뒷채움재의 내부마찰각 변화에 따른 철도교대의 안정성 및 공사비 비교 Comparison of Construction Cost and External Stability of Railway Abutment wall with Friction Angle of Backfill Materials원문보기
유충현
(Department of Railway Construction, Seoul National University of Science and Technology)
,
최찬용
(High Speed Research Division, Korea Railroad Resarch Institute)
,
양상범
(Dept of Civil, Architecture and Environmental Systems Engineering, Sungyunkwan Univ.)
,
박용걸
(Department of Railway Construction, Seoul National University of Science and Technology)
교대는 토압을 받는 구조체로 뒤채움의 재질 및 부설방법, 다짐정도, 배수시설 등에 따라 교대에 미치는 영향이 민감한 구조물이다. 하지만 보통 실무에서는 경험치인 내부마찰값을 $30{\sim}35^{\circ}$를 적용하고 있는 실정으로 뒤채움재의 물성치값을 현실에 맞도록 합리적인 값의 설정이 필요하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 교대높이 12m로 가정하고 직접기초의 교대를 최소안전율을 기반하여 절 성토 표준단면을 선정하여 내부마찰각의 변화에 따른 외적안정성분석와 부재력 검토하여 공사비를 비교하였다. 그 결과 내부마찰각에 따라 교대단면 축소 등으로 인한 공사비용 절감효과는 약 2.2%~8.4% 감소하였다.
교대는 토압을 받는 구조체로 뒤채움의 재질 및 부설방법, 다짐정도, 배수시설 등에 따라 교대에 미치는 영향이 민감한 구조물이다. 하지만 보통 실무에서는 경험치인 내부마찰값을 $30{\sim}35^{\circ}$를 적용하고 있는 실정으로 뒤채움재의 물성치값을 현실에 맞도록 합리적인 값의 설정이 필요하다고 할 수 있다. 본 논문에서는 교대높이 12m로 가정하고 직접기초의 교대를 최소안전율을 기반하여 절 성토 표준단면을 선정하여 내부마찰각의 변화에 따른 외적안정성분석와 부재력 검토하여 공사비를 비교하였다. 그 결과 내부마찰각에 따라 교대단면 축소 등으로 인한 공사비용 절감효과는 약 2.2%~8.4% 감소하였다.
The railway bridge abutment subjected to the lateral earth pressure is a sensitive structure that is affected by backfill materials, installation methods, compaction, and drainage system and so on. The several design loads for the bridge abutment design consist of traffic loading on bridges and vert...
The railway bridge abutment subjected to the lateral earth pressure is a sensitive structure that is affected by backfill materials, installation methods, compaction, and drainage system and so on. The several design loads for the bridge abutment design consist of traffic loading on bridges and vertical & lateral force due to surcharge load at backfill. Especially, the lateral earth pressure of design load components is important and considered in the design of geotechnical engineering structure such as bridge abutment wall. The determination of cross section for abutment is finally determined with calculating external stability and member force of abutment wall structures. In this study, the abutment wall height is 12m and the optimal cross section of abutment wall has been determined that satisfies an external stability for abutment structure through friction angles of 35, 40, and 45 degrees of backfill materials. The external stability and member force of abutment wall with friction angle of backfill materials and were calculated and construction cost of each abutment wall structures was compared. It found that the construction cost was reduced from 2.2 to 8.4% with friction angle of backfill materials.
The railway bridge abutment subjected to the lateral earth pressure is a sensitive structure that is affected by backfill materials, installation methods, compaction, and drainage system and so on. The several design loads for the bridge abutment design consist of traffic loading on bridges and vertical & lateral force due to surcharge load at backfill. Especially, the lateral earth pressure of design load components is important and considered in the design of geotechnical engineering structure such as bridge abutment wall. The determination of cross section for abutment is finally determined with calculating external stability and member force of abutment wall structures. In this study, the abutment wall height is 12m and the optimal cross section of abutment wall has been determined that satisfies an external stability for abutment structure through friction angles of 35, 40, and 45 degrees of backfill materials. The external stability and member force of abutment wall with friction angle of backfill materials and were calculated and construction cost of each abutment wall structures was compared. It found that the construction cost was reduced from 2.2 to 8.4% with friction angle of backfill materials.
