0장_실라버스_콘크리트 건설재료의 발전사
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Transcript 0장_실라버스_콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab.
2012 가을학기
철근콘크리트 구조설계
김진근 교수
건설 및 환경공학과
KAIST
KAIST Concrete Lab.
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2012 가을학기
담당교수: 김진근, Room 3204, tel : 3614,
E-mail : [email protected]
담당조교: 안경희, Room 3222, tel : 3654
E-mail : [email protected]
강의시간: 13:00-14:30 pm 화, 목
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KAIST Concrete Lab.
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2012 가을학기
교재
1. 교재 1 : “콘크리트구조설계” 도서출판 동화기술
2. 교재 2 : “콘크리트 구조설계기준 해설” 한국콘크리트학회
3. 교재 3 : Handout
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KAIST Concrete Lab.
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2012 가을학기
강의내용
교재 1
교재 2
교재 3
Chap. 1, 2, 11
Chap.3, 4, 5
Chap. 1, 2
Chap. 3, 4, 5, 6, 7
Chap. 6, 7, 8
Chap. 3
3. 기둥부재 설계
Chap. 8, 9, 10
Chap. 6, 7, 8
Chap. 4
4. 슬래브 설계
Chap. 12, 13
Chap. 10, App. Ⅱ
Chap. 5
5. 기초판 설계
Chap. 15
Chap. 12
Chap. 6
6. 기타부재 설계
Chap. 16
Chap. 11, 13
-
1. 설계 일반
2. 보 부재 설계
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KAIST Concrete Lab.
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2012 가을학기
평가
항목
중간고사
기말고사
과제
출석
비중(%)
30
40
15
15
Homework delay : 1 week delay - 80%, more than 1 week - 50%
Copy : 0 point!!
T.A. : 안 경 희 (Tel. 3654, e-mail : [email protected])
홈페이지 : http://concrete.kaist.ac.kr/ Lecture/철근콘크리트 구조설계
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KAIST Concrete Lab.
철근콘크리트 구조설계
1. 설계 일반
2. 보 부재 설계
3. 기둥 부재 설계
4. 슬래브 설계
5. 기초판 설계
6. 기타 부재 설계
콘크리트의 유래
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전세계 시멘트 생산량
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전세계 콘크리트 생산량
• 전 세계 콘크리트 생산량
콘크리트
130 억 톤
시멘트
18 억 톤
물
12 억 톤
골재
100 억 톤
전 세계 물 사용량
의 8%
• 건설재료로서 콘크리트의 특성
대량 생산(⇒ Green Technology)
- 원재료 수급이 용이하고 경제성이 높음.
현장 생산(⇒ Smart Technology )
- 건설 현장 및 지역에 따른 재료의 특성 차이가 큼.
- 재료 특성 및 성능에 대한 불확실성이 높음.
- 재료의 품질 및 특성에 대한 제어가 어려움.
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국내 현황
시멘트 산업
레미콘 출하량
160,000,000
140,000,000
레미콘 출하량(m3)
120,000,000
100,000,000
80,000,000
60,000,000
40,000,000
20,000,000
0
1960
1965
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
2010
2015
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CONTENTS
• 콘크리트 재료의 발전
–
–
–
–
고대
근대
현대
미래
콘크리트
콘크리트
콘크리트
콘크리트….?
• 콘크리트 구조 및 설계의 발전
– 구조 시스템의 변화
– 구조설계기준
– 설계법의 종류와 발전
• 콘크리트 구조물의 형태
• 콘크리트 분야의 나아갈 방향
콘크리트 재료의 발전
고대, 근대, 현대, 미래
콘크리트 재료의 발전 방향
Million ton
3000
1756 – Natural cement 사용
1824 – Portland cement 개발
1928 – 분말도 증가
1973 - C3S 함량증가 & 분말도 증가
2010 – 전 세계 시멘트 생산량 28억 톤
2050 – 전 세계 시멘트 생산성 56억 톤
?
2700
CO2 발생량 증가율
2400
2100
1800
1500
1200
Atmospherical
CO2
900
• 시멘트에 의한 CO2 발생량 증가율
600
Cement
Production
300
0
1
8
2
0
1
8
4
0
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6
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0
2
2
2
0
• 앞으로 2010년은 ?
[참조: 연합뉴스, 2010]
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고대 콘크리트(석회콘크리트)
고고학적 발굴조사 결과에 의하면 석회콘크리트(lime
concrete)의 발명시기는 적어도 BC 8000~BC 9000년까
지로 소급 가능
예리고( jerico) 유적지: BC 9000년 경
조성된 것으로 추정되는 이곳의 방바
닥은 석회콘크리트로 만들어져 있음
•
석회콘크리트에 대한 최초의 문헌기록
– 비트르비우스(Vitruvius)의 ‘건축십서’
“석회석을 소성하면 수분이 증발하면서 중량의 1/3 정도가 감소되면서 기공이
열리고 재질이 물러지게 된다.”
