이의 마찰력을 감소시킴으로써 마모현상 뿐만 아니라 회전강성을 감소시키는 그리스
외부 봉함재(external seal): 피스톤과 포트의 유격으로 인한 수분과 먼지 침투를 방지하는 포트받침의 구성요소
적층받침(laminated bearing): 하나 이상의 강판이 고무와 화학적으로 결합하여 내부적으로 보강된 탄성받침
접촉면(mating surface): 복합 재료가 미끄러지는 단단하고 매끄러운 금속 표면
정기검사(regular inspection): 측정 작업 없는 정밀 육안검사
주요검사(principle inspection): 정기 검사와 유사하나 보다 세부적이며 정밀 측정 작업을 포함함
지점(support): 상대 이동 및 구조부재로 하중전달을 위한 받침을 포함하는 모든 가설조치
지지판(backing plate): 미끄럼 재료를 지탱하는 받침의 구성요소
평패드받침(plain pad bearing): 탄성중합체 내부에 이종 재료가 없고 일체로 경화된 탄성받침
포트(pot): 내부 공간에 탄성패드, 피스톤, 내부 봉함링을 수용할 수 있는 포트받침의 구성요소
포트받침(pot bearing): 포트에 밀폐된 탄성패드가 피스톤 하중과 회전운동을 수용할 수 있는 받침
폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE): 열가소성으로서 낮은 마찰계수를 갖는 재료
피스톤(piston): 탄성패드에 압력을 가하여 하중을 전달하는 포트받침의 구성요소
탄성받침(elastomeric bearing): 한 개 이상의 강판으로 보강되어 경화된 탄성중합체 블록으로 이루어진 받침
탄성중합체(elastomer): 압력을 가했을 때 변형이 발생하지만 압력을 제거하면 초기의 형상과 크기로 복원되는 고분자 물질
탄성패드(elastomeric pad): 받침에 회전성능을 제공하는 포트받침의 구성요소