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문제 정의
본 논문에서는 최소안전율을 기반으로 한 절·성토 표준교대 단면을 선정하여 상부하중 동일하게 적용하고 내부마찰각 변화에 따른 외적 안정성 평가와 공사비 비교 분석을 통해 교대형상에 적합한 내부마찰각 사용의 합리적 방안을 고찰하였다.
가설 설정
본 연구에서는 교대높이 12m로 가정하고 직접기초의 교대를 최소안전율을 기반하여 표준단면을 선정하였다. 내부마찰각(Φ) 변화에 따른 표준교대단면의 외적 안정성과 부재력검토를 통해 공사비를 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
표에서와 같이 상부형식은 PSC Beam 25m, 역T형 교대로서 직접기초형식으로 성토와 절토단면으로서 사용재료와 설계하중, 배면의 토압은 Coulomb 주동토압 계수를 사용하였다(Korean Geotechnical Society, 2009; Korea Rail Network, 2013, 2014). 외적 안정성은 설계기준에 제시하고 있는 최소안전율로 전도, 활동에 대하여 2.0과 1.5로 가정하였다. 지지력은 허용지지력 600kN이하로 하였다.
제안 방법
교대의 기초는 말뚝기초와 직접기초로 설계하고 있으며, Fig.3(a)과 같이 앞굽 및 뒷굽 모두 캔틸레버보로 계산하고 재하하중은 자중 및 상재하중, 흙 자중으로 하며, 지반반력을 고려하여 설계한다. 말뚝기초는 Fig.
내부마찰각(Φ) 변화에 따른 표준교대단면의 외적 안정성과 부재력검토를 통해 공사비를 분석하였으며, 다음과 같은 결과를 도출하였다.
2(b)와 같이 교량 상부하중(Qv, Qh), 상재하중(Qt, Ql), 자중(흉벽+벽체) 및 토압(Pa2)으로 설계하중을 구한다. 흉벽의 철근량은 계수하중으로서 주철근, 전단철근, 온도(수평)철근 산정하며 온도(수평)철근은 주철근의 20% 적용하며 균열에 의한 사용성 검토는 사용하중으로 설계한다.
이론/모형
Table 10는 내부마찰각별로 최적의 표준교대 단면에 대한 공사비를 산출하기 위한 공정별 수량산출량이다. 수량산출기준은 KR Code 2014 수량산출 기준을 참고하였으며, 단가 산출은 2015 물가변동율을 반영하였다. 철도교대의 공종은 뒤채움, 콘크리트, 거푸집, 철근가공조립비, 비계, Spacer설치, 배면방수으로 내부마찰각 35°을 기준으로 내부마찰각이 5° 증가함에 따라 성토부에서는 철근가공조립량이 5.
본 논문에서 대상 교대의 단면과 외적안정성 평가를 위한 설계 가정조건은 Table 3와 같다. 표에서와 같이 상부형식은 PSC Beam 25m, 역T형 교대로서 직접기초형식으로 성토와 절토단면으로서 사용재료와 설계하중, 배면의 토압은 Coulomb 주동토압 계수를 사용하였다(Korean Geotechnical Society, 2009; Korea Rail Network, 2013, 2014). 외적 안정성은 설계기준에 제시하고 있는 최소안전율로 전도, 활동에 대하여 2.
성능/효과
(1) 내부마찰각 변화에 따른 절 · 성토 표준교대단면에 안정성 해석결과 내부마찰각 35°의 안정율 대비 각 내부마찰각 5°가 증가할 경우 전도의 경우 6.53~48.05%, 활동의 안전율은 15.23~49.15%, 지지력의 경우 2.92~23.53%가 증가하였다.
(2) 내부마찰각 변화에 따른 절 · 성토 표준교대단면에 부재력 해석결과 내부마찰각 35°을 기준으로 내부마찰각이 5°씩 증가함에 따라 부재력은 최소 3.86%에서 최대 35.47%까지 감소하는 것을 볼 수 있다.
(3) 내부마찰각 변화에 따른 절 ․ 성토 표준교대단면에 공사비는 교대높이 12m에 대한 성토단면의 m당 공사비는 내부마찰각 35°, 40°, 45°에서 95.4백만 원/m, 93.2백만 원/m, 90.1백만 원으로 각각 산출되었다.
