전철주 기초의 설계
전철주 기초의 설계
1. 전철주 기초의 종별과 구성
1) 전철주 기초의 종별과 적용범위
전차선주 기초의 설계조건으로는 기초주변의 흙의 항복파괴에 의한 주의 도괴에 대해 검토하기 전에 다음사항을 고려하는 것이 필요하다.
(1) 주어진 외력에 대해서, 기초가 충분한 저항을 가지고, 주축의 경사가 허용한도를 넘지 않을 것. 또한, 라멘주에 있어서는 설계하중의 범위 내 기초의 고정도가 충분하고, 흙의 항복에 의해 감소하지 않을 것
(2) 지반의 흙을 포함한 기초의 구성재료가 내구적이고, 부식, 동해, 건습, 기타 열화작용을 받지 않고, 항상 (1) 의 조건을 만족하는 상태에 있을 것. 지표부근의 흙은 계절적 건습이나 동토 등의 자연적 영향외에, 선로작업 기타 인위적인 영향도 고려할 것
그래서, 기초에 관련하는 전차선의 편위 50㎜를 전제로, 주축의 경사 7/1,000rad를 허용한도로 해서, 실제의 심플가선의 장주상태에 대해 전주의 지면에 작용하는 전도 모멘트의 크기, 지형의 영향, 현장시공 등을 고려하고, 여러 외국의 시험결과를 근거로, 실적이 있는 범위 내에서 적용범위를 한정하여 표준화를 꾀한 것이다.
전주기초의 종별은 표준도에 의하고, 그의 세부구성 및 적용범위는 다음과 같다.
2) 쇄석기초
(1) 구조 : 원형의 안전시설 없이 파낸 기초(구멍) 또는 흙막이 거푸집 속에 쇄석으로메꾼다.「쇄석의 공극을 채우는 정도로 굴착흙을 혼입하고, 굴착토가 연약할 때는 굴착토 대신 양질의 사질토를 사용한다.」
(2) 표준치수
직 경 | d | ㎝ | 주경 1.8～2배 |
길이 | ℓ | ㎝ | 주장 1/6～주경의 6배 |
표 토 | ℓ ' | ㎝ | 10～30 |
(주) 표토란, 표층이 무너지기 쉬운 부분을 가르킨다.
3) 콘크리트 기초
(1) 표준치수
형 상 | 원주 | 각주 |
직경 또는 폭 d㎝ | 60~80 | 80～130 |
길이 ℓ㎝ | 주장의1/6~ 250 | 폭의 2배～250 |
표토 ℓ㎝ | 10~30 | 10～30 |
폭 d㎝ | 80～130 |
T형의 변길이d' ㎝ | 2d이상 |
T형의 평균두께t㎝ | 3/5d～2/3d |
길이ℓ㎝ | 주장 1/6～250 「전주경의 6배」 |
표토ℓ' ㎝ | 10～50 |
(2) 적용범위
콘크리트주 및 철주
2. 전철주 기초 설계 일반
1) 개요
전철주기초의 설계에서는 기초에 전달되는 하중, 노반조건, 지형, 굴착여건 등을 고려하여 전철주기초의 형상 및 크기를 결정한다. 이를 위해 다음의 과정을 거치게 된다.
(1) 설계하중 산정
(2) 전철주기초의 단면크기 가정
(3) 설계하중 조건에서 기초 주변 지반에 발생하는 토압 계산
(4) 계산된 토압과 기초 주변 흙의 한계토압을 비교하여 안전율 계산
(5) 안전율이 소정의 값 이상이 될 때까지 기초 크기 변화
기초 주변 노반이 연약지반, 유기질 흙, 붕괴되기 쉬운 지반 등인 경우에는 지반의 강도를 충분히 조사하여 합리적인 설계를 수행하여야 한다.
2) 전철주기초의 설계조건
(1) 설계하중에 대하여 기초주변 흙이 항복하여 전주가 전도되지 않아야 한다.
(2) 설계하중에 대하여 전주의 경사 한도를 넘는 회전이 발생하지 않아야 한다.
