개요
출처 : 유튜브 하이구조_철근콘크리트 구조설계 목적 : 철근콘크리트의 이해와 새로운 내용 학습
내용
철근콘크리트 구조설계
- 가장 많이 사용하고 가장 오래 됨
- 거푸집을 짜고 철근을 배치하고 콘크리트를 부어서 완성
- 철근과 콘크리트의 궁합 : 내화성이 약하고 부식에 약한 철근을 콘크리트가 보호, 부착력이 좋고, 열팽창계수가 같다
- 압축에 강하고 인장에 약한 콘크리트를 철근이 보강
- UHPC 고강도 고성능 콘크리트 : 고가이지만 예술적으로 많이 사용될 것
- 저렴하다 → 앞으로 가격적인 경쟁보다 미적인 경쟁이 우선될 것이다.
콘크리트 설계 기준
- 허용응력설계법(WSD) : 사용하중
- 극한강도설계법(USD) : 계수하중, 재료의 소성고려, 사용성검토가 필요, 소요강도(하중효과×하중) ≤ 설계강도(강도감소계수×공칭강도)
- 재료의 비탄성거동을 고려 공통편(14)과 시설물편(41)이 겹치는 경우 시설물편을 중요시한다.
강구조 설계기준
- 허용응력설계법(ASD)
- 하중저항계수설계법(LRFD) (한계상태설계법) 같은 허용응력설계법인데 철자가 다른다. 번역의 문제
KDS 41 의 목적
설계, 시공 및 유지관리 단계에서 필요한 일반적이고 기본적인 요구사항을 규정 다른 사항에 대해서는 구조기술자의 판단이 필요함.
(LRFD = 한계상태설계법)과 같은 개념 (저항계수 = 강도감소계수) 동일한 개념 강구조설계법에서의 저항계수는 콘크리트설계법의 강도감소계수와 동일
하중계수
예상을 초과한 하중 및 구조해석의 단순화로 발생하는 초과요인을 고려하기 위함 하중조합에 따른 영향 고려 예측하기 어려운 경우 큰 하중계수 지진하중, 풍하중의 경우 방향성을 고려하여 양방향으로 계산 일반적으로 1.0이상, 1.0보다 작은 경우도 있음
하중조합
풍하중(500)과 지진하중(1000)은 극한하중을 사용하기 때문에 1.0을 사용 D, L은 사용하중이므로 1.0보다 큰 값을 사용 고정하중이 작은 경우 불리할 수 있다. 고정,활하중이 계수하중으로 작용할 때 풍하중(500)이 작용할 경우가 적다(0.5인 이유)
강도감소계수
재료강도 및 시공정도의 차이 , 치수의 변동에 의한 부재의 강도저하 해석방법의 부정확성 부재의 연성도과 소요진뢰도 부재의 중요도 구조요소의 파괴양상과 전체구조물에 미치는 영향에 의해 결정
사용성 설계
사용하중조합 사용 균열 : 철근 지름 작게 간격 좁게 하는 것이 유리, 균열검증하는 경우 안지켜도 됨 KDS 14 20 30 균열폭의 검증, 처짐 : 탄성처짐, 장기처짐 고려
- 휨부재의 최소두께 만족
- 장기처짐 효과를 고려한 처짐량의 최대허용처짐량 만족
피로 : 주로 교량 반복하중이 작용하는 구조물에 작용, 건축구조물에 주로 검토하지 않는 경우가 대부분, 보및 슬래브가 주로 검토, 휨모멘트 축인장력이 적은 기둥은 검토하지 않음 내구성 : 콘크리트 최소 설계기준압축강도를 결정함. 최소 27은 사용한다 30도 많이 사용하고 바닷가 근처에는 35도 사용한다. 최소 피복두께 적용 균열폭 허용값을 규정 유지관리 및 보수보강을 위해 균열에 대한 검토 및 안정성 평가는 책임구조기술자에 의한 안전진단과 보수보강 설계가 진행되야 한다.
