설계기준자동차와 시설한계

왜 배우는가: 설계기준자동차와 시설한계는 도로 기하구조와 공간 여유를 정하는 출발점이라서, 차로폭·곡선 확폭·터널과 교량 높이 등 여러 설계 기준이 여기서 파생된다. 그래서 도로 설계 실무와 기술사 시험에서 반복해서 묻는 기본 개념이다. 두 개념의 상관관계를 이해하면 설계 기준 간 연결을 설명하는 답안을 쓸 수 있다.

출제 이력: 제135회 3교시 4번, 제111회 1교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

설계기준자동차는 도로 구조설계의 기준이 되는 자동차이고, 시설한계는 도로에서 차량 통행을 위해 장애물 없이 확보해야 하는 일정 높이·폭의 공간 범위이다.

핵심 키워드

• 설계기준자동차
• 시설한계
• 차량 제원(폭·높이·길이)
• 최소회전반경
• 곡선부 확폭
• 차로폭
• 도로의 기능별 구분
• 설계속도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 설계기준자동차는 도로를 설계할 때 "어떤 차가 다닌다고 가정하고 설계할 것인가"의 기준이다. 도로의 기능에 따라 주간선도로는 세미트레일러, 보조간선도로와 집산도로는 세미트레일러 또는 대형자동차, 국지도로는 대형자동차 또는 승용자동차로 정한다. 다만 우회도로가 있으면 기능과 관계없이 대형자동차·승용자동차·소형자동차 중에서 설계기준자동차를 정할 수 있다.

정식 정의는 "도로 구조설계의 기준이 되는 자동차"이다. 도로의 구조ㆍ시설 기준에 관한 규칙 제2조에 따른다. 설계기준자동차는 실제 차량의 제원(폭, 높이, 길이, 축간거리, 앞·뒤 내민 길이, 최소회전반경)으로 표현된다.

시설한계(施設限界)는 도로 위에 어떤 시설물도 침범해서는 안 되는 공간의 범위다. 차도에서는 높이 기준이 핵심이다. 차도의 시설한계 높이는 4.5미터 이상으로 하고, 집산도로·국지도로의 부득이한 경우 4.2미터 이상, 소형차도로, 또는 대형자동차 교통량이 현저히 적고 우회도로가 있는 경우 3미터 이상으로 낮출 수 있다. 이 공간 안에 표지판, 조명, 구조물 등이 들어오면 안 된다.

두 개념의 관계를 한 줄로 요약하면, 설계기준자동차의 제원이 시설한계와 차로폭·곡선 확폭을 정하는 입력값이다. 이 관계는 3절에서 자세히 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

도로는 서로 다른 크기의 차량이 같은 공간을 나눠 쓴다. 차량이 커지면 차로폭이 부족하고, 높은 화물차가 지나가면 구조물에 부딪힌다. 설계 단계에서 기준 차량을 정해 두지 않으면 도로마다 기준이 달라져 안전성을 확보할 수 없다. 그래서 설계기준자동차를 법령으로 정하고, 이를 바탕으로 시설한계 같은 공간 기준을 정한다.

시설한계가 필요한 이유는 장애물과 차량 사이에 최소한의 여유를 두기 위해서다. 대형 화물차의 높이가 4.0미터이므로, 여기에 여유를 더해 차도 높이를 4.5미터 이상으로 둔다. 이렇게 해야 차량이 지날 때 표지판이나 교량 하부 구조물과 부딪히지 않는다.

설계기준자동차 제도는 도로의 기능과 교통 수요에 맞춰 설계 차량을 바꿀 수 있도록 유연성을 남긴다. 주간선도로에는 큰 차량을, 생활도로에는 작은 차량을 기준으로 잡아 과대 설계를 막는다. 이 점에서 설계기준자동차는 안전과 경제성의 균형을 잡는 기준이다.

설계기준자동차는 시설한계와 차로폭을 정하는 입력값이며, 시설한계는 그 차량이 안전하게 통행하기 위한 공간 기준이다.

