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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)

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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 의한부재단면 설계

접합부 및 특이부분의 상세 설계

구조도면 작성최종적인 결과물로 정확한 표현 필요

feedback

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

구조물에 가해지는 하중의 정의 및 산정하중 조합의 결정

경험에 의한 힘의 흐름 가정전반적인 구조시스템의 결정, 부재의 그룹화

구조형태 및 하중의 단순화부재의 크기 및단면의 가정

구조해석 프로그램의 입력파일 작성해석 결과에 의한 입력 및 가정의 오류검토

층간 변위, 최고층 변위 등 구조물 전체의 거동이 설계규정을 위반하지 않는지 검토

구조물의 안전성과 사용성을고려한 부재단면의 설계

접합부 및 기타부위의 상세 설계계단, 옹벽, ……

구조해석 및 설계를 위한 여러 가정 및단순화등의 전제 조건들을 만족하는지 검토

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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)

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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.

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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.

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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.

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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 :

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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

1.5또는 200MPa이하

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

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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.

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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.

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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

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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

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형상계수(shape factor)

소성모멘트/탄성항복모멘트, 소성단면계수/탄성단면계수

그림 8 항복모멘트와 소성모멘트 그림 9 항복모멘트와 소성모멘트에서의 응력도

그림 10 여러 단면의 형상계수

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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

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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.

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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.

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구조안전성

- 구조적 안전요구에 대한 표현은 다음과 같다.

≥ ⋯

설계강도 ≥ 소요강도

- 여기서, : 강도감소계수(strength reduction factor)

: 공창강도(nominal strength)

: 하중계수(load factor)

: 하중 효과

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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

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설계강도 ≥ 소요강도 ≥

≥

≥

≥

≥

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3-5-3 하중계수와 소요강도

(0503.3.1)

또는또는 ` (0503.3.2)

또는 또는 또는 (0503.3.3)

또는 또는 (0503.3.4)

또는 (0503.3.5)

또는 또는 (0503.3.6)

또는 (0503.3.7)

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)

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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 단부에서전달길이 단부까지 0.75

② 전달길이 단부에서정착길이 단부 사이에서는 φ값은 0.75에서 0.85까지 선형적으로 증가시킨다.

(8) 무근콘크리트의 휨모멘트, 압축력, 전단력, 지압력 0.55