KAIST Concrete Lab 철근콘크리트 구조 설계 김진근 교수 건설 및 환경공학과 KAIST 2012 가을학기

KAIST Concrete Lab Structure Design of SRC Concrete Prof. Kim Jin-Keun ECC KAIST 2012 Fall

KAIST Concrete Lab 철근콘크리트 구조 설계 1. 설계 일반 2. 보 부재 설계 3. 기둥 부재 설계 4. 슬래브 설계 5. 기초판 설계 6. 기타 부재 설계 (Structure Design of SRC Concrete) 1. General 2. Beam Design 3. Column Design 4. Slab Design 5. Foundation Design 6. Etc.

KAIST Concrete Lab 1. 일반 설계(General Design) 1.1 설계의 의미(Meaning of Design) 1.2 철근콘크리트 구조 설계(Structural Design of RC) 1.3 하중계수와 강도감소계수 (Load factor and Strength Reduction Factor) 1.4 재료(Materials) 1.5 구조 해석(Structural Analysis) 1.6 사용성과 내구성(Serviceability and Durability) 1.7 철근 상세(Reinforcement)

KAIST Concrete Lab. 1.1 설계의 의미 1. 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) 설계의 의미(Meaning of Design)

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 허용응력 설계법 (Working Stress Design Method) ( 극한 ) 강도 설계법 ((Ultimate) Strength Design Method) 한계상태 설계법 (Limit State Design Method) 설계 방법 (method of design) 구조 해석 (structural analysis) 부재 / 단면 설계 (design of size) 허용응력 설계법(WSD) (극한)강도 설계법(USD) 한계상태 설계법(LSD) 선형 / 탄성 비선형 / 비탄성 선형 / 탄성 비선형 / 비탄성 성능중심 설계법 (Performance Based Design) 1. General 설계 방법(Method of Design) 설계법의 발전 과정 ※ 선형 (linear), 비선형 (Nonlinear), 탄성 (elasticity), 비탄성 (Unelasticity) Develop of Design method

KAIST Concrete Lab. ACI Code (U.S.A.) : 강도 설계법(USD)이 원칙 (허용응력 설계법(WSD), 한계상태 설계법(LSD) 부분적으로 인정) “콘크리트구조설계기준”(Korea) : 강도 설계법(USD)이 원칙 (허용응력 설계법(WSD), 한계상태 설계법(LSD) 부분적으로 인정) Eurocode 2, CEB-FIP Model Code : 한계상태 설계법(WSD) Asian Concrete Model Code : 한계상태 설계법(WSD) 각국의 설계기준 1.2 철근콘크리트 구조설계법 1. General

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 1. General 의미 - 철근 콘크리트를 탄성체로 보고 탄성이론에 의해 구한 콘크리트의 응력 및 철근의 응력 가 각각 그 허용응력 및 를 넘지 않도록 설계하는 방법. 즉, 허용응력 설계법 (WSD) 허용응력 설계법(WSD) 여기서, : 콘크리트의 허용 휨 압축응력 : 철근의 허용 인장응력 : 콘크리트의 설계기준강도 : 철근의 항복강도 : 콘크리트 응력의 안전율 : 철근응력의 안전율

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 1. General 콘크리트의 허용응력 허용응력 설계법 (WSD) 허용응력 설계법(WSD) 응 력 부재 또는 조건허용응력(MPa) 휨압축휨부재 전단 보, 1방향 슬래브, 확대기초 전단철근 없이 콘크리트가 부담하는 전단응력( ) 콘크리트와 전단철근이 부담하는 전단응력 2방향 슬래브, 확대기초콘크리트가 부담하는 전단응력 지압 전 단면에 재하될 때 부분적으로 재하될 때 휨인장무근의 확대기초와 벽체

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 1. General 철근의 허용응력 허용응력 설계법 (WSD) 허용응력 설계법(WSD) 철근의 종류 또는 조건허용응력 (MPa) SD 300 ( )150 SD 350 ( )175 SD 400 ( )180 경간 4m 미만의 1방향 슬래브에 배근된 지름 10mm 이하의 휨 철근 탄성계수비 의 값

