이번에는 현재 국가건설기준센터(KCSC)에 정리되어 있는 구조설계기준(KDS 14 00 00)에서 사용된 설계법에 대해서 정리하려고 합니다. 이해한 부분에 대해서 정리하여 전달드리겠습니다. 틀린 부분 있으면 댓글로 지적부탁드리겠습니다.
1. 건축구조기준의 변천
건축구조에서 설계법의 변천 연도표
| 연도 | 건축구조기준 | 콘크리트구조기준 | 강구조기준 | 하중기준 |
| 1955년 | 일본건축학회 강구조계산규준 사용 | |||
| 1962년 | 건축법시행령 제정 | |||
| 1972년 | 철근콘크리트 구조설계규준 및 해설 | |||
| 1973년 | 강구조설계규준 및 해설 | |||
| 1975년 | 철근콘크리트 구조설계규준 및 해설 - 1차개정 |
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| 1977년 | 철근콘크리트 구조설계규준 및 해설 - 2차개정 |
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| 1980년 | (구조설계기준 보완 사업) 적설하중 및 풍하중 기준(안) | |||
| 1982년 | 철근콘크리트 구조설계규준 및 해설 - 3차개정 |
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| 1983년 | 강구조설계규준 및 해설 - 개정 |
(구조설계기준 보완 사업) 고정하중 및 적재하중 기준(안) | ||
| 1987년 | (구조기준의 독립과 제정) 내진설계기준 | |||
| 1988년 | (시행령 개정) 내진설계 대상 정의 (6층 이상) |
극한강도설계법에 의한 철근콘크리트 구조설계기준 (제정) | ||
| 1991년 | 프리캐스트콘크리트 조립식 건축구조기준 및 콘크리트 블록조적조 구조 기준(제정) | |||
| 1992년 | (건축법, 시행령 개정) 걱축물의구조기준에 관한 규칙 보완 개정, 극한강도설계법의 사용 |
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| 1994년 | 극한강도설계법에 의한 철근콘크리트 구조설계기준 (1차수정보완) | |||
| 1995년 | 강구조한계상태 설계규준(안) 및 해설 | |||
| 1996년 | (건축물의구조기준에관한규칙)행정부처 고시를 인용할 수 있게 됨. 건설교통부 장관이 건축물의 구조내력에 관한 기준 고시 | |||
| 1997년 | 경량기포콘크리트 블록구조 설계기준 및 경량기포콘크리트 패널구조 설계기준 | |||
| 1999년 | 극한강도설계법에 의한 철근콘크리트 구조설계기준 (1차수정보완) | |||
| 2000년 | 강구조한계상태 설계규준(안) 및 해설 (개정) 허용응력도설계법에 의한 강구조설계규준 (개정) |
(구조설계기준 보완 사업) 건축물 하중기준 및 해설 | ||
| 1999년-2002년 | (구조기준표준화) 건축표준설계기준(안) (Korea Building Code, KBC) : 대한건축학회 연구 보고서 |
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| 2003년 | 콘크리트구조설계기준 (개정) |
허용응력설계법에 의한 강구조설계기준 (제정) | ||
| 2005년 | 건축구조설계기준 (제정) |
|||
| 2007년 | 콘크리트구조설계기준 (개정) |
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| 2009년 | 건축구조기준 (개정) |
하중저항계수설계법에 의한 강구조설계기준 (제정) |
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| 2012년 | 콘크리트구조기준 (개정) |
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| 2016년 | 건축구조기준 (개정) KDS 41 00 00 (제정) |
KDS 14 20 00 (제정) |
KDS 14 31 00 (제정) |
KDS 14 30 00 (제정) |
| 2017년 | 콘크리트구조학회기준 (제정) |
KDS 14 31 00 (개정) |
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| 2021년 | KDS 14 20 00 (개정) |
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| 개정 : 기존의 법령을 수정하는 것으로 개정범위에 따라 일부개정과 전부개정이 있고, 개정방법에 따라 자법개정, 타법개정, 일괄개정이 있다. 제정 : 기존에 없던 법령을 새로이 제정하는 것을 말한다. |
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※출처 한국건축기준센터
콘크리트구조기준은 1972년부터, 강구조기준은 1973년부터 제정되어 있음을 알 수 있습니다.
현재 사용되고 있는 콘크리트의 강도설계법은 1988년, 강구조의 한계상태설계법은 1995년에 제정되어 있음을 알 수 있습니다.
| 허용응력설계법 | 강도설계법, 한계상태설계법 | |
| 콘크리트구조기준 | 1972년~ | 1988년~ |
| 강구조기준 | 1973년~ | 1995년~ |
2. 허용응력설계법
2.1 허용응력 설계법(ASD, Allowable Stress Design, Working Stress Design)
: 구조물에 실제하중(사용하중)이 작용할 때 발생되는 실응력을 선형탄성이론에 의해 계산하여 재료에 적당한 안전율(안전계수)을 고려한 허용응력 이내로 되게 하는 설계법으로 탄성설계법이라고도 합니다. 안전율 및 안전계수는 파손, 파괴, 붕괴, 과도한 변형, 진동, 처짐 등을 고려하여서 많은 연구를 하시고 경험이 풍부한 편찬위원회, 선배님들이 산정해주신 것 같습니다. 따라서 명기되어 있는 안전율 및 안전계수를 사용하여 설계하게 됩니다.
