토목기사 요약/철근콘크리트 및 강구조/RC 설계일반

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철근 콘크리트의 개념[편집]

86
  • 라멘, 아치 등의 부정정 구조물에서 온도의 승강은 20도를 표준으로 한다.
  • 부정정 구조의 설계 시 사용하는 건조 수축 계수는 라멘은 0.00015, 철근이 0.5% 이상인 아치는 0.00015, 0.1-0.5%일 때 0.00020이다.
  • 콘크리트 크리프 계수는 부정정 구조물에서 하중이 초기 재하되지 않을 때 옥내 3.0 옥외 2.0 (86, 94)
95
  • 무근 콘크리트란 강재로 보강하지 않은 콘크리트를 말하나, 수축, 균열 등에 대비해 강재를 사용한 것도 무근 콘크리트로 본다.
  • 허용 응력 설계법에서 설계하중은 사용하중이다.

콘크리트[편집]

콘크리트 설계 기준강도와 배합강도[편집]

  • 설계 기준 강도(fck): 구조물 설계 기준이 되는 압축강도.
  • 재령 28일 평균 압축강도는 f28로 썼으나 fcu로 표현.
  • 배합강도(fcr): 콘크리트 배합을 정할 때 목표로 하는 콘크리트 압축강도.

배합강도 계산[편집]

표준편차를 이용해 계산하는 경우(둘 중 큰 값 사용)

  • 인 경우
  • 인 경우

시험횟수 14회 이하 또는 현장 강도 기록치가 없을 때는 다음 표에 따라 계산

설계 기준 강도 fck(MPa) 배합강도 fcr(MPa)
21 미만 fck + 7
21 이상 35 이하 fck + 8.5
35 초과 1.1fck + 5.0

콘크리트의 탄성계수[편집]

초기 접선 탄성계수(탄젠트 계수)[편집]

할선 탄성계수[편집]

  • 구조기준에서 사용하는 콘크리트 탄성계수는 할선 탄성계수(19-1)

단위체적질량 mc= 1450 - 2500kg/m3인 경우

보통중량 골재를 사용한 콘크리트 ♣♣♣ (mc = 2300kg/m3)

    • 이면
    • 이면
    • 이 사이는 직선 보간. fck=50MPa 이면 대충

탄성계수비[편집]

  • 철근 콘크리트 환산 단면적: (80)
  • 압축 응력을 받는 철근 콘크리트 부재의 환산 단면적? (99)
  • 활하중만에 의한 압축 부재 설계 시 압축 철근의 유효환산 단면적은? (n-1)As' (99)
  • 철콘 보를 반탄성 해석할 때 압축 철근 응력은 같은 위치 콘크리트 응력의 2n배(79, 84, 85, 97)

건조수축[편집]

  • 라멘 구조 건조수축 계수 0.00015 (81, 93)
  • 부재 철근 종단면 도심이 콘크리트 도심과 일치하지 않으면 건조수축에 의해 축방향력, 휨모멘트가 일어나 휨응력 발생.(81, 93)
  • 철근을 적절히 배근하면 건조수축 감소(81, 92, 93)

양단 고정 시 부재 건조수축을 εsh라 하면 콘크리트 인장응력 fct = εsh Ec, 철근 압축응력 fsc = fct = εsh Ec (96, 98)

경량 콘크리트[편집]

가끔 출제. 18-1

경량 콘크리트 계수

  • fsp가 규정되어 있는 경우
  • fsp가 규정되어 있지 않은 경우 λ(기사 시험에선 보통 1) (19-1)
    • 전경량 콘크리트 0.75
    • 모래 경량 콘크리트 0.85
    • 보통 중량 콘크리트 1.0

여기서 fsp는 쪼갬 인장강도

프리스트레스 하지 않는 현장치기 콘크리트의 최소피복 두께[편집]

종류 피복 두께(mm)
수중에서 타설하는 콘크리트 100
흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트 80
흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트 ♣♣♣D29 이상 60
♣♣♣D25 이하 50
♣♣♣D16 이하 40
옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트 슬래브, 벽체, 강선 D35 초과 40
D35 이하 20
보, 기둥 40
쉘(Shell), 절판 부재 20

프리스트레스 하는 부재의 현장치기 콘크리트 피복두께[편집]

  • 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀있는 경우 : 80mm (15-1)

철근[편집]

  • 주철근에 이형철근 쓰는 이유: 부착응력 큼, 이음 절약, 보통 갈고리 필요 없음(96, 99)
  • 긴장재 제외 철근 설계기준항복강도 fy는 600MPa을 초과할 수 없다.(14-3)[1]

종류[편집]

  • SD(Deformed Steel): 이형철근, 이형강
  • SR(Rounded Steel): 원형철근, 봉강
  • SS(Structural Steel): 일반 구조용 압연 강재
  • SWS(Structural Welded Steel): 용접 구조용 압연 강재

용도[편집]

  • 굽힘철근: 전단 철근 일종. 정철근 또는 부철근을 구부려 올리거나 내린 복부 철근.
  • 부철근: 부(-) 모멘트로 인한 인장 응력을 받도록 배치한 주철근
  • 배력철근: 하중을 분포시키거나 온도 변화나 건조수축에 의한 균열을 제어할 목적으로 주철근과 직각에 가까운 방향으로 배치한 보조철근.
  • 띠철근: 기둥에서 종방향 철근의 위치를 확보하고 전단력에 저항하도록 정해진 간격으로 배치된 횡방향의 보강철근 또는 철선.

