8 장 철골철근콘크리트구조 I

1. 합성구조설계 8장 철골철근콘크리트구조 I

2. 철골철근콘크리트(이하 SRC로 칭함) 구조에 대해서 이 장에서는 부재(보, 기둥, 내진벽)에 대해서 기술하고 있다. 제 8장 철골철근콘크리트에서는 접합부 관계에 대해 기술 제 7장 SRC구조의 기본사항을 기술 : SRC구조의 특성은 내장한 철골형식에 의해서 크게 달라지지만 충복형에 한해서 그 특성 및 SRC규준에 나타난 설계식의 기초로 되는 설계개념을 소개 : 규준서의 설계식 전반에 걸쳐 해설하는 것이 본 장의 목적이 아니므로 누가강도식에 근거한 허용응력도 설계에 의해 구체적인 설계식은 규준을 참고 그림 SRC기둥의 실험전경

3. 8.1 구조성능과 특징 S부분과 RC부분의 내력 비와 파괴모드에 의하여SRC구조로서의 특성을 결정한다. a) 장 점 표 8.1 SRC구조의 장점과 단점 • S구조에 대하여 • 콘크리트가 구조 및 내화피복으로서 • 기능을 갖기에 경제적 • 2. 콘크리트의 인성을 S부분의 강성에 • 가산하는 것이 가능하기 때문에 강성이 • 큰 구조가 되고, 작용하중에 대하여 • 수평 또는 연직변형을 작게 하는 것이 가능 • 3. 콘크리트에 의해서 S부분의 좌굴을 억제하고, • 변형성능이 큰 구조가 얻어진다. • 4. RC구조의 진동에 대하여 감쇄성은 • RC부분에 의해 크게 되므로, 진동에 유리 • RC구조에 대하여 • 전단파괴와 압축파괴가 생겨도 철골의 • 존재로 인성이 발휘 • 동일 단면에 다량의 철골을 배치하는 것이 • 가능하므로 내력과 변형성능에 여유를 • 확보가능 • 3. 스팬을 크게 가능하다. • 4. 크리프에 의한 처짐이 적다. • 5. 연직하중을 지지하는 것이 가능하여 • 역타공법이 가능 b) 단 점 1. 철골공사와 RC공사를 필요로 하기 때문에 시공이 복잡하게 되고, 한편 건설코스트가 높다 2. RC구조의 중량이 크기 때문에 건물의 총중량이철골부에 비하여 크게 된다. 1. 철골과 철근이 동일단면 내에 배치되므로 콘크리트 타설시 혼잡한 상황 2. 철골의 단가는 철근에 비해 높으므로 공사비가 RC구조에 비해 높게 된다.

4. 8.1 구조성능과 특징 1) SRC구조를 채용하는 조건 • 중고층 건축물에 하층부의 응력이 크게 되어, RC구조에서는 기둥재의 변형성능이 • 충분히 확보가능하지 않은 경우 b. 스팬이 크므로 기둥 하나가 부담하는 면적이 크게 되어 RC구조에서는 기둥의 단면적이 크게 되는 경우, 또는 보의 설계가 곤란한 경우 c. 동일층에 강성이 다른 기둥이 혼재하여 전단력 부담이 불균형이 생기는 경우와 건물의 편심이 크기 때문에 기둥재의 인성을 확보하고 싶은 경우 d. 상층부를 S구조, 기초부를 포함하는 하층을 RC구조로 하는 경우에 중간층을 SRC구조로 하는 것에 의하여 S구조로부터 RC구조에 응력전달을 원활히 하는 경우

