Transcript 콘크리트 발전사, 설계 일반_20150901 - Concrete Lab

KAIST Concrete Lab
2015 가을학기
철근콘크리트 구조설계
김진근 교수
건설 및 환경공학과
KAIST
KAIST Concrete Lab
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2015 가을학기
담당교수: 김진근, Room 3204, tel : 3614,
E-mail : [email protected]
담당조교: 안경희, Room 3222, tel : 3654
E-mail : [email protected]
강의시간: 10:30-11:50 AM 화, 목
강의실 : 1211호
KAIST Concrete Lab
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2015 가을학기
교재
1. 교재 1 : “콘크리트구조설계” 도서출판 동화기술
2. 교재 2 : “콘크리트 구조기준 해설” 한국콘크리트학회
3. 교재 3 : Handout
* 2012 개정 콘크리트 구조기준 pdf 파일 홈페이지에 업로드
KAIST Concrete Lab
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2015 가을학기
강의내용
교재 1
교재 2
교재 3
1. 설계 일반
Chap.1, 2, 11
Chap.3, 4, 5
Chap. 1, 2
2. 보 부재 설계
Chap.3, 4, 5,
6, 7
Chap. 6, 7, 8
Chap. 3
3. 기둥부재 설계
Chap. 8, 9, 10
4, 5, 7
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
-
KAIST Concrete Lab
Syllabus
철근 콘크리트 구조설계
CE 314 철근콘크리트 구조설계
2015 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
KAIST Concrete Lab
철근콘크리트 구조 설계
(Design of Reinforced Concrete Structures)
1. 설계 일반
1. Design General
2. 보 부재 설계
2. Design of Beam
3. 기둥 부재 설계
3. Design of Column
4. 슬래브 설계
4. Design of Slab
5. 기초판 설계
5. Design of Footing
6. 기타 부재 설계
6. Others
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1. 설계 일반(Design General)
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사(History of Concrete Materials)
1.2 설계의 의미(Definition of Design)
1.3 철근콘크리트 구조설계법(Design of RC Structures)
1.4 하중계수와 강도감소계수(Load factor and Strength Reduction Factor)
1.5 재료(Materials)
1.6 구조 해석(Structural Analysis)
1.7 사용성과 내구성(Serviceability and Durability)
1.8 철근 상세(Detail of Reinforcements)
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1.1.1 콘크리트의 유래
KAIST Concrete Lab
1. Design General
KAIST Concrete Lab
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
콘크리트 재료의 발전 방향
Million ton
3000
2700
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
?
CO2 발생량 증가율
2400
2100
1800
1500
1200
Atmospherical
CO2
900
600
300
0
• 시멘트에 의한 CO2 발생량 증가율
Cement
Production
1
8
2
0
1
8
4
0
1
8
6
0
1
8
8
0
1
9
0
0
1
9
2
0
1
9
4
0
1
9
6
0
1
9
8
0
2
0
0
0
[참조: 연합뉴스, 2010]
2
0
2
0
2
0
6
0
2
1
0
0
2
1
4
0
2
1
8
0
2
2
2
0
• 앞으로 2010년은 ?

1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab
1. Design General
고대 콘크리트(석회 콘크리트)
고고학적 발굴조사 결과에 의하면 석회콘크리트(lime concrete)
의 발명시기는 적어도 BC 8000~BC 9000년까지로 소급 가능

석회콘크리트에 대한 최초의 문헌기록
예리고(jerico) 유적지: BC 9000년 경 조
성된 것으로 추정되는 이곳의 방바닥은 석
회콘크리트로 만들어져 있음
• 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 소정비
율로 섞은 진흙을 혼합한 회토(灰土)에 물을 부어 되비벼 다져서 단단한 기반을 조
성.

AD 3~4세기 경, 고구려시대의 돌무덤
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1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
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 제
조 성공. 이를 로만 시멘트(Roman Cement)라고 명명.
• 파커의 시멘트는 자연산으로 채취한 원료를 다른 재료의 배합없이 단순히 소성연
마하여 제조한 것이기 때문에 자연산 시멘트(natural cement)라고 할 수 있음.
