제13장 기초

KDS 14 20 70 : 2021 콘크리트 슬래브와 기초판 설계기준

13.1 개요

기초는 기둥과 벽으로 전달되는 수직하중과 횡하중을 안전하게 지반에 전달하여 구조물을 지탱하게 하는 중요한 구조요소이다. 이러한 하중들이 기초를 통하여 지반에 적절하게 전달되기 위해서는 기초의 과도한 침하 혹은 회전이 생기지 않아야 하고, 부동침하의 영향이 최소화되도록 설계되어야 한다. 또한 미끄러짐과 전도에 대해서도 충분한 안전성을 가질 수 있도록 고려되어야 한다.

기초의 설계를 위해서는 기초가 상부구조의 하중을 지반으로 전달하므로 지반의 지내력(bearing capacity of soil, 地耐力)에 대한 충분한 정보가 있어야 한다. 그러나 지반의 지내력을 결정하는 방법은 기초공학 및 토질역학에서 다루고 있으며, 구조공학자는 기본적인 지반의 물성치 및 지반주상도(Geological Column Section; Drill Log)를 이해하고 허용지내력 및 지하수위를 판독하여 구조설계에 반영할 수 있어야 한다.

Table 13.1 기초 관련 용어
용어	설명
지지력 (Load Capacity, 支持力)	지반 또는 말뚝 등이 지지할 수 있는 최대 하중, 또는 하중강도로서 극한지지력이라고 하며 말뚝의 극한지지력을 의미
지내력 (Bearing Capacity, 地耐力)	지반이 구조물에 피해를 주지 않는 정도의 침하량에서 버틸 수 있는 지지력, 즉 허용지지력을 말하며 땅의 허용지지력을 의미
\(\beta\)	기초판의 짧은 변에 대한 긴 변의 비

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13.2 기초판

13.2.1 설계 일반

4.2.1 설계 일반 (KDS 14 20 70)

(1) 기초판은 이 기준의 규정에 따라 계수하중과 그에 의해 발생되는 반력에 견디도록 설계하여야 한다.

(2) 기초판의 밑면적, 말뚝의 개수와 배열은 기초판에 의해 지반 또는 말뚝에 전달되는 힘과 휨모멘트, 그리고 토질역학의 원리에 의하여 계산된 지반 또는 말뚝의 허용지지력을 사용하여 산정하여야 한다. 이때 힘과 휨모멘트는 하중계수를 곱하지 않은 사용하중을 적용하여야 한다.

(3) 말뚝기초의 기초판 설계에서 말뚝의 반력은 각 말뚝의 중심에 집중된다고 가정하여 휨모멘트와 전단력을 계산할 수 있다.

(4) 기초판에서 휨모멘트, 전단력 그리고 철근정착에 대한 위험단면의 위치를 정할 경우, 원형 또는 정다각형인 콘크리트 기둥이나 주각은 같은 면적의 정사각형 부재로 취급할 수 있다.

(5) 기초판 윗면부터 하부철근까지 깊이는 직접기초의 경우는 150mm 이상, 말뚝기초의 경우는 300mm 이상으로 하여야 한다.

기초는 설계기준을 만족하면서 기둥하중을 지지하고 하중을 지반에 안전하게 전달되도록 설계되어야 하며 다음의 요구조건을 설계 시 고려하여야 한다.

(1) 허용지지력을 만족하는 기초판의 면적
(2) 2방향 전단 또는 펀칭전단
(3) 1방향 전단
(4) 휨모멘트와 필요한 철근량
(5) 기둥 저면에서의 지지력
(6) 다월 (dowel) 철근
(7) 철근의 정착길이
(8) 부등침하

▷ 강성기초 vs 연성기초

(1) 강성기초: 기초의 강성도가 무한히 커서 기초의 형상대로 지반이 변형되므로 침하는 균등하게 발생되는 형태이다.

(2) 연성기초: 기초가 휨강성을 가지지 않아 지반이 변형되는 형태이다.

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13.2.2 기초판 설계: 휨설계

4.2.2.1 휨모멘트에 대한 설계 (KDS 14 20 70)

(1) 기초판 각 단면의 휨모멘트는 기초판을 자른 수직면에서 그 수직면의 한쪽 전체 면적에 작용하는 힘에 대해 계산하여야 한다.

(2) 기초판의 최대 계수휨모멘트를 계산할 때, 그 위험단면은 다음과 같이 구한다.

① 콘크리트 기둥, 주각 또는 벽체를 지지하는 기초판은 기둥, 주각 또는 벽체의 외면

② 조적조 벽체를 지지하는 기초판은 벽체 중심과 단부의 중간

③ 강재 밑판을 갖는 기둥을 지지하는 기초판은 기둥 외측 면과 강재 밑판 단부의 중간

(3) 1방향 기초판 또는 2방향 정사각형 기초판에서 철근은 기초판 전체 폭에 걸쳐 균등하게 배치하여야 한다.

(4) 2방향 직사각형 기초판의 각 방향 철근 배치는 다음 규정을 따라야 한다.