철근콘크리트 구조설계 진행방법
구조계획 → 구조해석 → 구조설계
- 건축계획의 이해 (건축도면 파악)
- 수직, 수평부재 구조계획 : 기둥, 벽체, 슬래브
- 전체 구조시스템 계획
- 평,입,단면 구조계획
- 구조부재 재료 강도 형상 단면 계획
- 지하구조 구조계획
건축계획의 이해 : 건축도면 파악
도면을 따라 답사 : 코어, 실, 계단, 옥상조명 - 평면적 이해, 용도(하중), 슬래브 단차 FFL : 마감레벨 , SFL : 구조레벨 단면의 이해 : 층고, 천정고, 입면(커튼월, 석재마감) , 벽체종류(철콘, 경량, ALC, 조적)(전단벽, 내력벽, 비내력벽) 주변조건 : 도심지 (진동 소음 민원), 지반특성 (지내력, 지하수위, 지반조사보고서), 증축여부 건축주 및 발주처의 요구사항
수직부재구조계획 : 기둥, 내력벽, 전단벽
내력벽 : 중력하중 저항용 전단벽 : 중력 + 횡력저항 기둥위치 및 간격, 벽체의 위치 및 두께 검토 보 계획 및 보춤과 연관 : 보 하부로 설비가 지나가기 때문에 연속성 여부 : 기초부터 최상층까지 연속인지, 전이부재 및 경사부재 고려, 변단면인지 중력저항시스템, 횡력저항시스템 : 벽체의 양이 많을 수록 지진력 저항에 유리(가변성 불리), 편심의 최소화, 벽체계획 : 구조벽으로 쓸지 비구조벽(연속이 되지 않는 경우)으로 쓸 지 결정
수평부재 구조계획 : 보, 슬래브
기둥간격에 따라 계획 층고에 따른 계획 : 보춤은 가능한 유리(처짐,철근배근 감소) , 무량판, 포스트 텐션(PT)(보춤을 줄이는데 유리) 안전성, 경제성, 시공성, 예술성을 고려한 구조계획 보 웨브 오프닝 : H/3 정도 오픈 , 역보 보 배치계획 : 일방향 이방향, 철근콘크리트 바닥평면구조계획 참조, 휨 저항 구조시스템 참고 → 실링이 드러나면서 더 중요 무량판 구조검토 : 플랫슬래브(지판), 플랫플레이트슬래브
전체 구조시스템 계획 : RC, S ,SRC, 혼합 및 복합 구조 등
중력저항, 횡력저항 : 해당 동영상 참고 접합형식에 따른 계획 지반조건에 따른 계획 : 제한되는 구조시스템 시공방법에 따른 계획 : 역타공법
평입단면 구조계획
구조평면도 계획 입면 단면 : 경사기둥 및 벽체 보 기둥 벽체의 형상 및 크기
구조부재의 재료, 강도, 형상 및 가정단면 계획
재료강도 계획 : 내구성 강도 및 강성에 따른 부재계획 접합 및 각종 디자인 상세 계획
지하구조물 구조계획
기초, 지하외벽 및 버트레스 구조계획 : 매트, 파일 등 지하외벽 두께, 버트레스 계획 지반조사보고서의 지하수위에 따른 양압력 고려 지하수 대책 강구 : 강제배수방식, 영구앵커방식, 내수압슬래브 검토
구조해석
하중 → 하중조합 → 단면력 모멘트 재분배에 의해 수정되는 경우 이외에는 탄성이론에 의해 결정된 최대단면력에 대해 설계한다. 프리스트레스 구조물을 제외하고 일반적인 경우 근사해법을 사용하여 해석가능
연속 휨부재의 모멘트 재분배
근사해법 적용시 불가 부모멘트는 20%이내에서 증가 또는 감소 정적평형 유지 최외단 인장철근의 변형률이 0.0075 이상이어야 가능
탄성계수
보통중량골재를 자용한 콘크리트 Ec Fcm : 평균압축강도 Ec : 200000MPa 철근의 탄성계수
유효강성
사용하중에 의한 횡변위 산정시 사용 균열단면 비균열단면 사용하중에 의한 횡변위 산정 시 : 탄성2차해석 × 1.43, 부재의 강성저하고려 설계하중에 의한 횡변위 산정 시 : 탄정2차해석 → 유효강성은 횡변위 산정 시 필요하다, T형보를 고려한다면 강성저하를 할 필요는 없다(플랫플레이트 제외) 균열 벽체와 비균열 벽체의 구분 : 초고층 건물이 아니면 균열단면이 될 가능성이 낮다.