Eddystone
Light house
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab
1. Design General
근대 콘크리트(자연 시멘트)
자연시멘트와 포틀랜드시멘트의 사용량 비교 (미국)
단위:1000 Barrels
180000
160000
140000
120000
100000
80000
60000
40000
20000
0
Natural cement
Portland cement
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab
1. Design General
현대 콘크리트(포틀랜드 시멘트)

1824년 영국인 벽돌공 아스프딘(Joseph Aspdin), 최초의 포틀랜드 시멘트 발명.
• 석회석과 점토를 분쇄 혼합한 것을 높은 온도로 소성하여 클링커(clinker)로 만들고, 이것
을 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 설립된 시멘트
공장
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
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)
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1. Design General
KAIST Concrete Lab
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
시멘트 생산에 따른 CO2 발생량
1. Design General
• 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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1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
1.1.2 콘크리트 구조 및 설계법의 발전
구조 시스템의 변화
압축부재
인장부재(휨부재)
Dome, Arch, Vault
철근콘크리트
압축부재
Arch
Dome
Vault
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab
1. Design General
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 철근
콘크리트구조 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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1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
프리스트레스트 콘크리트(PSC)
fc
fc
c
c
• 프리스트레스트 콘크리트의 원리
- 프랑스 사람 Eugene Freyssinet 에 의해 제안
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1.1.3 콘크리트의 현황 및 나아갈 방향
전세계 시멘트 생산량
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KAIST Concrete Lab
1. Design General
KAIST Concrete Lab
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
전세계 콘크리트 생산량
• 전 세계 콘크리트 생산량
콘크리트
130 억 톤
시멘트
18 억 톤
골재
100 억 톤
물
12 억 톤
전 세계 물 사용량의
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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1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
국내 현황
시멘트 산업
레미콘 출하량
160 000 000
레미콘 출하량(m3)
140 000 000
120 000 000
100 000 000
80 000 000
60 000 000
40 000 000
20 000 000
0
1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
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1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
콘크리트 구조물의 형태(美)
우리나라
외국
Marina City, Chicago,
Bertrand Goldberg
River City, Chicago,
Bertrand Goldberg
KAIST Concrete Lab
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
1. Design General
콘크리트 구조물의 형태(美)
우리나라
외국
1.1 콘크리트 건설재료의 발전사
KAIST Concrete Lab
1. Design General
콘크리트 분야의 나아갈 방향
재료
•친환경적 신재료 개발(혼화재료, ∙∙∙) - 자연시멘트
•재료의 다양화(package 화)
공법
•신공법 개발(합성구조, ∙∙∙)
•인력 낭비 감소(Self-compacting concrete, 자동화)
설계
•미적 설계(Aesthetic Design)
•지속 가능한 설계(Life-cycle Design) – 곡선으로(감성 중심)
•성능 중심 설계(Performance-based Design)
1.2 설계의 의미
KAIST Concrete Lab
1. Design General
광의의 설계
- 기획, 계획, 설계, 시공, 유지관리(Plan, Design, Construction, Maintenance)
- 기능, 구조, 미(美), 경제적 측면(Function, Struture, Beauty, Economic)
협의의 설계
- 구조물형식이 있을 때, 구조 해석을 수행하여 단면 설계
- 단면의 크기, 재료의 강도, 철근량 등의 결정(구조 계산서, 도면)
(Decision for Size of side, strength of materials, using of reinforcement)
설계 고려 성능
- 안전 성능(Strength, Ultimate limit)
- 사용 성능(Serviceability, Serviceability limit)
- 내구 성능(Durability)
- 지속 성능(Sustainability)
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1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
1.3.1 설계 방법(Design Method)
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
KAIST Concrete Lab
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
콘크리트 구조설계기준의 탄생
1902년
1910년
1928년
1962년
영국
미국
일본
한국
1.3 철근콘크리트 구조설계법
KAIST Concrete Lab
1. Design General
용어의 정의
 Standards (표준)
• technical standard of industrial products
- KS(한국공업표준), 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
1.3 철근콘크리트 구조설계법
KAIST Concrete Lab
1. Design General
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)
KAIST Concrete Lab
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
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
KAIST Concrete Lab
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
설계기준 - 한국
대한토목학회
대한건축학회
1962년 콘크리트 표준시방서 제정
1972년 ‘철근콘크리트 구조계산 규준’ 작성
1983년 콘크리트 표준시방서 1차 개정
(허용응력 설계법→강도 설계법)
1988년, 1996년 콘크리트 표준시방서 개정
1975년, 1977년 규준 수정, 보완
1988년 ‘극한강도설계법에 의한 철근콘크리트 구
조계산 규준’ 작성
(ACI 318-83 구조설계기준 기반)
1998년 콘크리트 표준 시방서 개정
설계편은 ‘콘크리트구조 설계기준’으로 이관.