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 - 구조물이 사용연한 동안 파괴나 다른 손상 없이 모든 하중에 대해 충분한 여유를 가질 수 있도록 부재 치수와 철근량을 결정 1. General 강도 설계법 (USD) 강도 설계법(USD) 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. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 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 1.0 하 중 계 수 Dead Load Live Load 공 칭 강 도(M n ) General 강도 설계법 (USD)

KAIST Concrete Lab. 1.2 철근콘크리트 구조설계법 사용성 검토 - 처짐 - 균열폭 - 피로 내구성 검토 - 철근 부식 1. General 강도 설계법 (USD)

KAIST Concrete Lab. 1.3 하중계수와 강도감소계수 고정 하중 (D ) 활하중 (L ) 지붕활하중 (L r ) 지진하중 (E ) 유체압 (F ) 지하수 및 토압 (H, H v, H h ) 강우하중 (R ) 적설 하중 (S ) 풍하중 (W ) 온도하중, 건조수축, 크리프 등 (T ) 작용 하중의 종류 1. General

KAIST Concrete Lab. 하중계수 (Load factor) - 작용하중의 불확실성의 크기를 고려하여 정해진 계수 - 실제로는 하중조합을 고려 기본하중 (1) (2) 풍하중 (3) (4) (5) 지진하중 (6) (7) 유체압 (8) 또, 식 (1)과 식 (2) 토압 식 (1), 식 (2), 식 (5), 식 (7), 식 (8) 침하, 크리프, 건조수축 또는 온도변화의 영향 식 (2), 식(8) 1. General 1.3 하중계수와 강도감소계수 2012 개정내용

KAIST Concrete Lab. 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) 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) General 1.3 하중계수와 강도감소계수

KAIST Concrete Lab 콘크리트 1.4 재료 시멘트 + 골재 + 물 + 혼화재료(혼화제, 혼화재) 양생 - 수중양생, 습윤양생, 증기양생… 압축강도 시험 - ф150×300 (mm) ⇒ - ф100×200 (mm) ⇒ 콘크리트 배합강도, 콘크리트 설계기준압축강도, 콘크리트 압축강도 - 탄성계수 - - (크리프) 1. General 여기서, : 재령 28일에서 콘크리트의 평균 압축강도 (MPa) = 적절히 고려 2012 개정내용

KAIST Concrete Lab 강재 설계기준항복강도 - 탄성계수 - 1. General 이형철근 프리스트레싱 강재 1.4 재료 철근의 설계기준항복강도 제한 규정 (콘크리트구조설계기준 > 2012) 휨부재의 주철근550MPa600MPa 휨부재의 전단철근400MPa500MPa 기둥의 주철근550MPa600MPa 기둥의 횡방향 철근 (나선형철근)700MPa 기둥의 횡방향철근 (띠철근)400MPa500MPa (철근) (긴장재) (형강) 개정내용

KAIST Concrete Lab 콘크리트 품질 콘크리트 품질 배합강도 - - 설계 기준에 따르기 위한 콘크리트 강도의 품질 기준 설정 - 1. General 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 1.4 재료 Max

KAIST Concrete Lab 해석방법 1.5 구조해석 1. General 근사해법 - 탄성이론에 의해 결정된 최대 단면력에 대하여 설계 - 프리스트레스트 콘크리트를 제외하고 일반적인 구조 형태, 경간 및 층고를 갖는 건물에 대해 계수등분포하중과 순경간에 대한 휨모멘트, 전단력을 근사해석

KAIST Concrete Lab 부모멘트 재분배 1. General 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 가 이상인 경우에만 가능하다. 1.5 구조해석

KAIST Concrete Lab 활하중의 배치 1. General 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 1.5 구조해석

KAIST Concrete Lab T형보 1. General 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 (,, 슬래브의 내측거리/2 + ) 1.5 구조해석 T형보반 T형보

KAIST Concrete Lab. 1. General 플랜지 두께 / 유효폭 - 독립 T형보의 압축을 받을 수 있는 플랜지 두께 ≥ - 독립 T형보의 플랜지 유효폭 ≤ 이하 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 T형보 1.5 구조해석

