지중구조물의 노면 활하중은

어떻게 적용하여 설계해야 할까?

1. 지중구조물이란?

지중구조물이란 지하에 위치하며 지반에 대한 부하를 전달하거나 지하 공간을 형성하는 구조물입니다.

지중구조물 중 특히 암거의 경우, 구조물 위로 차량이나 사람이 통행하는 경우가 많아

이를 고려하여 구조 설계 시 반영하여야 합니다.

하지만 현재 지중구조물의 경우 구조물의 특성에 따라 분류 되어 다양한 구조물의 설계 기준에 포함되어

정의되고 있습니다. 또한 지중구조물의 노면 활하중에 대한 기준이 통일되지 않고 각종 기준마다

서로 다르게 제시하고 있어서 엔지니어에게 혼란을 주곤합니다.

노면활하중에 관하여 언급된 기준을 한번에 정리하여 이를 각 기준마다 어떻게 정의하고 있는지 알아보고 비교해보겠습니다

노면활하중의 산정 방법은 크게 설계법에 따라 강도 설계법과 한계상태 설계법으로 구분할 수 있습니다. 

* 아래 세부사항의 경우 현재 및 기존에 출판되어있는 기준을 바탕으로 재구성한 컨텐츠이기 때문에
정확한 설계 기준을 확인하기 위해서는 해당 설계 기준을 직접 확인하시는 것을 권장드립니다.

2. 강도설계법에 따른 지중구조물의 노면활하중 기준

강도 설계법의 경우
공동구 설계기준 [KDS 29 14 00] 공동구 본체 설계

철도 설계기준 [KDS 47 10 40] 철도노반설계_지하구조물
국도설계실무요령[2021]

도로설계편람[2012]_지하차도

도로설계편람[2012]_토공 및 배수에 나타나 있습니다.

강도 설계법을 적용한 기준들의 세부사항들은 다음과 같습니다.

- 공동구 설계기준  [KDS 29 14 00] 공동구 본체 설계
2021 공동구 설계 기준에 대한 대분류 개편으로 인해 기존의 [공동구 설계기준 : KDS 11 44 00]을 확인하기 위해서는 
KDS 29 10 00 (공동구 설계기준) 참조해야 합니다.

공동구 설계 기준에 나타나있는 노면 활하중의 경우
구조물의 폭과 매설 깊이의 비율에 따라 상이한 값을 제공하고 있습니다.

- 표 4.1-4 D/B0 ≥ 0.5인 경우의 노면활하중(DB-24 기준)

- 표 4.1-5 D/B0 < 0.5인 경우의 노면활하중(DB-24 기준)

단, 매설깊이 1.0 m 이내의 경우 이동 하중을 직접 재하하고 상부 슬래브는 바닥판 기준을 따라 설계하고

- 철도 설계기준 [KDS 47 10 40] 지하구조물

- 국도설계실무요령[2021]

철도 설계기준 [KDS 47 10 40]_지하구조물과 국도설계실무요령[2021]과 국도설계실무요령[2021]에서는

기본적으로 앞서 언급한 KDS 29 14 00 공동구 본체 설계에서의 기준과 동일한 기준을 제공하고 있습니다
단, 국도설계실무요령[2021]에서는 노면 활하중이 10.0 kN/m2 이하일 때에는 10.0 kN/m2을 적용합니다.

구조물 내공이 6.0 m 이하인 경우에 대하여는 앞서 언급된 기준과 동일하며
구조물 내공이 6.0 m 이상인 경우에 대해서는 도로설계편람[2012]_지하차도에서 제시하는

노면 활하중 기준과 동일합니다.

- 도로설계편람[2012]_지하차도

도로설계편람[2012]_지하차도에서는 매설 깊이에 따른 노면활하중 값을 제시하고 있습니다.

- 도로설계편람[2012]_토공 및 배수

도로설계편람[2012]_토공 및 배수에서는 토피의 두께에 따라 상이한 기준을 제시하고 있습니다.
(타 기준에서는 D로 표현하는 토피 두께가 해당 기준에서는 H로 정의되었습니다.)

1. 토피 두께가 1.0m 미만인 경우

→ 차륜 하중을 직접 재하하여 별도 검토 수행

2. 토피가 1.0 ≤ H < 4.0m인 경우

     2-1. 암거 상면에 작용하는 활하중에 의한 연직하중은 아래 식으로 계산









충격계수 i의 값은 아래와 같





습니다.

     2-2. 활하중 분포폭(W1)이 구조물 폭(Bo)보다 작은 경우(Bo＞W1)에는 아래의 식을 적용

     


















2-3 토피 두께 4m 이상인 경우 → 10.0kN/㎡의 하중












     토피 두께 4m 이상인 경우에는 분포 면적이 커져 식으로 계산한 분포하중이 10.0kN/ ㎡ 이하가 되는데 
안전을

     고려하여 10.0kN/㎡의 하중으로 적용

3. 한계상태설계법에 따른 지중구조물의 노면활하중 기준

한계상태 설계법의 경우 기본적으로

도로암거구조설계기준 [KDS 24 12 21(4.3.1.3)를 따르며

도로설계요령[2020]_제2권 토공 및 배수_제7편 암거

도로교한계상태설계법 해설(2016)P3-21

를 참고하여 설계에 적용할 수 있습니다.