1994년 1차 개정
통합
1998년 콘크리트 구조설계기준으로 재편
2003년 개정
2007년 개정
2012년 개정
KAIST Concrete Lab
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
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
1.3 철근콘크리트 구조설계법
성능중심 설계법
1
2
3
4
5
KAIST Concrete Lab
1. Design General
KAIST Concrete Lab.
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
1.3.2 허용응력 설계법(WSD)
의미
- 철근 콘크리트를 탄성체로 보고 탄성이론에 의해 구한 콘크리트의 응력
응력
가 각각 그 허용응력
여기서,
및
를 넘지 않도록 설계하는 방법. 즉,
: 콘크리트의 허용 휨 압축응력
: 철근의 허용 인장응력
: 콘크리트의 설계기준강도
: 철근의 항복강도
: 콘크리트 응력의 안전율
: 철근응력의 안전율
및 철근의
1.3 철근콘크리트 구조설계법
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
콘크리트의 허용응력
응력
부재 또는 조건
휨압축
휨부재
보, 1방향 슬래브,
전단
확대기초
전단철근 없이 콘크리트가
부담하는 전단응력(
)
콘크리트와 전단철근이
부담하는 전단응력
2방향 슬래브, 확대기초
콘크리트가 부담하는 전단응력
전 단면에 재하될 때
지압
부분적으로 재하될 때
휨인장
무근의 확대기초와 벽체
허용응력(MPa)
KAIST Concrete Lab.
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
철근의 허용응력
철근의 종류 또는 조건
허용응력 (MPa)
SD 300 (
)
150
SD 350 (
)
175
SD 400 (
)
180
경간 4m 미만의 1방향 슬래브에 배근된 지름 10mm 이하의 휨 철근
탄성계수비
의값
21
24
27
30
35
40
8
7
7
7
7
6
KAIST Concrete Lab.
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
1.3.3 강도 설계법(USD)
- 구조물이 사용연한 동안 파괴나 다른 손상 없이 모든 하중에 대해 충분한 여유를
가질 수 있도록 부재 치수와 철근량을 결정
기본가정
① 철근 및 콘크리트의 변형률은 중립축으로부터 거리에 비례
② 압축 측 연단에서 콘크리트의 극한 변형률(휨파괴 변형률)은 0.003으로 가정
③ 항복강도 이하에서 철근의 응력은 그 변형률의
배로 계산, 항복강도에 해당하는
변형률보다 더 큰 변형률에 대해서는 철근의 응력은 그 변형률에 상관없이
로 가정
④ 콘크리트의 인장강도는 휨강도 계산에서 무시
⑤ 콘크리트의 압축응력의 분포와 변형률의 관계는 등가 직사각형 응력분포로 가정
KAIST Concrete Lab.