KAIST Concrete Lab 기타사항 1. General 강 성 - 가정된 강성은 일관되게 사용 - 헌치(haunch)의 영향을 고려 헌 치 경 간 - 중심간 거리 받침부와 일체로 되지 않은 경우 - 중심간 거리 - 설계용 휨모멘트는 받침부 전면의 값 골조 또는 연속구조물 - 지지보의 폭을 무시하고 순경간을 경간으로 하는 연속보로 해석 3m 이하의 순경간을 갖는 슬래브 1.5 구조해석

KAIST Concrete Lab 기타 사항 1. General 기 둥 - 모든 바닥판 또는 지붕에 작용하는 계수하중에 의해 기둥에 전달된 힘 최대 축력 최대 휨모멘트 - 내ㆍ외부 기둥의 불균형 바닥판 하중과 기타 편심하중에 의한 영향 고려 편심하중 - 기둥에 인접한 바닥판 또는 지붕의 한쪽 경간에 작용하는 계수하중에 의한 휨모멘트 - 축력에 대한 휨모멘트의 비가 최대인 경우 고려 연직하중에 대하여 해석할 때 기둥의 먼 단부는 고정되어 있다고 가정 기둥으로 전달되는 휨모멘트는 상ㆍ하부 기둥 강성에 따라 분배 1.5 구조해석

KAIST Concrete Lab 균 열 1.6 사용성과 내구성 1. General 균 열 - 건조환경, 습윤환경, 부식성환경, 고부식성환경 환경조건의 분류 - 구조물의 사용성, 내구성 및 미관 등 사용목적에 손상을 주지 않도록 제한 - 콘크리트 균열폭을 허용균열폭 이하로 제어하는 것을 원칙 허용 균열폭 강재의 종류 환 경 조 건 건조환경습윤환경부식성환경고부식성환경 철근 Max (0.4mm, 0.006t c ) Max (0.3mm, 0.005t c ) Max (0.3mm, 0.004t c ) Max (0.3mm, t c ) 프리스트레싱 긴장재 Max (0.2mm, 0.005t c ) Max (0.2mm, 0.004t c ) -- ※ t c = 최외단 주철근과 콘크리트 표면 사이의 콘크리트 최소 피복두께 (mm) c 2012 개정내용

KAIST Concrete Lab 처 짐 1. General 처 짐 처짐 검토를 하지 않아도 되는 최소 두께 부 재 최소 두께, 단순 지지1단 연속양단 연속캔틸레버 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 1.6 사용성과 내구성

KAIST Concrete Lab 처 짐 1. General 처 짐 내부에 보가 없는 슬래브의 최소 두께 1.6 사용성과 내구성 2012 개정내용

KAIST Concrete Lab 처 짐 1. General 처 짐 최대 허용 처짐 1.6 사용성과 내구성 부재의 형태고려해야 할 처짐처짐한계 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 전체 처짐 중에서 비구조 요소가 부착된 후에 발생하는 처짐 부분 (모든 지속하중에 의한 장기처짐과 추가적인 활하중에 의한 순간처짐의 합) 과도한 처짐에 의해 손상될 염려가 없는 비구조 요소를 지지 또는 부착한 지붕 또는 바닥구조

KAIST Concrete Lab 처 짐 1. General 처 짐 순간처짐 - 유효단면2차모멘트를 이용하여 계산 - 여기서, 장기처짐 = 순간처짐×장기처짐계수 - 장기처짐계수 - 여기서, = 압축철근비 = 시간경과계수 (크리프의 영향) 5년 이상12개월6개월3개월 전체처짐 = 순간처짐 × (1+ ) 1.6 사용성과 내구성

KAIST Concrete Lab 슬래브 1. General 슬래브 분류 1방향 슬래브 / 2방향 슬래브 - 보의 길이에 따라 : 2방향 : 1방향 - 보의 강성에 따라 : 2방향 : 1방향 1.6 사용성과 내구성

KAIST Concrete Lab 슬래브 1. General 슬래브 분류 플랫 플레이트 (flat plate) 플랫 슬래브 (flat slab) - 지판 (drop panel) - 기둥머리 (column capital) 1.6 사용성과 내구성

KAIST Concrete Lab 피 로 1. General 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 위치응력범위 (MPa) 이형철근 SD SD SD 긴 장 재 연결부 또는 정착부140 기타부위 사용성과 내구성 정의 - 최대 인장응력 이하 수준의 주기적인 하중을 받을 때 일어나는 재료파괴의 일반적인 현상

