(1) 건축구조물의 구조설계에 적용되는 설계하중은 다음과 같으며, 각 설계하중에 대한 사항은 2부터 11까지의 규정에 따른다.
➀ 고정하중 \( (D) \)
➁ 활하중 \( (L) \)
➂ 지붕활하중 $ (L_r) $
지붕면에 일시적으로 작용하는 가변하중으로, 지붕의 유지보수, 점검, 시공 중 작업자 및 장비 등에 의해 발생하는 하중
[Note]
KBC(한국건축구조기준): 일반적으로 \( \color{blue}{ 1.0 \; \rm{kN/m^2} } \) 수준
ASCE 7 (미국): 경사도와 면적에 따라 \( \color{blue}{ 1.0 \sim 2.0 \; \rm{kN/m^2} } \) 수준
➃ 설하중 \( (S) \)
[Note]
최소 지상 적설하중 = \( \color{blue}{ 0.5 \; \rm{kN/m^2} } \)
➄ 풍하중 \( (W) \)
➅ 지진하중 \( (E) \)
➆ 지하수압∙토압, 분말 및 입자형 재료의 횡압력 \( (H) \)
➇ 온도하중 \( (T) \)
➈ 유체압 \( (F) \) 및 용기내용물하중 \( (F \) 또는 \( H) \)
➉ 홍수하중 \( (F_a) \)
⑪ 운반설비 및 부속장치 하중 \( (M) \)
⑫ 강우하중 \( (R) \)
⑬ 시공하중 \( (C) \)
⑭ 파랑하중 \( (W_a) \)
⑮ 기타 하중
1.7 하중조합
(1) 건축구조물은 이 장에서 규정한 하중을 기본으로 다음의 하중조합에 의한 하중효과에 저항하도록 설계하여야 한다.
(2) 다음의 하중조합에서 고정하중 외의 하중에 대해서는 하나 또는 그 이상의 하중이 작용하지 않을 경우도 검토하여야 한다.
(3) 구조재료에 따라 별도로 규정한 하중조합이 있는 경우에는 그 규정에 따라야 한다.
※ MIDAS-Gen 하중조합
Results > Load Combination
탭명
접두어
용도
General
gLCB
일반 해석결과 확인 (변위, 반력 등)
Steel Design
sLCB
철골부재 강도설계용
Concrete Design
cLCB
RC/PC부재 설계용
SRC Design
srcLCB
철골철근콘크리트 합성부재 설계용
※ MIDAS-Gen 강도비(Strength Ratio) 검토
Results에서 오른쪽 마우스를 클릭한 후,
Design > Steel Design Results: Ratio by Components
File > Graphic Files: emf로 저장 후, png로 변환
1.7.1 강도설계법 또는 한계상태설계법의 하중조합
(1) 강도설계법 또는 한계상태설계법으로 구조물을 설계하는 경우에는 다음의 하중조합으로 소요강도를 구하여야 한다.
\( 1.4 (D + F) \) (1.7-1)
\( 1.2 (D + F + T) + 1.6 L + 0.5 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-2)
\( 1.2 D + 1.6 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) + (1.0 L \) 또는 \( 0.5 W) \) (1.7-3)
\( 1.2 D + 1.0 W + 1.0 L + 0.5 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-4)
\( 1.2 D + 1.0 E + 1.0 L + 0.2 S \) (1.7-5)
\( 0.9 D + 1.0 W \) (1.7-6)
\( 0.9 D + 1.0 E \) (1.7-7)
(2) 주차장과 공공집회 장소를 제외하고 기본분포활하중이 5.0kN/m² 이하인 용도에 대해서는 식 (1.7-3), 식 (1.7-4) 및 식 (1.7-5)에서 활하중 \( L \)에 대한 하중계수를 0.5로 감소할 수 있다.
(3) 지하수압·토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력에 의한 하중 \( H \)가 존재할 때는 다음의 하중계수를 적용하여 조합하여야 한다.
① \( H \)가 단독으로 작용하거나 \( H \)의 하중효과가 다른 하중효과를 증대하는 경우에는 하중계수를 1.6으로 하여야 한다.