① 장변방향의 철근은 폭 전체에 균등히 배치시킨다.

② 단변방향의 철근은 전체 철근량에서 식 (4.2-1)에서 산출한 비율만큼 유효폭 내에 균등하게 배치한 후, 나머지 철근량을 이 유효폭 이외의 부분에 균등히 배치시킨다.

\[ \frac{\text{유효폭 내에 배치되는 철근량}}{\text{단변방향의 전체 철근량}} = \frac{2}{\beta+1} \quad \text{(4.2-1)} \]

여기서, 유효폭은 기둥이나 주각의 중심선이 유효폭의 중심이 되도록 하며 기초판의 단변길이로 취한다. \(\beta\) = 기초판의 짧은 변에 대한 긴 변의 비 ≥ 1

[예제] 접지압 (2022년 토목기사)

[예제] 접지압 (2022년 토목기사)

일반적인 기초의 필요조건으로 틀린 것은?

❶ 침하를 허용해서는 안 된다.

② 지지력에 대해 안정해야 한다.

③ 사용성, 경제성이 좋아야 한다.

④ 동해를 받지 않는 최소한의 근입깊이를 가져야 한다.

[답] ① — 침하를 완전히 허용하지 않는 것이 아니라, 허용범위 이내로 제한하는 것이 올바른 조건이다.

[예제] 접지압 (2021년 토목기사)

[예제] 접지압 (2021년 토목기사)

하중이 완전히 강성(剛性) 푸팅(Footing) 기초판을 통하여 지반에 전달되는 경우의 접지압(또는 지반반력) 분포로 옳은 것은?

① 점토지반 — 중앙이 볼록한 분포

❷ 모래지반 — 중앙이 볼록한 분포 / 점토지반 — 가장자리가 큰 분포

③ 점토지반 — 균등분포

④ 모래지반 — 가장자리가 큰 분포

[풀이]

강성기초 + 사질토(모래): 기초 중앙부에서 최대 응력 발생
강성기초 + 점성토(점토): 기초 모서리에서 이론적으로 무한히 큰 응력 발생

[답] ②

[예제] 접지압 (2020년 토목기사)

[예제] 접지압 (2020년 토목기사)

사질토 지반에 축조되는 강성기초의 접지압 분포에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 기초 모서리 부분에서 최대 응력이 발생한다.

② 기초에 작용하는 접지압 분포는 토질에 관계없이 일정하다.

❸ 기초의 중앙 부분에서 최대 응력이 발생한다.

④ 기초 밑면의 응력은 어느 부분이나 동일하다.

[풀이] 강성기초 + 사질토: 모래 입자는 가장자리에서 횡방향 구속이 적으므로 지반반력이 중앙부에 집중된다.

[답] ③

[예제] 접지압 (2019년 토목기사)

[예제] 접지압 (2019년 토목기사)

접지압(또는 지반반력)이 그림과 같이 (기초 가장자리에서 최대, 중앙이 최소인 형태) 되는 경우는?

(1) 푸팅: 강성, 기초지반: 점토

(2) 푸팅: 강성, 기초지반: 모래

(3) 푸팅: 연성, 기초지반: 점토

(4) 푸팅: 연성, 기초지반: 모래

[풀이]

강성기초의 점성토 접지압은 모서리에서 이론적으로 무한하게 커지는 형태이다.
연성기초의 침하량은 구조물의 위치에 따라 다르지만 점성토 접지압은 균등하다.

[답] 1

[예제] 접지압 (2022년 토목기사 — 점토)

[예제] 접지압 (2022년 토목기사)

점토 지반에 있어서 강성 기초와 접지압 분포에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 접지압은 어느 부분이나 동일하다.

② 접지압은 토질에 관계없이 일정하다.

❸ 기초의 모서리 부분에서 접지압이 최대가 된다.

④ 기초의 중앙 부분에서 접지압이 최대가 된다.

[답] ③

[예제] 휨 위험단면 (2018년 공무원 9급)

[예제] 휨 위험단면 (2018년 공무원 9급)

기초판의 최대 계수휨모멘트를 계산할 때, 그 위험단면에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
(단, 설계코드 KDS 콘크리트구조기준을 적용)

① 강재 밑판을 갖는 기둥을 지지하는 기초판은 기둥 외측면과 강재 밑판 단부의 중간

② 콘크리트 기둥, 주각 또는 벽체를 지지하는 기초판은 기둥, 주각 또는 벽체의 외면

③ 조적조 벽체를 지지하는 기초판은 벽체 중심과 단부의 중간

❹ 다각형 콘크리트 기둥은 같은 면적 원형 환산단면의 외면

[풀이] 콘크리트 기둥 또는 받침대의 단면이 원형 또는 정다각형인 경우에는 이것과 동일한 단면적을 가지는 동일한 중심(同心)의 정사각형으로 생각하여 그 전면(前面)을 휨에 대한 위험단면으로 할 수 있다.

