Transcript 1 중간시험

철근콘크리트-1
중간시험
수원과학대학교 건축과
2011년 1학기
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콘크리트와 철근의 조합이 가능한 이유?
(1) 콘크리트와 철근(이형철근)
사이의 부착력(bond)이
철근의 미끄러짐을 방지
(2) 적절하게 배합된 콘크리트는 불침투성(impermeability)으로
철근의 부식을 방지
(3) 열 팽창율이 거의 비슷하여 상온에서 철근과 콘크리트 사
이에 거의 온도응력이 발생하지 않는다. 콘크리트의 열팽
창률은 0.10~0.13 x 10-4 / oC, 철근은 0.12 x 10-4 /oC
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구조재료로서의 철근콘크리트의 장점
① 높은 압축강도를 가지며 상대적으로 가격이 저렴하다.
② 물과 불에 대해서 큰 내구력과 내화력(fire resistance)을 갖고 있다.
③ 철근콘크리트 구조물은 상당히 단단하여(rigid) 처짐이 적고 진동 및 충
격에 저항력이 크다.
④ 유지보수비가 상대적으로 적게 들어 장기적인 관점에서 볼 때 경제성이
증가한다.
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구조재료로서의 철근콘크리트의 장점
⑤ 다른 건설재료에 비해서 사용수명이 길다.
⑥ 일반적으로 기초(footing)나 지하벽(basement walls) 또는 교량의 교대
(pier) 등을 만들 때 가장 경제적인 재료이다.
⑦ 단순한 슬래브나 보 또는 기둥에서 아치(arch)나 쉘(shell)에 이르기까지
임의의 형태로 만들 수 있다.
⑧ 대부분의 지역에서 저가의 그 지역의 재료(잔 골재, 굵은 골재 및 물)를
사용할 수 있고 상대적으로 작은 양의 시멘트와 보강철근이 필요하다.
⑨ 상대적으로 다른 건설재료(구조용 강재 등)에 비해서 덜 숙련된 인력을
사용할 수 있다.
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구조재료로서의 철근콘크리트의 단점
① 콘크리트는 인장강도가 매우 낮기 때문에(압축강도의 10%∼15% 정
도) 균열이 일어날 수 있고, 이러한 단점을 보완하기 위해서 인장 보강
철근 이 필요하다.
② 지붕이나 벽 또는 비슷한 구조물에서 콘크리트가 경화하여 강도를 갖
기 까 지 지 지 하 기 위 해 서 동 바 리 (shoring) 나 거 푸 집 (forms,
falseworks)이 필요하다. 거푸집은 전체 철근 콘크리트 단가에 적게
는 1/3에서 많게는 2/3까지 들며 보통 1/2 정도가 들어간다.
③ 콘크리트의 무게에 대한 강도의 비가 낮기 때문에 고정하중(자중,
dead weight)이 커져서 장경간의 교량(long-span bridges)이나 연약지
반의 구조물에는 불리하다.
④ 또한 콘크리트의 무게(단위질량은 강재의 30% 정도)에 대한 강도(압
축강도는 강재에 비해서 5∼10% 정도)의 비가 낮기 때문에 부재가 상
대적으로 커져서(또는 높아져서) 고층빌딩이나 장경간의 구조물에는
아주 불리하게 된다.
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구조재료로서의 철근콘크리트의 단점
⑤ 콘크리트는 배합이나 혼합에 따라 특성이 매우 서로 다를 수 있고, 특
히 콘크리트의 배치(placing)나 양생(curing)이 구조용 강재나 합판과
같은 재료의 생산에 비해서 시공관리에 어려움이 많다.
따라서 아무리 잘 관리된 현장이라도 콘크리트의
품질에 상당한 변화가 있을 가능성이 있다.
⑥ 건조수축(drying shrinkage)이나 크리프(creep) 등과 같은 장기변형
이 일어나서 균열이 일어나기 쉽다.
⑦ 포틀랜드 시멘트가 수화하기 위해서는 물이 필요하므로 콘크리트가
충분히 강도를 가질 때까지 물이 얼지 않도록 하는 것이 중요하다.
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측정 단위
- 길이
측정 단위 – 힘(force) 또는 중량(weight)
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측정 단위 – 힘(force) 또는 중량(weight)
1kN = 98kgf = 100kg
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측정 단위 – 응력(stress) 또는 압력(pressure)
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1.8 한계상태와 철근콘크리트의 설계
구조물이나 또는 구조요소(structural element)가 처음에 계획된
대로 구조적인 역할을 하지 못할 때 우리는 한계상태(limit
state)에 이르렀다고 말한다. 철근 콘크리트 구조물의 한계
상태는 아래와 같이 크게 3 단계로 구분할 수 있다.