1.2.3 지진격리받침관련 용어

고감쇠고무지진격리받침(high-damping rubber bearing, HDR): 고무의 조성을 조절하고 첨가물을 사용하여 상대적으로 큰 감쇠비를 갖도록 제작된 지진격리받침
공칭 압축응력: 장기적으로 지진격리받침에 가해지는 압축응력으로서 안전율을 감안하여 제조사가 추천하는 값
구조 기술자: 교량 구조의 지진격리설계에 대한 책임을 맡고 있고 지진격리받침의 요구 사항들을 지정할 책임이 있는 사람
극한특성(ultimate properties): 압축하중과 전단하중을 재하 하였을 때 좌굴(buckling), 파단(breaking) 혹은 삐져나옴(롤아웃, roll-out) 등이 발생하는 지점에서의 지진격리받침의 특성
극한 특성 다이아그램(UPD: Ultimate Property Diagram): 지진격리받침에 있어서 압축응력과 좌굴 혹은 파괴 시의 전단변형률의 상관관계를 나타내는 곡선
납삽입지진격리받침(LRB: Lead Rubber Bearing): 납봉을 탄성중합체 블록에 삽입하여 납의 전단변형이 감쇠효과를 나타내도록 제작된 지진격리받침
내부 고무: 지진격리받침의 보강철판 사이에 있는 고무층
덮개 고무: 보강철판과 고무층을 번갈아 적층한 지진격리받침에 있어서보강철판의 부식을 방지하고 산화작용, 자외선 기타 자연 상태의 열화 요인으로부터 내부 고무층을 보호할 목적으로 가황처리 이전에 내부 고무와 보강철판을 바깥쪽에서 둘러싸는 고무
삐져 나옴 : 맞춤못(dowel 또는 recess)으로 연결된 지진격리받침이 전단 변위를 받아 불안정해진 상태
선형천연고무받침(LNR: Linear Natural Rubber bearing): 전단하중과 전단변형의 관계가 선형적 특성을 가지고 있고, 감쇠비가 상대적으로 작은 지진격리받침으로서 천연고무를 재료로 제작됨.
설계 압축 하중: 구조물에 의해 지진격리받침에 장기적으로 가해지는 압축 하중
압축-전단 시험 기계: 지진격리받침에 일정한 압축하중을 유지하는 상태에서 전단 하중을 가함으로써 지진격리받침을 시험하는 설비
유효 재하 면적: 지진격리받침에서 수직 하중을 버티는 면적으로서 보강철판의 면적과 동일
유효폭: 사각형 지진격리받침에서 내부 고무의 짧은 변 길이를 의미하며 이 방향으로는 전단변형이 구속되지 않음.
정기 시험(Routine test): 지진격리받침의 생산 도중 혹은 생산 후에 지진격리받침의 품질관리를 위해 실시하는 시험
좌굴: 압축-전단 하중을 받는 상태에서 지진격리받침이 안정성을 잃는 상태
지진격리받침(seismic isolation bearing): 교량에 고유주기 이동, 지진력 분산, 지진에너지 감쇠 기능을 부여하여 교량을 지진으로부터 보호하는 받침으로서, 여기서는 선형천연고무받침, 고감쇠고무지진격리받침, 납삽입지진격리받침 등을 대상으로 함
지진격리받침의 수평특성 : LNR : 전단강성() : HDR : 전단강성()과 등가감쇠비() : LRB : 항복 후 전단강성()과 특성 하중() : EDC : 사이클 당 소산되는 에너지
지진격리받침의 압축특성(compressive properties of elastomeric isolators) : 지진격리받침의 압축강성()
지진격리받침의 파괴: 압축(또는 인장)-전단 하중에 의한 지진격리받침의 파손
최대 압축응력: 지진 시에 지진격리받침에 장기적으로 작용하는 최대 압축응력
형식 시험(Type test): 제품 개발 단계에서 재료의 특성과 지진격리받침의 성능에 대한 검증, 혹은 요구되는 설계사양을 만족하는가를 확인하기 위하여 실시하는 시험
1차 형상계수: 보강 철판 사이에 있는 하나의 내부 고무층에 대하여 변형이 자유로운 면적에 대한 유효 재하면적의 비율
2차 형상계수: 원형 지진격리받침일 경우 내부 고무층의 총 두께에 대한 내부 고무층의 지름의 비, 사각형 지진격리받침일 경우 내부 고무층의 총 두께에 대한 내부 고무층의 유효폭의 비

1.3 기호정의

1.3.1 신축이음관련 기호

= 차량 진행방향으로 산정한 신축이음 노면 최대 틈새 간격(mm)(4.1.3.1)