[답] ④

[예제] 휨 위험단면 (2016년 공무원 9급)

[예제] 휨 위험단면 (2016년 공무원 9급)

그림과 같은 정사각형 독립 확대기초 저면에 계수하중에 의한 상향 지반 반력 160kN/m²가 작용할 때, 위험단면에서의 계수휨모멘트[kN·m]는?
(기초판 4m×4m, 기둥 0.5m×0.5m)

① 260 ② 420 ③ 760 ❹ 980

[풀이] 계산 단위: kN, m

(1) 기초판 끝단에서 휨모멘트 위험단면까지 거리 \[ l = \frac{4}{2} - \frac{0.5}{2} = \frac{7}{4} \]

(2) 계수휨모멘트 \[ M_u = \frac{1}{2}wl^2 = \frac{1}{2} \times q_u B \times l^2 = \frac{1}{2} \times 160 \times 4 \times \left(\frac{7}{4}\right)^2 = 980 \text{ kN·m} \]

[답] ④

[예제] 휨 위험단면 (2023년 공무원 9급 건축구조)

[예제] 휨 위험단면 (2023년 공무원 9급 건축구조)

그림과 같은 2방향 직사각형 독립 기초판(4m×6m)의 단변방향으로 배근할 전체 철근량이 15,000mm²이면, 유효폭 내에 배근해야 하는 단변방향 철근량[mm²]은?

① 10,000 ❷ 12,000 ③ 12,500 ④ 13,500

[풀이] 2방향 직사각형 기초판의 각 방향 철근 배치

① 단변방향의 철근은 전체 철근량에서 다음 식에서 산출한 비율만큼 유효폭 내에 균등하게 배치

② \(\beta\) = 장변/단변 = 6/4 = 1.5

\[ \gamma_s = \frac{\text{유효폭 내에 배치되는 철근량}}{\text{단변방향의 전체 철근량}} = \frac{2}{\beta+1} = \frac{2}{\frac{6}{4}+1} = \frac{2}{2.5} = 0.8 \]

\[ \therefore \text{유효폭 내에 배치되는 철근량} = 15,000 \times 0.8 = 12,000 \text{ mm}^2 \]

③ 장변방향의 철근은 폭 전체에 균등히 배치

[답] ②

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13.2.2 기초판 설계: 전단설계

4.2.2.2 전단력에 대한 설계 (KDS 14 20 70)

(1) 흙이나 암반에 지지된 기초판의 전단강도는 KDS 14 20 22(4.11)의 슬래브와 기초판에 대한 규정에 따라야 한다.

(2) 기둥, 주각 또는 벽체를 지지하는 기초판의 전단력에 대한 위험단면은 4.2.2.1(2)①에 규정된 위치를 기준으로 결정하여야 한다.

일방향 및 이방향 전단검토를 위한 위험단면 (ACI 318):

1방향 전단(보 전단): 기둥면에서 유효깊이 \(d\)만큼 떨어진 위치
2방향 전단(펀칭 전단): 기둥면에서 \(d/2\)만큼 떨어진 사각형 둘레 \(b_0 = 2(c_1+d) + 2(c_2+d)\)

[예제] 전단 위험단면 (2020년 토목기사)

[예제] 전단 위험단면 (2020년 토목기사)

아래 그림과 같은 독립확대기초(2,500mm×2,500mm, 기둥 550mm×550mm, 유효깊이 \(d\)=550mm)에서 1방향 전단에 대해 고려할 경우 위험단면의 계수전단력(\(V_u\))[kN]는?
(단, 계수하중 \(P_u\) = 1500 kN이다.)

(1) 255 (2) 387 (3) 897 (4) 1,210

[풀이] 계산 단위: kN, m

(1) 극한지지력(\(q_u\)) \[ q_u = \frac{P_u}{A} = \frac{1{,}500}{2.5 \times 2.5} = 240 \text{ kN/m}^2 \]

(2) 1방향 전단 검토 \[ V_u = q_u b \left(\frac{b-t}{2} - d\right) = 240 \times 2.5 \times \left(\frac{2.5 - 0.55}{2} - 0.55\right) = 255 \text{ kN} \]

[답] 1

[예제] 전단 위험단면 (2019년 공무원 9급)

[예제] 전단 위험단면 (2019년 공무원 9급)

그림과 같은 2방향 확대기초(2,000mm×2,000mm, 기둥 500mm×500mm, 유효깊이 \(d\)=500mm)에 자중을 포함한 계수하중 \(P_u\)＝1,600 kN이 작용할 때, 위험단면의 계수전단력 \(V_u\)[kN]는?
(단, KDS 콘크리트구조기준을 적용한다)

(1) 1,100 (2) 1,200 (3) 1,300 (4) 1,400

[풀이] 계산 단위: kN, m

(1) 극한지지력(\(q_u\)) \[ q_u = \frac{P_u}{A} = \frac{1{,}600}{2 \times 2} = 400 \text{ kN/m}^2 \]

(2) 2방향 전단(펀칭 전단) 검토 \[ V_u = q_u \left[A - (c+d)(c+d)\right] = 400 \times \left[2^2 - (0.5+0.5)^2\right] = 1{,}200 \text{ kN} \]

