허용응력도 설계법
허용응력도 설계법은 가장 오래된 설계법이며, 현재에도 널리 사용되고 있습니다. 이 설계법에서는 재료의 응력과 변형률이 비례한다는 탄성거동에 기초한 설계법으로 안정성의 여유를 확보하기 위해 재료의 강도를 안전율로 나누어 허용응력을 정의하고 있습니다. 즉 재료의 강도를 일정범위로 작게 본 경우에도 재룡에 발생되는 응력보다 크다면 충분히 안정성을 확보할 수 있다는 개념입니다. 일반적인 경우 허용응력은 재료강도를 안전율로 나누어 산정하게 되지만 허용휨강도 및 허용압축강도의 경우 항복응력보다는 좌굴과 불안정성 등의 영향을 받게 됩니다. 즉, 허용압축응력도와 허용휨응력도 등은 세장비, 비지지 길이, 폭두께비 등에 의해 결정됩니다. 허용응력도 설계법을 공식으로 표현하면 다음과 같습니다.
Rn / SF ≥ ΣQi
여기서, Rn : 재료의 공칭강도
SF : 안전계수(Safety Factor)
이와 같은 탄성설계에 바탕을 둔 허용응력도 설계법은 안전성에서는 신뢰성이 높은 설계법이지만, 재료 및 하중의 특성을 반영할 수 없는 단점이 있습니다.
한계상태 설계법
1. 개요
한계상태 설계법은 구조물이 모든 계수하중 조합에 대하여 어떠한 적용 한계상태도 초과하지 않도록 구조물을 설계하는 방법으로 구조물에 요구되는 여러 가지 상태에 대해 한계상태를 확보하는 것으로 확률 또는 신뢰성 일론에 기초합니다.
수식으로 표현하면 다음과 같습니다.
ØRn ≥ ΣγiQi
한계상태는 강도한계상태와 사용성 한계상태로 나눌 수 있으며, 다음과 같이 정리할 수 있습니다.
1) 강도 한계상태
각 구조부재나 조립재의 설계강도는 계수하중에 근거한 소요강도 ㅇ이상이어야 합니다. 설계강도 ØRn은 각각의 적용한계 상태에 대하여 공칭강도 Rn에 강도저감계수 Ø를 곱하여 산정합니다.
2) 사용성 한계상태
(1) 과도한 국부손상
(2) 과도한 처짐 및 회전
(3) 과도한 진동
2. 공칭하중
공칭하중의 종류는 고정하중(D), 활하중(L), 지붕의 활하중(Lr), 풍하중(W), 적설하중(S), 지진하중(E), 빗물하중(R), 수압(F), 토압(H), 초기변형도에 의한 하중(T) 등이 있습니다. 여기서 수압(F)은 일정한 압력과 높이에 의해 작용하는 하중을 의미하고 토압(H)는 토압과 지중 수압에 의한 수평력을 의미합니다.
3. 하중계수 및 하중조합
구조물과 구조부재의 소요강도는 아래의 하중조합 중에서 가장 불리한 경우에 따라 결정해야 합니다.
1.4(D+F) ----------------------------------------------------------------- (1)
1.2(D+F+T) + 1.6(L+H) + 0.5(Lr 또는 S 또는 R) -------------- (2)
1.2D + 1.6(Lr 또는 S 또는 R) + (L 또는 0.65W) --------------- (3)
1.2D + 1.3W + L + 0.5(Lr 또는 S 또는 R) ----------------------- (4)
1.2D + 1.0E + L + 0.2S ---------------------------------------------- (5)
0.9D + 1.3W + 1.6H -------------------------------------------------- (6)
0.9D + 1.0E + 1.6H --------------------------------------------------- (7)
위의 식 중 식 (3), 식 (4) 및 식 (5)의 L에 대한 하중계수는 차고 및 공공집회장을 제외하고 활하중이 5.0kN/㎡ 이하인 장소에 대하여 0.5를 사용할 수 있습니다. 식 (6)과 식 (7)의 H에 대한 하중계수는 H에 대한 구조거동과 풍하중(W) 또는 지진하중(E)에 의한 거동이 반대로 작용하여 서로 감쇄되는 경우 0으로 합니다. 또한 사용성 한계상태에 속하는 구조적 문제들은 상기의 하중계수를 곱하지 않은 사용하중상태, 즉 하중계수를 1.0으로 하며, 다만 지진하중에 대한 하중계수는 0.7로 합니다.
4. 충격하중
충격이 발생하는 활하중을 지지하는 구조물은 그 효과를 고려하여 공칭활하중을 증가시켜야 합니다. 별도의 규정이 없는 경우, 최소한 다음의 증가율을 적용합니다.
승강기의 지지부 -------------------------------------------------- 100%
운전실 조작 주행크레인 지지보와 그 연결부 -------------- 25%
펜던트 조작 주행크레인 지지보와 그 연결부 -------------- 10%
축구동 또는 모터구동의 경미한 기계 지지부 -------------- 20%
피스톤운동기기 또는 동력구동장치의 지지부 ------------- 50%
바닥과 발코니를 지지하는 행거 ------------------------------- 33%
5. 크레인 주행로의 수평력
1) 크레인 주행로에 대한 공칭횡방향수평력은 양중하중과 크레인 트롤리의 무게 합(크레인 다른 부분의 무게는 제외)의 20% 이상이어야 합니다. 이 힘은 주행로 레일에 직각방향으로 레일 상부에 작용하는 것으로 가정하며, 레일을 지지하고 있는 구조물의 횡방향강성에 따라 분배되어야 합니다.
2) 크레인 주행방향의 수평력은 레일 상부에 작용하는 크레인의 최대차륜하중의 10% 이상이어야 합니다.
3) 크레인 주행로는 크레인 제동력에 대해서도 설계되어야 합니다.
6. 기타 하중
건축물의 설계 상태에 따라 토압, 수압, 진동 등에 의한 외력, 수축 및 크리프의 영향을 고려해야 합니다.
7. 한계상태
한계상태 설계법은 구조물이 모든 계수하중 조합에 대하여 어떠한 적용 한계상태도 초과하지 않도록 구조물을 설계하는 방법입니다. 한계상태의 종류는 다음과 같습니다.
1) 강도 한계상태 : 안전성과 최대 하중지지력에 대한 것
각 구조부재나 조립재의 설계강도는 계수하중에 근거한 소요강도 이상이어야 합니다. 설계강도 ØRn은 각각의 적용한계상태에 대하여 공칭강도 Rn에 강도저감계수 Ø를 곱하여 산정합니다.
2) 사용성 한계상태 : 사용하중 상태에서의 구조성능에 대한 것
전체 구조물과 각 구성부재, 이음 및 연결재는 사용성에 대해 검토하여야 합니다. 이 경우 모든 하중조합에 사용되는 하중계수는 1.0으로 합니다.(단, 지진하중에 대한 하중계수는 0.7), 사용성 한계상태 설계는 건물의 기능, 외관, 유지관리, 내구성 및 사용자의 편리함 등을 일정한 기준 이상으로 확보토록 하는 데 있습니다. 구조물의 수평 또는 수직 방향의 변위에 대한 제한값은 건물의 용도에 따라 다르게 할 수 있습니다.
3) 사용성 검토사항
(1) 과도한 국부손상
(2) 과도한 처짐 및 회전
구조물의 외관, 기능 및 배수기능에 나쁜 영향을 주고, 비구조요소에 손상을 줍니다.
(3) 과도한 진동
바람이나 적재하중 분포변화에 의해 발생하며 거주자에게 불쾌감을 주거나 기계장비의 작동에 지장을 줍니다.