실험결과 및 과거의 경험을 바탕으로 하여, 구조물이 받는 정적 및 동적하중, 온도변화, 궤도-교량간 상호작용, 지진의 영향, 기상작용, 지반의 지지력 등에 대응할 수 있도록 해야 한다.
구조물의 중요도, 시공검사 및 유지관리, 환경조건, 미관 등을 고려해서 교량의 형식, 사용하는 재료 및 강도, 구조세목 등을 정하여 교량을 설계해야 한다.
철도교량의 설계에 있어서는 일반적으로 교량 및 부재의 강도, 안정, 정적 및 동적변형, 내구성 등에 대하여 검토해야 한다.
필요한 경우에는 부재의 좌굴, 콘크리트의 균열에 대해서도 검토해야 한다.
지진의 영향을 고려하는 경우에는 특히 다음 사항에 대하여 검토해야 한다.
지진의 영향으로 과대한 변형, 비틀림, 응력집중 등이 생기지 않는 구조로 한다.
재현주기 100년 지진에서도 열차가 주행기능을 수행할 수 있는 궤도안정성이 확보되도록 구조물에 대한 검토를 해야 한다. 이때 구조물은 탄성설계를 기본으로 해야 한다.
설계지진 발생 후의 피해정도를 최소화하고 구조물을 구성하는 부재들의 부분적인 피해는 허용하나 구조물의 전체적인 붕괴는 방지할 수 있도록 구조물에 대한 검토를 해야 한다.
교량 전체의 붕괴를 방지하기 위해 구조상 소성힌지가 생기는 부분에는 급격한 파괴가 생기지 않도록 연성을 갖게 해야 한다.
일반적인 내진계산은 교량의 직교 2방향에 대하여 각각 독립적으로 지진의 영향을 고려해서 계산하고 있으나 실제의 지진 진동은 수평 2방향과 연직방향의 3개 성분이 합성된 것이므로 구조물에 수평비틀림이 생기지 않도록 구조물의 강성의 중심과 질량의 중심이 가급적 일치되는 구조형식으로 해야 한다.
기초 및 교대, 교각의 단면이 상당히 큰 경우 수화열해석에 의한 검토를 수행해야 하며, 온도해석 및 응력해석, 이들 결과를 사용한 균열발생의 평가방법은 KCS 14 20 42에 따른다.
1.3.2 설계 계산
교량 안전성설계는 정적해석에 의하여 수행해야 하며, 지진이나 충격 등의 영향을 계산하는 경우와 주행안전성 검토는 실제 열차하중을 사용한 동적해석에 의한 검토를 해야 한다.
강교의 설계는 허용응력설계법으로 하는 것을 원칙으로 하되 강합성교의 콘크리트 바닥판 등의 설계에는 강도설계법을 적용하는 것을 원칙으로 한다.
콘크리트교량의 설계는 강도설계법으로 하는 것을 원칙으로 하되 하부구조의 안정성 검토, 기초구조 검토, 프리스트레스가 도입되는 부재의 사용성 검토 등에 대해서는 허용응력으로 적정성을 검토할 수 있다.
구조물의 안정검토에서는 일반적으로 받침면, 기초저면 등에서의 전도, 그리고 지반 및 말뚝 등의 수평 및 연직지지 등에 대한 안전도가 확보되도록 한다.
구조물의 변형은 일반적으로 열차의 주행안전성, 승객의 승차감, 궤도-교량 간 종방향 상호작용을 고려한 허용변위량 이내라야 한다.
철도교의 설계 내용기간(耐用期間)은 요구되는 공용기간과 환경조건에 대한 교량의 안전성과 내구성능을 고려해서 정한다.
특히, 별도로 규정하지 않는 경우 철도교의 설계 내용기간은 100년으로 한다.
1.4 설계고려사항
1.4.1 설계도 및 설계 계산서
설계도
설계자가 설계한 구조물이 실제로 시공될 경우에 설계자의 의도대로 구조물이 만들어지지 않는다면 구조물의 안전도가 확보될 수 없고 또 구조물이 그 목적에 맞지 않게 된다.
따라서 설계도에는 시공에 필요한 사항, 장래 구조물을 유지 관리하는데 필요한 사항 등을 명시해 둘 필요가 있다.
필요한 경우에는 응력, 흙의 내부마찰각, 기초지반의 허용지지력, 기초말뚝의 허용지지력, 지질도, 철근의 이음종류나 이음위치 등도 기재해야 한다.
설계도는 구조물 또는 부재의 형상 치수, 철근의 형상 치수, 배치 등을 도시해야 한다.