KAIST Concrete Lab 내구성 1. General - 염해 - 중성화 - 동결 융해 중성화 철근 부식철근 부피 팽창피복 콘크리트 박리 pH 부식률 Ca(OH) 2 +CO 2 +H 2 O → CaCO 3 +H 2 O (중성화) - 콘크리트 pH를 약 8.5~10 정도로 감소시킴 철근 부식, 철근의 부피 팽창 균열 발생, 피복콘크리트 박리, 철근 단면적 감소 - 공기중의 탄산가스에 의해 수화반응시 발생된 수산화 칼슘이 탄산칼슘으로 변화하여 고유의 알칼리성을 상실하게 되는 현상 1.6 사용성과 내구성 구조물 안전성 위험

KAIST Concrete Lab 내구성 1. General 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) 1.6 사용성과 내구성 철근 부식 방지를 위한 최대 수용성 염소이온 비율 부재의 종류 콘크리트 속의 최대 수용성 염소이온(Cl - ), 시멘트의 질량에 대한 비 (%) 프리스트레스트 콘크리트0.06 염화물에 노출된 철근콘크리트0.15 건조상태이거나 또는 습기로부터 차단된 철근콘크리트1.00 기타 철근콘크리트0.30

KAIST Concrete Lab 내구성 1. General 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) 1.6 사용성과 내구성 동해 저항 콘크리트에 대한 전체 공기량 굵은골재의 최대 치수 (mm) 공기량 (%) 심한 노출보통 노출 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. F2, F3 F 개정내용

KAIST Concrete Lab 표준 갈고리 1.7 철근 상세 1. General 일반 철근 - 180°표준 갈고리 - 90°표준 갈고리 스터럽ㆍ띠철근 - 135°표준 갈고리 - 90°표준 갈고리 표준 갈고리 정착길이 비교 ※ ⇒ 정착길이 감소

KAIST Concrete Lab 표준 갈고리 1.7 철근 상세 1. General 구부림의 최소 내면 반지름 180 °, 90 ° 표준갈고리의 구부림 최소 내면 반지름 철근 크기최소 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.

KAIST Concrete Lab 철근의 배치 1. General 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 피복두께 피복두께 확보 이유 - 철근 부식 방지, 내화성 확보 1.7 철근 상세

KAIST Concrete Lab 피복두께 1. General 현장치기 콘크리트 수중에서 치는 콘크리트100 mm 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트80 mm 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출 D29 이상의 철근60 mm D25 이하의 철근50 mm D16 이하의 철근40 mm 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트 슬래브, 벽체, 장선 D35 초과40 mm D35 이하20 mm 보, 기둥40 mm 쉘, 절판부재20 mm 1.7 철근 상세

KAIST Concrete Lab 피복두께 1. General 특수 환경에 노출되는 콘크리트 1.7 철근 상세 - 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 현장치기 콘크리트 D16 이하의 철근을 사용한 벽체, 슬래브50mm 이외의 모든 부재80mm 프리캐스트 콘크리트 벽체, 슬래브40mm 기타 부재50mm

KAIST Concrete Lab 수축ㆍ온도철근 1. General 1방향 철근콘크리트 슬래브 1.7 철근 상세 - 건조수축 및 온도변화로 인한 균열을 최소화하고, 구조물을 설계할 때 가정한 구조거동을 발휘할 수 있으며, 구조물을 일체화하기 위하여 주철근에 직각방향으로 철근을 배치 - 수축ㆍ온도철근으로 배치되는 이형철근의 최소 철근비는 설계기준항복강도가 400MPa 이하인 이형 철근을 사용한 슬래브 의 항복변형률에서 측정한 철근의 설계기준항복강도가 400MPa을 초과한 슬래브 - 위에서 요구되는 수축ㆍ온도철근비에 전체 콘크리트 단면적을 곱하여 계산한 수축ㆍ온도철근 단면적을 단위 m당 1,800mm 2 보다 크게 취할 필요는 없다. - 수축ㆍ온도철근의 간격은 슬래브 두께의 5배 이하, 또한 450mm 이하