1.3.2 받침관련 기호

= 탄성받침 단면적(4.2.3.2)
= 가동받침 이동량 계산을 위한 콘크리트 단면적(4.2.2.3)
= 탄성받침의 감소 유효면적(4.2.3.8)(4.2.3.11)(4.2.3.12) = 슬라이딩면의 유효접촉면적(4.2.5.3)(4.2.6.9)
= 탄성받침 유효 단면적(4.2.3.7)
= 원형 받침의 전체 직경(4.2.3.4) = 포트 내부 직경(4.2.4.3)(4.2.4.9)
= 원형 적층받침의 유효직경(4.2.3.4)(4.2.3.12)
= 탄성중합체의 체적탄성계수(4.2.3.13)
= 가동받침 이동량 계산을 위한 콘크리트 탄성계수(4.2.2.3) = 탄성받침의 압축탄성계수(4.2.3.2)
= 포트의 탄성계수(4.2.4.9)
= 탄성받침에 작용하는 수평하중(4.2.3.12)
= 탄성받침의 수직설계하중(4.2.3.8)(4.2.3.11)(4.2.3.12)
= 탄성받침의 전단탄성계수(4.2.3.2)
= 포트의 깊이(4.2.4.3)
= 고정되지 않는 탄성받침의 마찰계수 계산을 위한 계수(4.2.3.12)
= 탄성받침의 수평 전단강성(4.2.3.2) = 보강판에 발생한 인장응력을 고려하기 위한 계수(4.2.3.11)
= 하중 종류에 따라 탄성중합체의 최대설계변형률 계산을 위한 계수(4.2.3.6)
= 탄성받침에서 복원모멘트 계수(4.2.3.13)
= 탄성받침의 수직 압축강성(4.2.3.2)
= PTFE 직경(4.2.6.6)
= 포트받침에서 탄성패드에 발생하는 최대구속모멘트(4.2.4.3)
= 탄성받침에서 복원모멘트 설계값(4.2.3.13)
= 포트받침에서 피스톤과 포트벽의 마찰에 의한 모멘트(4.2.4.3)
= 프리스트레싱 직후의 PS강재에 작용하는 인장력(4.2.2.3)
= 포트받침에서 피스톤과 포트 접촉면의 반경(4.2.4.9)
= 탄성받침에서 이동변위에 의해 구조물에 가해지는 힘(4.2.3.13)
= 형상계수(4.2.3.7)
= 최소두께의 탄성중합체 내부 층에 대한 형상계수(4.2.3.12)
= 탄성중합체의 전체 공칭두께(4.2.3.12)(4.2.3.13)
= 상하 덮개를 포함한 탄성중합체의 총 두께(4.2.3.9)
= 탄성중합체의 총두께(4.2.3.2)
= 고정장치의 설계강도(4.2.2.2)
= 받침의 설계강도(4.2.2.2)
= 받침에 작용하는 전단력(4.2.2.2)
= 받침의 전체 나비(직사각형 받침에서 단변)(4.2.3.4)
= 적층탄성받침의 유효나비(보강판의 나비)(4.2.3.4)(4.2.3.8)(4.2.3.12)
= 받침의 전체 길이(직사각형 받침에서 장변)(4.2.3.4)
= 적층탄성받침의 유효 길이(보강판의 길이)(4.2.3.4)(4.2.3.8)
= 미끄럼 요소들 간의 유격(4.2.6.6)
= 포트받침에서 탄성패드 직경(4.2.4.6)
= 슬라이딩 곡면에서 편심(4.2.5.3)
= PTFE의 돌출길이(4.2.6.6)
= 거더의 중립축으로부터 받침의 회전중심까지의 거리(4.2.2.3)
= 포트받침에서 탄성중합체의 허용압축응력(4.2.4.6)
= PTFE 설계압축강도(4.2.5.3)(4.2.6.6)
= 재료의 항복 강도(4.2.3.11)(4.2.4.9)
= 신축거더길이(4.2.2.3)
= 탄성받침의 자유 힘 둘레(4.2.3.7)
= 받침 개수(4.2.2.4)
= 적층탄성받침의 총 두께(4.2.3.4)
= 압축시 탄성중합체의 유효두께(4.2.3.7)
= 개별 탄성중합체 층 두께(4.2.3.4)(4.2.3.10)
= 개별 탄성중합체 층 중 가장 작은 두께(4.2.3.10)
= 포트받침에서 탄성패드 최소 두께(4.2.4.6)
= PTFE 두께(4.2.6.6)
= 보강판 두께(4.2.3.4)
= 적층탄성받침에서 내부보강판 양면의 탄성중합체 두께(4.2.3.11)
= 적층탄성받침에서 내부보강판 양면의 탄성중합체 두께(4.2.3.11)
= 이동 변위에 의한 적층탄성받침의 수평 상대 변위(4.2.3.9)
= 설계하중에 의한 받침의 나비 방향으로의 최대 수평 상대 변위(4.2.3.8)
= 설계하중에 의한 받침의 길이 방향으로의 최대 수평 상대 변위(4.2.3.8)
= 적층탄성받침의 총 수직변형(4.2.3.12)(4.2.3.13)
= 피스톤 면의 폭(4.2.4.9)
= 열팽창계수(4.2.2.3) = 받침 형식 및 수량에 따른 마찰계수 보정계수(4.2.2.4)
= 직사각형 받침의 나비 a를 가로지르는 회전각(4.2.3.5)
= 직사각형 받침의 나비 a, 길이 b를 가로지르는 누적 회전각(4.2.3.5)
= 직사각형 받침의 나비 a를 가로지르는 회전각(4.2.3.10)(4.2.3.12)
= 직사각형 받침의 길이 b를 가로지르는 회전각(4.2.3.5)
= 직사각형 받침의 길이 b를 가로지르는 회전각(4.2.3.10)(4.2.3.12)
= 원형 받침의 직경 D를 가로지르는 회전각(4.2.3.5)
= 포트받침의 최대 회전각(4.2.4.3)
= 건조수축, 크리프의 저감계수(4.2.2.3)
= 회전에 의한 탄성중합체의 설계변형률(4.2.3.6)(4.2.3.10)
= 압축하중에 의한 탄성중합체의 설계변형률(4.2.3.6)(4.2.3.8)
= 수평 이동에 의한 탄성중합체의 설계변형률(4.2.3.6)(4.2.3.9)
= 탄성중합체의 전체 설계 공칭 변형률(4.2.3.6)
= 콘크리트의 크리프계수(4.2.2.3)
= 동적마찰계수(4.2.6.10)
= 고정되지 않은 탄성받침의 마찰계수(4.2.3.12)
= 마찰계수(4.2.2.2)
= 마찰계수(4.2.2.2)
= 정적마찰계수(4.2.6.10)
= 상쇄 마찰계수(4.2.2.4)
= 최대 마찰계수(4.2.2.4)
= 받침 상부의 거더 회전각(4.2.2.3)
= 탄성받침의 수직압력(4.2.3.5)
= 탄성받침의 평균압축응력(4.2.3.12)
= 접촉응력(4.2.6.4)
= 가동받침의 총 이동량(4.2.2.3)
= 활하중으로 거더의 처짐에 의한 가동받침의 이동량(4.2.2.3)
= 콘크리트의 건조수축에 의한 가동받침의 이동량(4.2.2.3)
= 온도변화에 의한 가동받침의 이동량(4.2.2.3)
= 콘크리트의 크리프에 의한 가동받침의 이동량(4.2.2.3)
= 콘크리트의 건조수축에 해당하는 온도변화(4.2.2.3)
= 활하중에 의한 포트받침의 회전각 변동(4.2.4.3)