3) 노반 강도의 결정
① 기초 설치 후 지반조사를 수행한 경우
기초 설치 후 평판재하시험, 콘관입시험, 동적 콘관입시험, LFWD 등의 지반조사를 실시하여 기초 주변지반의 강도를 평가한 경우에는 조사 결과를 이용하여 전철주기초를 설계한다.
② 지반조사를 수행하지 않은 경우
지반조사를 수행하지 않은 경우에는 아래 표 참조하여 적절한 노반 강도를 결정한다.
신설 철도 (토사)
노반 분류 | 지형 분류 | 흙 종류 | 내부마찰각(도) | 단위중량 (tf/m3) |
신설철도 | 쌓기 | A군, 안정처리한 B군 | 32 | 1.9 |
B군 | 30 | 1.8 | ||
깎기 | 양질 | 32 | 1.9 | |
세립토 함량이 12% 이상인 경우 | 28 | 1.7 |
기존 철도 (토사)
철도 분류 | 지반 분류 | 흙 종류 | 내부마찰각(도) | 단위중량 (tf/m3) |
기존철도 | 쌓기 | A군 | 30 | 1.8 |
B군 | 28 | 1.7 | ||
깎기 | 양질의 토사 | 30 | 1.8 | |
세립토 함량이 12% 이상인 경우 | 28 | 1.7 |
쌓기 재료의 군분류
군기호 | 토질 및 암질 (USCS, 통일분류법) |
A군 | (GW) (GP) (GW-GM), (GP-GM), (GW-GC), (GP-GC) (GM) (SW) (SW-SM), (SP-SM), (SW-SC), (SP-SC) 경암 버력(박리성이 높은 것을 제외한다.) |
B군 | ( G C) ( SP ) ( SM ) ( S C) 경암 버 력(박리성이 높 은 것), 연암 버 력 취 약암 버 력 |
쌓기 재료의 군분류별 공학적 특성
군분류 | 공학적 특성 |
A군 | Ev2≥80MN/m2가 손쉽게 확보될 수 있고 잔류침하가 극히 작으며 열차의 반복되는 하중에 의한 소성변형, 탄 성변형량이 작은 쌓 기에 가장 적합한 양질의 재 료 이다. |
B군 | Ev2≥60MN/m2가 손쉽게 확보될 수 있고 자중에 의한 압축침하가 장기간에 달하는 일이 없으며, 재 료 에 적 절 한 안정처리 공법을 시행함에 따라 Ev 2 ≥ 80 MN/ m 2 가 손쉽게 확보될 수 있는 시공성이 양호한 재료로 쌓기에 적절하다. |
4) 안전율의 적용
전철주기초는 폭풍시의 일시하중에 대하여 안전율 2.0을 적용하여 설계한다.
① 전철주기초에 작용하는 토압
(1) 토압분포
전철주기초에 작용하는 토압 산정시에는 기초의 단면 형상에 따라 다음과 같은 토압 분포를 가정한다.
가. 기초 전면부에 발생하는 연직토압은 회전 깊이의 절반 되는 지점에서 최대 크기로 발생한다.
나. 후면부 연직토압은 전면부 최대토압의 2.0배 크기로 발생한다.
다. 저면부의 연직토압은 기초와 지반이 접촉한 길이 에 대하여 기초에 작용하는 수직하중과 기초의 회전에 의한 연직토압이 삼각형 분포로 작용하는 것으로 가정한다.
라. 기초에 측면에 작용하는 마찰응력은 연직응력 분포와 동일한 분포를 가지며 기초의 양쪽 측면에 모두 작용한다. 최대 연직토압 발생지점 및 기초 저면 깊이에서의 마찰응력의 크기는 깊이에 해당하는 정지토압에 마찰계수를 곱한 값을 적용한다.
② 원형기초
가. 기초 전면부에 발생하는 연직토압은 회전 깊이의 0.6배 되는 지점에서 최대 크기로 발생한다. 이때 원형기초의 전면부는 곡면이므로 전면부에 작용하는 평균 연직토압은 최대 토압 P의 0.8배로 가정한다.
나. 기초 저면에서의 후면부 연직토압은 전면부 최대토압의 1.7배 크기로 발생한다.
다. 저면부의 연직토압은 기초와 지반이 접촉한 길이 에 대하여 기초에 작용하는 수직하중과 기초의 회전에 의한 연직토압이 삼각형 분포로 작용하는 것으로 가정한다.
