보강토옹벽 상부에 차량방호벽이 설치되는 경우에는 보강토옹벽 설계 시, 방호벽에 작용하는 차량충돌하중을 고려하여야 한다. 그러나 건설공사 보강토 옹벽 설계 시공 및 유지관리 잠정지침(국토해양부, 2013)에서는 차량 충돌하중에 대한 검토방법이 불명확하게 규정되어 있어, 이 글에서는 차량충돌하중에 대한 검토방법을 설명하고자 한다.
목차
- 보강토옹벽 상부의 차량방호벽
- 차량충돌하중에 대한 검토와 관련한 기준
- 차량충돌하중
- 차량충돌하중에 대한 안정성 검토
- 가드레일 지주
- 마무리
보강토옹벽 상부의 차량방호벽
보강토옹벽 상부가 도로인 경우 차량의 추락을 방지하기 위하여 방호벽이 설치될 수 있으며, 일반적으로 방호벽은 L형 옹벽 형태 방호벽 기초 위에 설된다. 따라서 이러한 경우에는 L형 옹벽 높이 만큼의 성토하중를 등분포사하중으로 고려해야 하며, L형 옹벽의 배면에 작용하는 토압을 수평하중으로 고려해야 한다. 또한 L형 옹벽의 저면의 접지압을 추가로 고려하여야 한다.
한편, 교통사고발생 시에는 방호벽에는 차량충돌하중이 작용할 수 있으며, 이러한 차량 충돌하중도 보강토 옹벽 설계 시 고려하여야 한다.
차량충돌하중에 대한 검토와 관련한 기준
1. 국가건설기준 KDS 11 80 10 : 2021 보강토옹벽
KDS 80 10 : 2021 보강토옹벽에서는 보강토옹벽 상부에 설치되는 방호벽에 작용하는 차량충돌하중에 대한 검토에 대한 내용이 없다.
2. 건설공사 보강토옹벽 설계 시공 및 유지관리 잠정지침(국토해양부, 2013)
건설공사 보강토옹벽 설계 시공 및 유지관리 잠정지침(국토해양부, 2013)에서는 보강토옹벽 상부 방호벽에 작용하는 차량충돌하중에 대한 검토방법을 다음과 같이 제시하고 있다.
보강토옹벽 잠정지침의 내용에서 "크리프 감소계수를 제외한 장기설계인장강도"라는 표현에 약간의 오해의 소지가 있으며, 실무에서 다음 식 (1)과 같이, 아래에서 언급하는 FHWA지침(Elias et al., 2001)의 내용과 다르게 잘못 적용하는 경우가 많다.
$$FS_{ru,i}=\frac{T_l \cdot R_c}{(T_{max} + T_i)/ RF_{CR}} \tag{1}$$
여기서, $FS_{ru,i}$ : 차량충돌하중 작용 시 보강재 파단에 대한 안전율
$T_l$ : 토목섬유 보강재의 장기인장강도($= T_{ult} / (RF_D \cdot RF_{ID} \cdot RF_{CR})$)
$RF_D$ : 토목섬유 보강재의 내구성에 대한 감소계수
$RF_{ID}$ : 토목섬유 보강재의 시공 시 손상에 대한 감소계수
$RF_{CR}$ : 토목섬유 보강재의 크리프 특성성에 대한 감소계수
$R_c$ : 보강재의 포설면적비(전면 포설형의 경우 $R_c = 1.0$)
$T_{max}$ : 보강재의 최대유발인장력
$T_i$ : 차량충돌하중에 의하여 증가되는 하중
토목섬유 보강재에 대하여 별도의 검토방법을 제시한 것은, 토목섬유 보강재는 일시적인 하중과 장기적인 지속하중에 대한 장기설계인장강도 산정방법이 서로 다르기 때문이라는 점을 고려하면 실무에서 사용하는 방법은 잘못된 것이라 생각된다.
2. FHWA 지침(Elias et al. 2001)
건설공사 보강토옹벽 설계 시공 및 유지관리 잠정지침(국토해양부, 2013)에서는 "위 기준 및 본 잠정지침에 명시되지 않은 상세한 설계사항에 대해서는 미국연방 고속도로 관리국(FHWA)의 설계방법을 적용한다"라고 명시하고 있으며, 미국 연발도로국의 설계방법은 FHWA-NHI-00-043의 설계방법이며, FHWA-NHI-00-043에서는 차량충돌하중에 대한 검토방법을 다음과 같이 제시하고 있다.