1.3.3 지진격리받침관련 기호

= 유효 면적; 적층고무 지진격리받침에서 덮개 고무 부분을 제외한 면적(4.3.2)
= 비지진 전단변위 상태에서 적층 고무 지진격리받침의 상부와 하부가 겹쳐지는 면적(4.3.2)(4.3.3.2)
= 정사각형 지진격리받침에서 덮개고무를 제외한 한 변의 길이 또는 직사각형 지진격리받침에서 덮개고무를 제외한 장변의 길이(4.3.3.2)
= 직사각형 지진격리받침에서 덮개고무를 제외한 단변의 길이(4.3.3.4)
= 직사각형 지진격리받침에서 덮개고무를 제외한 횡방향의 변의 길이(4.3.3.2)
= 보강철판의 외부 지름(4.3.3.3)(4.3.3.4)
= 지진격리받침 고무층의 겉보기 탄성계수(4.3.3.2)
= 고무의 압축성을 고려하여 수정된 겉보기 탄성계수(4.3.2)
= 1차 형상계수에 따라 결정되는 체적 압축특성을 고려하여 수정한 겉보기 탄성계수(4.3.3.2)
= 전단탄성계수(4.3.2)
= 전단변형률 에서의 등가 선형 전단탄성계수(4.3.2)
= 전단강성(4.3.2)
= 지진격리받침의 압축강성(4.3.2)
= 내부 고무층의 개수(4.3.3.2)
= 지진격리받침의 압축력(4.3.3.3)
= 지진격리받침의 설계 압축력(4.3.2)
= 지진격리받침의 최대 설계 압축력(4.3.2)(4.3.3.5)
= 지진격리받침 최소 설계 압축력(4.3.2)
= 1차 형상계수(4.3.3.2)(4.3.3.4)(4.3.3.5)
= 고무층의 총두께로서 로 계산(4.3.2)(4.3.3.1)(4.3.3.4)
= 내부 고무층 1개의 두께(4.3.3.2)
= 지진격리받침에 작용하는 상향력(4.3.3.6)
= 설계 전단변위(4.3.2)
= 준정적 전단 작용에 의한 전단변위(4.3.3.1)
= 최대 설계 전단변위(4.3.2)
= 동적 전단 작용에 의한 전단변위(4.3.3.1)
= 설계 전단변형률(4.3.2)
= 적층고무 지진격리받침의 충 전단변형률에 대한 상한값(4.3.3.2)
= 압축력에 의한 국부 전단변형률(4.3.3.2)
= 지진 시 최대 전단변형률(4.3.2)
= 회전에 의한 국부 전단변형률(4.3.3.2)
= 준정적 전단 작용에 의한 전단변형률(4.3.3.1)(4.3.3.2)
= 지진격리받침의 회전각(원형 지진격리받침은 지름, 직사각형 지진격리받침은 중심축에 대한 회전)(4.3.3.2)
= 지진격리받침의 종축방향 회전각(4.3.3.2)
= 지진격리받침의 횡축방향 회전각(4.3.3.2)
= 지진격리받침의 설계 압축응력(4.3.2)
= 지진격리받침의 최대 설계 압축응력(4.3.2)(4.3.3.5)
= 지진격리받침의 최소 설계 압축응력(4.3.2)
= 인장응력(4.3.3.6)
= 지진격리받침의 허용 인장응력(4.3.3.6)
= 좌굴 점검을 위한 계수(4.3.3.4)