[답] 2

[예제] 전단 위험단면 (2018년 공무원 9급)

[예제] 전단 위험단면 (2018년 공무원 9급)

그림과 같은 2방향 확대기초(2,000mm×2,000mm, 기둥 550mm×550mm, 유효깊이 \(d\)=450mm)에서 계수하중 \(P_u\)＝1,000kN이 작용할 때, 위험단면에 작용하는 계수전단력 \(V_u\)[kN]는?
(단, 설계코드 KDS 콘크리트구조기준을 적용)

(1) 750 (2) 800 (3) 850 (4) 900

[풀이] 계산 단위: kN, m

(1) 극한지지력(\(q_u\)) \[ q_u = \frac{P_u}{A} = \frac{1{,}000}{2 \times 2} = 250 \text{ kN/m}^2 \]

(2) 2방향 전단(펀칭 전단) 검토 \[ V_u = q_u \left[A - (c+d)(c+d)\right] = 250 \times \left[2^2 - (0.55+0.45)^2\right] = 750 \text{ kN} \]

[답] 1

[예제] 전단 위험단면 (2017년 공무원 9급)

[예제] 전단 위험단면 (2017년 공무원 9급)

그림과 같은 확대기초(2,500mm×2,500mm, 기둥 500mm×500mm, 유효깊이 \(d\)=400mm)에 계수하중 \(P_u\)＝1,200kN이 작용할 때, 전단에 대한 위험단면의 둘레 길이 \(b_0\)[mm]는?
(단, KDS 콘크리트구조기준을 적용)

(1) 3,600 (2) 4,000 (3) 4,400 (4) 4,500

[풀이] 계산 단위: kN, m

2방향 전단(펀칭 전단) 검토 \[ b_0 = 4(c+d) = 4 \times (0.5 + 0.4) = 3.6 \text{ m} = 3{,}600 \text{ mm} \]

[답] 1

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13.2.2 기초판 설계: 철근 정착

4.2.2.3 기초판 철근의 정착 (KDS 14 20 70)

(1) 기초판의 철근정착은 KDS 14 20 52의 규정에 따라야 한다.

(2) 각 단면에서 계산된 철근의 인장력 또는 압축력이 단면의 양측에서 발휘될 수 있도록 묻힘길이, 표준갈고리나 기계적 장치 또는 이들의 조합에 의하여 철근을 정착하여야 한다.

(3) 철근정착에 대한 위험단면은 최대 계수휨모멘트에 대해 4.2.2.1(2)에 규정한 위험단면과 같은 위치로 가정하며, 단면이나 철근이 변하는 수직면도 위험단면으로 보아야 한다.

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13.2.3 기타

4.2.3 기둥, 벽체 또는 주각 밑면에서 힘의 전달

4.2.3.1 힘의 전달장치

(1) 기둥 또는 벽체 밑면에서 힘과 휨모멘트는 콘크리트의 지압과 철근, 다월철근 및 기계적연결장치에 의해 기초판에 전달시켜야 한다.

(2) 받침부재와 지지되는 부재 사이의 접촉면에서 콘크리트 지압응력은 KDS 14 20 20(4.7)에서 규정하는 콘크리트 지압강도를 초과할 수 없다.

(3) 받침부재와 지지되는 부재 사이의 철근, 다월철근 또는 기계적연결장치는 다음의 힘이 충분히 전달될 수 있어야 한다.

① 어느 한쪽 부재의 콘크리트 지압강도를 초과하는 모든 압축력

② 접촉면 사이의 인장력

4.2.3.2 현장치기콘크리트 시공에서 힘 전달

(1) 종방향 철근을 받침부재인 주각 또는 기초판까지 연장시키거나 다월철근으로 연결시켜야 한다.

(2) 현장치기콘크리트 기둥과 주각의 경우, 접촉면 사이의 철근 단면적은 지지되는 부재 단면적의 0.005배 이상으로 하여야 한다.

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13.4 종류

다음에 철근콘크리트 구조물의 기초를 분류하고 설명하였다. 이러한 종류의 기초를 선택하는 데는 다음 사항들을 고려하여야 한다.

(1) 현장 지반의 다양한 흙의 강도와 압축 저항력
(2) 기둥에 작용하는 축하중의 크기
(3) 지하수의 위치
(4) 지하층의 배치 여부
(5) 인접한 구조물의 기초 깊이

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13.4.1 독립기초(확대기초)

+ 독립기초 (isolated spread footing)

+ 단일 기둥을 지지하는 기초로서 정사각형, 직사각형 또는 간혹 원형의 평면을 가진다.

+ 각각의 기둥이 2방향으로 휘기 때문에 주철근을 기초판의 각 면에 평행하게 2방향 배치한다.

+ 일반적으로 허용지지력(즉, 지내력)이 \(f_c = 400\text{kN/m}^2\) 이상일 경우 경제적인 것으로 알려졌다. 허용지지력이 \(f_c = 400\text{kN/m}^2\) 이상이 확보되기 위해서는 최소한 지반 상태는 풍화암에서 연암 정도의 양질이어야 한다.