강성
휨강성과 비틀림강성을 구할 때 어떠한 합리적 가정도 사용할 수 있다. 해석과정을 통하여 일관성이 있어야 한ㄷ. 헌치의 영향을 구해야 한다. 중력저항에 대해 할 때 강성조정을 하지 않는것이 좋고 지진하중에 대한 설계 시 강성조정을 할 수 밖에 없다.
전체 구조시스템 계획
건물골조시스템 : 모든 지진하중을 전단벽이 다 받아야햔다 → 기둥의 휨강성을 0으로 만들어서 설계 → 강성조정은 필수적이다 이중골조시스템
경간
경간은 받침부 중심간 거리 보의 경우 받침부 전면의 휨모멘트로 설계한다. 받침부와 일체도 된 3m 이하의 순경간을 갖는 슬래브는 지지보의 폭을 무시하고 순경간을 경간으로 하는 연속보로 해석할 수 있다.
기둥
축력은 계수하중에 의해 전달되는 힘 사용 최대 휨모멘트는 계수하중에 의한 휨모멘트를 사용 축력에 대한 휨모멘트의 비가 최대가 되는 재하조건도 고려하여야 한다. : 내외부 기둥의 불균형 바닥판 하중과 기타 편심하중에 의한 영향을 고려하여야 한다. 연직하중에 의한 휨모멘트를 계산 할 때 구조물과 일체로 된 기둥의 먼 단부는 고정으로 가정할 수 있다. 바닥판에서 기둥으로 전달되는 휘몸멘트는 기둥의 상대강성과 구속조건에 따라 기둥에 분배 : 역학 원리
활하중의 배치
최대정모멘트 : 한경간씩 건너 만재 최대부모멘트 : 인접경간만 활하중 활하중이 많이 클 때 고려해주자 : 토목의 경우 건축구조물은 잘 적용하고 있지 않다. 기준에서 꼭 하라고 나와있지는 않다.
T형보의 유효폭, 구조해석
한쪽에만 있는 경우 다름 독립 T형보 : PC
구조해석 모델링
구조해석은 최대 단면력을 계산하는 것 : Gen , ADS , SDS
- 기둥 보 벽체 생성 : 면내방향고려/멤브레인요소 ← 일반적 , 면외방향고려/플레이트요소
- 지점조건 입력 : 구조물의 지점 ← 동영상 참고, 회전단으로 하면 기초 경제적 설계, 상부구조에 힘, 변위가 가서 상부구조가 더 안전하게, 기둥 철근이 기초에 정착할 때 유리(기초를 회전으로 볼 수 있을 때만, 지중보가 있거나 두꺼운 매트인경우 고정단으로 설계해야한다)
- 경계조건 : 같이 타설하기 때문에 구속력이 작용할 수 밖에 없다. 외곽 테두리보에 비틀림을 해제하기 위해 외단부 핀을 푼다
- 중력방향 설계하중 재하 : 고정, 활, 지붕활하중, 설하중
- 수평방향 설계하중 재하 : 풍, 지진, 지하수압, 토압, 입자형 재료의 횡사중
- 지하구조물 내진설계 재하 : 정적토압, 지진토압
구조설계
구조해석을 통해 계산한 단면력으로 부재설계 기둥 : 축 모멘트 전단력 보 : 휨, 전단 벽체 : 축, 모멘트 , 전단력 슬래브 : 일방향(모멘트계수법), 양방향(순간 및 장기처짐 검토), 유한요소해석(무량판, 2변지지, 3변지지) 옹벽 : retaining wall RW 기초 : SDS 기타 : 계단 브래킷, 버트레스
건축물의 설계하중 : 수직하중
설계하중의 종류
구조물의 설계하중 ← 유튜브 참조 고정하중 활하중 지붕활하중 : 점유 및 사용하지 않는 지붕, 경량지붕 설하중
고정하중
자중 + 생애주기 중 지속적으로 작용하는 수직하중 테라조타일 단위체적중량 : 20kN/m3 방수층 0.1 kN/m2
조적벽체하중
중량 19 (벽돌자중) × 0.09 (0.5B 폭) + 0.9 (몰탈 40mm) = 2.61kN/m2 중량 19 (벽돌자중) × 0.19 (1.0B 폭) + 1.0 (몰탈 50mm) = 4.61kN/m2 중량 19 (벽돌자중) × 0.28 (1.5B 폭) + 1.0 (몰탈 50mm) = 6.32kN/m2
시멘트블록
4인치 1.35kN/m2 10kgf/개 6인치 1.89kN/m2 14kgf/개 8인치 2.43kN/m2 18kgf/개 상기 시멘트 블록을 보강블럭조로 사용하는 경우, 충진되는 추가하중을 고려해야 함.