5. 8.2 보재의 거동과 설계 1) 휨거동과 설계 a) 휨거동 SRC보의 휨균열 전의 강성은 콘크리트의 영계수 Ec로 다음식에 나타난 등가단면2차모멘트 Ie 합으로 나타낼 수 있다. 식 8.1 여기서 Ic : 콘크리트단면의 단면2차모멘트 n : 영계수 Im, Is : 각각 콘크리트 단면중심에 관한 철근부분 및 S부의 단면2차모멘트 휨균열이 발생하면 SRC보의 휨강성은 점층 감소되지만, SRC보에서는 통상 휨저항하는 강재량이 많기 때문에 그 강성저하는 RC보에 비해 적다. 통상 SRC보에서는 기둥철근비는 평형철근비 이하이기 때문에 실용적으로 식(8.2)로 사용가능 식 8.2 식 8.3 식 8.4

6. 8.2 보재의 거동과 설계 1) 휨거동과 설계 b) 휨설계 (허용응력도설계) SRC규준에서는 누가강도식을 채용하고, SRC보의 설계용 휨모멘트M에 대하여 가정한 SRC보의 단면이 식(8.5)를 만족하는 것을 확인한다. 식 8.5 식 8.6 식 8.7

7. 통상의 SRC보에서는 철골과 콘크리트의 부착내력은 극히 적기 때문에 부재에 큰 전단력이 작용하는 경우 S부재와 RC부분이 독립적으로 휨전단에 저항한다. 따라서, 보의 종국전단내력은 식(7.8)로 평가한다. 식 8.8 그림 8.1 SRC보의 RC부분 전단저항기구 8.2 보재의 거동과 설계 2)전단파괴 거동과 설계 a) 전단파괴거동과 저항기구 RC부분의 종국전단부착내력 rQsu 그림 8.1에 나타난 전단부착파괴기구를 고려한 것으로 구해질 수 있다.

8. 8.2 보재의 거동과 설계 2)전단파괴 거동과 설계 a) 전단파괴거동과 저항기구 한편, RC부분의 전단내력은 주근의 인장 또는 압축력의 변화에 수반하는 저항기구에 의해서만 전달하는 것으로 가정하면 rQu에 의하여 dxa 재축방향에 미끄럼힘 dmT가 생긴다. 즉 그림 8.1(d)의 짧은 경사균열을 발생시키는 콘크리트의 압축요소에 관하여 자유체도에 나타난 바와 같이 삼각형의 콘크리트요소의 미끄럼에 대하여 압축받는 면에 생기는 압축력 R과 전단력S의 수평성분 및 연직성분이 각각 미끄럼힘 Q 및 보강근의 인장력 T에 조합하는 것이다. 따라서 콘크리트단면의 유효폭을 로 하는 부분의 저항전단력은 콘크리트의 압축내력에 연관하는 저항력과 보강근의 인장내력에 관련하는 저항력의 합으로서 정하는 것이 가능하므로 이러한 이론적인 취급을 전단마찰이론이라 하지만 다음식이 성립한다. 식 8.9 여기서, b:콘크리트단면의 폭, Bf:철골플랜지폭 식 8.10 미지량으로서 알파와 베타를 포함한 절반 이론식 여기서

9. 식(8.12) 8.2 보재의 거동과 설계 2)전단파괴 거동과 설계 b) 전단설계(허용응력도설계) SRC규준의 SRC보의 설계방침은 장기 및 단기하중에 대하여 S부분과 RC부분의 허용내력이 각각 설계용 잔단내력(sQd, rQd)를 하회하지 않도록 한다. 식(8.11a) 식(8.11b) S부분의 허용전단내력 sQa는 다음식으로 산정 여기서 tw, dw:각각 철골웨브의 두께 및 춤 sfs: S부분의 허용전단응력도 RC부분의 허용전단력 rQa는 부재의 크기에 의해 결정되는 전단파괴에 대한 값 rQa1으로 전단부착파괴에 대한 값 rQa2중에 작은 값으로 한다. 식 8.13 식 8.14a 식 8.14b 여기서