설계법[편집]

  • 허용응력설계법 : 재료가 실제로 발휘하는 극한응력보다 작은 허용응력 규정을 두어 안전을 확보. 사용성을 가장 중히 여김(96)
  • 강도설계법 : 극한강도에 기초를 둔 설계법. 별도의 안전규정을 둠. 현행 콘크리트 구조기준은 강도설계법. 선형탄성이론, 훅의 법칙이 아니라 소성이론을 적용.(콘크리트 극한강도는 0.85fck, 철근의 극한응력은 fy로 봄. 구조해석 시는 탄성이론에 따름.(97) 안전성에 중점.(98)

강도설계법[편집]

  • 공칭강도 Mn (nominal strength) : 주어진 단면이 계산상(이론상) 견딜 수 있는 강도
  • 설계강도 Md (design strength) : 설계시 공칭강도를 그대로 인정하면 위험하므로, 부재의 결함을 예상, 안전을 고려하여 공칭강도에 강도감소계수 Φ를 곱해준 강도.
  • 소요강도, 계수강도 (required strength, factored strength) : 주어진 하중을 견디기 위해 필요한 강도 (= 극한강도(ultimate strength)). 기준하중에 하중 증가계수를 곱한 극한하중을 이용해서 계산한 강도.

강도 감소 계수[편집]

♣♣♣ 18-1, 18-2, 18-3 등등

부재 단면 또는 하중(단면력 종류) 강도 감소 계수 Φ
♣인장 지배 단면(휨부재) 0.85
압축지배단면 ♣나선 철근 부재 0.70
그 외 0.65
공칭강도에서 최외단 인장 철근의 순인장 변형률 εt가 압축지배와 인장지배 단면 사이에 있을 경우 εt가 압축지배변형률 한계에서 0.005로 증가함에 따라 Φ값을 압축지배 단면에 대한 값에서 0.85까지 증가시킨다.
  • 나선철근 부재 :
  • 그 외 :
전단력과 비틀림 모멘트 0.75
콘크리트의 지압력(포스트텐션 정착부나 스트럿-타이 모델은 제외) 0.65
포스트텐션 정착구역(15-2) 0.85
스트럿-타이 모델 스트럿, 절점부 및 지압부 0.75
타이 0.85
긴장재 묻힘 길이가 정착길이보다 작은 프리텐션 부재의 휨단면 부재 단부에서 절단 길이 단부까지 0.75
절단 길이 단부에서 정착 길이 단부 사이 0.75에서 0.85까지 선형 증가
♣무근 콘크리트의 휨모멘트, 압축력, 전단력, 지압력 0.55

지배단면

  • 압축지배단면(compression controlled section) : 압축 콘크리트가 가정된 극한 변형률인 0.003에 도달할 때 최외단 인장 철근의 순인장 변형률 εt가 압축지배변형률 한계 이하인 단면
  • 인장지배단면(tension controlled section) : 압축 콘크리트가 가정된 극한 변형률인 0.003에 도달할 때 최외단 인장 철근의 순인장 변형률 εt가 인장지배변형률 한계 0.005 이상인 단면
  • 변화구간단면(transition region) : 순인장변형률 εt가 압축지배변형률 한계와 인장지배변형률 한계 사이인 단면

감소계수 사용 이유

  • 구조물에서 차지하는 부재의 중요도 반영도 있음. 초과하중에 대비한 여유는 아님. 그건 하중계수(19-1)

설계하중 및 하중조합[편집]

계수(극한) 하중 : 설계 시 사용하는 설계하중은, 예상되는 초과하중을 고려하여 기준하중에 하중(증가) 계수를 곱해서 사용한다. 이 하중을 계수(극한) 하중이라 함. 이때의 강도가 소요강도.

  • 허용응력설계법에선 기준하중 = 사용하중 = 실제하중. 사용하중(service load): 하중계수를 곱하지 않은 고정하중 및 활하중.(92)
  • 강도설계법에선 기준하중에 하중계수를 곱한 하중 = 계수(극한) 하중

고정하중(D, Dead load, 사하중), 활하중(L, Live load)이 조합된 경우의 소요강도(계수하중)은 다음과 같다.