[예제] 연약지반 기초 (2022년 건축기사)

[예제] 연약지반 기초 (2022년 건축기사)

연약한 지반에 대한 대책 중 하부구조의 조치사항으로 옳지 않은 것은?

❶ 동일 건물의 기초에 이질 지정을 둔다.

② 경질지반에 기초판을 지지한다.

③ 지하실을 설치한다.

④ 경질지반이 깊을 때는 마찰말뚝을 사용한다.

[풀이]

하부구조의 조치:

경질지반에 기초판을 지지할 것
경질지반이 깊을 때는 마찰말뚝을 사용할 것
지하실을 설치할 것
동일건물의 기초에 이질지정을 두지 않을 것

[답] ①

[예제] 기초 종류 (2022년 공무원 9급 건축구조)

[예제] 기초 종류 (2022년 공무원 9급 건축구조)

건축물 기초구조에 대한 설명으로 옳은 것은?

① 기둥으로부터의 축력을 독립으로 지반 또는 지정에 전달하도록 하는 기초를 복합기초라고 한다.

② 2개 또는 그 이상의 기둥으로부터의 응력을 하나의 기초판을 통해 지반 또는 지정에 전달하도록 하는 기초를 독립기초라고 한다.

③ 상부구조의 광범위한 면적 내의 응력을 단일 기초판으로 연결하여 지반 또는 지정에 전달하도록 하는 기초를 줄기초라고 한다.

❹ 벽 또는 일련의 기둥으로부터의 응력을 띠모양으로 하여 지반 또는 지정에 전달하도록 하는 기초를 연속기초라고 한다.

[답] ④

[예제] 독립기초 (2019년 공무원 9급) — 최소응력

[예제] 독립기초 (2019년 공무원 9급)

그림과 같은 철근콘크리트 사각형 확대기초가 \(P\)＝120 kN, \(M\)＝40 kN·m를 받고 있다. 이때 확대기초에 발생하는 최소응력 \(q_{min}\)이 0이 되도록 하기 위한 길이 \(l\)[m]은? (단, 단위폭으로 고려한다)

(1) 2 (2) 3 (3) 4 (4) 5

[풀이] 계산 단위: kN, m \[ q_{min} = \frac{P}{A} - \frac{M}{S} = 0 \;\Rightarrow\; \frac{P}{A} = \frac{M}{S} \;\Rightarrow\; \frac{120}{l \times 1} = \frac{40}{\dfrac{1 \times l^2}{6}} \;\therefore\; l = 2 \text{ m} \]

[답] 1

[예제] 독립기초 (2019년 공무원 9급) — 최대응력

[예제] 독립기초 (2019년 공무원 9급)

그림과 같이 바닥판과 기둥의 중심에 수직하중 \(P\)＝600 kN과 휨모멘트 \(M\)＝36 kN·m가 작용할 때, 확대기초(3m×2m)에 발생하는 최대 응력[kN/m²]은?

(1) 106 (2) 112 (3) 123 (4) 158

[풀이] 계산 단위: kN, m \[ q_{max} = \frac{P}{A} + \frac{M}{S} = \frac{600}{3 \times 2} + \frac{36}{\dfrac{2 \times 3^2}{6}} = 100 + 12 = 112 \text{ kN/m}^2 \]

[답] 2

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13.4.2 연속기초

+ 연속기초 (strip footing; wall footing; 줄기초)

+ 내력벽을 지지하며 하중의 변화에 따라 계단형으로 된 연속기초도 있다.

+ 주철근은 기초의 방향에 연직한 짧은 길이방향으로 기초판의 바닥에 배치한다. 벽의 방향과 같은 방향으로는 온도나 건조수축 보강철근을 배치한다.

+ 벽식아파트와 같이 벽체를 지지하는 기초로 온통기초에 비하여 물량이 절감되는 효과는 있으나 상대적으로 시공이 불편하다.

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13.4.3 복합기초

+ 복합기초 (combined footing)

+ 2개 이상의 기둥을 지지한다. 직사각형 또는 사다리꼴의 평면으로 이어지는 기초보에 의해 연결된 독립기초를 말한다. 이 기초는 기둥의 간격이 좁아 기초판이 중첩되거나 한 방향 기초판의 길이가 대지 경계선을 침범하게 되는 경우에 사용된다.

+ 복합기초는 직사각형의 형태가 일반적이지만, 기둥하중의 크기가 다른 경우에 경제적으로 설계하기 위해서 또는 직사각형을 사용하기가 어려운 경우는 사다리꼴 모양의 복합기초를 사용하는 경우도 있다.

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13.4.4 온통기초

+ 온통기초 (mat footing)

+ 구조물의 모든 기둥들을 지지하는 연속기초로서 지반상태가 열악하거나 말뚝이 사용되지 않을 때 사용한다.