(a) 극한 한계상태 (Ultimate Limit State)
(b) 사용성 한계상태 (Serviceability Limit State)
(c) 특별 한계상태 (Special Limit State)
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그림 3.7 보의 모멘트-곡률 곡선
(3) 특별 한계상태 : 지진, 화재, 폭발 등
(2) 극한 한계상태 : 붕괴, 찢
어짐, 불안정 등의 파괴
(1) 사용성 한계상태 : 처짐,
균열, 진동
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기본설계관계(Basic Design Relationship)
그림 1.8 보의 모든 단면에서 단면의 저항능력이 하중효과를 초과하게
되면 안전하게 하중을 지지할 수 있게 된다. 따라서, 이 관계는 다음과 같
은 식으로 표현될 수 있다.
단면의 저항능력(Resistances) ≥ 하중효과 (휨모멘트, 전단력)
강도감소계수
( Strength reduction factor),   1.0
하중계수 ( Load factors),   1.0
 Rn
  1 S1   2 S 2  
휨모멘트 식 :  f M n
f Mn
(기본설계 개념 식)
 DM D LM L  
 Mu  DM D LM L  
M u  소요 (required ) 휨모멘트 , 계수 ( factored ) 휨모멘트
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탄성설계법과 강도설계법
단면의 크기를 결정하는 방법으로 현행 콘크리트구조설계기준에서는 2종류의 설계
방법을 제시하고 있다.
(1) 강도 설계법 (Strength Design, SD) 또는 극한강도 설계법 (Ultimate-Strength Design,
USD)이라고 부르는 방법 : 부재가 파괴를 일으키는 하중(극한 한계상태 기준)
을 예측하는 방법에 의해서 설계하는 방법이다. 설계자는 하중이 작용하여 구
조물이 완전하게 파괴될 때의 하중의 크기와 파괴를 일으키는 형태(mode)를
고려 ; 국부적으로 부서짐(brittle)이 아니라 연성(延性) 파괴 유도 ; 따라서 강
도설계법에서는 사용하중이 작용할 때의 응력과 처짐(사용성 한계상태)은 간
접적으로 다루게 된다.
(2) 탄성 설계법 (Elastic Design) 또는 허용응력 설계법 (Allowable Stress Design,
ASD) : 예상되는 사용하중이 작용할 때 예측한 부재의 응력을 기준으로 설계 ;
사용하중(service load)이란 구조물에 실제로 작용하게 되거나 또는 작용하
리라고 예측하는 최대하중(즉, 고정하중, 활하중 등)을 의미한다. 탄성설계에
서 부재의 크기는 사용하중이 작용할 때에 발생하는 응력이 어떤 사전에 정해
진 응력 값[즉, 허용응력(allowable stress)]을 초과하지 않도록 하여 결정하
게 된다.
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강도 설계법 (Strength Design Method)
계수하중 (factored loads )과 소요강도 (required strength)
(하중조합은 뒤에서 설명 )
U  1.2 D  1.6 L  1.4 D
 풍하중 : U  1.2 D  1.0 L  1.3W  0.5( Lr 또는 S 또는 R)
U  1.2 D  0.65W  1.6( Lr 또는 S 또는 R)
U  0.9 D  1.3W  1.6( H H v  H h )(하중효과가 상쇄되는 경우)
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허용응력 설계법(Allowable Stress Design, ADS)
• 사용하중(service loads) 또는 계수를 곱하지 않은 하중
(unfactored loads)인 작용하중 (working loads)이 작용할 때
선형탄성이론에 의한 응력해석과 계산된 최대 탄성응력이
허용응력을 초과하지 않도록 하는 설계방법
• 기준에서는 별도설계법 (Alternative Design Procedure)이라
고 부르며 부록에서 다루고 있다.
• 이 허용응력 설계법은 강도설계법이 적용되기 이전에 사
용되었던 설계방법으로 우리나라에서도 거의 80년도까지
이 설계방법을 사용하였다.
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하중의 분류와 시방서
• 영구하중(permanent load): 구조물이 완성된 뒤에 변하지 않
고 일정한 값을 유지하는 하중으로 구조물 자체의 무게 나
지반에 작용하는 토압 등이 있다.
• 변동하중(variable loads): 점유하중(occupancy loads)이나 풍
하중과 같은 하중은 시간에 따라 그 값이 변하게 된다. 지속
하중(sustained loads)과 단기하중으로 구분
• 우발하중(accidental loads): 차량의 충돌이나 폭발 등의 하중
이 여기에 속한다.