10. 8.2 보재의 거동과 설계 2)전단파괴 거동과 설계 b) 전단설계(허용응력도설계) SRC보재의 설계용전단내력 (식8.11a,b)의 좌변)은 장기하중시,단기하중시 모든 경우에도 보유수평내력의 검토를 하는 경우는 식8.15로, 검토하지 않는 경우는 rQd에 대해서는 식 8.16을사용할 수 있다. 식 8.15 식 8.16 보에는 배관용 오프닝을 두는 경우가 빈번하다. 이 경우 전단설계도 통상의 충복형 SRC보와 같은 방법으로 행하는 것이 좋지만 오프닝이 있는 것을 고려한 허용전단내력을 이용한다. 식 8.17 여기서 Dh : 오프인의 직경 rh : 오프닝주변에 플랜지를 두는 경우 1.0, 두지 않는 경우 0.85(아래 그림 참조) * 유공보의 응력도 분포 * 보강철근의 효과 a) 플랜지 유 b) 플랜지 무

11. 8.2 보재의 거동과 설계 2)전단파괴 거동과 설계 b) 전단설계(허용응력도설계) 유공보의 RC부분의 허용전단력 rQa는 통상 SRC보에 따르고 식8.18 식8.19 두 값중에 작은 값으로 한다. 보강근의 전단보강근 비, wpn은 식8.20 8.3 기둥재의 거동과 설계 1) 중심압축단주의 거동과 내력 중심압축력을 받는 SRC단주의 압축력과 압축변형의 관계는 콘크리트와 강재는 일체로 되기 때문에 콘크리트, 주근 및 철골변형도는 같으므로 탄성범위에서는 식(8.21)이 성립하기 때문에 축력N과 콘크리트응력의 관계는 식(8.22)에 나타난다. 식 8.21 식 8.22

12. 8.3 기둥재의 거동과 설계 1) 중심압축단주의 거동과 내력 식8.23 강재의 항복응력도가 높은 경우에는 강재가 항복하는 변형도로 되면, 콘크리트는 역구배의 상태가 되기 때문에 이 때 압축강도는 F'c보다 작게 되어 식 8.23이 성립 F'c의 값으로는 기왕의 SRC기둥의 실험결과로부터 다음식으로 제안 식8.24 여기서, Fc: 콘크리트의 실린더강도, spc : 압축측 철골플랜지의 철골비 2) 압축과 휨을 받는 SRC단주의 휨거동과 설계 a) 휨거동과 내력 그림 8.2 일정축력하에 단조휨을 받는 SRC기둥의 거동 그림 8.3 반복 휨 전단을 받는 SRC기둥의 거동

13. 8.3 기둥재의 거동과 설계 a) 휨거동과 내력 2) 압축과 휨을 받는 SRC단주의 휨거동과 설계 극한해석에 하계정리로부터 SRC단면을 구성하는 각각의 부분이 조합조건과 항복조건을 만족하면 SRC단면의 종국휨내력은 콘크리트부분(c), 철골부분(m), 및 S부분(s)의 종국휨내력의 합, 또는 철근콘크리트부분(r), 및 S부분(s)의 종국휨내력의 합으로 안전측으로 얻을 수 있다. 식8.25 를 만족하는 것이라면 식8.26 한 짝의 내력(Mu, Nu)는 SRC로서 하나의 안전측 종국휨내력을 제공 그림 8.4은 하계정리로부터 임의에 선별한 C, M, S의 벡타합은 SRC로서의 종국휨내력 SRC로서 나타내므로 여러 가지 벡타합에 대해 가장 큰 벡타합을 SRC의 종국휨내력으로서 좋은 값이 된다. 그림 8.4 누가강도식에서 안전역의 개념도

14. 그림 8.5 누가강도식에 의한 N-M 내력곡선 8.3 기둥재의 거동과 설계 2) 압축과 휨을 받는 SRC단주의 휨거동과 설계 a) 휨거동과 내력 통상의 충복형 SRC기둥에서는 2축대칭단면에서 한편 철근부분과 S부분의 종국휨내력이 비교적 큰 단면의 항복상관곡선은 식(8.26)을 단순화한 단순누가강도식에 의해 종국휨내력 가능 식 8.27a 식 8.27b 식 8.27c