+ 이 기초는 기초의 넓이가 건축물 평면의 1/2을 초과할 경우에 사용되며, 온통기초를 사용하면 시공 시 거푸집을 제작·설치하는 비용을 절약할 수 있고 독립기초에 비하여 100% 정도의 부등침하를 감소시킬 수 있다.

+ 현장에서는 작업성이 좋으므로 시공자들이 선호하는 공법이나 콘크리트 물량이 많이 들어가는 단점으로, 근래에는 골조물량을 절감하는 차원에서 기둥 하부는 독립기초 형식으로 하고 기둥과 기둥 사이는 내수압 슬래브를 사용하여 독립기초와 온통기초를 혼합한 방식을 사용하여 일반적으로 콘크리트 물량은 40%, 철근물량은 20% 정도 절감한다. 여기서 부력에 대한 검토는 필수적이다.

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13.4.5 말뚝기초

+ 말뚝기초 (pile footing)

+ 지반의 허용지지력이 전달되는 하중을 견디지 못할 경우 사용된다.

+ 흙과 말뚝 사이의 마찰력으로 하중을 지지하게 하는 기초로서, 내력벽 또는 기둥 군을 지지하며, 내력벽 또는 기둥과 말뚝 사이에는 말뚝 캡(pile caps)을 두어 하중을 전달시킨다.

+ 말뚝의 종류로는 과거 나무말뚝에서부터 PHC(Prestressed spun High-strength Concrete) 말뚝, 강관말뚝 등이 많이 사용되며 축력이 큰 곳에는 EXT PILE, PDT PILE, PRD PILE, RCD PILE 등을 사용하여 파일의 개수를 절감할 수 있다.

Table 13.4.5 콘크리트 또는 충전재의 최소 설계기준압축강도 (KDS 41 19 00)
기초 요소 또는 조건	최소 설계기준 압축강도 \(f_{ck}\)(MPa)
1. 내진설계범주 A, B, C에 해당하는 구조의 기초	18
2a. 내진설계범주 'D'에 해당하는 경량골조 및 2층 이하 높이 구조	18
2b. 내진설계범주 'D'에 해당하는 2a에 규정하지 않은 이외 구조의 기초	21
3. 기성콘크리트파일	27
4. 천공정착피어	27
5. 마이크로파일	27
6. 프리스트레스트 기성콘크리트파일	35

[예제] 허용응력 (2021년 공무원 9급 건축구조)

[예제] 허용응력 (2021년 공무원 9급 건축구조)

말뚝재료의 허용응력에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 기성콘크리트말뚝의 허용압축응력은 콘크리트설계기준강도의 최대 1/4까지를 말뚝재료의 허용압축응력으로 한다.

❷ 기성콘크리트말뚝에 사용하는 콘크리트의 설계기준강도는 30 MPa 이상으로 하고, 허용지지력은 말뚝의 최소단면에 대하여 구하는 것으로 한다.

③ 현장타설콘크리트말뚝의 최대 허용압축하중은 각 구성요소의 재료에 해당하는 허용압축응력을 각 구성요소의 유효단면적에 곱한 각 요소의 허용압축하중을 합한 값으로 한다.

④ 강재말뚝의 허용압축력은 일반의 경우 부식부분을 제외한 단면에 대해 재료의 항복응력과 국부좌굴응력을 고려하여 결정한다.

[풀이] 기성콘크리트말뚝에 사용하는 콘크리트의 설계기준강도는 27 MPa 이상으로 한다(표 4.1-1 참조).

[답] ②

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13.4.6 부력방지 시스템

기초하부에는 대부분 물이 흐르고 있어 상부에서 하중이 작용하면 그에 상응하는 물에 의한 하중인 '부력(浮力; buoyancy)'이 상부로 작용한다. 부력이 작용하고 상부하중이 부력보다 작으면 구조물은 부상하게 되어 최하층 바닥판을 파괴시키거나 수직부재인 기둥과 벽체에 큰 압축력으로 작용하여 수직부재의 압축파괴가 발생되는 경우가 있다.

Table 13.4.6 부력방지 공법 비교
구분	부력앵커	영구배수	고정하중
개요	구조물 자중과 양압력 차이 만큼 앵커 설치	기초지반으로 침투유입하는 지하수를 배수하여 양압력을 감소	구조물 자중이 양압력보다 크도록 계획
장점	가장 확실한 방법 기초나 지중보에 작용하는 모멘트 감소효과	굴착심도가 작아 상대적으로 공사비와 공기에서 유리 시공이 간편	양압력이 작거나 구조물 규모가 작은 경우 경제적
단점	앵카 공사비, 공기 증가 장기간 사용으로 강선부식, 응력이완 우려	정전이나 펌프고장 대비 필요 유지관리비용 소요	굴착깊이 증가로 공사비, 공기 불리 양압력이 크거나 구조물이 큰 경우 적용 불가
적용성	중요구조물 (양압력 크기가 큰 경우)	양압력의 크기가 작은 규모	소구조물

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과제

[도면] 직접기초

5.1 직접기초

[Note]

침하를 고려한 허용지내력은 설계도서에 명시된 설계허용지내력(\(f_e\)) 이상이어야 한다.
설계허용지내력이 부족한 경우, 또는 \(f_e\) 이상이지만 서로 다른 경우 책임구조기술자와 협의한다.
기초 내부 시공용 횡방향 철근은 책임구조기술자의 판단에 따른다.
기초철근이 인장철근정착길이가 부족한 경우 90° 표준갈고리를 갖는 인장철근 정착길이를 확보한다.
기초와 기초보 및 슬래브를 일체로 하기 위한 보강상세는 책임구조기술자의 확인을 받아야 한다.