FHWA-NHI-00-043에서는 차량충돌하중 작용 시 토목섬유 보강재의 내적안정성 검토는 지진 시 내적안정성 검토와 동일한 방법으로 차량충돌하중에 저항하는 토목섬유 보강재의 장기설계인장강도(allowable strength)는 크리프 감소계수를 제외하여 증가시킬 수 있다고 규정하고 있으며, 지진 시 내적안정성 검토는 아래 글에서 확인할 수 있다.
지진 시 내적안정성 검토
KDS 11 80 10 : 2021 보강토옹벽에서 4.7.3 지진 시 내적안정해석 (1) 지진 시의 내적안정해석은 지진관성력에 의해 각각의 보강재에 추가되는 하중에 대하여 보강재의 인장파괴와 인발파괴가 발생하
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차량충돌하중
건설공사 보강토옹벽 설계 시공 및 유지관리 잠정지침(국토해양부, 2013)에서는 차량충돌하중과 관련하여 다음과 같이 규정하고 있다.
보강토 옹벽 상부에 방호벽, 방음벽 등이 설치되는 경우에는 차량 충돌시의 하중을 고려하여, 설계시 상부 2개열의 보강재에 29kN/m의 수평력을 부가시킨다. 부가된 총 수평력의 2/3(19.3 kN/m)는 최상단 보강재가 부담하고, 나머지 1/3(9.7kN/m)은 두 번째 단의 보강재가 부담한다. 한편, 차량의 충돌하중은 일시적으로 작용하기 때문에, 토목섬유를 보강재로 사용한 경우에는 충돌하중 고려시 보강재의 장기설계인장강도 산정에서 크리프 감소계수를 제외한다.
FHWA 지침(FHWA-NHI-00-043)에서도 차량충돌하중에 대하여 잠정지침(국토해양부, 2013)과 유사하게 규정하고 있으며, 차량충돌하중은 보강재 전체 길이에서 저항하며, 방호벽이 콘크리트 포장과 일체화되어 있는 경우에는 차량충돌하중을 무시할 수 있다.
The current AASHTO impact force is 45 kN (10,000 lbs) applied at a height of 850 mm (33.4 inches) above the roadway. This impact force, adds an additional horizontal force of 29 kN per linear meter (2,000 lbs/foot) to the upper 2 rows of reinforcement, which the reinforcements can resist over their full length. This additional force should be apportioned ⅔ to the upper row and ⅓ to the second row. Where the impact barrier moment slab is cast integrally with a concrete pavement, the additional force may be neglected.
차량충돌하중에 대한 안정성 검토
1. 보강재 파단에 대한 안정성 검토
따라서 보강토옹벽 상부의 방호벽에 작용하는 차량충돌하중에 대한 보강재 파단에 대한 안정성은 다음과 같이 검토할 수 있다.
▶ 평상 시
$$FS_{ru,i} = \frac{T_l \cdot R_c}{T_{max} + T_i} ≥ 0.75 FS \tag{2}$$
▶ 지진 시
$$FS_{ru,i} = \frac{T_l \cdot R_c}{T_{max} + T_{md} +T_i} ≥ 0.75 FS \tag{3}$$
여기서, $FS_{ru,i}$ : 차량충돌하중 작용 시 보강재 파단에 대한 안전율
$T_l$ : 보강재의 장기인장강도(kN/m)
$R_c$ : 보강재 포설면적비($R_c = b/ S_h$, 전면포설형의 경우 $R_c=1.0$)
$T_{max}$ : 보강재의 최대유발하중
$T_{md}$ : 지진 시 보강재에 추가되는 하중
$T_i$ : 차량충돌하중에 의하여 보강재에 추가되는 하중
다만, 토목섬유 보강재의 경우 장기적인 지속하중과 일시적인 지진 및 충돌하중을 나누어 검토해야 하며, 일시적인 지진하중과 차량충돌하중에 대해서는 크리프 특성에 대한 감소계수를 제외하고 다음 과 같이 검토한다.
