철근 콘크리트 보의 휨 설계 1 기본 핵심 이론 (환산 단면, 설계법, 하중계수, 균형보, 균형 철근비, 등)

본문내용

시 안전을 고려하여, 공칭강도에 강도 감소 계수 를 곱해준 강도
(3) 소요강도, 계수강도
주어진 하중을 견디기 위해 필요한 강도 = 극한 강도
기준 하중에 하중 증가 계수를 곱한 극한 하중을 사용해서 계산한 강도
5.2 강도의 관계



5.3 안전규정
허용응력설계법: 재료가 실제로 발휘하는 극한응력보다 작은 허용응력의 규정을 두어 안전을 확보한다.
강도설계법: 극한강도에 기초를 둔 설계법이므로 별도의 안전 규정을 둔다.
강도- 부재의 종류에 따라 감소시킴 (강도감소계수 사용)
하중- 하중조합상태에 따라 증가시킴 (하중계수 사용)
(1) 강도감소계수
설계시 공칭강도를 그대로 인정하면 위험하므로 부재의 결함을 예상하여 강도감소계수 를 곱하여 설계 강도라고 한다. 따라서 다음과 같은 관계가 성립된다.
또는,
강도감소계수는 부재나 하중의 종류에 따라 표 와 같이 정해져 있다.
[표] 강도 감소 계수 의 값
부재 또는 하중의 종류
강도감소계수
휨부재, 휨과 축방향 인장을 겸해 받는 부재(주로 보의 경우) (RC부재와 PSC부재에 같이 적용)
0.85
축방향 인장 부재
0.85
전단, 비틀림, bracket와 corbel의 전단
0.80
축방향 압축 부재, 축방향 압축과 휨을 겸해 받는 부재(주로 기둥)
나선 철근 부재
0.75
기타의 부재(띠철근 등)
0.70
콘크리트 지압
0.70
무근 콘크리트
0.65
(2) 하중계수 (하중증가계수)
설계시 사용하는 설계 하중은, 예상되는 초과하중을 고려하여 기준하중에 하중(증가)계수를 곱해서 사용한다. 이 하중을 계수(극한)하중이라고 한다.
설계하중
- 기준하중 = 사용하중 = 작용하중 = 실(제)하중 허용응력설계법에서 사용
- 계수(극한)하중 = 기준하중에 하중(증가)계수를 곱한 하중 강도설계법에서 사용
하중(증가)계수는 하중의 조합상태에 따라 달라지며, 고정하중(D, Dead load 또는 사하중)과 활하중(L, Live load)이 조합된 경우의 계수하중은 다음과 같다.
기준하중: w=D+L
기준 휨모멘트 허용응력설계법
계수하중: w'=1.4D+1.7L
극한 휨모멘트 강도설계법
※ 기타 하중 조합과 하중 계수
D와 L 및 풍하중 W가 작용하는 경우: w=0.75(1.4D+1.7L+1.7W)
D와 W의 재하효과가 상쇄될 경우: w=0.9D+1.3W
D와 L 및 지진하중 E가 작용하는 경우: w=0.75(1.4D+1.7L+1.8E)
D와 E의 재하효과가 상쇄될 경우: w=0.9D+1.4E
6. 보의 휨파괴와 균형보
6.1 보의 휨파괴
보에 작용한 휨모멘트가 커지면 인장철근이 약해서 파괴되는 연성파괴나, 또는 압축측 콘크리트가 약해서 파괴되는 취성파괴가 일어난다.
(1) 연성파괴
압축 콘크리트가 파괴되기 전에 인장철근이 항복하면 철근의 응력은 항복응력을 유지하지만 변형이 점점 증가되어 되는 점에 도달한다.
이 때 콘크리트도 균열과 처짐이 점차 발달하여 압축 변형률 가 극한변형률 0.003에 도달하여 보가 파괴된다. 이러한 상태의 파괴를 연성파괴 또는 인장파괴라고 한다.