② \( H \)의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0.9로 하여야 한다.
③ \( H \)의 하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0으로 하여야 한다.
(4) 별도 요구가 있는 경우 시공하중에 대한 하중조합 11.2를 (1)에 추가하여 고려한다.
1.7.2 허용응력설계법 또는 허용강도설계법의 하중조합
(1) 허용응력설계법으로 구조물을 설계하는 경우에는 다음의 하중조합으로 작용응력을 구하여야 한다.
\( D + F \) (1.7-8)
\( D + F + L + T \) (1.7-9)
\( D + F + (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-10)
\( D + F + 0.75 (L + T) + 0.75 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-11)
\( D + F + (0.65 W \) 또는 \( 0.7 E) \) (1.7-12)
\( D + F + 0.75 (0.65 W \) 또는 \( 0.7 E) + 0.75 L + 0.75 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-13)
\( 0.6 D + 0.65 W \) (1.7-14)
\( 0.6 D + 0.7 E \) (1.7-15)
(2) 지하수압·토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력에 의한 하중 \( H \)가 존재할 때는 다음의 하중계수를 적용하여 조합하여야 한다.
① \( H \)가 단독으로 작용하거나 \( H \)의 하중효과가 다른 하중효과를 증대하는 경우에는 하중계수를 1.0으로 하여야 한다.
② \( H \)의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0.6으로 하여야 한다.
③ \( H \)의 하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우에는 하중계수를 0으로 하여야 한다.
(3) 이 하중조합을 사용할 경우에는 허용응력을 증대하여 설계할 수 없다.
(4) 별도 요구가 있는 경우 시공하중에 대한 하중조합 11.2를 (1)에 추가하여 고려한다.
1.7.3 돌발하중에 대한 하중조합
(1) 건축구조물이 화재, 폭발, 차량충돌 등에 의한 돌발하중에 저항하여 비비례붕괴를 방지하도록 강도와 안정성을 확보하기 위해서는 다음의 하중조합을 사용하여 검토한다.
\( (0.9 \) 또는 \( 1.2) D + A_k + 0.5 L + 0.2 S \) (1.7-16)
여기서, \( A_k \) = 돌발사고 \( A \)에 의한 하중
(2) 돌발하중에 의하여 손상을 입은 구조물의 잔존저항능력은 책임구조기술자가 식별하여 선정한 구조요소를 가상적으로 제거하고, 다음의 하중조합으로 평가한다.
\( (0.9 \) 또는 \( 1.2) D + 0.5 L + 0.2 (L_r \) 또는 \( S \) 또는 \( R) \) (1.7-17)
{Q} 정토압 및 지진토압의 하중계수는?
건축구조기준 (KDS 41 12 00)에 따라 정토압 및 지진토압에 적용되는 하중계수는 다음과 같다. 지진토압은 지진하중(\(E\))에 포함되며, 정토압은 횡압력(\(H\))에 해당된다.
1) 정토압 (횡압력, \( H \))의 하중계수
정토압은 지하수압·토압 또는 분말 및 입자형 재료의 횡압력($H$)으로 분류되며, 그 하중효과가 다른 하중효과를 증대시키는지 상쇄시키는지에 따라 하중계수가 다르다.
설계법
\(H\)의 하중효과
하중계수
강도설계법
\(H\)가 단독으로 작용하거나 다른 하중효과를 증대하는 경우
1.6
\(H\)의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우
0.9
허용응력설계법
\(H\)가 단독으로 작용하거나 다른 하중효과를 증대하는 경우
1.0
\(H\)의 하중효과가 영구적이면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우
0.6
공통
\(H\)의 하중효과가 영구적이지 않으면서 다른 하중효과를 상쇄하는 경우
0
2) 지진토압 (지진하중, \( E \))의 하중계수
지진토압은 지진하중(\(E\))의 구성 요소로 간주되어, 하중조합에 사용되는 \(E\)의 하중계수를 따른다.
강도설계법: 지진하중 \(E\)에 대한 하중계수는 1.0이다(식 1.7-5, 1.7-7).