•
중국과 동북아시아
– 회축(灰築) : 기초나 기단 등의 터를 다지는 공법. 석회에 풍화토나 모래를 소정
비율로 섞은 진흙을 혼합한 회토(灰土)에 물을 부어 되비벼 다져서 단단한 기반
을 조성.
•
AD 3~4세기 경, 고구려시대의 돌무덤
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근대 콘크리트(자연 시멘트)
•
18~19세기 초, 영국과 프랑스에서는 수경성 시멘트의 연구가 진행
•
1750년 경 영국의 스미튼(Smeaton) : 석회와 점토를 일정 비율로 혼합하여 소성하면
수경성을 갖게 될 수 있음을 발견 → Eddystone light house
•
1796년, 영국의 파커(Parker) : 석회질 이회토를 높은 온도로 소성하여 수경성 석회
제조 성공. 이를 로만 시멘트(Roman Cement)라고 명명.
– 파커의 시멘트는 자연산으로 채취한 원료를 다른 재료의 배합없이 단순히 소성
연마하여 제조한 것이기 때문에 자연산 시멘트(natural cement)라고 할 수 있음.
Eddystone
Light house
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근대 콘크리트(자연 시멘트)
자연시멘트와 포틀랜드시멘트의 사용량 비교 (미국)
단위:1000 Barrels
180000
160000
140000
120000
100000
80000
Natural cement
60000
Portland cement
40000
20000
1940
1936
1935
1933
1931
1930
1920~1929
1910~1919
1900~1909
1890~1899
1880~1889
1870~1879
1860~1869
1850~1859
1840~1849
1830~1839
1818~1829
0
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현대 콘크리트(포틀랜드시멘트)
•
1824년 영국인 벽돌공 아스프딘(Joseph Aspdin), 최초의 포틀랜드 시멘트 발명.
– 석회석과 점토를 분쇄 혼합한 것을 높은 온도로 소성하여 클링커(clinker)로 만
들고, 이것을 다시 분쇄연마하여 분말로 만든 것.
•
존슨(Isaac Charles Johnson), 소성온도와 가열과정 등에 관한 원리를 최초로 발견
•
포틀랜드 시멘트의 본격적인 제조생산 시작
– 1850년을 전후하여 영국, 프랑스, 독일 등 유럽 여러 나라
– 1871년 미국
•
1919년 오노다시멘트주식회사의 평양지사 승호리 공장 - 우리 한반도에 최초 설립
된 시멘트 공장
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미래 콘크리트
• 새로운 개념의 시멘트 개발
– 현재의 시멘트가 가진 단점 극복
• CO2 저감형 시멘트
– 부산물 재활용
– 효율적 생산 체계 (IT 등 융합 기술, 품종 다양화)
현재 CO2 발생은 얼마나 심각한가?
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시멘트 생산에 따른 CO2 발생량
• 전 세계 CO2 발생량의
시멘트
생산
5%
8%
+
콘크리트
제조 &시공
3%
[참조: J.S. Damtoft, Sustainable Development and climate
Change Initiative, 2007]
• 건설산업의 CO2 발생량 순위: 전체 3위 (2003년)
1위: 철강(제1차 금속)
2위: 전력가스 및 수도
3위: 건설 (시멘트&콘크리트 부문 6,000만 톤)
[참조: 박필주 외, 산업별연관표를 활용한 산업별 CO2 배출 원단위
분석, 2009]
• 시멘트 1 ton 당 CO2 발생 총량 : 1.2 ton
석회석으로부터 550kg 발생
CO2 Emission in Cement Production
[참조: Zina Deretsky, National Research
Foundation]
석회석의 소성에너지로부터 300kg 발생
시멘트 운반, 콘크리트 제작, 시공과정에 350 kg 발생
[참조: J.S. Damtoft, Sustainable Development and climate Change
Initiative, 2007]
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설계법(성능중심설계)
골재, 물,
혼화재료 투입
시멘트 생산
시멘트 포장
& 운반
콘크리트
믹싱 & 운반
콘크리트
타설
콘크리트
콘크리트
구조물
구조물
CO2
시멘트
사용량 결정
현장조건
시공성
콘크리트
배합 선정
CO2 발생량 결정
콘크리트
특성 결정
콘크리트
구조물
콘크리트
구조물 설계
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콘크리트 구조 및 설계의 발전
구조 시스템, 구조설계기준, 설계법
구조 시스템의 변화
압축부재
인장부재(휨부재)