연성파괴는 철근이 항복한 후에 상당한 연성을 나타내기 때문에, 파괴가 급작스럽게 일어나지 않고 단계적으로 서서히 일어난다.
(2) 취성파괴
철근량이 많은 경우에는 철근이 항복하기 전에 콘크리트의 변형률이 극한 변형률 0.003에 도달하여 파괴시 변형이 크게 생기지 않고 압축측에서 갑자기 콘크리트의 파괴를 일으킨다.
이러한 파괴를 취성파괴 또는 압축파괴라고 한다. 취성 파괴는 위험을 예측할 수 없을 뿐만아니라 철근의 재료특성인 항복강도와 연성을 활용하지 못해 비경제적인 설계가 된다.
6.2 균형보 (평형보)
보의 취성파괴는 사고에 대한 안전대책을 세울 시간이 없어 갑자기 일어나므로 바람직하지 못하다. 따라서 취성파괴를 방지해야 하며, 이를 위해서는 철근의 사용량을 규제해야 한다.
이와 같은 한계의 철근비를 균형철근비 또는 평형철근비라고 하며, 평형철근비는 철근이 항복함과 동시에 콘크리트의 압축변형률이 0.003에 도달할 때의 철근비를 뜻한다.
균형 철근비를 사용한 보를 균형보 또는 평형보라고 하며, 이 보의 단면을 균형단면, 또는 평형단면 이때의 철근량을 균형 철근량, 또는 평형 철근량이라고 한다.
6.3 과소 철근보와 과다 철근보
(1) 과소 철근보 ; 균형 철근비보다 철근을 적게 넣어 연성파괴가 되도록 한 보
(2) 과다 철근보 : 균형 철근비보다 철근을 많이 넣어 취성파괴가 일어나는 보
[그림] 과소 과다 철근보의 중립축 위치
[그림] 철근 콘크리트 단철근보의 단면 변형률 및 응력
[그림] 과소 철근보의 파괴 거동
[그림] 과다 철근보의 파괴거동
6.4 균형보의 중립축과 균형 철근비
(1) 균형보의 중립축 위치
[그림]의 변형률도에서 삼각형의 닮은 비를 이용하여 중립축의 위치 를 구한다.
를 균형보의 중립축 위치 로 나타내기 위해서는 철근의 응력 가 항복강도 에 도달함과 동시에 콘크리트의 압축변형률이 0.003에 도달해야 하므로
(mm)
[그림] 중립축의 위치
(2) 균형철근비
- 철근비
철근량: ()
- 균형철근비
- 균형철근량
()
6.5 최대 철근비
균형보의 파괴는 이론상 파괴이며, 일종의 취성파괴가 된다. 따라서 설계기준에서는 철근의 항복으로 인한 연성파괴로 유도하기 위해서 철근비의 상한을 두어 규제하고 있다.
이 철근비를 최대 철근비라고 하며, 균형철근비의 75%로 정해져 있다.
6.6 최소 철근량
철근을 너무 적게 넣으면, 콘크리트에 균열이 생기는 순간 철근도 동시에 끊어져서 갑작스런 파괴가 일어난다.
이러한 취성파괴를 방지하기 위하여 철근량의 하한을 두어 규제하고 있으며, 이때의 철근량을 최소철근량이라고 하고 두 식중에서 큰 값 이상으로 하여야 한다.
또는 ()
(여기서, =28MPa 으로 가정했을 때, 가 된다.)
위 식을 단면적 ()로 나누면 최소 철근비 이 되며, 의 값은 종래 시방서의 규정이다.
즉, 또는
한편 정정구조물로서 플랜지가 인장을 받는 T형 단면의 은 위 식과 값 중 작은 값 이상으로 해야 한다.
※ 그러나 해석상 요구되는 철근량보다 1/3이상 더 배근된 경우 최소철근비의 규정을 따르지 않아도 된다.

키워드

철근,   콘크리트,   휨,   설계,   환산,   균형보,   균형 철근,   계수