라. 기초에 측면에 작용하는 마찰응력은 연직응력 분포와 동일한 분포를 가지며 기초의 양쪽 측면에 모두 작용한다. 최대 연직토압 발생지점 및 기초 저면 깊이에서의 마찰응력의 크기는 깊이에 해당하는 정지토압에 마찰계수를 곱한 값을 적용한다.
(2) 전철주기초 작용하중 산정기준
전기철도 구조물에 가해지는 하중에는 풍압하중, 설하중, 곡선로 등의 횡장력, 작업원이나 기계기구의 중량, 단선시의 충격하중 등 여러 가지가 있으나 강도계산에 적용하기 위하여 하중을 크게 수평하중과 수직하중으로 분류한다. 전철주의 설계에 사용되는 하중은 다음과 같다.
① 수직하중
- 자중 : 전선, 전주, 빔, 전선부속물, 작업원
- 피빙하중
- 설하중
② 수평하중
- 풍압하중 : 전선, 전주, 빔
- 수평장력 : 표준온도, -5℃, 최저온도
이외에 지진하중이 있으나 일반적으로 지진하중에 의한 기초부의 모멘트는 풍하중의 10% 이하이며, 우리나라의 경우 발생빈도가 낮고 작은 규모의 지진이 발생하므로 풍하중을 고려하여 설계하는 지지물은 내진설계를 적용하지 않는다.
하중의 분류
하중의 종류 | 하중내역 | ||
수 평 하 중 | 풍압하중 | 전선의 풍압하중 | 갑종 풍압하중 |
을종 풍압하중(피빙6㎜추가) | |||
병종 풍압하중 | |||
지지물(전주)의 풍압하중 (선로 직각방향) | 갑종 풍압하중 | ||
을종 풍압하중 | |||
병종 풍압하중 | |||
지지물(전주)의 풍압하중 (선로 평행방향) | 갑종 풍압하중 | ||
을종 풍압하중 | |||
병종 풍압하중 | |||
빔의 풍압하중 (선로에 평행방향) | 갑종 풍압하중 | ||
을종 풍압하중 | |||
병종 풍압하중 | |||
하중의 종류 | 하중내역 | ||
수 평 하 중 | 곡선로 등에 의한 수평장력 | 표준온도에서의 횡장력 | |
-5[℃]에서의 횡장력 | |||
최저온도에서의 횡장력 | |||
수 직 하 중 | 자중 | 전선자중 | |
빔 등의 자중 | |||
전주자중 | |||
전선부속물 중량 | |||
작업원 중량 | |||
피빙하중 | 전선의 피빙중량 | ||
세장률
세장률[F] | 0＜ F ≤ 0.3 | 0.5＜ F ≤ 0.9 | 0.9＜ F ≤ 1.0 |
H/a < 5 | 0.9 | 0.8 | 0.6 |
H/a ≥ 5 | 1.0 | 0.9 | 0.8 |
주) F가 없는 것은 직선보정을 한다.