흙의 무게와 칸막이벽 무게를 고정하중으로 적용시킴 토목에서는 활하중으로 적용시킴
활하중
일반적으로 구조물의 사용 및 점용에 의해 발생하는 하중 사람, 가구, 이동칸막이벽, 창고의 저장물, 설비기계, 차량의 중량 영구설비같은 경우 고정하중으로 취급 규정되어 있지 않은 경우 합리적인 방법으로 활하중을 산정하며 근거를 명시해야 한다(ASCE, Eurocode, Bs code 참조)
기본등분포활하중
- 최소값이다
- 진동, 충격이 있는 경우 크기를 증가시킨다
- 경량칸막이벽이 설치될 가능성이 있는 경우 +1kN/m2
기본집중활하중
- 철근콘크리트에서는 크게 문제가 되지 않는다.
활하중의 저감 부하면적과 영향면적 구분 (부하면적 < 영향면적) 제한사항
지붕활하중의 저감 영향면적이 아닌 부하면적을 적용 + 물매에 따라 저감
중량차량활하중 180kN을 초과하는 중량차량 : 소방차 (약 300kN) 단기나 중기하중으로 검토한다 슬래브에는 1.8×1.8 만큼 분산 만약에 흙위라면 더 넓은 면적에 분산
기본지상설하중 재현주기 100년 설하중과 지붕활하중의 하중조합 1.6L + 0.5S / 1.6S + 1.0L : 동시에 크게올 경우는 없
철근콘크리트 내구성 설계
사용성 및 내구성설계도 검토 노출범주에 따라 최소 압축강도 결정 철근 부식 위험이 높은 경우 최소피복두께 적용 내구성을 고려한 균열폭 허용값 규정
노출범주 : 콘크리트 탄상화 EC
강알칼리성 콘크리트가 CO2와 반응하여 중성화되고 철근부식에 대한 보호성능이 사라지는 현상
해양환경, 제빙화학제 등 염화물 ES
황산염 ea
지하외벽과 기초
가이드라인 QnA
콘크리트 강도 30이면 수명 100년 콘크리트 강도 27이면 수명 65년 흙에 묻히는 부분은 EC2로 나와있는데 황산화로 하면 27 적용필요 건물내부는 21,24를 적용할 수 있지만 분리타설이 어려워서 높아진다 무근콘크리트도 외기에 도축되기 때문에 강도가 높아진다 수직면 EF1 24 수평면 EF3(EF1) 30(24)
특수환경에 노출되는 콘크리트의 피복두께
염화물에 노출되어 철근 또는 긴장재의 부식이 우려되는 경우 피복두께를 확보 한다. 별도의 부식방지대책을 적용하는 경우
PC : 프리캐스트콘크리트 PSC : 프리스트레스콘크리트 건축구조물에서는 마감이 있기 때문에 ES 의 적용을 하는 경우가 적다
콘크리트 강도 50이상인경우 폭렬현상에 대응하기 위해 내부섬유를 보강한다.
UHPC 강도 150 이상 외관이 수려하고 철근을 안 넣을 수도 있다.