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1. Design General
안전성 검토
- 구조물의 해석, 설계와 시공에는 여러 가지 불확실성이 존재
(ex. 설계할 때 가정한 하중이 실제 하중과 다름)
- 하중계수나 강도감소계수 적용 (1% 오차 허용)
- 계수하중 = 하중계수 ×사용하중(작용하중)
- 설계강도 = 강도감소계수 ×공칭강도
Dead Load
Live Load
1.0
하중계수
1.2
1.6
0.85
1.0
공 칭 강 도(Mn)
1.3 철근콘크리트 구조설계법
사용성 검토
- 처짐
- 균열폭
- 피로
내구성 검토
- 철근 부식
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1. Design General
1.3 철근콘크리트 구조설계법
1.3.4 한계상태 설계법(LSD)
구조물 해석
- 원칙적으로 비선형 해석 (선형 해석도 허용)
안전성 설계
- 하중계수 고려 (강도 설계법과 유사)
- 재료계수 고려 (허용응력 설계법과 유사)
사용성, 내구성 설계
- 강도 설계법, 허용응력 설계법과 유사
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.4 하중계수와 강도감소계수
작용 하중의 종류
고정 하중 (D )
활하중 (L )
지붕활하중 (Lr )
지진하중 (E )
유체압 (F )
지하수 및 토압 (H, Hv, Hh )
강우하중 (R )
적설 하중 (S )
풍하중 (W )
온도하중, 건조수축, 크리프 등 (T )
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.4 하중계수와 강도감소계수
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
하중계수 (Load factor)
- 작용하중의 불확실성의 크기를 고려하여 정해진 계수
- 실제로는 하중조합을 고려
기본하중
풍하중
지진하중
유체압
토압
침하, 크리프,
건조수축 또는
온도변화의 영향
(1)
𝑈 = 1.4(𝐷 + 𝐹)
𝑈 = 1.2 𝐷 + 𝐹 + 𝑇 + 1.6 𝐿 + 𝛼𝐻 𝐻𝑣 + 𝐻ℎ + 0.5(𝐿𝑟 or 𝑆 or 𝑅) (2)
𝑈 = 1.2𝐷 + 1.6 𝐿𝑟 or 𝑆 or 𝑅 + (1.0𝐿 or 0.65𝑊)
𝑈 = 1.2𝐷 + 1.3𝑊 + 1.0𝐿 + 0.5 𝐿𝑟 or 𝑆 or 𝑅
𝑈 = 0.9 𝐷 + 𝐻𝑣 + 1.3𝑊 + 1.6𝐻ℎ or 0.8𝐻ℎ
(3)
𝑈 = 1.2 𝐷 + 𝐻𝑣 + 1.0𝐸 + 1.0𝐿 + 0.2𝑆 + 1.0𝐻ℎ or 0.5𝐻ℎ
𝑈 = 0.9 𝐷 + 𝐻𝑣 + 1.0𝐸 + 1.0𝐻ℎ or 0.5𝐻ℎ
(6)
𝑈 = 1.2 𝐷 + 𝐹 + 𝑇 + 1.6 𝐿 + 𝛼𝐻𝐻𝑣 + 0.8𝐻ℎ + 0.5(𝐿𝑟 or𝑆 or𝑅)
(8)
또, 식 (1)과 식 (2)
식 (1), 식 (2), 식 (5), 식 (7), 식 (8)
식 (2), 식(8)
(4)
(5)
(7)
1.4 하중계수와 강도감소계수
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
강도감소계수 (Strength reduction factor), ф
인장지배 단면 (Tension-controlled sections)
0.85
압축지배 단면 (Compression-controlled sections)
- 나선 철근으로 보강된 부재 (Members with spiral reinforcement)
0.70
- 그 이외의 부재 (Other reinforced members)
0.65
전단과 비틀림 (Shear and torsion)
0.75
콘크리트의 지압 (Bearing on concrete)
0.65
포스트텐션 정착구역 (Post-tensioned anchorage zones)
0.85
스트럿-타이모델에서 스트럿, 타이, 절점부 및 지압부 (Strut-and-tie models)
0.75
무근 콘크리트 (Plain concrete)
0.55
KAIST Concrete Lab.
1.5 재료
1. Design General
1.5.1 콘크리트
시멘트 + 골재 + 물 + 혼화재료(혼화제, 혼화재)
양생
- 수중양생, 습윤양생, 증기양생…
압축강도 시험
- ф150×300 (mm) ⇒ 𝑓𝑐,150 = 𝑓𝑐,100 ×적절히 고려
- ф100×200 (mm) ⇒ 𝑓𝑐,100
콘크리트 배합강도, 콘크리트 설계기준압축강도, 콘크리트 압축강도
탄성계수
- 𝐸𝑐 = 8,500 3 𝑓𝑐𝑢
여기서,
- 𝐸𝑐𝑖 = 1.18𝐸𝑐 (크리프)
: 재령 28일에서 콘크리트의 평균 압축강도 (MPa) =
𝑓𝑐𝑘 + ∆𝑓
4
f  
6
f ck  40 MPa
f ck  60 MPa
KAIST Concrete Lab.