허용응력설계법: 지진하중 \(E\)에 대한 하중계수는 0.7이다(식 1.7-12, 1.7-13, 1.7-15).
[참고] 교량 설계 하중조합(KDS 24 12 11)에서는 극단상황 I 조합 시 지진하중(\(EQ\))에 1.00의 하중계수를 적용한다.
(1) 이 절은 구조물 및 부재 설계를 위한 하중조합과 특별지진하중을 규정한다. 또한 지진하중의 방향과 수직지진력의 영향을 고려하여 설계지진력을 결정하는 방법을 규정한다.
8.1.2 하중조합
8.1.2.1 강도설계
(1) 강도설계 또는 한계상태설계를 수행하는 경우 지진하중을 포함하는 하중조합은 KDS 41 10 15 건축구조기준 설계하중의 1.5 하중조합을 따른다.
8.1.2.2 허용응력설계
(1) 허용응력설계를 수행하는 경우 지진하중을 포함하는 하중조합은 KDS 41 10 15 건축구조기준 설계하중의 1.5 하중조합을 따른다.
8.1.2.3 특별지진하중
(1) 필로티 등과 같이 전체 구조물의 불안정성으로 붕괴를 일으키거나 지진하중의 흐름을 급격히 변화시키는 주요부재와 이를 지지하는 해당 위치의 수직부재 설계에는 지진하중을 포함한 하중조합에 일반 지진하중 \( (E) \) 대신 특별지진하중 \( (E_m) \)을 사용하여야 한다.
\( E_m = \Omega_0 E \pm 0.2 S_{DS} D \) (8.1-1)
여기서, \( \Omega_0 \)는 표 6.2-1에서 정한 시스템초과강도계수, \( S_{DS} \)는 4.2에서 정의한 단주기설계스펙트럼가속도, \( D \)는 고정하중이다.
단, \( \Omega_0 E \)는 지진력저항 시스템에서 다른 부재의 내력에 의해 전달될 수 있는 최대하중을 초과할 필요는 없다.
[해설]
이 내진설계기준에서는 구조물의 비탄성변형능력과 초과보유강도(설계강도보다 큰 실제 보유강도)를 고려하여 구조물의 탄성거동 시 발생할 수 있는 관성력보다 작은 지진하중에 대해 설계할 수 있도록 허용하고 있다. 이러한 탄성변형능력을 고려한 하중을 적용하기 위해서는 구조물에 소성변형이 수평적·수직적으로 고르게 분포하여 큰 비탄성변형에서도 국부적인 취성파괴 없이 연성능력을 발휘하여야 한다. 그러나 구조시스템 강성이나 강도 분포가 수평적·수직적으로 크게 변화하는 경우에는 지진 발생 시 취약한 구조부재에 비탄성변형이 집중적으로 일어날 수 있다. 이로 인하여 취성파괴가 발생할 수 있으며, 요구되는 비탄성변형능력을 기대할 수 없다. 이러한 취성파괴를 방지하기 위해서는 강도나 강성이 급격히 변화하는 부분에 위치한 부재를 다른 부재보다 상대적으로 큰 지진하중으로 설계함으로써 해당 부재가 탄성상태(또는 심각한 손상이 없는 상태)에서 지진하중을 전달하도록 하는 것이 바람직하다. 이 지진하중을 특별지진하중이라고 정의한다.
취성파괴의 가능성이 있는 부재가 탄성상태에서 하중을 지지하기 위해서는 연결된 다른 부재 또는 접합부의 최대하중지지하능력에 의하여 전달되는 하중이 해당 부재가 지지할 수 있어야 한다. 이때 구조시스템의 초과강도에 의하여 일반지진하중 또는 하중이 구조시스템에 발생할 수 있으므로 취약부재의 특별지진하중은 일반지진하중에 초과강도를 반영한 \( \Omega_0 E \)로 산정하여야 한다.