설계도에는 기본적으로 다음에서 제시하는 설계계산의 기초적 사항, 시공의 조건 등을 명기해야 한다.
구조물의 위치 및 명칭
설계하중
사용재료의 종류 및 설계기준강도(또는 허용응력) 또는 안전도
콘크리트의 내구성 또는 수밀성으로부터 정해지는 물-결합재비의 최댓값
굵은골재의 최대치수
설계 책임자의 소속, 성명
설계 년월일
치수단위와 축척
관련도면 및 시방서
설계 계산서
설계 계산서에는 일정한 조건하에서 구조물 및 부재가 안전도를 갖고 있음을 보여주는 계산과정을 명시해야 한다.
일반적으로 구조물의 구조와 시공방법과는 밀접한 관계가 있으므로 계산과정에서 일치되어야 한다. 특히 부재접합의 조건(고정, 힌지, 연속 등) 및 시공순서는 계산의 과정과 일치해야 한다.
따라서 만일 설계 계산의 조건과 시공의 조건이 일치하지 못하는 경우에는 다시 설계 계산을 하여, 설계 계산서에 그 과정을 명기해야 한다.
1.4.2 철도교의 요구사항
일반내용
철도교는 열차의 운행 안전성, 승차감, 그리고 향후 유지관리를 위하여 관련되는 엄격한 기준을 만족해야 한다.
철도교는 작용하중이 매우 크고, 많은 불리한 하중조건을 만족해야 할 뿐만 아니라 차량 운행과 관계된 특별한 인터페이스를 만족해야 하므로 다음에 기술하는 바와 같은 조건들에 대해 특별히 엄격하고 주의 깊은 설계와 시공, 유지관리, 통제관리 등이 수행되어져야 한다.
정적하중 조건 (고정하중, 차량하중, 일반 환경적 하중)
동적하중 조건 (동적 구조응답, 공진현상 검토)
운행하중 조건 (제동하중, 시동하중, 차량횡하중 등)
반복적인 차량 차축하중에 대한 피로 조건
승차감 확보 조건
궤도-교량간 상호작용 효과 (변형 한계조건, 온도 신축길이 제한)
상부구조와 하부구조사이의 인터페이스 조건
교량진단과 유지관리 과정에서도 열차의 운행중지를 하지 않을 조건
열차 특수운행 요구사항
위 조건에 맞는 교량의 설계를 위해 다음 특성을 고려해야 한다.
동적안정성의 확보와 작은 처짐을 유도하여 높은 수준의 편안함과 승객의 안전을 보장해야 한다.
차량 운행에 따른 공진을 가능한 한 방지할 수 있도록 하거나 공진 시 구조물 변형 안전성을 확보할 수 있어야 한다.
구조물에 위험 요소가 발생할 수 있는 요인을 제한하기 위하여 교량상부구조의 경우 가급적 단일구조체로 설계하는 것으로 하고 다음 형식을 피해야 한다.
연결부위가 취약한 구조체
품질관리가 어려운 복잡한 구조체
구조물 점검이 어렵고 복잡한 구조체
시공성과 품질관리의 용이성을 높이고, 보다 고품질의 시공 결과물과 고효율 유지관리를 위해 개념적으로 단순한 형식을 적용하도록 해야 한다.
열차운행 시 소음문제를 최소화할 수 있는 환경친화적 저소음 형식을 적용하거나 그에 대한 대책을 강구해야 한다.
하중의 특성
작용하중의 특성치는 합리적으로 계산되어지고 공인될 수 있는 통계적인 값을 사용해야 한다.
통계적인 분포가 없을 경우에는 공칭하중이 사용될 수 있다.
하중들은 다음의 3가지의 형태를 가진다.
영구적인 작용하중 (고정하중, 프리스트레싱, 영구적인 주위환경의 하중 등)
빈도에 관계없이 변동성 있는 하중 또는 준영구적인 작용하중으로 차량과 보행자하중, 기타 여러 작용원인에 의한 다양한 하중들 (동적인 증폭관련 외의 어떠한 우발적 사고 상황은 포함시키지 않음.)
우발적인 하중 (열차운행 상의 우발적인 하중 또는 기타 환경적인 우발적 하중)
운행을 위한 조건
교량은 재료의 특성과 관계된 사항 이외에 추가적으로 진동 한계와 엄격한 변형 제한을 만족해야만 한다.
다음과 같은 4가지의 독립적인 항목이 반드시 고려되어야 한다.
주행의 안전성
승객의 승차감
교량의 동적 안정성
궤도-교량 간 상호작용
차량 운행 조건 검토 시 다음 사항을 만족해야 한다.