▶ 토목섬유 보강재 - 평상 시
$$FS_{ru,i} = \frac{T_l \cdot R_c}{T_{max} + \frac{T_i}{RF_{CR}}} ≥ 0.75 FS \tag{4}$$
▶ 토목섬유 보강재 - 지진 시
$$FS_{ru,i} = \frac{T_l \cdot R_c}{T_{max} + \frac{T_{md}}{RF_{CR}} + \frac {T_i}{RF_{CR}}} ≥ 0.75 FS \tag{5}$$
안전율($FS$_)은 보강재의 종류별로 다음 표 1.에서와 같다.
| 보강재 종류 | 안전율 |
| 강재 띠형 보강재 | 1.82 |
| 강재 그리드형 보강재 | 2.08 |
| 토목섬유 보강재 | 1.50 |
2. 보강재 인발에 대한 안정성 검토
FHWA 지침(Elias et al., 2001)에서 차량충돌하중은 보강재 전체 길이에서 저항한다라고 규정하고 있다.
따라서 차량충돌하중 작용 시 보강재 인발파괴에 대한 안정성은 다음 식 (6) 및 식 (7)과 같이 검토할 수 있다.
평상 시
$$FS_{po,Seis} = \frac{\alpha C \gamma Z_p L_r (0.8 F^* ) \cdot R_c}{T_{max} + T_{i}} ≥ 1.1 \tag{6}$$
지진 시
$$FS_{po,Seis} = \frac{\alpha C \gamma Z_p L_r (0.8 F^* ) \cdot R_c}{T_{max} + T_{md} + T_i} ≥ 1.1 \tag{7}$$
여기서, $FS_{po,Seis}$ : 지진 시 인발파괴에 대한 안전율
$\alpha$ : scale correction factor
(비신장성보강재 : 1.0, 지오그리드 : 0.8, 신상성 쉬트 : 0.6)
$C$ : 흙/보강재 접촉면의 수(띠형, 그리드형, 쉬트형의 경우 2 적용)
$Z_p$ : 상재성토를 고려한 보강재까지의 깊이(m)
$L_r$ : 전체 보강재 길이(m)
$F^*$ : 흙/보강재 인발저항계수
$R_c$ : 보강재 포설면적비($R_c = b/ S_h$, 전면포설형의 경우 $R_c=1.0$)
$b$ : 보강재의 폭(m)(전면포설형의 경우 1.0)
$S_h$ : 보강재 중심축 사이의 거리(m)(전면포설형의 경우 1.0)
$T_{max}$ : 정적하중에 의한 최대유발인장력(kN/m)
$T_{md}$ : 지진 시 추가되는 하중(kN/m)
$T_{i}$ : 차량충돌하중(kN/m)
가드레일 지주
보강토옹벽 상부에 가드레일을 설치해야 하는 경우에는 다음과 같은 규정을 따른다.
가드레일 설치 시 보강재와 간섭이 발생할 수 있으며, 띠형 보강재를 사용하는 경우에는 수직방향의 지장물에서와 동일한 방법으로 처리하여 보강재가 절단되지 않도록 해야한다.
반면 지오그리드와 같은 전면포설형 보강재를 사용하는 경우에는 가드레일 지주와 간섭 발생 시 그림 6.에서와 같이 보강재가 절단될 수 있으며, 이러한 경우에는 손상된 부분을 제외한 순단면적에 대한 장기설계강도를 사용하여 안정성을 검토 해야 한다.
가드레일에 작용하는 수평하중 또한 일시적인 하중이므로 차량충돌하중에 대한 검토와 동일한 방법으로 검토한다.
마무리
보강토옹벽 상부에 방호벽이 설치되는 경우에는 방호벽에 작용하는 차량충돌하중을 고려하여야 하며, 이 때 내적안정성 검토는 지진 시 내적안정성 검토와 동일한 방법으로 검토한다.
토목섬유 보강재를 사용하는 경우에는 장기적으로 작용하는 정적하중과 일시적으로 작용하는 하중(지진하중, 차량충돌하중)을 구분하여야 하며, 지진하중 및 차량충돌하중에 대해서는 크리프 감소계수를 제외하여 증가된 장기인장강도를 적용하여 보강재 파단에 대한 안정성을 검토하여야 한다.
차량충돌하중 작용 시 보강재 인발에 대한 안정성 검토 시 인발저항력은 전체 보강재 길이에 대해서 산정하여야 한다.