기본풍속별 돌풍률
기본풍속(V, m/s) | 돌풍률(G) |
20이하 | 1.40 |
20∼30 | 1.60-0.01V |
30∼40 | 1.45-0.005V |
40이상 | 1.25 |
지표조도 구분 ,
지표 조도 | 지표상황 | ZG (m) | Zb (m) | α | 조도 |
I | ◦ 해상, 해안 | 500 | 5 | 0.12 | 작다 ↑ ↓ 크다 |
Ⅱ | ◦ 개활지, 농지, 전원 ◦ 수목과 저층건축물이 산재해 있는 지역 | 600 | 10 | 0.16 | |
Ⅲ | ◦ 수목과 저층건축물이 산재해 있는 지역 ◦ 중 ․ 고 층 건물이 산재하여 있는 지 역 ◦ 완만한 구릉지 | 700 | 15 | 0.22 | |
Ⅳ | ◦ 중․고층 건물이 산재하여 있는 지역 ◦ 기복이 심한 구릉지 | 700 | 30 | 0.29 |
전철주 종류에 따른 단위투영면적당 풍압
풍압을 받는 구분 | 구성재의 수직투영면적 1㎡에 대한 풍압 [Pa] | |||||||
Zone I 풍 속 25 ㎧ | Zo n e II 풍 속 30 ㎧ | Zo n e III 풍 속 35 ㎧ | Zo n e IV 풍 속 40 ㎧ | |||||
목주 | 547 | 731 | 957 | 1,201 | ||||
지지물 | 철주 | 원형 | 547 | 731 | 957 | 1,201 | ||
삼각형 또는 능형 | 1,313 | 1,754 | 2,296 | 2,883 | ||||
강관에 의하여 구성되는 4각형 | 1,040 | 1,388 | 1,818 | 2,282 | ||||
기타 | 복재가 전후면에 겹지는 경우 | 1,514 | 2,022 | 2,648 | 3,324 | |||
기타 | 1,661 | 2,217 | 2,903 | 3,645 | ||||
철근 콘크리트주 | 원형 | 547 | 731 | 957 | 1,201 | |||
기타 | 821 | 1,096 | 1,435 | 1,802 | ||||
철탑 | 강관으로 구성 | 1,167 | 1,559 | 2,041 | 2,562 | |||
기타 | 2,007 | 2,680 | 3,508 | 4,404 | ||||
전선 기 타 가섭선 | 다도체(구성하는 전선이 2가닥마다 수평으로 배열되고 또한 그 전선 상호간의 거리가 전선의 바 깥 지 름 의 20 배 이하인 것에 한함)를 구성하는 전선 | 620 | 828 | 1,084 | 1,361 | |||
기타 | 693 | 926 | 1,212 | 1,522 | ||||
애자 장치(특별고압전선로용) | 967 | 1,291 | 1,691 | 2,123 | ||||
완금속(특별고압전선로용) | 단일재 | 1,113 | 1,487 | 1,946 | 2,443 | |||
기타 | 1,514 | 2,022 | 2,648 | 3,324 | ||||
3. 강도계산
1) 강도계산 일반
전차선의 중가선화에 따른 지지물에 가해지는 하중이 증대하여, 전주 및 기초의 강도는 큰 것이 요구되고 있다. 또한 기계화 시공이 보급되고 있으며, 기초에 대해서 종래부터 채용되고 있는 전주기초 강도계산식은, 실험식에서 유도되고 있기 때문에, 기초형상, 치수를 확대하여 적용하는 데에는 제약이 있다.
지지력의 측정법으로서 새로이 스웨덴식 사운딩법이 채용되어, 연약지반은 이 방법으로는, 측정이 불가능하므로, 공내 수평 제하시험(Lateral Load Tester법)이 바람직하다. 그러나 이러한 여러 가지의 측정방법은, 경질지반, 자갈을 혼입한 지반에서는 사용할 수 없다.
새로운 전주기초 강도계산식은, 케이슨(Caisson) 기초의 계산식을, 전차선로용 지지물 기초에 적용할 수 있는 계산식으로 유도되어 제안. 이 새로운 계산식의 실용성을 검토하는데 있어서, 토목관계의 자료, 예를들면, 토질조사법․토질공학회를 이용함과 동시에 현지시험에 의해 확인하였다. 연약지반 개소에서는 실용성이 입증.
형상계수 f
종별형상 | 쇄석 | 원주형 콘크리트 | 각주형 콘크리트 | T형부기초 | |||
흙막이 거푸집 없음 | 흙막이 거푸집 있음 | 흙막이 거푸집 없음 | 흙막이 거푸집 있음 | 흙막이 거푸집 없음 | 흙막이 거푸집 있음 | 바로파면서 콘크리트치기 | |
형상계수 | 0.6 | 0.75 | 1.0 | 0.9 | 1.1 | 1.0 | 1.4 |
(1) 기초의 근입부분은 강체로 보고, 주축의 수평변위량은 회전중심으로 부터의 거리에 정비례한다.
(2) 기초측면의 반력강도의 계산에서는, 순수한 휨모멘트만을 고려하여, 지점반력의 연직, 수평양분력이 미치는 영향은 적으므로 무시한다.