• 정하중(static loads)과 진동과 가속도를 발생시키는 동하중
(dynamic loads, 충격계수)으로 구분
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고정하중 (사하중, dead loads)
(2,400)
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Concrete = Cement
+ fine aggregate (sand)
+ coarse aggregate (stone)
+ water
동국대학교
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콘크리트 슬래브 표면에 발생한 블리딩(bleeding)
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포틀랜드 시멘트의 종류
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굵은골재의 최대치수(Maximum size of coarse aggregate): 시방서
2장 1.5(22) : 질량비로 90% 이상을 통과시키는 체 중에서 최소치수의 체눈의
호칭치수로 나타낸 굵은골재의 치수
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경량골재: 잔골재는 절건비중 (절대건조비중, absolute dry condition
specific gravity)이 1.8 미만, 굵은 골재는 절건 비중이 1.5 미만인 골재를 경량
골재라고 정의
• 천연경량골재: 경석(pumice)과 화산암재(scoria)
• 인공경량골재: 팽창성 혈암(rotary kiln expanded shales), 팽창
성 점토(expanded clays), 플라이애시(fly ash)
• 경량골재 콘크리트(low-density light weight aggregate concrete)
는 방온, 방음(thermal and sound insulation), 지붕재료(roof decks), 바닥이나
지붕의 표면마감, 그리고 내화벽(firewalls)
• 전경량 콘크리트 (all-lightweight concrete): 잔골재와 굵은골재 모두를 경
량골재를 사용한 콘크리트
• 모래경량 콘크리트 (sand-lightweight concrete): 굵은골재는 경량골재를 사
용했지만 잔골재는 모래를 사용한 콘크리트
• 부분경량 콘크리트: 부분적으로 경량골재를 사용한 콘크리트
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골재의 분리(Segregation): 콘크리트의 배합 요
소들이 균질하게 섞여있지 않고 분리되는 것
• 배합이 되거나 진 정도에 따라 2가지 형태로 나타난다.
(1) 배합이 된 경우: 비중이 큰 굵은 골재가 경사나 다짐
등에서 분리되는 현상이 일어날 수 있고,
(2) 묽은 반죽에서는 시멘트풀(cement paste)이 분리되면서
블리딩(bleeding)이 일어날 수 있다.
(3) 블리딩: 원활한 작업을 위해서 수화반응을 하는데 필요
한 양(약 25% w/c 비 중량비)보다 대략 2배 정도의 물
(실제 35-40%)을 섞기 때문에 굳지 않은 콘크리트를 배
치하고 다지기 위해서 진동을 가하면 무게가 무거운 시
멘트, 모래와 자갈 등이 아래로 침전하면서 미세한 물
의 통로(channels)가 발생하여 상부 표면으로 물이 올라
오는 현상
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2.6 콘크리트의 체적변화
(1) 건조수축(Drying
Shrinkage): 시멘트겔
(cement gel)속의 수분이
증발하여 발생하는 수
축
(2) 크리프(Creep): 지속적
인 하중이 작용할 때 변
형률이 점진적으로 증
가하는 현상
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안전계수
안전계수(n)
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한계상태설계법(극한강도설계법)
(1) 한계상태의 정의
- 구조체 전체 또는 부분적인 한계상태는 그 구조체가 규정된 구조기능을 발휘하지 못하는 상태를 의미
(2) 한계상태의 분류
① 극한한계상태(Ultimate Limit State)
- 구조체의 전체 또는 부분이 붕괴되어 하중지지 능력을 잃은 상태
- 구조체가 수평하중에 의한 전도(轉倒), 미끄러짐 등으로 균형상태의 상실, 휨인장파괴,시공하중
등에 의한 연속파괴, 소성힌지의 과다 발생으로 인한 소성기구의 형성, 구조체의 불안정성 등으로
붕괴되는 경우
② 사용한계상태(Serviceability Limit State)
- 구조체가 붕괴되지는 않았으나 구조기능의 저하로 사용에 매우 부적합하게 되는 상태
- 과다한 처짐과 균열 폭 및 진동
cf) 진동은 공장 이외에서는 철근콘크리트 건물에서는 큰 문제가 되지 않음
③ 피로 한계상태(Fatigue Limit State) : 반복하중에 의한 피로파괴
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한계상태설계법(극한강도설계법)
중력하중에 대한 설계하중 조합
1.4D
1.2D+1.6L
D : 고정하중, L=활하중 (적재하중)
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강도감소계수
3.6.1 고정하중
부재의 자중을 위시, 그 구조체에 영구히 설치되는 모든 구성 요소들의 무게를 포함
⇒ 슬래브, 보, 기둥, 벽체, 기초 등 구조재의 자중
⇒ 마감등에 의한 하중
3.6.2 활하중
⇒ 도서관의 서가, 주차장의 차량 등 구조물의 한 곳에 집중 작용하는 하중
탄성계수
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방법 1: 처짐 계산을 하지 않아도 되는 경우의 보 또는 1방향
슬래브의 최소두께 규정(Use of Limiting Span/Thickness Ratios)(기준 4.3.1)
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