차량 운행에 대한 조건은 열차속도 또는 차축간격, 수직하중, 열차의 특성으로 인해 수반되는 운행 조건에 의해 평가되어야 한다.
운행 조건 중에서 열차의 수, 열차의 구성과 그 크기는 특히 강구조물의 경우 피로검토를 위해서 반드시 고려되어야 한다.
정적설계에 적용되는 교량에 재하되는 운행하중은 표준열차하중을 사용해야 한다.
표준열차하중에 동적 충격효과를 고려하기 위한 충격계수가 포함될 때 선로의 운행하중에 상응하는 수평효과들이 고려되어야 한다.
교량의 동적해석을 수행하기 위해서는 실제 열차하중이 적용되어야 한다.
궤도-교량 간 상호작용
교량 등 선로 상부구조물이 두개의 교대에 걸쳐져 있는 단순구조 형식이거나, 또는 하나의 교대를 포함하는 상부구조를 가지거나, 혹은 레일신축이음장치(REJ)를 가지고 있거나 가지지 않는 복잡한 연속구조물인 경우 등의 모든 경우에 있어서, 장대레일에서 기인하는 교축방향 하중은 구조물과의 상호작용으로 복잡하게 분산되어진다.
이러한 하중들의 일부분은 다른 선로에 전달되어지며, 또한 교량 구조물은 다음과 같은 영향을 받을 수 있으므로 검토해야 한다.
교량의 종방향 변위에 대한 궤도의 저항
탄성받침 등 종방향 강성을 고려할 수 있는 특정한 형식의 받침에 의한 종방향 변위에 대한 상부구조의 저항
다음의 하중에 의한 영향은 복합적인 수평방향 거동을 유발하여 반드시 고려해야 한다.
온도변화에 따른 레일과 구조물에서의 서로 다른 거동의 영향
제동과 시동에 준용하는 수평하중의 영향
다음 사항을 유도할 수 있는 수직하중에 의한 교량휨에 기인한 영향
받침 위의 상부구조 단부각변위
교량상부구조의 종방향 변위
레일에서의 추가 휨응력
궤도에 추가되는 하중들은 레일, 체결구 등 궤도 구성요소의 특성과 함께 고려되어야 한다. 특히, 장대레일이 부설된 콘크리트궤도에서의 교량 변위 발생에 따른 체결구의 압상(Uplift) 및 압축에 대한 안정성을 검토해야 한다.
유지관리
유지관리를 위한 최소치인 유지관리 요구도를 제시하기 위하여 세부적인 설계과정 동안 유지관리에 대한 계획이 수립되어야 한다.
설계도서에는 유지관리를 위한 사전 고려사항 및 유지관리 시설이 반영되어야 한다.
1.4.3 기록
교량대장
교량대장은 유지관리, 금후의 계획, 각종 조사를 위하여 필요한 것으로 특별히 유의하여 정비하고 보관해야 한다.
교량대장에는 교량의 길이, 교량 폭, 설계하중(시방서명), 설계지진의 크기, 기초의 형식과 근입깊이, 지반조건, 주요부분의 구조도, 준공년월일, 기타 장래의 유지관리에 필요한 기재사항을 기재하여 이것을 보관해야 한다.
교명판
교량에는 교명판을 부착시킴을 기본으로 한다.
교명판에는 교량 명칭, 총연장, 교량 폭, 설계하중, 공사기간, 시행청, 설계자, 시공자, 책임감리원, 준공검사자 등을 기재해야 하며, 교량종류에 따른 교명판의 구체적인 제작요령과 부착위치는 시행청이 정한 바에 따른다.
2. 조사 및 계획
2.1 조사
철도교량의 합리적이고 경제적인 설계와 시공을 위해서는 교량가설 예정지점의 상황, 구조물의 규모 등에 따라 필요한 조사를 해야 한다.
조사내용 및 방법 등 조사에 관한 제반사항은 KDS 47 10 15를 따른다.
2.2 계획
계획에 관한 사항은 KDS 47 10 15를 따른다.
가설위치와 형식선정
철도교량의 계획에 있어서 가교위치를 선정할 때 열차속도가 향상됨에 따라 선형을 위주로 하여 선정하되 부수되는 문제를 사전에 고려해야 한다.
종래에는 노선전체의 선형만을 중시한 결과 사각이 매우 큰 교량이 계획되는 경우도 있었는데 이를 미연에 방지하기 위해서는 교량의 정적 및 동적거동의 안정성, 시공성 등의 측면을 고려한 교량의 종평면 선형, 사각, 교대 및 교각 위치 등을 유념하여 계획해야 한다.