KDS 14 20 70 : 2021 콘크리트 슬래브와 기초판 설계기준

(5) 기초판 윗면부터 하부철근까지 깊이는 직접기초의 경우는 150mm 이상, 말뚝기초의 경우는 300mm 이상으로 하여야 한다.

5.2 PHC 말뚝기초

[Note]

침하를 고려한 허용지내력은 설계도서에 명시된 설계허용지내력(\(f_p\)) 이상이어야 한다. (KDS 14 20 00 1.3) 매입말뚝은 재하시험을 실시하여 허용지내력 확인 후 시공한다. (KDS 14 20 00 4.4.2.2)
지반침하가 예상되는 15m 이상 압밀층을 관통하는 지지말뚝은 부마찰력을 검토해야 한다. (KDS 14 20 00 4.4.8)
표기되지 않은 PILE 중심간격은 타입말뚝의 경우 2.5D 이상 또는 750mm 이상 (KDS 14 20 00 4.4.10.2), 매입말뚝은 2.0D 이상으로 한다. (KDS 14 20 00 4.4.10.5)
기초 내부 시공용 횡방향 철근은 책임구조기술자의 판단에 따른다.
기초와 기초보 및 슬래브를 일체로 하기 위한 보강상세는 책임구조기술자의 확인을 받아야 한다.
말뚝두부 상세는 책임구조기술자의 승인을 득한 후 시공한다.

[Excel 예제 8.1] 정방형 기초

[Excel 예제 8.1] 정방형 기초

[참조] 이영욱, 송진규, 엑셀을 이용한 철근콘크리트 설계, 동화기술, 2012

다음과 같은 조건에 대하여 정방형 기초를 설계하여라.

사용재료: \(f_{ck}\) = 27MPa, 철근 D16, \(f_y\) = 400MPa
피복두께: 60mm
기둥의 단면: 500 × 500
허용지내력: \(f_E\) = 200kN/m²
하중: 고정하중 \(P_D\) = 1,000kN, 활하중 \(P_L\) = 400kN

[풀이] 단위: N, mm → MPa

1. 사용재료 \(f_{ck}\) = 27MPa, 철근 D16, \(f_y\) = 400MPa, 허용지내력 \(f_E\) = 200kN/m²

2. 하중 \[ P_s = P_D + P_L = 1{,}000 + 400 = 1{,}400 \text{ kN} \] \[ P_u = 1.2P_D + 1.6P_L = 1.2 \times 1{,}000 + 1.6 \times 400 = 1{,}840 \text{ kN} \]

3. 기둥 단면: \(b \times h\) = 500mm × 500mm, 주철근 D16, 피복두께 \(c_c\) = 60mm

4. 기초 크기 \[ D_{req} = \sqrt{\frac{P_s}{f_E}} = \sqrt{\frac{1{,}400}{200}} = 2.65 \text{ m} \;\Rightarrow\; D = 2.7 \text{ m} \] \[ w_u = \frac{P_u}{D^2} = \frac{1{,}840}{2.7^2} = 252 \text{ kN/m}^2 \]

5. 일면전단 검토

기초춤 \(h\) = 800mm, 유효깊이 \(d\) = 800 − 60 − 1.5 × 15.9 = 716.2mm \[ V_{u1} = w_u \left(\frac{B}{2} - \frac{b}{2} - d\right) D = 252 \times \left(\frac{2.7}{2} - \frac{0.5}{2} - 0.8\right) \times 2.7 = 262 \text{ kN} \] \[ \phi V_n = \phi \frac{1}{6} \lambda \sqrt{f_{ck}} \cdot D \cdot d = 0.75 \times \frac{1}{6}\sqrt{27} \times 2.7 \times 0.716 = 1{,}256 \text{ kN} > V_{u1} \quad \text{(O.K)} \]

6. 뚫림전단 검토 \[ b_0 = 2(b+d+h+d) = 2(0.5+0.716+0.5+0.716) = 4.86 \text{ m} \] \[ V_{u2} = w_u \left[BD - (b+d)(h+d)\right] = 252 \times \left[2.7^2 - (0.5+0.716)^2\right] = 1{,}467 \text{ kN} \] \[ \phi V_n = 1{,}476 \text{ kN} > V_{u2} \quad \text{(O.K)} \]

7. 휨설계 \[ l = \left(2.7 - \frac{0.5}{2}\right)/2 = 1.1 \text{ m} \] \[ M_u = \frac{w_u l^2}{2} D = 412.3 \text{ kN·m} \] \[ \phi M_n = 1{,}043 \text{ kN·m} > M_u \quad \text{(O.K)} \]

8. 정착검토: 필요 정착길이 \(l_{d,req}\) = 735.4mm, 정착길이 \(l_d\) = 1,100mm (O.K)

[Excel 예제 8.2] 장방형 기초

[Excel 예제 8.2] 장방형 기초

[참조] 이영욱, 송진규, 엑셀을 이용한 철근콘크리트 설계, 동화기술, 2012

다음과 같은 조건에 대하여 장방형 기초를 설계하여라.