4. 구성요소·원리·절차

설계기준자동차와 시설한계는 도로 구조를 정할 때 설계기준자동차(Design Vehicle)의 크기와 회전 특성을 먼저 정하고, 그 자동차가 통행하는 데 필요한 시설한계(Clearance Limit) 공간을 확보하는 두 단계로 이루어진다. 설계기준자동차는 기하구조(차로폭, 확폭, 회전반경)의 입력값이고, 시설한계는 그 입력값에서 나온 공간의 출력 조건이다.

설계기준자동차의 구성 요소는 차량 제원이다. 제원은 폭, 높이, 길이, 축간거리, 앞내민길이, 뒷내민길이, 최소회전반경으로 나뉜다. 이 가운데 차로폭과 시설한계 높이를 결정하는 값은 폭과 높이이고, 곡선부 확폭을 결정하는 값은 축간거리와 최소회전반경이다. 자동차가 길수록 뒷바퀴가 안쪽 궤적을 따라가지 못하므로 곡선부에서 내측 궤적(Inner Tracking)과 외측 오버행(Overhang)이 커진다.

표의 값은 차량의 기하 정보이다. 도로 설계자는 이 값을 도로 기능별로 정해진 설계기준자동차 종류에 대입한다. 설계기준자동차 선정은 도로의 기능에 따라 달라진다. 주간선도로는 세미트레일러, 보조간선도로와 집산도로는 세미트레일러 또는 대형자동차, 국지도로는 대형자동차 또는 승용자동차를 쓴다.

원리는 다음과 같다. 설계기준자동차의 폭과 높이가 차로와 차도 위 공간을 정하고, 축간거리와 최소회전반경이 곡선 구간의 여유 폭을 정한다. 시설한계는 그 공간 안에 장애물이 들어오지 못하도록 한계선을 긋는 것이다. 따라서 두 개념은 입력과 출력의 관계이며, 설계기준자동차가 커지면 시설한계도 커진다.

설계기준자동차는 차로폭·확폭·시설한계의 입력 기준이다.

설계 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 도로의 기능별 구분(주간선, 보조간선, 집산, 국지)을 정한다.
• 기능에 따라 설계기준자동차 종류(세미트레일러, 대형자동차, 소형자동차, 승용자동차)를 고른다.
• 설계기준자동차의 제원(폭, 높이, 축간거리, 최소회전반경)을 확인한다.
• 설계속도와 지역에 따라 차로폭과 중앙분리대 폭을 정한다.
• 평면곡선 반지름과 설계기준자동차에 따라 곡선부 확폭량을 구한다.
• 차도 높이와 보도 높이를 시설한계 기준으로 정하고, 종·횡단경사를 반영해 공간을 확보한다.
• 중앙분리대 내 노상시설을 설치하면 그 폭이 시설한계를 확보하도록 다시 검토한다.

곡선부 확폭의 근사 원리는 다음과 같다. 차량 축간거리를 L, 곡선 반지름을 R이라 하면 뒷바퀴 내측 궤적의 여유 폭은 \frac{L^2}{2R}로 근사할 수 있다. 여기서 L은 축간거리(m), R은 평면곡선 반지름(m)이고 결과는 m 단위이다. 예를 들어 L이 6.5m인 대형자동차가 R = 110m 곡선을 달리면 \frac{6.5^2}{2 \times 110} \approx 0.19m이다. 이 값은 규칙의 확폭 표에서 110m 이상 200m 미만 구간 최소 확폭량 0.25m와 같은 크기 범위이므로 결과는 상식 범위 안이다.

5. 관련 법령·기준·표준

설계기준자동차와 시설한계의 법적 근거는 「도로의 구조·시설 기준에 관한 규칙」(이하 도로구조시설기준규칙)이다. 제2조는 설계기준자동차를 도로 구조설계의 기준이 되는 자동차로 정의한다. 제5조는 도로의 기능별 구분에 따라 설계기준자동차를 정한다. 제10조는 차로폭을, 제18조는 시설한계를, 제22조는 평면곡선부 확폭을 정한다. 아래 표는 이 규칙의 기준값을 모은 것이다.

표 아래 설명을 덧붙인다. 시설한계 높이의 기본값은 관련 기준이 정한 높이이고, 하한 완화는 도로 종류와 우회 조건에 따른다. 설계기준자동차가 승용자동차이면 확폭을 하지 않을 수 있으므로 자동차 종류 선정이 공간 기준을 바꾼다.