1.5 재료
1. Design General
1.5.2 강재
설계기준항복강도
- 𝑓𝑦 = 300, 350, 400, 500, 600 MPa
탄성계수
(철근)
-
(긴장재)
-
(형강)
이형철근
철근의 설계기준항복강도 제한 규정(콘크리트구조기준 2012)
휨부재의 주철근
600MPa
휨부재의 전단철근
500MPa
기둥의 주철근
600MPa
기둥의 횡방향 철근 (나선형철근)
700MPa
기둥의 횡방향철근 (띠철근)
500MPa
프리스트레싱 강재
KAIST Concrete Lab.
1.5 재료
1. Design General
1.5.3 콘크리트 품질
콘크리트 품질
- 설계 기준에 따르기 위한 콘크리트 강도의 품질 기준 설정
배합강도
-
Max
Max
콘크리트 품질시험 세부사항
- 3번 연속 샘플링 해서 압축강도 실험결과 평균값이
이상인 경우 콘크리트 압축강도는
만족할 만한 것으로 간주
- 이를 만족하지 못한 경우 코어 실험을 실시, 이 결과 0.85
에 달하고 0.75
보다 작지
않으면 구조적으로 적합하다고 판정하게 되고, 만족하지 못할 경우에는 하중을 줄이거나
보수ㆍ보강 등의 작업 시행
1.6 구조해석
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.6.1 해석방법
- 탄성이론에 의해 결정된 최대 단면력에 대하여 설계
근사해법
- 프리스트레스트 콘크리트를 제외하고 일반적인 구조 형태, 경간 및 층고를 갖는 건물에 대해
계수등분포하중과 순경간에 대한 휨모멘트, 전단력을 근사해석
1.6 구조해석
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.6.2 부모멘트 재분배
연속 휨부재의 부모멘트 재분배
- 근사해법에 의해 휨모멘트를 계산한 경우를 제외하고, 어떠한 가정의 하중을 적용하여
탄성이론에 의하여 산정한 연속 휨부재 받침부의 부모멘트는 20% 이내에서
%만큼
증가 또는 감소시킬 수 있다.
- 부모멘트의 재분배는 휨모멘트를 감소시킬 단면에서 최외단 인장철근의 순인장변형률
0.0075 이상인 경우에만 가능하다.
가
1.6 구조해석
1.6.3 활하중의 배치
활하중의 배치
- 활하중은 해당 바닥판에만 재하된 것으로 보아 해석 가능
- 기둥의 먼 단부는 고정된 것으로 가정
- 고정하중과 활하중의 조합
① 모든 부재에 계수 고정하중 + 두 인접 경간의 계수 활하중
② 모든 부재에 계수 고정하중 + 한 경간씩 건너 계수 활하중
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
KAIST Concrete Lab.
1.6 구조해석
1. Design General
1.6.4 T형보
유효폭
- Shear lag(전단지연) 현상 : 휨 모멘트를 받을 때 강성의 차이로 인한 단면의 변형 유발
T형보
b = min (
, 슬래브의 중심간 거리,
)
반 T형보
b = min (
,
T형보
, 슬래브의 내측거리/2 +
)
반 T형보
1.6 구조해석
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.6.4 T형보
이하
플랜지 두께 / 유효폭
- 독립 T형보의 압축을 받을 수 있는 플랜지 두께 ≥
- 독립 T형보의 플랜지 유효폭 ≤
철근배근
- 독립 T형보의 경우 내민 플랜지 전폭을 유효폭으로 간주
- 그 밖의 T형 보의 경우 앞의 식에 따라 계산된 유효폭만 고려
- 횡방향 철근의 간격은 슬래브 두께의 5배 이하, 또한 450mm 이하
KAIST Concrete Lab.