사용재료: \(f_{ck}\) = 35MPa, 철근 D16, \(f_y\) = 400MPa
피복두께: 60mm
기둥의 단면: 800 × 800
허용지내력: \(f_E\) = 300kN/m²
하중: 고정하중 \(P_D\) = 1,500kN, 활하중 \(P_L\) = 800kN
기초의 단변폭(\(D\))은 2.1m로 제한

[풀이] 단위: N, mm → MPa

(1) 장방형 기초: 장변

사용하중 \(P_s\) = 2,300 kN, 계수하중 \(P_u\) = 3,080 kN
가로폭 \(B\) = 3.7m (결정), 세로폭 \(D\) = 2.1m
기초춤 \(h\) = 900mm, 유효깊이 \(d\) = 832mm
일면전단 \(\phi V_n\) = 12,921 kN > \(V_{u1}\) = 514 kN (O.K)
뚫림전단 \(\phi V_n\) = 2,412 kN > \(V_{u2}\) = 2,024 kN (O.K)
장변 휨설계: \(l\) = 1.45m, \(M_u\) = 875.1 kN·m, 최종배근 20-D16

(2) 휨설계: 장변 — 유효폭 내 배근비 72.4%, 유효폭 내 22개

(3) 장방형 기초: 단변

단변 전단: \(\phi V_n\) = 1,960 kN > \(V_{u1}\) = −97 kN (O.K)
뚫림전단: \(\phi V_n\) = 2,189 kN > \(V_{u2}\) = 2,169 kN (O.K)

(4) 휨설계: 단변 — \(l\) = 0.65m, \(M_u\) = 309.8 kN·m, 최종배근 30-D16

\(\beta\) = 1.8, 유효폭 내 배근비 72.4%, 유효폭 내 22개, 유효폭 외 4+4개

정착길이 \(l_d\) = 650mm > 필요 정착길이 645mm (O.K)

(5) 배근도: 3,700mm×2,100mm 기초, 장변방향 19-D16, 단변방향 유효폭 내 22-D16 + 유효폭 외 4+4-D16

[Excel 예제 8.3] 말뚝기초

[Excel 예제 8.3] 말뚝기초

[참조] 이영욱, 송진규, 엑셀을 이용한 철근콘크리트 설계, 동화기술, 2012

다음과 같은 조건에 대하여 정방형 기초를 설계하여라.

사용재료: \(f_{ck}\) = 27MPa, 철근 D16, \(f_y\) = 400MPa
피복두께: 60mm
기둥의 단면: 500 × 500
허용지내력: \(f_E\) = 200kN/m²
하중: 고정하중 \(P_D\) = 1,000kN, 활하중 \(P_L\) = 400kN

[풀이] 단위: N, mm → MPa

(1) 말뚝기초

말뚝 허용지지력 \(P_{pile}\) = 400 kN/ea, 말뚝직경 \(\phi\) = 0.4m
말뚝간격 \(a\) = 1.20m, 기초판크기 \(D\) = 1.80m, 말뚝개수 N = 4ea
계수반력 \(R_{pile}\) = 460 kN/ea
기초춤 \(h\) = 70cm, 유효깊이 \(d\) = 61.6cm
일면전단: 반력 파일개수 2ea, \(V_{u1}\) = 920 kN → 보정 \(V_{u1}\) = 423 kN, \(\phi V_n\) = 720 kN (O.K)
기둥 뚫림전단: \(b_0\) = 4.46m, \(V_{u2}\) = 917 kN, \(\phi V_n\) > \(V_u\) (O.K)

(2) 휨설계

최종 배근: 주철근 D16, 각 방향 13-D16

(3) 배근도: 1,800mm×1,800mm 기초판, 13-D16(각방향), 말뚝 4ea (1,200mm×1,200mm 배치)

[KCI 예제] 제12장 기초

[KCI 예제] 제12장 기초

[참조] 한국콘크리트학회, 콘크리트구조 학회기준 예제집, 기문당, 2020.12.

예제 12.1 기초판 설계 — 면적 결정

예제 12.2 기초판 설계 — 두께 결정

예제 12.3 기초판 설계 — 철근 배치

예제 12.4 기초판 설계 — 기둥 하단의 지압력 검토

예제 12.5 말뚝 기초판(Pile Cap) 설계

예제 12.6 무근콘크리트 독립 기초판 설계

예제 12.7 캔틸레버 확대기초 설계

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