1. 구조설계의 개요

1. 구조설계의 개요

∙구조설계의 목적 : 안전하고 사용하기에 편리하면서도 경제적인 구조물을 만드는 것 - 설계 및 시공과 관련된 여러 가지 제약조건들을 포괄적으로 이해하고 이에 대한 합리적

인 해결책의 제시

∙구조안전성을 높이기 위해서 구조이론과 실험에 더하여 설계신뢰성에 대한 확률적인 분석 과 경험이 반영된 안전규정을 설정 ⇒ 규정을 위반해도 즉시 파괴되지 않는다.

∙구조적으로 가장 불리한 경우에 대하여 각 부위의 구조부재들이 충분한 내력을 가지고 있 어야 하며 구조적 일체성을 확보하여야 한다. 각 부재들이 유기적으로 결속되어 구조일체 성을 확보하기 위해서 구조체의 접합이 적당한 연속성과 연성(延性) 및 부정정의 잉여력이 있어야 한다.

설계 요건

- 안전성 (Safety) ; Ultimate load 下 에서의 Strength 측면 (강도설계)

- 사용성 (Serviceability) ; Service load 下 에서의 처짐, 균열 측면 (강성설계)

2. 구조설계의 순서

구조 계획 : 구조 시스템 대안 선정

설계 하중의 계산

구조도(골조도) 작성

구조해석을 위한 모델링

구조해석

구조시스템의 거동(변위) 검토

부재력과 변위에 의한 부재단면 설계

접합부 및 특이 부분의 상세 설계

구조도면 작성

최종적인 결과물로 정확한 표현 필요

feedback

건물의 용도, 규모, 미, 환경 등 설계 및 시공조 건을 고려하여 안전하고 경제적인 대안 탐색

구조물에 가해지는 하중의 정의 및 산정 하중 조합의 결정

경험에 의한 힘의 흐름 가정 전반적인 구조시스템의 결정, 부재의 그룹화

구조형태 및 하중의 단순화 부재의 크기 및 단면의 가정

구조해석 프로그램의 입력파일 작성 해석 결과에 의한 입력 및 가정의 오류 검토

층간 변위, 최고층 변위 등 구조물 전체의 거동 이 설계규정을 위반하지 않는지 검토

구조물의 안전성과 사용성을 고려한 부재단면 의 설계

접합부 및 기타 부위의 상세 설계 계단, 옹벽, ……

구조해석 및 설계를 위한 여러 가정 및 단순화 등의 전제 조건들을 만족하는지 검토

3. 구조 설계법

3.1 허용응력도 설계법(ASD, Allowable Stress Design , Working Stress Design) 탄성설계법(Elastic Design)

3.2 소성설계법(Plastic Design)

3.3 극한강도 설계법(Ultimate Strength Design)

하중저항계수 설계법(Load and Resistance Factor Design)

3.4 한계상태 설계법(Limit State Design)

3.1 허용응력 설계법( Allowable Stress Design, Working Stress Design )

정의 : 구조물에 실제하중(사용하중)이 작용할 때 발생되는 실응력(사용응력, working stress, 빗금친 부분)을 선형탄성이론(linear elastic theory)에 의해 계산하여 재료에 적당 한 안전율을 고려한 허용응력(allowable stress) 이내로 되게 하는 설계법으로 탄성설계법 이라고도 함.

3.1 허용응력 설계법( Allowable Stress Design, Working Stress Design )

․허용응력 - 콘크리트의 각 응력 (휨, 압축, 전단…) 별로 안전율을 정하고 설계기준강도 (콘크리트 압축강도



_, 철근 항복강도



_)에 안전율을 고려한 허용응력을 산정한다.

․^안전율= 극한응력(Yield　Stress) 허용응력(Allowable　Stress)

․ 하중은 외부의 실제하중 사용하고, 재료의 응력에만 안전율 적용

․ 사용하중에 의한 설계응력 〈 재료의 허용응력 이 되게 설계

․ 허용응력설계법은 선형탄성해석에 근거를 두고 있으며, 선형탄성해석에서는 중첩의 원리 가 성립한다. 따라서, 구조체에 예상되는 설계하중들을 각각 따로 적용시키고 그 결과들을 조합하여 그 중 가장 불리한 응력상태를 찾으며, 그 응력상태가 정하여진 허용응력을 넘지 않게 부재단면을 선정한다.

허용응력 설계법의 기본 가정

① 콘크리트와 철근은 후크(Hooke)의 법칙에 따라 응력과 변형율이 선형비례하며, 제하(除 荷)시 잔류변형이 생기지 않는다.

그림 2.2 콘크리트의 접선 및 할선탄성계수

② 철근과 콘크리트의 부착은 완전하여 하중작용시 상대적인 미끄러짐이 생기지 않는다.

③ 콘크리트와 철근에 생기는 응력은 규정된 허용응력값을 초과하지 않는다.

콘크리트의 허용응력도(13장 참조)

- 콘크리트 설계기준강도 ^ : 15MPa에서 30MPa까지 3MPa간격.