  • 기준하중 w = D + L, 기준 휨모멘트 → 허용응력설계법
  • 소요강도(계수하중) U = 1.2D + 1.6L, 극한 휨모멘트 → 강도설계법

활하중 종류(18-2)

  • 건물이나 다른 구조물의 사용 및 점용에 의해 발생되는 하중. 사람, 가구, 이동칸막이 등의 하중
  • 적설하중
  • 교량 등에서 차량에 의한 하중

사용성, 내구성, 안전성[편집]

  • 처짐의 검사는 사용하중을 기준으로 검토.(92)
  • 고강도 재료를 쓰면 단면이 작아져 처짐이 커짐(86)
  • 일반적 계산방식인 경우 환산 균열 단면 I를 처짐 계산에 써도 된다(86)
  • 2방향 구조물에 관한 시방서의 최소두께에 대한 요구조건이 만족되면 처짐을 계산하지 않아도 된다.(93)
  • 콘크리트 균열폭은 콘크리트 피복 두께에 비례(98)

처짐[편집]

탄성 처짐[편집]

1. 94

Beam cont example Solid Mechanics.png

w = 10kN/m, L = 10m, Ig = 650000cm4, Icr=265000cm4, Mcr = 70kN m, Ec = 25000MPa이다. 보의 최대 처짐은?

풀이

장기 처짐, 총처짐[편집]

  • 콘크리트의 소성변형: 다음 두 가지가 장기처짐 유발.
    • 건조수축: 하중과 관계없는 콘크리트 수분 증발에 의한 체적 변형
    • 크리프: 하중의 증가는 없는데 시간 경과에 따라 변형이 증가하는 현상.

♣ 15-1, 16-2, 18-1

장기처짐 = 지속하중에 의한 탄성처짐(순간처짐, 즉시처짐) × λΔ

  • ρ' = 압축철근비
  • ξ: 시간 경과 계수(시험에 대부분 제시해줌. 5년 이상 2.0)
구분 3개월 6개월 12개월 ♣5년 이상
ξ 1.0 1.2 1.4 ♣2.0
  • ♣ 총 처짐 = 탄성 처짐 + 장기 처짐

크리프[편집]

94
  • 크리프 처짐은 탄성 처짐의 2-3배이며 반드시 하중이 작용해야 생긴다.
  • 콘크리트 압축응력이 설계기준 강도의 50% 이내인 경우 크리프는 응력에 비례
  • 크리프 변형은 철근이 더 많은 하중을 지지토록 하는 효과를 나타냄.

  • 크리프 변형률은 탄성 변형률의 1-3배(85, 96)
  • 크리프 계수 (97, 99)

처짐을 계산하지 않는 경우의 보 또는 1방향 슬래브의 최소 두께[편집]

♣♣♣ 16-2, 16-4, 18-2, 18-3, 19-1

부재 최소 두께(hmin)
단순지지 1단연속 양단연속 캔틸레버
♣L/16 ♣L/18.5 ♣L/21 ♣L/8
1방향 슬래브 ♣L/20 ♣L/24 ♣L/28 ♣L/10

L: 경간 길이. fy = 400MPa 기준.

1500-2000kg/m2 범위 단위질량의 구조용 경량 콘크리트에 대해서는 이어야 함.

인 경우 . 근데 fy = 400MPa인 경우 그냥 대입하면 결과가 1이라서 처음부터 이걸로 외워도 됨.

균열[편집]

  • 공용 기간이 극히 짧은 구조, 콘크리트 내 강재가 부식하지 않도록 표면보호가 잘 된 구조, 가설 구조물에 대해선 균열 검토를 안 해도 됨.

19-1

  • 하중으로 인한 균열 최대폭은 철근 응력에 비례
  • 콘크리트 표면 균열폭은 철근 피복두께에 비례.

파괴 계수[편집]

16-2, 16-4

파괴계수 fr은 콘크리트 균열 시작 시 콘크리트 인장응력.

  • 일반적으로 로 봄.

균열모멘트[편집]

♣♣ 14-3, 16-2, 16-4, 18-1

  • Z : 단면계수
1. 97

균열 유효 인장 단면적.png

균열 유효인장단면적은 2.5(h - d)b

피로[편집]

  • 기둥은 피로에 대한 검토를 안 해도 된다. 다만 휨 모멘트나 축방향 인장력 영향이 크면 보에 준해 검토한다.(98, 99)
피로를 고려하지 않아도 되는 철근의 응력범위
긴장재 종류 설계기준항복강도 철근 또는 긴장재 응력 범위 출제
이형철근 300MPa 130MPa
350MPa 140MPa
400MPa 이상 150MPa 16-4

각주[편집]

  1. KDS 14 20 10 :2018 콘크리트구조 해석과 설계 원칙. 3.4. 철근의 설계강도