15. 8.3 기둥재의 거동과 설계 2) 압축과 휨을 받는 SRC단주의 휨거동과 설계 b) 휨설계 SRC규준의 설계식은 허용응력도 설계에서도 보의 경우와 같은 누가강도식을 채용 • 단순누가강도식 • 축력 N과 휨모멘트 M 을 받는 비대칭단면의 기둥에서는 식(8.28 a-c), (8.29 a-c)에 의해 설계가능 • 1과2를 나타내고 있지만 단순누가강도식에서는 누가의 순서에 의하여 허용단면내력이 다르기 때문에 어느쪽이 경제적으로 유리한 편을 이용하는 것이 좋다. (1) 8.28a 8.28b 8.28c (2) 8.29a 8.29b 8.29c

16. S부분의 허용내력은 다음식과 같다. 8.30a 8.30b 식 8.31 RC부분의 허용내력은 허용압축응력도로서 식8.32 8.3 기둥재의 거동과 설계 2) 압축과 휨을 받는 SRC단주의 휨거동과 설계 b) 휨설계 * 일반화누가강도식 SRC단면에 축력 N이 가해지는 경우에 SRC단면으로서 허용휨모멘트가 최대로 되도록 축력 N을 S부와 RC부로 분리하면 편리하므로 다음식이 일반화 누가강도식의 설계식이 된다. • 비대칭단면의 취급 • 비대칭단면에 단순누가강도식을 적용하면 안전영역을 적정히 평가 불가능한 것이 많아진다. • 또한 비대칭단면을 안전측으로 대칭단면에 근사해서 산정하는 것도 가능하지만 비경제적 • 일반화 누가강도식을 적용하면 안전영역을 적정히 평가가능하기 때문에 비대칭단면의 경우는 일반화 누가강도식을 적용하는 것이 합리적 <-Page 103

17. 식 8.33 8.3 기둥재의 거동과 설계 3) SRC기둥의 전단파괴거동과 설계 a) 전단거동과 저항기구 사장력에 의해 전단균열이 발생한 후 최종적으로는 철골플랜지면에 연이어 전단부착균열을 수반한 전단부착파괴에 의하여 종국내력이 결정 그 파괴 양상은 전단파괴를 발생하는 RC기둥과 달리 전단부착파괴가 생겨서도 그림7.6에 나타나듯이 부재각이 0.03rad의 큰 진폭에 달해서도 거의 내력의 저하는 볼 수 없지만 이력곡선의 형상은 방수형으로 극히 안정한 이력형상을 나타낸다. 그림 8.6 휨 전단을 받는 SRC기둥의 전단거동

18. 8.3 기둥재의 거동과 설계 3) SRC기둥의 전단파괴거동과 설계 a) 전단거동과 저항기구 일정압축력과 반복휨전단을 받는 H형강을 내장한 충복형SRC기둥의 전단저항기구 이 방법은 8.2절에서 기술한 직접전단단면에서 전단마찰이론에서는 콘크리트가 대각선방향으로 경사압축되는 것에 의하여 전단력이 전달되는 아치기구에 의한 영향 등이 고려되고 있지 않기 때문에 특히 기둥재의 기둥길이 비와 작용축력의 영향이 충분히 반영되지 않았다. 그림 8.7 SRC기둥의 전단저항기구 (아치 트러스 이론)

19. 8.3 기둥재의 거동과 설계 3) SRC기둥의 전단파괴거동과 설계 a) 전단거동과 저항기구 그림 8.8에 나타난 바와 같이 각각 저항기구에 대하여 압축력과 전단력에 대한 파괴상관곡선을 구하여, 압축과 휨을 받는 누가측을 응용하여 파괴상관곡선을 결정하여 종국전단내력을 구하는 것이다. 그림 8.8에서는 실험값과의 대응도 나타내고 있지만 이러한 방법에 의해 복잡한 전단파괴성상을 나타내는 SRC부재의 종국전단내력을 평가가능 그림 8.8 휨전단을 받는 SRC기둥의 축력 전단력의 파괴상관곡선