암거의 표준트럭하중의 경우, 이전부터 도로설계편람과 국도건설공사 설계실무요령에 따라

토피고가 1m 이하 일 때는 슬래브 직접 이동하중을 재하하고,

토피고가 1m이상 일 때는 토피고(D)에 대한 암거폭(B0) 비율(D/B0)을 고려하여
토피 두께에 따라 노면 활하중을 등분포하중으로 적용해왔습니다.

하지만 이후 2021년 제정된  [KDS 44 90 00:2021] 도로암거구조설계기준에서 토피고 기준이

1m → 600mm를 변경되었고, 4.3.1.6 흙 채움에 의한 윤하중의 분배에 언급된 것 처럼

 - 토피고 600mm이하 : 차량활하중(표준트럭하중)이 슬래브에 직접 재하

 - 토피고 600mm이상 : 표준트럭하중의 규정된 타이어 접촉 면적과 크기가 같은

직사각형에 균등하게 작용하는 분포 하중으로 적용해야 합니다.

또한 양질의 입상 ㅡ채움에서는 깊이의 1.15배, 다른 채움에서는 그 깊이만큼 토피고를 증가시킵니다.

이때 양질의 입상 채움재료란입도기준이 SB-1으로 교대 뒷채움과 동일합니다.

- 도로암거구조설계기준 [KDS 24 12 21(4.3.1.3)/(4.3.1.6)]

4.3.1.3 설계 차량 활하중

노면에 작용하는 차량 활하중은 표준트럭하중과 표준차로하중으로 이루어져 있습니다.
이 하중들은 재하 차로 내에서 횡 방향으로 3,000 mm의 폭을 점유하는 것으로 가정하여 계산합니다.

- 표준트럭의 중량과 축간거리








- 표준차로하중






차륜의 접지면은 표준트럭하중의 각 차륜에 대해 하나의 직사각형으로 간주합니다.
이때 
직사각형의 폭과 길이의 비는 2.5 : 1로 가정합니다.

이를 통해 차륜의 접지 면적을 다음과 같이 계산합니다.

- 암거나 매설된 구조물에 대한 충격하중(IM)

충격 하중은 백분율로 계산되기 때문에 해당 식을 통해 얻은 충격 하중을 표준 트럭하중 축하중에 증분하여 적용합니다.

대략적으로 토피고( DE )가 계산 상 일정높이(2450mm) 이상인 경우 충격하중(IM)이 영에 수렴하기 때문에

차량 활하중에 의한 충격 하중을 고려하지 않아도 됩니다.

4.3.1.6 흙 채움에 의한 윤하중의 분배

     (1) 채움의 깊이가 600 mm 보다 작은 경우

     → 활하중 분배에 대한 채움의 영향을 무시 = 활하중이 슬래브에 직접 작용하는 것으로 검토합니다.

     (2) 채움의 깊이가 600mm를 초과하는 경우
     → 타이어 접촉 면적과 크기가 같은 직사각형에 균등하게 작용하는 분포 하중으로 간주합니다.
     양질의 입상 채움에서는 깊이의 1.15배, 다른 채움에서는 그 깊이만큼 증가시킵니다.

- 도로설계요령[2020]_제2권 토공 및 배수_제7편 암거

도로설계요령[2020]_제2권 토공 및 배수에서는 [KDS 44 90 00:2021] 도로암거구조설계기준에서 언급하였던
흙 채움에 의한 윤하중의 분배에서  채움의 깊이가 600mm를 초과하는 경우 채움의 영향에 대해 삽도를 통해 더욱 명확하게 제시하고 있습니다.

     
- 토피 600 mm 이상의 경우 활하중 분배

     - 토피 600 mm 이상의 경우 활하중 분배(영역이 중복된 경우)

다음 삽도를 통해 토피고(H)의 높이에 따라 다음과 같이 영역이 중복된 경우에 대한 판단 또한 가능합니다.

   - 0.6m ≤ 토피고(H) ≤ 약 1.06m → 분배영역이 중복 X

   - 약 1.06m ＜ 토피고(H) →  분배영역이 중복

KL-510의 경우, 중간 바퀴축 (135kN)의 경우 접지 면적의 중복이 발생함으로 하나의 축으로 정의합니다.

즉, 차량 바퀴축이 4개가 아닌 3개로 적용하는 것입니다.

각 축에 대한 접지면적과 축하중에 대한 계산이 끝났다면 계산된 축하중을 암거 상부 슬래브에 재하 시에

도로설계요령[2020]_제2권 토공 및 배수와 도로교한계상태설계법 해설(2016)P3-21에 근거하여

135kN 2개 축과 192kN 1개축에 대한 접지압을 비교하여 더 불리한 쪽으로 설계하여야 합니다.

- 도로설계요령[2020]_제2권 토공 및 배수_제7편 암거

※ 토피 3.0m 이하인 경우

192kN 1개축이 재하 되는 경우가 큼

※토피 3.0m 이상인 경우

135kN 2개 축이 작용하는 경우가 큼

- 도로교한계상태설계법 해설(2016)P3-21

바닥판의 설계에서 접지압의 영향을 고려하는 경우에는

표준트럭하중의 텐덤 축(2개의 135kN)과 후륜 축(1개의 192kN) 중 더 불리한 영향을 주는 경우를 적용

4. 결론

앞서 언급된 것처럼 지중구조물의 노면활하중의 경우, 다양한 설계 기준에서 언급 및 사용되고 있습니다. 

이번 컨텐츠에서는 이를 한번에 모아 정리해보았습니다.

정확한 구조 설계를 수행하기 위해 관련된 설계 기준을 정확히 인지하고 상황에 맞는 기준을 적용해야 합니다.