Dome, Arch, Vault
철근콘크리트
압축부재
Arch
Dome
Vault
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철근콘크리트
F. Kahn ; 강재와 콘크리트를 왜 결혼시키지 않는가?
1850년 프랑스의 랭보(Lambot), 철망 혼입 콘크리트 배 제작(1855년 파리세계박람회)
1853년 프랑스의 코아니에(F. Coignet), 경간 6m의 철근콘크리트 지붕
1855년 영국의 윌킨슨(Wilkinson), 철근콘크리트 구조 방식에 대한 특허 취득
1865년 프랑스의 모니에(F. Joseph Monier), 모니에식 격자배근법 특허 취득
1875년 미국의 워드(W. E. Ward), 뉴욕에 철근콘크리트 가옥 건설
1875년 미국의 하얏트(T. P. Hyatt), 영국의 커컬디(D. Kirkaldy) 박사를 고용해
철근콘크리트구조 시험 실시, 보고서 간행
1898년 프랑스의 앙네비크(F. Hennebique), 철근콘크리트 보의 배근법에 관한 특허
취득. 보의 주철근에 스터럽을 배치하고 굽힘철근(bent-up bar)을 사용하는 방식
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프리스트레스트 콘크리트(PSC)
fc
fc
c
c
• 프리스트레스트 콘크리트의 원리
- 프랑스 사람 Eugene Freyssinet 에 의해 제안
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콘크리트 구조설계기준의 탄생
1902년
1910년
1928년
1962년
영국
미국
일본
한국
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용어의 정의
Standards (규격)
• technical standard of industrial products
- KS(한국공업규격), ISO(국제표준화규격), ASTM(미국 재료 시험 협회)...
Design Code (설계 기준)
• provisions for design of structures
- Model code : ACI design code, CEB-FIP design code, ACMC
- Legal code : Euro Code, IBC, 콘크리트 구조 설계기준...
Specification (시방서)
• provisions for materials and construction
- 콘크리트 표준시방서
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설계기준 - 미국
Model Code
• ACI design code
Legal Code
• 2000년 이전
- UBC(Uniform Building Code) : 서부
- BOCA(Building Officials and Code Administrators) : 북동부 및 중부
- SBC(Standard Building Code) : 남서부
• 2000년 이후
- IBC(International Building Code)
- AASHTO(American Association of State Highway and Transportation Officials)
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설계기준 – 유럽, 아시아
유럽
아시아
Model Code
Model Code
• CEB-FIP
• ACMC(Asian Concrete Model Code)
• fib 2010
Legal Code
Legal Code
• DIN, BS
• 일본
• Eurocode
• ACI 영향권
• Eurocode 영향권
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설계기준 - 한국
대한토목학회
대한건축학회
1962년 콘크리트 표준시방서 제정
1983년 콘크리트 표준시방서 1차 개정
(허용응력 설계법→강도 설계법)
1988년, 1996년 콘크리트 표준시방서 개정
1998년 콘크리트 표준 시방서 개정
설계편은 ‘콘크리트구조 설계기준’으로
이관.
1972년 ‘철근콘크리트 구조계산 규준’ 작성
1975년, 1977년 규준 수정, 보완
1988년 ‘극한강도설계법에 의한 철근콘크리트
구조계산 규준’ 작성
(ACI 318-83 구조설계기준 기반)
1994년 1차 개정
통합
1998년 콘크리트 구조설계기준으로 재편
2003년 개정
2007년 개정
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설계법의 종류
설계법
구조물 해석
부재 또는 단면 설계
설계 기준
선형(linear)
선형(linear)
재료의 강도
비선형(nonlinear)
단면의 강도
허용응력설계법
(WSD : Working Stress
Design)
(극한)강도설계법
(USD : (Ultimate)
Strength Design)
한계상태설계법
(LSD : Limit State
Design)
선형(linear)
(비선형 개념 일부 포함)
비선형(nonlinear)
(선형 해석도 가능)
비선형(nonlinear)
구조물의 최대
저항 능력
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설계법의 변화
Prescriptive code
Performance based code
장점
적용 및 조절이 간단함
여러 가지 방법으로 목적을 달성할 수 있음
신기술과 세계시장에 대해 열려있음
단점
신기술이 적용되기 어려움
주로 경험에 기반을 둠
개발이 어려움
더 많은 지식이 필요함
적용 및 조절이 어려움
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성능중심 설계법
1
2
3
4
5
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콘크리트 구조물의 형태
&
콘크리트 분야의 나아갈 방향
콘크리트 구조물의 형태(美)
우리나라
외국
Marina City, Chicago,
Bertrand Goldberg
River City, Chicago,
Bertrand Goldberg
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콘크리트 구조물의 형태(美)
우리나라
외국
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콘크리트 분야의 나아갈 방향
재료
• 친환경적 신재료 개발(혼화재료, ∙∙∙) - 자연시멘트
공법
• 신공법 개발(합성구조, ∙∙∙)
• 재료의 다양화(package 화)
• 인력 낭비 감소(Self-compacting concrete, 자동화)
• 미적 설계(Aesthetic Design)
설계
• 지속 가능한 설계(Life-cycle Design) – 곡선으로(강성 중심)
• 성능 중심 설계(Performance-based Design)
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