2. 조사 및 계획

내용 없음.

3. 재료

내용 없음.

4. 설계

4.1 신축이음

4.1.1 요구사항

4.1.1.1 일반사항

신축이음을 선정하고 배치할 때에는 온도변화 및 시간 의존적 원인에 의한 교량 상하부구조의 각종 변형을 수용하여 교량 기능을 보장하여야 하고 차량 및 이륜 자동차, 원동기, 자전거 등의 통행에 지장이 없도록 하여야 한다.
신축이음은 사용한계상태 및 극한한계상태에서 하중을 충분히 지지할 수 있어야 하고, 상하부구조의 회전 및 이동을 자유롭게 수용해야 한다. 또한 피로한계상태에 대한 요구조건을 만족하여 충분한 내구성을 가지도록 설계되어야 한다. 대부분의 신축이음은 방수기능이 필수적으로 요구되고 있는데 이러한 신축이음은 내구연한동안 누수가 발생하지 않도록 설계되어야한다.
신축이음 내구연한이 교량 공용수명보다 작은 경우에는 상부구조에의 영향을 최소화하는 교체방법을 제시하여야 한다. 또한 신축이음 내구연한동안 유지관리나 교체가 필요한 부품들에 대한 작업 방법들을 제시하여야 한다.
신축이음에 발생하는 하중은 신축이음 구조형상과 각 요소들의 강성, 제작 및 시공 오차에 따라 달라진다. 각 요소들에 대한 설계하중 계산 시 이러한 영향들을 합리적으로 고려하여야 한다.

4.1.1.2 구조설계

신축이음의 허용 신축량과 극한 신축량은 발생 가능한 모든 하중들의 조합들 중에서 가장 불리한 경우에 대하여 각각 계산하여야 한다. 신축이음장치 본체와 그 지지부는 최대로 신축하였을 때 계수 하중에 안전하도록 설계하여야 한다. 여기서, 재료계수는 KDS 24 14 21과 KDS 24 14 31에 규정된 적절한 값을 사용할 수 있고 하중계수와 하중조합은 KDS 24 12 11과 KDS 24 12 21을 참조한다.
눈이 많이 내리는 지역에서는 신축이음 연결부 및 앵커는 제설기에 의해 신축이음에 가해질 수 있는 수평하중에 저항하도록 설계하여야 한다.

4.1.1.3 형상

신축이음 이동방향은 이동이 구속되거나 또한 받침에 불리한 하중이 작용하지 않

”