철근콘크리트 풍하중 설계
- 풍하중의 크기
- 풍하중의 종류
- 풍하중의 방향
- 풍하중의 설계변수
- 특별풍하중
- 풍동실험
1. 풍하중의 크기
태풍 : 중심부 최대풍속이 17m/s 이상인 열대저기압 최대풍속 : 10분간 평균풍속 중 최대값 최대순간풍속 : 3초동안 수신한 풍속자료 중 최대값 ex) 한반도 기준 가장강한 태풍 매미 : 최대풍속 54, 최대순간풍속 75
기본풍속 V0 지표면조도구분 C인 경우 높이 10m에서 10분간 평균풍속의 재현기간 500년에 대한 값이며 극한풍하중이다. 이전에는 사용하중(재현주기 100년)이었다. 하중계수가 1.3에서 1로 변함 - 2022 최대순간풍속은 기본분속의 1.43, 1.46배
풍하중의 재현기간 건축물의 사용기간 중 한번 발생할지도 모르는 드문 빈도의 강풍 (500년)에 대해 구조안전성을 확보하고 빈도가 높은 강풍 50년 또는 1년에 대해서 기능성, 사용성, 거주성을 확보한다.
사용성 평가기준 - 수평변위 재현기간 50년 풍속으로 최대 수평변위로 인해 구조물이 손상을 입지 않도록 한다.
사용성 평가기준 - 응답가속도 재현기간 1년의 풍속을 사용하여 풍방향진동 및 풍직각방향 최대응답가속도를 검토. 거주자의 불쾌감
2. 풍하중의 종류
주골조설계용 수평풍하중, 주골조설계용 지붕풍하중, 외장재설계용 풍하중 일반풍하중은 등가정적의 개념에 근간을 둔 하중으로 구조물의 탄성적 거동을 전제로 확률•통계 및 공학적 방법에 의해 정량화함. 가스트영향계수 : 동적영향 고려 외압 및 내압계수 : 구조물의 형태 고려
3. 풍하중의 방향
풍압의 벡터합으로 함. 지붕의 평균높이에서의 속도압을 기준으로 산정 풍방향풍하중WD 풍직각방향풍하중WL : 세장하고 유연한 건축물, 와류 비틀림풍하중WT : 세장하고 유연한 건축물
4. 풍하중의 설계변수
외압계수 : 건축물 외피의 임의 수압면에 가해지는 평균풍압과 기준높이에서의 속도압의 비 내압계수 : 건축물 외벽의 틈새나 개구부를 통하여 공기가 건축물 내부로 유입되어 발생하는 내부압력의 정도를 나타내는 계수, 부분개방형 건축물에 고려 초고층건축구조물 : 50층 이상 200미터 이상 1.05 풍속고도분포계수 : 풍속은 지표면가까이에는 감소하고 상공으로 갈수록 증가함 이러한 영향을 반영하기 위해 풍속고도분포계수를 반영
가스트영향계수 구조물의 동적거동성분을 나타내는 것. 평균변위에 대한 최대변위의 비를 통계적인 값으로 나타낸 계수 유연건축구조물, 강체건축구조물, 래티스형탑상건축구조물로 구분 강체 : 바람과 구조물의 상호효과를 고려하지 않음 유연 : 바람과 구조물의 상호작용을 고려 유연보다 강체구조물의 가스트영향계수가 큰 경우가 많다.
5. 특별풍하중
- 풍진동의 영향을 고려해야 할 건축구조물 : 형상비3이상이면서 유연한 건축구조물
- 특수한 지붕골조
- 골바람효과가 발생하는 건설지점
- 인접효과가 우려되는
6. 풍동실험
특별풍하중에 해당되나 평면형상이 사각형이고 높이방향으로 일정한 구조물이면서 인접건물이 없는 경우 기준에 따라 풍하중 산정 가능함 고층건물의 경우 풍동실험을 하면 풍하중이 작아진다.
빌당풍에 대한 풍환경의 검토
건축물의 구조계획
- 건축구조계획이란?
- 건축구조계획의 목표
- 건축구조계획은 누가하는가?
건축구조계획이란?
기획설계 → 계획설계 → 기본설계 → 실시설계 일반적으로 계획설계와 기본설계를 구조계획이라고 함