철근 콘크리트의 설계방법

철근 콘크리트의 설계방법

1. 허용응력 설계법

1) 정의
철근 콘크리트를 탄성체로 보고 탄성이론에 의해 구한 콘크리트 및 철근의 응력이 각각 그 허용응력 을 넘지 않도록 설계하는 방법이다. 허용응력은 재료와 단면성질, 사용하중등에 대해 충분한 여유를 두고 결정되며, 일반적으로 항복점 응력을 적당한 안전율로 나눈 값을 최대 허용응력으로 결정한다.

2) 설계가정
① 보축에 직각인 단면은 휨을 받아 변형된 후에도 평면을 유지한다 (베르누이의 가정)
② 응력과 변형도는 정비례한다 (Hooke's Law)
③ 단면내의 임의의 응력은 중립축으로부터 거리에 비례한다
④ 콘크리트의 휨인장 응력은 무시한다
⑤ 콘크리트의 탄성계수비는 정수이다

3) 설계개념
① 하중 : Service Load를 사용
② 강도 : 허용응력 개념
③ 안전율 : Ultimate Strength / Allowable Strength = 2.5, 획일적인 안전율

2. 강도 설계법

1) 정의
철근 콘크리트의 극한강도상태를 기초로 비탄성거동 및 두재료의 Joint action이 고려된 설계법

2) 설계가정
① 변형률은 중립축으로부터의 거리에 비례한다
② 압축측 연단에서의 콘크리트의 최대 변형률은 0.003이다
③ 콘크리트의 인장강도는 무시한다
④ 항복강도 이하에서 철근의 응력은 변형률의 Es배로 본다. 항복강도에 해당하는 변형률보다 더 큰 변형률에 대하여도 철근의 응력은 변형률에 관계없이 항복강도와 같다고 가정한다
⑤ 콘크리트의 압축응력 분포와 변형률의 관계는 적절한 시험에 의해 그 강도를 미리 알아낸 것이어 야 한다. 0.85σck로 균등하게 압축연단으로부터 a=k1c까지 등분포로 가정해도 좋다

3) 설계개념
① 하중 : Factored Load 사용 , 하중계수 x Service Load
* 하중계수 : 설계와 시공시의 단면치수의 변동, 사용중에 추가되는 초과 사하중, 예기치 못한 초과 활하중, 차량의 대형화·중량화에 따른 활하중의 증가 등의 영향을 반영한 계수
② 강도 :
설계강도 = 강도감소계수 x 공칭강도
* 강도감소계수 : 재료품질의 변동, 구조 및 부재의 중요도, 설계 계산시의 불확실량, 실단면 치수와 제작시공 기술등에 관련된 다소 불리한 오차들이 개별적으로는 허용한계내에 있더라도 총체적으로 결합시 강도 감소를 초래할 수 있으므로 이에 대비한 1보다 작은 안전계수

3. 한계상태 설계법

1) 정의
신뢰성 이론에 근거하여 안전성과 사용성을 하나의 설계체제 안에서 합리적으로 다루려는 설계법으 로 구조물이 기능을 상실하게 되는 극한 한계상태와 정상적인 사용상태를 만족치 못하게 되는 사용 한계상태로 되는 확률을 구조물의 모든 부재에 대해 일정한 값이 되도록 하려는데 그 목적이 있다

2) 설계개념
① 하중 : 설계하중 = 특성하중 x 부분안전계수 (γf > 1.0)
② 강도 : 재료의 설계강도 = 재료의 특성강도 / 부분안전계수 (γm > 1.0)

4. 각 설계법의 비교

1) 허용응력 설계법
① 설계법의 편리성 및 단순성
② 파괴에 대한 두 재료의 안전도를 일정하게 하기 곤란
③ 성질이 다른 하중의 영향을 설계에 반영할 수 없다

2) 강도 설계법
① 파괴에 대한 안전도의 확보가 확실
② 하중계수에 의해 각하중의 특성을 설계에 반영
③ 서로 다른 재료의 특징을 설계에 합리적으로 반영하기 어렵다
④ 사용성의 확보를 위해 별개의 검토가 필요

3) 한계상태 설계법
① 하중과 재료에 대해 각각 부분안전계수를 사용하여 특성을 설계에 반영
② 안전성은 극한 한계상태, 사용성은 사용 한계상태로 검토하여 강도 설계법의 단점을 개선
③ 재료의 절감등의 경제적인 면에서의 동기유발이 아직 부족하다.