안전율(취성재료) = $\dfrac{극한응력}{허용응력}$
안전율(연성재료) = $\dfrac{항복응력}{허용응력}$
* 안전계수는 안전율의 역수입니다. (안전계수는 1보다 낮고, 안전율은 1보다 큽니다.)
취성과 연성 재료는 응력변형률 그래프가 서로 상이하고, 연성재료가 항복점이 더 잘 나타나 있기 때문에 이렇게 식이 나눠지는 것 같습니다.
※ 용어 정리
설계응력 : 외력에 의해 결정된 응력
사용응력 : 재료가 변형에 저항하기 위한 응력
허용응력 : 탄성설계에서 각 부재의 안전을 확보하기 위해 재료의 기준강도에 각각의 부재 특성에 맞는 안전계수를 곱하여 얻은 값
외력 < 내력
외력 : 사용하중에 의한 설계응력
내력 : 재료의 각각의 허용응력 ( 휨, 압축, 전단,,,)
2.2 허용인장응력에서 안전계수 관련
현재 강구조 부재 설계기준(허용응력설계법) KDS 14 30 10 : 2019 에서는 허용응력을 산출할 수 있는 식을 제시해주었습니다. (인장, 압축, 휨, 비틀림 등에 대해서 많은 식들이 있습니다.) 아래와 같이 주어진 경우라면 사용하중(1.0D + 1.0L 등 하중조합 참고)에 대해서 설계응력을 산정하여 안전성을 확보해야합니다.
$설계응력 < 허용응력$
2.3 안전율 관련
가시설물설계기준을 참고해 설명드리겠습니다.
아래와 같이 안전율이 주어진 경우에는 사용응력에 안전율을 나누어 설계응력에 대해서 안전성을 확보하시면 됩니다.
2.4 허용응력설계법 예제
재료가 목재이고, 단면형태가 직사각형인 단순보 예제를 통해서 허용응력설계법 문제를 풀어보겠습니다.
1) 중앙에 10kN 집중하중을 받는 단순보 중앙부에서 휨에 대한 안전성을 허용응력설계법으로 검토하시오.
재료강도 : $F_{b}$,허용휨응력$= 8MPa$, 단면의 크기 100x200
[목구조의 기준허용응력을 예시로 들었지만 목구조기준을 읽다보니 목재 재료가 가지고 있는 변수들이 다양하기 때문에 기준허용응력에 보정계수가 곱해지는 것을 확인했습니다. 기준대로 하면 보정계수를 곱해야하지만 이 부분은 생략했습니다 ㅠㅠ]
단면의 휨응력은 직사각형일 경우 중립축에서부터 가장 멀리 있는 축에서 가장 큰 휨응력이 발생하기 때문에 C의 축을 아래로 두었습니다. 단순보 중앙이기 때문에 상부는 압축응력, 하부는 인장응력을 받는 형태입니다.·
3. 강도설계법
: 강도설계법(strength reduction factor) : 구조부재를 구성하는 재료의 비탄성거동을 고려하여 산정한 부재단면의 공칭강도에 강도감소계수를 곱한 설계용 강도의 값(설계강도)과 계수하중에 의한 부재력(소요강도)이상이 되도록 구조부재를 설계하는 방법
외력 < 내력
외력관련
소요강도($M_{u}$) : 하중조합에 따른 계수하중을 저항하는데 필요한 부재나 단면의 강도
계수하중($1.2D+1.6L$) : 사용하중에 설계법에서 요구하는 하중계수를 곱한 하중
사용하중 ($D+L$) : 하중계수를 적용하지 않은 하중
하중계수 ($1.2, or 1.6$) : 하중의 공칭값과 실제 하중 간의 불가피한 차이, 하중을 작용외력으로 변환시키는 해석상의 불확실성, 예기치 않은 초과하중, 환경작용 등의 변동을 고려하기 위하여 사용하중에 곱해주는 안전계수
내력관련
강도감소계수($\phi$) : 재료의 설계기준강도와 실제강도의 차이; 부재를 제작 또는 시공할 때 설계도와 완성된 부재의 차이; 부재강도의 추정 및 해석에 관련된 불확실성 등을 고려하기 위한 안전계수
공칭강도($M_{n}$) : 하중에 대한 구조체나 구조부재 또는 단면의 저항능력을 말하며 강도감소계수 또는 저항계수를 적용하지 않은 강도
설계강도($\phi M_{n}$) : 단면 또는 부재의 공칭강도에 강도감소계수 또는 저항계수를 곱한 강도
강도설계법 관련 내용
단순지지된 철근콘크리트 단근보의 파괴까지의 거동
① 균열 전 탄성상태 : 보의 인장 연단에서의 인장응력이 기준에서 제시한 파괴계수(fr) 보다 작아서 인장 연단에 아직 균열이 발생하지 않고, 보의 콘크리트 단면은 전체를 유효한 상태로 보는 선형 탄성거동을 하게 됩니다.