교대 직접기초의 지지력 안전율과 부재력 결과를 토대로 철근직경은 기초부에서 내부마찰각 5° 증가됨에 따라 H32→H29→H25 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.
내부마찰각 5° 이상 증가할 경우 전도의 경우 6.53~48.05%, 활동의 안전율은 15.23~ 49.15%가 증가하였으며, 지지력의 경우 2.92~23.53%가 감소하였다.
모멘트의 경우 최대값(Φ=35)에 비해 계수하중을 적용할 경우 부재력 감소율은 모멘트는 약 13.24~30.39% 감소되었으며 축력은 약 11.93~35.47% 감소하였다.
5%감소하였다. 본 논문에서 제시된 공사비 단가는 m당 단가이기 때문에 총공사비로 산정할 경우에는 교대의 수와 연장에 따라 많은 영향을 줄 것으로 판단된다. 절토의 경우에는 내부마찰각 45°로 증가하여 설계할 경우 감소율은 최대 8.
47% 감소하였다. 사용하중으로 적용한 경우에는 모멘트는 11.38~26.50%, 축력은 약 11.93~35.47% 감소되었다.
철도교대의 공종은 뒤채움, 콘크리트, 거푸집, 철근가공조립비, 비계, Spacer설치, 배면방수으로 내부마찰각 35°을 기준으로 내부마찰각이 5° 증가함에 따라 성토부에서는 철근가공조립량이 5.9~16.1%으로 감소율이 가장 높았으며, Spacer 수평설치, 콘크리트 순으로 6.5~13.0%, 4.9~9.9% 감소하였다.
후속연구
따라서 옹벽에서 사용되는 뒤 채움재료의 내부마찰각 30~35°를 적용하는 것은 매우 보수적으로 설계하는 것을 알 수 있으며, 철도교대와 같이 강성이 큰 시멘트안정처리골재와 일반골재의 설계 시 내부마찰각은 보다 합리적인 산정기준의 마련이 필요할 것으로 판단된다.
본 논문에서 뒤채움의 마찰각을 내부마찰각 Φ=35, Φ=40, Φ=45로 향상시킬 경우 교대단면 축소 등으로 인한 경제성 효과가 기대될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교대에 작용하는 하중은 무엇이 있나?
교대설계는 교대에 작용하는 하중에 대하여 구조물의 안정성 검토와 단면설계라고 할 수 있다. 교대에 작용하는 하중은 수직하중과 수평하중, 교대배면에 작용하는 상재하중과 배면에 작용하는 토압이 있다. 구조물의 안정성검토에서 교대의 전도, 활동 및 지지력에 대하여 사용하중으로 검토하고 구조물의 단면설계를 위한 부재의 단면 두께 검토 및 철근량 등은 계수 하중으로 적용한다.
교대설계는 무엇인가?
일반적으로 교대설계는 지반공학자와 구조공학자가 협업 설계를 하고 있으며, 지반공학 측면에서는 교대배면의 뒤채움재료와 침하의 문제라면, 구조공학자들은 교대에 작용하는 하중과 단면설계라고 할 수 있다. 교대설계는 교대에 작용하는 하중에 대하여 구조물의 안정성 검토와 단면설계라고 할 수 있다. 교대에 작용하는 하중은 수직하중과 수평하중, 교대배면에 작용하는 상재하중과 배면에 작용하는 토압이 있다.
우리나라 철도구조물은 어떤 공학자들이 협업을 하여 설계되는가?
9km로 국내 고속철도 건설 구간에서 교량이 차지하는 비율은 전체 구조물의 약 30%이상으로 호남고속철도 오송-광주송정구간의 경우 총 70개소의 교량이 건설되었다. 일반적으로 교대설계는 지반공학자와 구조공학자가 협업 설계를 하고 있으며, 지반공학 측면에서는 교대배면의 뒤채움재료와 침하의 문제라면, 구조공학자들은 교대에 작용하는 하중과 단면설계라고 할 수 있다. 교대설계는 교대에 작용하는 하중에 대하여 구조물의 안정성 검토와 단면설계라고 할 수 있다.
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