20. 장기하중시 식 8.35 단기하중시 식 8.36 장기허용전단력 Qa는 식 8.37 식 8.38 8.3 기둥재의 거동과 설계 3) SRC기둥의 전단파괴거동과 설계 a) 전단거동과 저항기구 한편 SRC규준에서는 이 아치 트러스기구에 의한 종국전단내력을 간략화한 경우의 약산식을 나타내고 있지만 강축H형강을 내장한 경우의 RC부분의 종국전단내력식을 _ 식 8.34 여기서, l : 기둥길이, D: 기둥 춤 dw: H형강 플랜지간 거리 sde: 플랜지 상하면의 콘크리트 피복두께 인장압축주군군의 중심간 거리 b) 전단설계 (허용응력도설계) RC규준과 같이 전단균열을 단기하중하에서 허용하지만 장기하중하에서는 발생하지 않도록 하기 위하여 설계식은 장기,단기 하중시 다르게 각각 식8.35 및 식8.36으로 식 8.39

21. 8.3 기둥재의 거동과 설계 3) SRC기둥의 전단파괴거동과 설계 b) 전단설계 (허용응력도설계) 단기허용전단력에서는 원칙적으로 SRC보의 경우와 같기 때문에 8.2절을 참조한다. 단기설계용 전단력 rQd도 보의 경우와 같으므로 보유수평내력의 산정하는 경우는 rM1, rM2는 종국상태에서 기둥재에 작용하는 압축력으로 RC부재의 주두주각의 종국휨모멘트, h'는 기둥재의 내장길이 식 8.40 로 되고, 보유수평내력을 산정하지 않는 경우 식 8.41 c) 부착검증 SRC부재의 부착설계의 개념은 4장 4.1.3항에 기술하고 있지만 휨내력, 전단내력과도 강과 콘크리트간의 부착에 의존하지 않는 설계식이지만 철골 콘크리트간에 실질적인 응력수행(특히 축력수행)이 필요한 경우는 부착의 검토가 필요하다.

22. 8.3 기둥재의 거동과 설계 4) SRC장주의 거동과 설계 SRC기둥도 장주가 되면 좌굴이 발생하여, SRC단주로서의 내력은 발휘하지 못한다. 합성부재의 좌굴에서는 5장에 기술 (SRC규준의 설계식의 개념을 설명) 중심압축을 받는 SRC장주의 좌굴하중에서도 누가강도식을 이용하여 비교적 정밀도가 좋은 간편히 구하는 것이 가능 2차휨을 고려한 SRC장주의 내력에 관한 누가강도내력곡선에 대해 도식적 으로 나타낸 것이다. 그림 속에 점선 rD 및 파선은 sD 각각 RC장주 및 S장주의 내력선을 나타냄 단순누가강도식에 기초하여 양자의 내력을 누가한 것이지만 일점쇄선에서 새로이 추가하여 2차휨의 영향을 고려하여 수정한 것이 수정누가강도 곡선으로 실선으로 나타내고 있다. 그림 8.9 SRC장주의 압축력 휨모멘트에 관한 내력곡선

23. 8.4 내진벽의 거동과 설계 콘크리트벽판에구성되는내진벽의전단거동과저항기구1) SRC구조에서 내진벽은 통상의 RC구조의 경우와 같은 일반적으로 종횡철근 또는 철골보강을 한 RC내진벽이다. 1) 콘크리트 벽판에 구성되는 내진벽의 전단거동과 저항기구 그림8.10에 나타난 바와 같이 내진벽은 전단력에 의하여 사장력균열이 생긴다. 이 때 사장력균열응력도는 거의 0.1시그마b 이다. 식 8.42 식 8.43 : 벽근비 : 벽근의 인장항복응력도 : 주변골조의 구속이 수반한 전단응력도 벽두께 벽 내부길이 a) 경사균열 b) 벽판에 작용하는 응력 c) 주변프레임이 받는 응력 그림 8.10 단독내진벽의 저항기구