- 허용 압축응력도 ^  _ ⇒ 안전율 ^{  }

- 허용 휨압축응력도 ^  _ ⇒ 안전율 ^{  }

- 허용 전단응력도 ^  



^_ (전단보강근이 없을 때)

_ ≦ 



^_ (전단보강근이 있을 때)

_  



^ (전단보강근이 없을 때, 뚫림 전단응력)

_ ≦ 



^_ (전단보강근이 있을 때, 뚫림 전단응력) - 허용 부착응력도 : 상단철근 및 정착:^ 

 _ 또는 _{  }^{ } 이하

기타 철근:^ 

 _ 또는   

 _ 이하 - 허용지압응력도 :



_

  

_

철근의 허용응력도(13장 참조)

- 이형철근의 허용인장 및 압축응력도 f_t= _sf_c = F _y 1.5

(단, ^이하의 철근은 220MPa 이하이고, ^이상의 철근은 200MPa이하) - 전단보강철근의 허용인장응력도 f_v= F_y

1.5 또는 200MPa이하

풍하중이나 지진하중 등 단기하중이 작용하는 경우, 허용응력도 50% 증가 가능

허용응력도 설계의 특성

① 재료의 특성에 대한 이해와 구조해석 이론이 부족한 초기의 설계법으로 매우 조심스런 (very conservative) 설계기법이다. 비경제적인 과다 설계의 경향이 있음.

② 거동이 탄성범위 내에서만 국한되어 탄성한계를 벗어난 파괴상태(비탄성거동)의 고려 가 어렵다.　크리프(creep) 및 건조수축(shrinkage) 등의 비선형 거동을 고려하기 어렵 다.

③ 안전율 결정의 이론적 배경이 부족하며, 안전도 수준의 논리적 평가가 어렵다.

④ 실제하중 상태를 고려하므로 변형, 균열에 대한 예측이 어느 정도 가능하다.　(허용응력 설계법에서는 부재의 사용성 검토에 대해 특별히 고려하지 않아도 되나　강도설계법에 서는 반드시 사용성 검토를 하여야 한다.)

⑤ 성질이 서로 다른 하중들의 특성을 설계에 반영하기 어렵다.

3.2 소성설계법

1) 소성설계법의 개요

경제성 향상과 함께 붕괴상황의 예측이 가능하도록 하기 위하여 소성영역을 고려한 설계 법의 필요성이 대두됨.

구조 부재의 재료적 거동은 완전 탄성 - 완전 소성 거동을 가정하고, 또한 구조물이 부 정정 차수 이상의 소성힌지가 형성되어 붕괴기구가 형성되면 파괴되는 것으로 가정한 다. 따라서, 붕괴기구가 형성될 때의 하중이 구조물이 견딜 수 있는 최대의 하중이 되므 로 이를 기준으로 구조물의 안전한 설계가 가능하다.

소성힌지(plastic hinge) : 구조 부재의 임의의 단면에 완전 소성상태의 응력이 발생하 여 그 부분이 힌지처럼 거동을 하는 것.

그림 5 완전탄소성 응력-변형도 곡선

그림 6 하중 증가에 따른 응력도 변화

붕괴기구(collapse mechanism) : 구조물에 소성힌지가 발생하여 전체 구조물이 불 안정하게 되고 붕괴에 이르게 되는 기구이다. 하나의 구조물에 다수의 붕괴기구를 가 정할 수 있으며 그 중 가장 작은 하중에 의해 형성된 붕괴기구에 의해 구조물이 파 괴괴는 것으로 가정할 수 있다.

그림 7 단순보의 붕괴기구

형상계수(shape factor) ^_{  }



_

 

_

소성모멘트/탄성항복모멘트, 소성단면계수/탄성단면계수

그림 8 항복모멘트와 소성모멘트 그림 9 항복모멘트와 소성모멘트에서의 응력도

그림 10 여러 단면의 형상계수

하중계수 : 극한하중을 추정하기 위해서 허용하중에 하중계수를 곱하여 소성강도 또는 붕 괴강도의 추정에 사용한다.

- 하중계수 = 안전계수 × 형상계수

예) 휨좌굴이 없을 경우 탄성설계의 안전율은 1.5이므로 H형강을 사용한 보의 소성설계에 서 형상계수를 1.12로 하면 1.5×1.12=1.68이고 근사적으로 1.7을 하중계수로 사용한다.

소성설계법의 특성 - 탄성설계법의 보완 - 경제성 향상 - 붕괴상황 예측

- 소성거동을 확보할 수 있는 적절한 연성 필요 : 보강비용 과다 - 소성기구 예측 곤란

3.3 한계상태설계법 (Limit State Design)

하중저항계수 설계법 (LRFD : Load Resistance Factor Design) (극한)강도설계법 (ultimate strength design)

한계상태설계법(L.S.D)은 설계하고 있는 구조물이 요구하는 사용목적에 적합하지 않게 되 는 어떤 한계상태에 도달되는 확률을 허용할 수 있는 한도 이하로 되게 하는 설계법이다.

=> 하중과 재료강도에는 여러 가지 불확실성

=> 신뢰성 이론에 의해 체계적으로 고려

=> 안전성과 사용성을 하나의 설계체계 안에서 합리적으로 다룰 수 있다.