1.6 구조해석
1. Design General
1.6.5 기타 사항
강성
- 가정된 강성은 일관되게 사용
- 헌치(haunch)의 영향을 고려
헌치
경간
받침부와 일체로 되지 않은 경우
-
중심간 거리
골조 또는 연속구조물
-
중심간 거리
- 설계용 휨모멘트는 받침부 전면의 값
3m 이하의 순경간을 갖는 슬래브
- 지지보의 폭을 무시하고 순경간을 경간으로 하는 연속보로 해석
1.6 구조해석
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.6.5 기타 사항
기둥
최대 축력
- 모든 바닥판 또는 지붕에 작용하는 계수하중에 의해 기둥에 전달된 힘
최대 휨모멘트
- 기둥에 인접한 바닥판 또는 지붕의 한쪽 경간에 작용하는 계수하중에 의한 휨모멘트
- 축력에 대한 휨모멘트의 비가 최대인 경우 고려
편심하중
- 내ㆍ외부 기둥의 불균형 바닥판 하중과 기타 편심하중에 의한 영향 고려
연직하중에 대하여 해석할 때 기둥의 먼 단부는 고정되어 있다고 가정
기둥으로 전달되는 휨모멘트는 상ㆍ하부 기둥 강성에 따라 분배
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.1 균 열
균열
- 구조물의 사용성, 내구성 및 미관 등 사용목적에 손상을 주지 않도록 제한
- 콘크리트 균열폭을 허용균열폭 이하로 제어하는 것을 원칙
환경조건의 분류
- 건조환경, 습윤환경, 부식성환경, 고부식성환경
허용 균열폭
강재의 종류
건조환경
환 경
습윤환경
조
건
부식성환경
고부식성환경
철근
Max
(0.4mm, 0.006𝑐𝑐 )
Max
(0.3mm, 0.005𝑐𝑐 )
Max
(0.3mm, 0.004𝑐𝑐 )
Max
(0.3mm, 0.0035𝑐𝑐 )
프리스트레싱
긴장재
Max
(0.2mm, 0.005𝑐𝑐 )
Max
(0.2mm, 0.004𝑐𝑐 )
-
-
※ 𝑐𝑐 = 최외단 주철근의 표면과 콘크리트 표면 사이의 콘크리트 최소 피복 두께 (mm)
- 콘크리트 인장연단 가장 가까이에 배치되는 철근의 중심 간격 s
𝑠 ≤ 375
𝑘𝑐𝑟
𝑓𝑠
− 2.5𝑐𝑐 and 𝑠 ≤ 300
𝑘𝑐𝑟
𝑓𝑠
𝑘𝑐𝑟 = 280 (건조 환경)
= 210 (습윤 환경)
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.2 처 짐
처짐
처짐 검토를 하지 않아도 되는 최소 두께
최소 두께,
부 재
단순 지지
1단 연속
양단 연속
큰 처짐에 의해 손상되기 쉬운 칸막이벽이나
기타 구조물을 지지 또는 부착하지 않는 부재
1방향 슬래브
보, 리브가 있는
1방향 슬래브
처짐 검토
- 순간처짐 + 장기처짐 ≤ 허용 처짐량
- 하중의 작용에 의한 순간처짐은 탄성 처짐 공식을 사용하여 계산
캔틸레버
1.7 사용성과 내구성
1.7.2 처 짐
처짐
내부에 보가 없는 슬래브의 최소 두께
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1. Design General
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.2 처 짐
처짐
최대 허용 처짐
부재의 형태
고려해야 할 처짐
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를
지지 또는 부착하지 않은 평지붕구조
활하중 L에 의한 순간처짐
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를
지지 또는 부착하지 않은 바닥구조
활하중 L에 의한 순간처짐
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를
지지 또는 부착한 지붕 또는 바닥구조
과도한 처짐에 의해 손상될 염려가 없는 비구조
요소를 지지 또는 부착한 지붕 또는 바닥구조
전체 처짐 중에서 비구조 요소가
부착된 후에 발생하는 처짐 부분
(모든 지속하중에 의한 장기처짐과
추가적인 활하중에 의한 순간처짐의 합)
처짐한계
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.2 처 짐
처짐
순간처짐
- 유효단면2차모멘트를 이용하여 계산
