[토목자료] 철근콘크리트의 설계방법 및 비교

항상 헷갈리는 부분이 철근콘크리트 설계 방법에 대한 확실한 내용과 비교 내용이다. 간단히 정리를 해 보고, 이에 대한 이해를 구해본다. 

허용응력 설계법

응력 분포를 편의상 압축 측에서 3각형으로 가정하고 인장 측 콘크리트의 응력을 무시하며 전 인장력은 인장 철근만으로 부담하는 탄성 이론에 의하여 계산하는 방법

1) 탄성 이론의 성립 조건

  (1) 베르누이의 가정 : 보축에 직각인 단면을 휨을 받아 변형된 후에도 평면 유지

  (2) Hooke의 법칙 : 응력과 변형도의 정비례

  (3) 나비에의 가정 : 단면 내의 임의점의 응력은 중립 축으로부터 거리에 비례

2) WSD의 기본 가정

  (1) 변형은 중립 축으로부터 거리에 비례

  (2) 콘크리트의 탄성계수는 정수이다.

  (3) 콘크리트의 휨 인장 응력은 무시

강도 설계법

1) USD의 기본 가정

 (1) 변형률은 중립 축으로부터 거리에 비례

 (2) 압축 측 연단 콘크리트의 최대 변형률은 0.003으로 가정

 (3) 철근 응력은 항복강도 이하에서는 변형율 Es배로 하고 항복강도 이상에서는 σy와 같다고 가정

 (4) 콘크리트의 인장강도는 휨 계산에서 무시

 (5) 콘크리트 압력분포 0.85 fck의 압축 응력이 a=k1xc까지 등가 직사각형 응력 분포로 생각해도 좋다.

2) 강도 감소 계수

설계 계산 시의 불확실량과 부재의 다양한 형식에 대한 상대적 중요도, 재료 실강도 및 실단 면 치수와 제작 시공 기술 등에 관련된 다소의 불리한 오차들이 개별적으로 허용한계 내에 있더라도 총체적으로 결합 시 부재의 강도 감소를 초래할 가능성에 대비한 보다 작은 안전계수를 부재 공칭 강도에 곱해준다. 

3) 설계 방법

강도 감소 계수는 설계강도 이하로 되는 일이 1/100의 정도의 확률, 하중계수는 초과하중이 실리는 하중이 1/1000 확률

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한계상태 설계법

1) 설계의 기본개념

구조물 또는 부재가 파괴 또는 파괴에 가까운 상태로 되어 그 기능을 완전히 상실한 상태를 극한 한계상태(Ultimate Limit State)라 한다. 또한 처짐, 균열, 진동이 과대해서 정상적인 사용상태의 필요조건을 만족하지 않게 된 상태를 사용 한계상태(Serviceability Limit State)라 한다. 한계상태 설계법은 이런 한계상태로 되는 확률을 구조물의 모든 부재에 대해 일정한 값이 되도록 하는데 목적을 두고 있다. 

각 설계법의 비교

1) 허용응력 설계법

- 부재의 강도를 알기 어렵다.

- 파괴에 대한 안전도를 일정하게 하기가 어렵다.

- 하중의 영향을 설계에 반영하기 어렵다.

2) 강도 설계법

- 파괴에 대한 안전도의 확보가 확실하다

- 하중계수에 의하여 하중의 특성을 설계에 반영함.

- 재료 특성을 설계에 합리적으로 반영하기 어렵다.

- 사용성의 확보를 위해서 별도의 검토를 해야 한다. 

3) 한계상태 설계법

- 하중과 재료에 부분 안전계수를 사용 이들 특성을 합리적으로 반영할 수 있다.

- 안전성은 극한 한계상태로, 사용성은 사용 한계상태를 검토함으로써 강도 설계법의 결점을 개선한 일보 전진된 설계법이다.