24. 8.4 내진벽의 거동과 설계 콘크리트벽판에구성되는내진벽의전단거동과저항기구1) 그림 8.11은 식 8.43의 제1항, 제2항 및 우변을 나타낸 것이다. 타우u 및 Ru 를 정밀히 구하는데는 고차의 부정정 탄성해석을 필요로 하지만 종국시의 응력상태로만 초점을 맞추어 소성이론에 의하여 w타우u와 Ru를 얻는 것을 진행 경사균열후 45도 방향의 압축력을 받아 경사압축파괴를 발생하는 경우 벽판의 평균전단 응력도는 콘크리트의 균열과 연화에 의한 저감계수를 0.5로 하면 식 8.44 a) 구속반력만 식 8.44 식 8.45 b) 수평력만 식 8.46 : 벽근비 : 벽근의 인장항복응력도 : 주변골조의 구속이 수반한 전단응력도 c) 구속반력과 수평반력을 합성 식 8.43으로 부터 무개구내진벽의 종국전단내력을 구하면 그림 8.11 벽판 저항기구의 분해

25. 식 7.47 실험식인 식 7.47에 대하여 최근에는 기둥재에 적용한 소성이론에 근거한 전단내력이 제안 a) 트러스기구 b) 아치기구 그림 8.12 연층내진벽의 저항기구 식 7.48 그 전단저항기구는 트러스기구, 아치기구로부터 구해지고, 그것들의 내력합을 내력벽의 전단내력으로 하는 것이므로 다음식으로 구할 수 있다. 8.4 내진벽의 거동과 설계 연층내진벽의전단내력2) 내진벽은 연속층으로 이용하는 경우가 많지만 연층내진벽의 역학적성상은 1층 1스팬의 경우와는 크게 다르므로 기둥단면을 플랜지, 벽판을 웨브로서 I형단면의 기둥재로서 거동하기 때문에 기둥재의 휨 및 전단거동에 관련하여 평가가능하다.(그림 8.12참조)

26. 8.4 내진벽의 거동과 설계 3) 내진벽의 설계법 SRC구조에 내진벽의 분류는 아래와 같다. -> 조합에 의해 여러 가지 내진벽을 구성하는 것이 가능하지만 역학적인 특성도 그 조합에 의해 변화한다. 특히, 단독내진벽과 다층 또는 다스팬 내진벽과는 다르다. * 내진벽의 분류 판의 구성 : RC조, Steel(박판, 형강, 철판내장) 형상 : 무개구, 유개구, 연층, a) 휨설계 식 8.49 b) 전단설계 단기허용전단력은 경사균열내력 wQa1과 균열후에 발현하는 내력 wQa2중에 큰값을 사용 식 8.50 식 8.53 식 8.51 식 8.52

27. 예제 8.1) 보의 허용응력도설계 단기하중시에 M=1300 kNm(슬래브측 휨인장)을 받는 그림 8.13의 단면의 보의 단면검토를 하시오. 단지콘크리트 강도 Fc=24N/mm2, 철골은 SM490(F=325N/mm2), 철근은 SD295로 한다. 철골부분: RC부분 그림 8.13

28. 예제 8.2) 기둥의 허용응력도 설계 단기하중시에 N=4000kN, Mx=1500kNm를 받는 그림 8.14의 단면을 갖는 기둥의 단명검증을 하시오. 단, 콘크리트는 Fc=30N/mm2, 철골은 SM490(F=325N/mm2), 철근은 SD295로 한다. 그림 8.14 * 설계방침 : 철골에 휨모멘트만을 부담하고, 나머지 휨모멘트와 전 축력을 RC단면에 부담시키는 단순누가강도식을 적용한다.