구조물의 초과강도를 구체적으로 고려하여야 하는 경우로는 수직비정형성을 유발하는 불연속적인 가새골조나 전단벽 하부를 지지하는 보, 기둥 등이 있다. 가새골조와 전단벽의 초과강도는 이러한 기둥 등에 취성적인 좌굴파괴를 유발할 수 있고, 이는 구조물 붕괴로 이어질 수 있다. 이 절에서 특별히 언급하지는 않았지만 연속되지 않은 횡력저항요소의 하부 전이구조(transfer structure) 설계, 그리고 전단벽과 가새골조 등의 어긋남을 구조적으로 보완할 수집재(collector element) 설계는 반드시 주변부재의 초과강도를 고려한 특별지진하중을 사용하여 설계하여야 한다.
{Q} 전이구조(전이보)에 대한 검토사항은?
전이보는 깊은보(Deep Beam)에 대한 검토가 필요하다.
→ 깊은보의 검토는 비선형 변형률을 반영한 구조해석 또는 스트럿-타이모델 등을 통한 구조해석을 바탕으로 구조설계 해야 한다.
벽체가 편심으로 배치되거나 보가 걸치는 전이보는 비틀림의 영향을 구조설계에 반영해야 한다.
→ 전이보가 상부벽체 위치로 인하여 발생하는 비틀림 하중을고려하며, 필요시 비틀림방지용보(TG0)를 추가하여 반영한다.
폭이 넓은 전이보와 하부기둥의 접합에 대하여 하부기둥의 단면크기, 기둥철근의 이음, 전이보 철근정착 등을 고려하여
실제배근 및 콘크리트 타설이 가능한지 검토하고 실제현장에서 배근이 가능한 수준으로 접합상세가 제시되어야 한다.
→ 전이기둥보다 전이보의 폭이 넓은 경우의 상세도를 추가하여 현장에서 배근가능 하도록 반영한다.
\( \chi \) : 성능수준에 따른 보정계수, \( J \)의 값으로 DCR의 최소치를 택한 경우 1.0으로 하고, 그렇지 않을 경우 붕괴방지 성능수준에 대해서는 1.0, 인명안전 혹은 거주가능에 대해서는 1.3을 사용
\( J \)는 고려하는 부재의 하중이 횡하중 저항시스템 내의 부재로부터 전달될 때 그 횡하중 저항시스템 부재의 항복에 의해 전달되는 하중이 감소되는 효과를 나타낸다. \( J \)의 값은 하중전달경로상 부재의 DCR 중 최소값으로 하거나, 지진구역 1일 경우 2.0, 지진구역 2일 경우 1.5로 하며, 거주가능 수준의 검토를 위해서는 1.0으로 본다. 하중을 전달하는 횡하중 저항시스템 내의 부재가 항복하지 않을 경우 1.0으로 본다.
[해설]
힘지배거동인 부재력은 극한해석(limit analysis)의 개념을 사용하여 직접적으로 구할 수도 있다. 즉 인접부재의 항복강도를 통해 그 부재에 전달될 수 있는 최대힘을 직접 계산하는 것이다. 예를 들어, 가새접합부에 작용하는 부재력은 가새의 좌항 강도를 넘을 수 없으며, 보의 전단력은 중력에 의한 전단력이나 지진하중에 의해 보단부가 항복할 때 발생하는 전단력을 더한 값을 넘을 수 없다. 모멘트 골조에서 기둥의 축력은 그 기둥이 지지하고 있는 보들의 최대전단력을 합한 값이다.
만약 힘지배거동이 발생하기 전에 변형지배거동이 발생한다면 파괴는 발생하지 않는다. 그 이유는 변형지배 부재의 항복이 힘지배 부재에 전달될 수 있는 부재력의 크기를 제한하기 때문이다.
힘지배거동인 부재력과 변형은 식 (4.2.12) 및 (4.2.13)과 같이 의사지진력에 의한 부재력과 변형을 \( C J \) 혹은 \( C \)로 나누어 평가한다. 식에서 설계지진력을 \( C \)로 나누는 것은 비탄성범위를 계산하기 위해 중축되었던 설계지진력을 부재력 계산을 위해 다시 저감시키기 위함이다. 식 (4.2.12)는 인접부재의 항복이 선행하는 경우 힘지배 부재에 전달되는 하중의 최대크기가 한정된 것을 고려하기 위해 \( J \)를 사용하여 설계지진력을 저감시키는 것이다.
