개념 한 쪽
구조설계에서는 하중 조합과 부재 거동에 따라 안전계수와 설계 절차를 달리 적용한다. 대표적으로 강도감소계수(φ), 처짐 계산 생략 기준, 전단철근 필요 판정 등은 설계 판단의 핵심 기준이 된다.
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출제기준 단원 「설계하중 및 하중조합」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 부재별 강도감소계수 식별 | 1 | 부재 거동에 따른 φ 값의 적용을 가려내기 |
| 처짐 계산 생략 기준 적용 | 1 | 경간과 지지조건으로 최소 보 두께를 계산하기 |
| 전단철근 필요 판정 | 1 | φVc와 Vu 비교로 전단철근 필요 여부 판정하기 |
강도감소계수(φ)는 설계강도를 산정할 때 계산된 강도에 곱해 구조물의 연성 및 파괴거동 불확실성을 반영하는 계수다. 부재의 파괴 형태에 따라 φ 값이 달라지며, 인장 지배 단면은 상대적으로 높은 φ를 적용하고 전단이나 압축 지배 단면은 더 낮은 φ를 적용한다. 나선철근으로 보강된 압축 지배 부재는 연성이 좋아 일반 횡방향 보강보다 높은 φ 값을 적용하는 경우가 있다.
보의 처짐 계산을 생략할 수 있는 최소 두께 기준은 지지 조건별로 정해진 경간 비율을 따른다. 단순지지보는 경간의 1/16 이상이면 처짐 계산을 생략할 수 있고, 연속보나 캔틸레버 등 다른 지지 형태는 다른 분모 값을 적용한다. 이 기준은 설계 편의와 안전을 동시에 고려한 규정이다.
전단설계에서는 콘크리트 자체 전단저항(φVc)과 계수전단력(Vu)을 비교하여 전단철근의 필요 여부를 판정한다. 설계 기준 상 콘크리트만으로 전단을 지탱할 수 있는지의 판단 기준으로 Vu와 φVc의 비교를 사용하며, 이론상 전단철근이 필요 없더라도 최소전단철근 배치는 의무적으로 수행해야 한다.
등가 응력 블록을 이용한 휨계산에서는 중립축 깊이(c)와 블록 높이(a)의 관계 a = β1·c를 사용한다. β1은 콘크리트 강도에 따라 달라지며 고강도 콘크리트일수록 β1이 작아진다는 점을 유의해야 한다.
실전 예제에서 자주 묻는 실수는 부재 유형에 따른 φ 값 혼동, 지지 형태에 따른 처짐 기준 분모 혼용, 전단설계에서 이론적 필요량과 규정상 최소보강의 차이 미인식 등이다. 보기에서 제시된 숫자를 기준 규정과 대조하여 판단하는 습관을 들이면 실수를 줄일 수 있다.
다음은 콘크리트구조설계기준에 규정된 강도감소계수를 나타낸 것이다. 바르게 짝 지워진 것은?
정답 ④ · 콘크리트 구조설계기준(KCI 2012 등)에 명시된 강도감소계수(φ)에 대한 문제입니다. 휨 모멘트와 축 인장력이 동시에 작용할 때는 0.90, 나선철근으로 보강된 축압력 부재는 0.75, 전단력이나 비틀림 모멘트는 0.75가 적용됩니다.
강도감소계수는 휨/인장 0.90, 나선축압 0.75, 전단/비틀림 0.75, 지압 0.65로 구분한다.
길이 6m의 단순 철근콘크리트 보에서 처짐을 계산하지 않아도 되는 보의 최소 두께는 얼마인가? (단, 보통콘크리트(ωc = 2300kg/m³)를 사용하며, fck = 21MPa, fy = 400MPa)
정답 ③ · KAI설계기준(콘크리트) 및 ACI 318에 따르면, 처짐을 계산하지 않아도 되는 보의 최소 두께는 단순보의 경우 경간 길이의 1/16입니다. 경간이 6000mm이므로 6000/16 = 375mm가 됩니다.
단순 철근콘크리트 보의 처짐 미계산 최소 두께는 경간 길이의 1/16로 산정한다.
폭이 500mm, 유효깊이가 800mm 인 철근콘크리트보에서 fck가 28MPa인 콘크리트를 사용할 때 위험단면에 작용하는 계수전단력 Vu가 최대 얼마 이하이면 전단철근이 필요 없는 부재가 되는가?
정답 ③ · 균형철근량보다 적은 철근을 배치한 부재(과소 철근보)는 휨 모멘트를 받을 때 인장 철근이 항복 변형에 도달한 후 콘크리트가 압괴되는 인장 파괴(연성 파괴) 거동을 나타냅니다.
전단철근 불필요 최대 계수전단력 Vu는 콘크리트 전단저항 φVc의 절반인 0.5φVc를 초과하면 안 된다.
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