현재 우리나라 건설부규준의 한계상태 설계법은 강도 및 사용성에 관한 2단계 설계를 요 구하고 있다. 즉 소요강도를 지지할 수 있는 설계강도를 갖도록 하는 단면을 결정하되, 사 용하중 수준에서 구조물의 사용성과 관련된 처짐, 균열, 진동 등에 관한 검토를 하도록 규 정하고 있다.

한계상태

정의 - 구조물이 규정된 기능 또는 안전성을 발휘하지 못하는 상태

① 극한한계상태(ultimate limit state) : 구조물이 최대 내력에 도달한 상태를 말하며, 구조 물 전체 또는 일부 부재가 붕괴되려고 하거나 파괴되는 상태. 이 상태는 구조체의 평형 상태 상실, 단면파괴, 소성기구의 형성, 좌굴 발생, 전도 및 미끄러짐 등 구조체의 불안 정성 발생 등이 해당된다.

② 사용한계상태(serviceability limit state) : 구조체가 붕괴되지는 않았지만 구조물이 제 기능을 발휘할 수 없는 상태. 이 상태는 과다한 변형과, 균열, 진동 등에 의해 정상적인 구조물의 사용이 불가능한 상태를 말한다.

구조안전성

- 구조적 안전요구에 대한 표현은 다음과 같다.

 

_

≥  ^

^

^

^

^    ⋯

설계강도 ≥ 소요강도

- 여기서, ^ : 강도감소계수(strength reduction factor)

_ : 공창강도(nominal strength)

_ : 하중계수(load factor)

_ : 하중 효과

그림 3-1 하중효과와 부재 저항성능의 빈도분포 구조물의 불안전 및 붕괴

- 과하중 상태(Q의 값이 큼)에서 재료의 품질 및 시공의 정도가 좋지 않은 상태(R의 값이 작음)가 동시에 발생하여 구조물이 불안전하게 되는 부분 : 저강도 부재에 과하중이 작 용하여 붕괴

설계강도 ≥ 소요강도

 

_

≥ 





_≥



_





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

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



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

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_≥



_

3-5-3 하중계수와 소요강도



 







 _(0503.3.1)



 





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



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

 _



_



_ 

 ^

또는



또는

 

` (0503.3.2)



 



 



_{ 또는}



_또는



 



_또는 



 _(0503.3.3)



 



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

 



 



_ 또는



또는



 _(0503.3.4)



 

 ^

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

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^{ }

^

^{ }

^

^{ }

^

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

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^

또는



_

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(0503.3.5)



 



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

 



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

_ 



_ 



_{ 또는}



_또는



 _(0503.3.6)



 

 ^

^

^





^{ }

^

^



^

^

또는



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(0503.3.7)



 

 ^

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^

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

^{ }

^

^



^

^

또는



_



(0503.3.8)

:고정하중, :활하중, :적설하중, :풍하중, :지진하중, _{:지붕 활하중,} :강우하중

:유체의 압력 및 중량, _:횡방향 토압과 지하수압, _:연직방향 토압과 지하수압

:온도, 크리프, 건조수축 및 부동침하의 영향, :_에 대한 보정계수(토피의 두께에 따라 다름)

예 1) 고정하중 100kN, 활하중 120kN이 작용할 때 소요강도는?



_

  ×    ×     

예 2) 길이가 8m이고, 단면 300×500mm²의 콘크리트 단순보에 



^의 활하중이 작용할 때, 소요강도와 최대모멘트는? 단, 콘크리트 단위중량은 ^이다.



_

  ×  ×       



_

        



_

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_

 

_

   



_

_{ }

 × 

 × 

^

    · 

3-5-4 강도감소계수와 설계강도

(1) 0506.2.2(4)에 정의된 인장지배 단면 0.85

(2) 0506.2.2(3)에 정의된 압축지배 단면

① 나선철근 규정에 따라 나선철근으로 보강된 철근콘크리트부재 0.70

② 그 이외의 철근콘크리트 부재 0.65

③ 공칭축강도에서 최외단 인장철근의 순인장변형률 ^ε_t가 압축지배와 인장지배 단면 사이일 경우에 는 ^ε_t가 압축지배 변형률 한계에서 0.005로 증가함에 따라 ^φ값을 압축지배 단면에 대한 값에서 0.85까지 증가시킨다.

(3) 전단력과 비틀림모멘트 0.75

(4) 콘크리트의 지압력(포스트텐션 정착부나 스트럿-타이 모델은 제외) 0.65

(5) 포스트텐션 정착구역 0.85

(6) 스트럿-타이 모델과 그 모델에서 스트럿, 타이, 절점부 및 지압부 0.75 (7) 긴장재 묻힘길이가 정착길이보다 작은 프리텐션 부재의 휨단면

① 부재의 단부에서 전달길이 단부까지 0.75

② 전달길이 단부에서 정착길이 단부 사이에서는 ^φ값은 0.75에서 0.85까지 선형적으로 증가시킨다.

(8) 무근콘크리트의 휨모멘트, 압축력, 전단력, 지압력 0.55