ASCE 41-17에서는 인명안전 혹은 거주가능 성능수준평가 시 힘지배거동이 붕괴에 대해 충분한 안전성을 가지도록 하기 위해 보정계수 \( \chi \)를 추가하였다.
(1) 철근콘크리트 구조물을 설계할 때는 아래에 제시된 하중계수와 하중조합을 모두 고려하여 해당 구조물에 작용하는 최대 소요강도에 대하여 만족하도록 설계하여야 한다.
\[ U=1.4(D+F) \tag{4.2-1} \]
\[ U=1.2(D+F+T)+1.6(L+\alpha_{H}H_{v}+H_{h})+0.5(L_{r} \text{ 또는 } S \text{ 또는 } R) \tag{4.2-2} \]
\[ U=1.2D+1.6(L_{r} \text{ 또는 } S \text{ 또는 } R)+(1.0L \text{ 또는 } 0.65W) \tag{4.2-3} \]
\[ U=1.2D+1.3W+1.0L+0.5(L_{r} \text{ 또는 } S \text{ 또는 } R) \tag{4.2-4} \]
\[ U=1.2(D+H_{v})+1.0E+1.0L+0.2S+(1.0H_{h} \text{ 또는 } 0.5H_{h}) \tag{4.2-5} \]
\[ U=1.2(D+F+T)+1.6(L+\alpha_{H}H_{v})+0.8H_{h}+0.5(L_{r} \text{ 또는 } S \text{ 또는 } R) \tag{4.2-6} \]
\[ U=0.9(D+H_{v})+1.3W+(1.6H_{h} \text{ 또는 } 0.8H_{h}) \tag{4.2-7} \]
\[ U=0.9(D+H_{v})+1.0E+(1.0H_{h} \text{ 또는 } 0.5H_{h}) \tag{4.2-8} \]
다만, \(\alpha_{H}\)는 연직방향 하중 \(H_{v}\)에 대한 보정계수로서, \(h \le 2 \, \text{m}\)에 대해서 \(\alpha_{H}=1.0\)이며, \(h > 2 \, \text{m}\)에 대해서 \(\alpha_{H}=1.05-0.025h \ge 0.875\)이다.
(2) 차고, 공공집회 장소 및 \(L\)이 \(5.0 \, \text{kN/m}^2\) 이상인 모든 장소 이외에는 식 (4.2-3), (4.2-4) 및 (4.2-5)에서 \(L\)에 대한 하중계수를 0.5로 감소시킬 수 있다.
(3) 구조물에 충격의 영향이 있는 경우 활하중(\(L\))을 충격효과(\(I\))가 포함된 \((L+I)\)로 대체하여 상기 식들을 적용하여야 한다.
(4) 부등침하, 크리프, 건조수축, 팽창콘크리트의 팽창량 및 온도변화는 사용구조물의 실제적 상황을 고려하여 계산하여야 한다.
(5) 포스트텐션 정착부 설계에 있어서 최대 프리스트레싱 강재의 긴장력에 대하여 하중계수 1.2를 적용하여야 한다.
※ 기호의 정의 (4.2.2 관련)
\(U\): 계수하중 또는 이에 의해서 생기는 단면에서 저항하여야 할 소요강도
\(D\): 고정하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(F\): 유체의 밀도를 알 수 있고, 저장 유체의 높이를 조절할 수 있는 유체의 중량 및 압력에 의한 하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(L\): 활하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(L_{r}\): 지붕활하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(S\): 적설하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(R\): 강우하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(W\): 풍하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(E\): 지진하중 또는 그에 의해서 생기는 단면력
\(H_{h}\): 흙, 지하수 또는 기타 재료의 횡압력에 의한 수평방향 하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
\(H_{v}\): 흙, 지하수 또는 기타 재료의 자중에 의한 연직방향 하중 또는 이에 의해서 생기는 단면력
