허용응력설계법과 강도설계법의 이해

1. 허용응력도설계법(WSD)  

 

허용응력도 설계법은 하중계수를 적용하지 않은 사용하중을 설계하중으로 사용하며, 탄성해석에 근거를 두고 있다.
탄성해석에서 작용하중에 의한 부재의 거동은 중첩원리(각 하중을 개별적으로 작용시켜, 그 효과를 합친 것과 같다)가 성립되므로, 구조체에 따라 예상되는 설계하중들을 여러 경우별로 적용시키고 그 결과들을 조합하여 그 중 가장 불리한 응력상태가 정하여진 허용응력을 넘지 않게 부재단면을 선정하는 방법이다.

부재응력(사용하중에서 가장 불리한 상태) ≤ 허용응력(안전율×재료강도)

부재응력이 재료강도에 안전율을 적용하여 정하여지는 허용응력도 이하가 되도록 콘크리트 단면과 철근량 및 배근방법을 정하여야 한다. ( ※ 부재의 사용성에 대하여 특별히 고려하지 않아도 된다.)

(1) 허용응력도 설계법에서는 다음과 같은 가정이 통용된다.

① 콘크리트와 철근은 훅크의 법칙을 따라, 응력과 변형도가 선형비례하며, 제하시 잔류변형이 생기지 않는다.
② 철근의 탄성계수는 정수이다.
③ 콘크리트의 휨인장응력은 무시한다.
④ 철근과 콘크리트의 부착은 완전하여 하중작용시 상대적인 미끄러짐이 생기지 않는다.
⑤ 콘크리트와 철근에 생기는 응력은 규정된 허용응력의 값을 초과하지 않는다.

(2) 허용응력도 설계법의 장·단점

① 장점
- 설계시 응력계산이 간단하다.
② 단점
- 부재의 강도를 알기 어렵다.
- 파괴에 대한 두 재료의 안전도를 일정하게 하기 곤란하다.
- 동일한 재료에서도 하중의 종류에 관계없이 동일한 안전계수를 사용하므로 성질이 다른 하중의 특성을 설계에 반영하지 못한다.

 ※ 허용응력도 설계법이 실용적인 방법이 되지 못한다는 것이 인식되었다.

① 콘크리트는 균질하지 못하며, 크리이프와 건조수축의 영향을 받는다.
② 응력이 생기기 전에도 미세균열이 콘크리트 내에 존재하며, 하중작용시 응력-변형도 곡선은 실제로 선형이 아니다.
③ 콘크리트와 철근의 부착은 완전하지 않으며, 부분적인 미끄러짐이 일어난다.
④ 전체 구조재의 콘크리트를 동일하게 유지할 수 없다.
한계상태 설계법, 또는 극한강도 설계법에서도 구조체의 사용성은 탄성역에서의 구조거동에 관련되어 있어 사용성에 대한 검토에는 허용응력도 설계법이 사용되고 있다.

2. 강도설계법 (USD)

 

강도설계법은 하중계수와 강도저감계수를 사용하여 적절한 설계단면 강도를 갖게 설계하도록 규정하고 있다.
강도설계법에서 설계하중(계수하중)은 사용하중에 하중계수를 적용한 값을 사용한다. 주어진 단면과 보강상태에서 부재가 발휘할 수 있는 공칭부재강도에 강도저감계수를 적용하여 얻어지는 설계강도가 소요강도 이상이 되도록 하여야 한다. 부재단면의 선정에서 부재의 사용성이 아울러 고려되어야 한다.

소요강도 ≤ 설계강도 
하중계수×사용하중 ≤ 강도저감계수×공칭부재강도

(1) 강도저감계수 및 하중계수를 사용하는 이유

① 재료 및 부재의 강도는 예상값보다도 작을 수 있다.
② 과재하가 일어날 수 있다.
③ 파괴의 결과가 심각할 수 있다.
강도저감계수에서 휨재에 대하여 의 값이 0.9로 비교적 크게 규정된 것은 휨재는 불의 파괴가 생기더라도 철근 보강된 인장측에서 파괴가 생기도록 설계되며 철근보강의 인장측은 큰 연성을 발휘하여 취성에 의한 갑작스런 파괴를 피할 수 있기 때문이다. 그러나 압축력을 지지하는 기둥에서는 압축력에 의한 파괴가 취성이고 구조해석이나 설계에서 가장 불리한 상태의 축압력과 휨모멘트의 조합을 고려하지 못할 우려가 있기 때문에 강도저감계수가 낮은 값으로 규정되어 있다.

(2) 강도설계법의 장·단점

① 장점
- 파괴에 대한 안저도의 확보가 확실하다.
- 각 내력에 따른 하중계수를 적용하여 하중의 특성을 반영하고 있다.

② 단점
- 재료의 불균질, 잔류응력, 크기의 부정확 등 재료의 특성을 반영하지 못한다.
- 처짐이나 균열 등 사용성의 확보를 별도로 검토해야 한다.

 

 

이상

 

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