- 여기서,
장기처짐
= 순간처짐×장기처짐계수
- 장기처짐계수
- 여기서,
= 시간경과계수 (크리프의 영향)
전체처짐
= 순간처짐 × (1+
= 압축철근비
)
5년 이상
2.0
12개월
1.4
6개월
1.2
3개월
1.0
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1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.3 슬래브
슬래브 분류
1방향 슬래브 / 2방향 슬래브
- 보의 길이에 따라
: 2방향
: 1방향
- 보의 강성에 따라
: 2방향
: 1방향
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1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.3 슬래브
슬래브 분류
플랫 플레이트 (flat plate)
플랫 슬래브 (flat slab)
- 지판 (drop panel)
- 기둥머리 (column capital)
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.3 피 로
정의
- 최대 인장응력 이하 수준의 주기적인 하중을
받을 때 일어나는 재료파괴의 일반적인 현상
적용 범위
- 보 및 슬래브의 피로는 휨 및 전단에 대하여 검토
- 기둥의 피로는 검토하지 않아도 되지만 휨모멘트나 축인장력의 영향이 큰 경우 보에 준하여 검토
피로를 고려하지 않아도 되는 응력범위
강재의 종류와 위치
이형철근
긴장재
응력범위 (MPa)
SD 300
130
SD 350
140
SD 400
150
연결부 또는 정착부
140
기타부위
160
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.4 내구성
- 염해
철근 부식
- 중성화
철근 부피 팽창
피복 콘크리트 박리
구조물 안전성 위험
- 동결 융해
중성화
- 공기중의 탄산가스에 의해 수화반응시 발생된 수산화 칼슘이 탄산칼슘으로 변화하여 고유의
알칼리성을 상실하게 되는 현상
- Ca(OH)2+CO2+H2O → CaCO3+H2O (중성화)
부식률
- 콘크리트 pH를 약 8.5~10 정도로 감소시킴
철근 부식, 철근의 부피 팽창
pH
5
7
10
균열 발생, 피복콘크리트 박리, 철근 단면적 감소
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.4 내구성
염해
- 강한 알칼리성의 콘크리트 속에 매설된 강재는 표면에 부동태 피막을 형성시켜 부식되지 않음
- 부동태 피막도 콘크리트 중에 염화물이 침입하여 염소이온량이 일정 값 이상이 되면 부식 시작
방지 대책
- 바닷모래를 사용할 경우 세척을 통해 염소이온을 제거한 후 사용
- 해안 구조물의 경우 콘크리트를 치밀하게 타설 (염소이온 침투 방지)
철근 부식 방지를 위한 최대 수용성 염소이온 비율
부재의 종류
콘크리트 속의 최대 수용성 염소이온(Cl-),
시멘트의 질량에 대한 비 (%)
프리스트레스트 콘크리트
0.06
염화물에 노출된 철근콘크리트
0.15
건조상태이거나 또는 습기로부터 차단된 철근콘크리트
1.00
기타 철근콘크리트
0.30
KAIST Concrete Lab.
1.7 사용성과 내구성
1. Design General
1.7.4 내구성
동결융해
- 콘크리트 중의 수분이 외부온도의 저하에 의한 동결과 융해의 반복 작용에 의해 균열이
발생하거나 표면부가 박리하여 성능이 저하되는 현상
- 공기량을 증가시킴으로서 방지 (AE제, AE 감수제)
동해 저항 콘크리트에 대한 전체 공기량
굵은골재의 최대 치수 (mm)
공기량 (%)
노출 등급 F2, F3
노출 등급 F1
10.0
7.5
6.0
15.0
7.0
5.5
20.0
6.0
5.0
25.0
6.0
4.5
40.0
5.5
4.5
- 동결, 융해 및 제빙화학제에 노출되는 일반콘크리트나 경량콘크리트는 표에 제시된 공기량이 필요하다.
이 때 연행 공기량의 허용편차는 ±1.5 % 이다. 설계기준압축강도가 35MPa을 초과하는 콘크리트는
표에 제시된 공기량에서 1% 감소시킬 수 있다.