② 균열 후 탄성상태 : 보의 인장 연단에서 인장응력이 파괴계수(fr)를 초과하게 되면 균열이 발생하기 시작합니다. 이 균열은 인장연단에서 시작하여 보의 중립축을 향해 전진하고, 인장측의 콘크리트 단면이 균열로 인하여 손상되어 중립축은 위로 이동합니다. 인장측 콘크리트가 인장강도를 점차 상실함에 따라 철근이 점점 전체 인장력에 저항하게 됩니다. 이 단계에 해당하는 균열의 형태와 변형률이 대략 우리가 일상생활에서 사용하는 사용하중(Service Load)하의 거동이라고 생각할 수 있습니다.
이 사용하중(Service Load)을 고려하여 압축측에서 콘크리트의 응력을 선형분포로 가정하여 설계하는 설계법이 허용응력설계법(Allowable Stress Design Method)입니다.
③ 비탄성 거동 시작 : 균열이 중립축 아래까지 접근하여 휨모멘트는 철근의 인장력과 콘크리트의 압축력에 의해서만 지지하게 됩니다. 이때 중립축이 급속하게 상승하고 보의 처짐이 증가하며 중앙균열과 미세균열이 보 전체에 걸쳐서 나타납니다.
④ 파괴 직전 상태의 극한거동 : 균열폭이 점점 커지면서 균열이 파괴 직전에는 중립축까지 확대 진행되며, 경우에 따라 복부에 전단 사인장 균열(Shear Diagonal Crack)이 발생합니다.
철근이 항복을 시작하며 작은 휨모멘트의 증가에도 곡률이 급격하게 증가하여 보가 상당히 많이 휘게 됩니다.
콘크리트 압축측은 최대변형률에 도달하며 압축연단에서 콘크리트 분쇄파괴가 일어납니다. 이때 콘크리트 압축연단의 변형률은 대략 0.003이 되고, 철근은 항복변형률을 초과하며 항복응력에 도달하게 됩니다.
인장측에서 콘크리트는 균열로 인하여 거의 손상되고 철근만이 남아서 인장력에 저항하고, 압축 측에서는 콘크리트가 압축력에 저항하게 됩니다. 이때 인장연단에 가깝게 배치된 종방향철근이 인장에 저항하여 콘크리트의 인장강도 손실을 상쇄함으로써 균열이 일어나더라도 곧바로 파괴가 일어나는 것을 방지합니다.
출처 : "하이구조 q&a"
위 내용대로 안전성에 대해서는 1.4D, 1.2D+1.6L과 같은 계수하중을 곱한 하중계수로 설계를 하고, 사용성에 대해서는 1.0D, 1.0L과 같은 사용하중으로 설계를 진행합니다.
4. 한계상태설계법 (하중저항계수설계법)
: 한계상태설계법 하중조합 하에서 부재의 설계강도가 소요강도 이상이 되도록 구조요소를 설계하는 방법(LSD : Limit State Design method)
※ 용어정리
- 강도한계상태 : 항복, 소성힌지의 형성, 골조 또는 부재의 안정성, 인장파괴, 피로파괴 등 안정성과 최대하중 지지력에 대한 한계상태 (Strength limit state)
- 강도저항계수 : 공칭강도와 설계강도 사이의 불가피한 오차 또는 파괴모드 및 파괴결과가 부차적으로 유발하는 위험도를 반영하기 위한 계수 (Strength resistance factor)
- 사용한계상태 : 구조물의 외형, 유지 및 관리, 내구성, 사용자의 안락감 또는 기계류의 정상적인 기능 등을 유지하기 위한 구조물의 능력에 영향을 미치는 한계상태 (Serviceability limit state)
이래저래 좋은 블로그 글을 참고했습니다. 한계상태설계법은 아직 어렵네요. 신뢰성을 바탕으로 하중저항계수를 산정하여 사용하는가 봅니다.?
허용응력설계법, 극한강도설계법, 한계상태설계법
관련 글을 정리하고자 마음을 먹었을때 쉽다고 생각했었는데, 정리하는 과정에서도 모르는것이 투성이며 정확하게 알고 공유를 드린 것이 아니라 굉장히 조심스럽네요. 다음 글 부터는 건축기사 공식 등 쉬운 것 부터 차근차근 정리해야겠습니다.
쫌쫌따리 이곳저곳 블로그며, 싸이트며 돌아다녀 자료를 수집했는데도 제 머리로는 이해가 안 되는 부분이 많아요.
틀린 부분 있으면 지적부탁드려요 ㅠㅠ..
'건축직 공기업 필기 기출 > 이론' 카테고리의 다른 글
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