(3) 주상기초에서는, 기초저면 반력의 저항모멘트는 무시한다. 는 간단한 가정에 근거하여, 기초측면의 반력을 실용상 지장없을 정도로 간이화한 형의것, 엥겔스(Engel's)식, 삼각식, 중촌식, 동전의식 등의 각종 공식이 사용되어 왔으나, 이러한 식의 토질계수 등의 값에 대해서는, 동일 지반에 있어서의 실측 데이터가 적어서, 어떤식이 전주기초에 가장 적당한지 분명치 않았다.
4. 특수구조의 기초
1) 중력형 블록기초
측면토압이 특히 연약하여 측면토압을 기대할 수 없는 경우에는 순수한 중력형 블록 기초를 이용하여 기초저면의 넓이를 크게 설계한다.
전차선에서 일반적으로 사용되는 전주기초는, 기초길이에 대해 저면적이 작고, 외력에 의한 모멘트를 측면의 토압에 의해 지지하고 있는형의 것이 많다. 따라서, 성토개소와 같이 측면의 토압을 그다지 기대할 수 없는 장소나, 모래와 같이 무너지기 쉬운 개소에서는, 그만큼 기초를 길게해서 측면의 응력을 작게 할 필요가 있다. 그러나 기초를 극단으로 길게 하면 시공상 문제가 있는데다, 저면적이 작으면 기초 중량 때문에 지지력이 작은 개소에서는 기초가 침하되는 등의 문제가 발생할 우려가 있다.
내부마찰각 및 점착력도
(가) 내부마찰각 및 점착력도는, 토질시험, 표준관입시험 등에서 얻은 시험값을 근거로 정한다.
(나) 사질토의 내부마찰각 및 점성토의 점착력도의 시험값은, 특별히 시험을 필요로 할 경우를 제외하고 일반적으로, 다음식으로 산정해도 된다.
내부마찰각 및 점착력도
ψ(내부마찰각) 계수 | Nc | Nr | Nq |
0 5 10 15 20 25 28 32 36 40이상 | 5.3 5.3 5.3 6.5 7.9 9.9 11.4 20.9 42.2 95.7 | 0 0 0 1.2 2.0 3.3 4.4 10.6 30.5 114.0 | 1.0 1.4 1.9 2.7 3.9 5.6 7.1 14.1 31.6 81.2 |
형 상 계 수
계수 기초의 형상 | 연속 | 정방형 | 장방형 | 원형 |
α | 1.0 | 1.2 | B′ L′ | 1.2 |
β | 0.5 | 0.4 | B′ L′ | 0.3 |
2) 지지력의 안전율
일반적으로 신설성토와 같이 자연토를 따서 성형한 성토에서는, 흙의 점착력이 격감하고 있고, 그 성토는 흙의 내부마찰각도 감소하고 있는 것이 인정되어, 위의 상태로 서는 가장 불리한 조건에 있다. 그래서, 이와같이 불안정된 상태의 흙은, 그 상태를 바꾸지 않고 시험을 하여 강도를 정확히 구하는 것은 매우 곤란하다. 페니트로미터의 관입시험에 있어서도 시험시에, 흙을 압밀하여 그 강도를 올리는 영향은 피할 수 없다. 따라서 성토의 강도는 이것을 조금 적게 판정해야 한다. 그래서, 실험결과로 부터 변형되기 쉬운 불안정한 신설지반의 안전율을 4.0로 정하였다.
5. 토질
(1) 토질조사
흙에는 여러 가지 잡다한 종류와 성질이 있다. 따라서 흙의 강도, 지층의 상태 등을 조사하여, 구조물의 하중에 견딜수 있는지를 검토하지 않으면 안 된다.
토질조사의 방법은 여러 가지가 있으나, 전차선로관계는 특수개소를 제외하고 일반적으로는 스웨덴식 사운딩 법에 의해 조사한다.
스웨덴(sweden)식 사운딩(sounding)법은
① 종래의 소형측정기에 의한 측정법은, 사질토와 점토에 따라 사용하는 기구가 다르고, 토질에 의해 조작이 2종류가 있었으나, 스웨덴식 측정법은 사질토와 점토가 존재해도 동일 기구로 일관하여 측정할 수 있다.