KAIST Concrete Lab.
1.8 철근 상세
1. Design General
1.8.1 표준 갈고리
표준 갈고리
일반 철근
스터럽ㆍ띠철근
- 180°표준 갈고리
- 135°표준 갈고리
- 90°표준 갈고리
- 90°표준 갈고리
정착길이 비교
※
⇒ 정착길이 감소
KAIST Concrete Lab.
1.8 철근 상세
1. Design General
1.8.1 표준 갈고리
구부림의 최소 내면 반지름
180 °, 90 ° 표준갈고리의 구부림 최소 내면 반지름
철근 크기
최소 내면 반지름
D10 ~ D25
D29 ~ D35
D38 이상
스터럽과 띠철근용 표준 갈고리의 내면 반지름
- D16 이하의 철근을 사용할 때, 표준갈고리의 구부림 내면 반지름은
이상으로 하여야 한다.
- D19 이상의 철근을 사용할 때, 표준갈고리 구부림 내면 반지름은 위의 표에 따라야 한다.
1.8 철근 상세
KAIST Concrete Lab.
1. Design General
1.8.2 철근의 배치
간격 제한
- 동일 평면에서 평행한 철근 사이의 수평 순간격은 25mm 이상 또한 철근의 공칭지름 이상
- 2단 이상으로 배치된 철근은 동일 연직면 내에 배치 되어야 하고, 순간격은 25mm 이상
- 나선철근과 띠철근 기둥에서 축방향 철근의 순간격은 40mm 이상,
또한 철근 공칭지름의 1.5배 이상
- 벽체 또는 슬래브에서 휨 주철근의 간격은 벽체나 슬래브 두께의 3배 이하, 또한 450mm 이하
1.8.3 피복두께
피복두께 확보 이유
- 철근 부식 방지, 내화성 확보
KAIST Concrete Lab.
1.8 철근 상세
1. Design General
1.8.3 피복두께
현장치기 콘크리트
수중에서 치는 콘크리트
100 mm
흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트
80 mm
흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출
D29 이상의 철근
60 mm
D25 이하의 철근
50 mm
D16 이하의 철근
40 mm
D35 초과
40 mm
D35 이하
20 mm
슬래브, 벽체, 장선
옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트
보, 기둥
40 mm
쉘, 절판부재
20 mm
KAIST Concrete Lab.
1.8 철근 상세
1. Design General
1.8.3 피복두께
특수 환경에 노출되는 콘크리트
- 고내구성이 요구되는 구조체의 경우
- 해안에서 250m 이내에 위치하는 구조체로서 추가의 표면처리 공사를 수행하지 않고
직접 외부에 노출되어 염해를 받는 경우
- 유수 등에 의한 심한 침식 또는 화학작용을 받는 경우
D16 이하의 철근을 사용한 벽체, 슬래브
50mm
이외의 모든 부재
80mm
벽체, 슬래브
40mm
기타 부재
50mm
현장치기 콘크리트
프리캐스트 콘크리트
KAIST Concrete Lab.
1.8 철근 상세
1. Design General
1.8.4 수축ㆍ온도철근
- 건조수축 및 온도변화로 인한 균열을 최소화하고, 구조물을 설계할 때 가정한 구조거동을
발휘할 수 있으며, 구조물을 일체화하기 위하여 주철근에 직각방향으로 철근을 배치
1방향 철근콘크리트 슬래브
- 수축ㆍ온도철근으로 배치되는 이형철근의 최소 철근비는 0.0014
설계기준항복강도가 400MPa 이하인 이형 철근을
사용한 슬래브
0.0020
0.0035의 항복변형률에서 측정한 철근의
설계기준항복강도가 400MPa을 초과한 슬래브
- 위에서 요구되는 수축ㆍ온도철근비에 전체 콘크리트 단면적을 곱하여 계산한
수축ㆍ온도철근 단면적을 단위 m당 1,800mm2 보다 크게 취할 필요는 없다.
- 수축ㆍ온도철근의 간격은 슬래브 두께의 5배 이하, 또한 450mm 이하