② 스웨덴 식 측정기는, 간단한 장치와 조작으로 곧 누구든지 용이하게 취급할수 있고, 측정기는 각국의 구조물검사 센터 등에 있다고 생각되며 입수가 수월하다 는 등의 장점을 가지고 있다. 토질공학에서 사용하고 있는 풍부한 관계식을 이용하여, 포터블 콘 정관입(靜貫入) 시험법에서 얻어진 콘 지지력 q c[kN/㎡], 소형 동적관입 시험법에서 얻어진 타격수 N과, 스웨덴식 측정법에서 얻은 재하중(載荷重) W SW[N], 관입량/m당 반회전수 N SW과의 상관관계식이 유도되어, 종래의 계산식에 스웨덴식 측정법에서 얻은 측정값이 사용되도록 되어 있으므로, 스웨덴식 사운딩법을 토질조사 의 표준방법으로 하였다.
.
6. 앵커볼트 기초
1) 개요
강관주 및 고가, 교량 등의 앵커볼트 기초는 지름이 작은 앵커볼트보다 지름이 큰 앵커볼트를 사용하여 수량을 감소하는 방법이 현장작업에 용이하다. 콘크리트와 기초저판의 중간에 너트를 삽입하여 빗물에 의한 부식방지와 강관주의 수직 조정이 가능하도록 하며, 교량개소는 토목공사에 위탁 시공토록 하여야 한다.
2) 앵커볼트 강도 검증
(1) 앵커볼트 매입길이
M
ℓ≥ --------------
μ․π․d․n․L
n : 인장측 소요볼트 개수 : 3개
M : 땅의 경계면에서 전주의 Bending moment : 77,000 [N/m]
d : 볼트의 유효지름 [㎝] : 3.6
L : 상대할 볼트의 간격 [㎝], 강관 : 40, 교량강관 : 40
μ : 앵커볼트와 콘크리트의 허용부착강도 [N/㎠], 강관주 : 49 , 교량 : 78
ℓ 앵커볼트 매입길이 [㎝] : 166
기초 볼트와 콘크리트 부착력만으로 응력을 부담할 경우 볼트지름의 40～50배를 콘크리트에 매입하여야 한다.
(2) 토공 강관주 앵커볼트 허용 Moment
M = ℓ․μ․π․d․n․L
M = 166 × 49 × 3.14 × 3.6 × 3 × 40
= 11, 033, 608[ N/㎝] = 110,336 [ N/m] 〉77 ,000[ N/m]
7. 전철주 및 지선기초 콘크리트 압축강도 기준
1) 콘크리트 압축강도 검토
전철주기초의 콘크리트는 두 가지 다른 재료와 접촉하여 상호작용을 한다. 첫 번째 재료는 흙으로, 지반의 강도는 콘크리트에 비하여 상당히 작으므로 이 경우 콘크리트의 강도는 전혀 문제가 되지 않는다. 두 번째 재료는 전철주로 부터 전달되는 하중을 기초를 전달하는 앵커이다. 전철주에 작용하는 모멘트는 앵커 볼트가 기초로 부터 뽑히려는 힘과 기초에 박히려는 힘에 의한 저항을 통해 기초에 전달된다.
철근 콘크리트와 철근의 부착 강도(kgf/cm2)
콘크리트의 압축강도(Fc) | 180 | 240 | 300 | 400 | |
허용 압축강도 | 철근있음 | 70 | 90 | 110 | 140 |
철근없음 | 콘크리트 압축강도×¼이면서 55이하 | ||||
콘크리트와 철근의 부착강도 | 환강 | 7 | 8 | 9 | 10 |
이형철근 | 14 | 16 | 18 | 20 | |
콘크리트의 압축강도에 따른 앵커볼트 소요 매입깊이
콘크리트의 압축강도 (kgf/cm2) | 160 | 180 | 210 |
앵커볼트 소요 매입길이 | 36.4cm | 34.7cm | 32.4cm |
※ 환강으로 계산하면 표의 소요매입길이 2배이지만 현재의 앵커볼트 매입길이가 2배 이상 임
2) 전철주 및 지선기초 압축강도 기준
현재 적용하는 매립깊이 수준의 앵커볼트를 그대로 적용하고, 압축강도 160㎏f/㎠인 콘크리트에 대한 원활한 수급이 가능하다면 전철주기초의 압축강도는 15.7M㎩(160㎏ f/㎠)로 설계한다.