4장 설계방법 - PS 콘크리트

4.1.1 구조설계 절차

▪ 구조설계란?

슬래브, 보, 기둥 및 기초 등 개별적인 구조요소를 통합하여 구조물의 뼈대를 구성하는 것을 구조설계라고 한다. 이를 위해 수행하는 다음과 같은 일련의 과정을 "구조설계(structural design)"라고 한다.

구조계획 (structural planning)
하중분석 (load analysis)
구조해석 (structural analysis)
부재설계 (member design)

▪ 구조설계 vs 건축설계

구조설계의 과정도 건축설계와 마찬가지로 다음과 같이 구분한다:

계획설계 (SD, Schematic Design)
기본설계 (DD, Design Development)
실시설계 (CD, Construction Design)

우리나라 현실은 건축설계가 완료된 시점에서 구조설계자가 참여하는 경우가 많고, 실제로 구조설계자가 구조설계가 아닌 "구조계산(structural calculation)"을 하는 실정이다.

▪ 구조설계 절차 (7단계)

1구조형태의 선정

구조물의 용도, 기능, 규모, 미적인 요구조건을 고려
특히 "횡력저항시스템(lateral load resisting system)"에 대하여 신중히 고려
고려사항: 경제성, 안전성, 사용성, 내구성, 환경성

2설계하중의 계산

구조물에 작용하는 하중을 고려
"하중배치도(load map)" 작성
하중 종류: 고정하중, 활하중, 풍하중, 지진하중, 적설하중, 토압/수압, 시공하중 등

3부재응력과 소요강도의 계산

계수하중(factored load): 구조물의 안전성과 연관
사용하중(service load): 구조물의 사용성과 연관
가장 불리한 경우에 대하여 설계

4부재 단면과 보강방법의 결정

1) 허용응력설계법 (WSD):

부재응력 ≤ 허용응력

2) 강도설계법 (USD):

소요강도 (Required Strength, 예: M_u = γM) ≤ 설계강도 (Design Strength, 예: φM_n)

3) 한계상태설계법 (LSD):

부재 응답 (예: 응력, 변위) ≤ 한계 상태

5구조성능의 검토

축방향력, 전단력, 휨모멘트, 비틀림 등의 응력(또는 강도) 검토
처짐 및 진동과 같은 사용성 검토
만족하지 못하는 경우 단계 1~4 반복

6최종 검토

구조적인 적합성 검토
설비 등과 간섭 확인
최종 협의를 통하여 결정

7구조계산서 작성

구조설계 일련의 과정을 종합하여 구조계산서(Structural Design Report) 작성

구조설계의 개요
각 층의 구조평면도 및 구조단면도
부재설계 목록
설계하중
사용성 검토
구조해석 데이터
부재설계 데이터
부록 (관련 도면, 지질조사 보고서, 하중배치도)

4.1.2 설계기준

□ 국가건설기준: KDS 00 00 00

▷ 국가건설기준센터 (https://www.kcsc.re.kr/)

[그림 4.1.2 국가건설기준센터 웹사이트]

국토교통부는 기존 51종의 국가건설기준 체계를 2016년 7월부터 코드체계로 전환했다. 이 코드체계는 설계기준(KDS)과 표준시방서(KCS)로 구분되며, 공종별 세부내용에 따라 체계적으로 분류하고 총 6자리의 숫자를 부여하여 관리·이용의 효율성을 극대화할 수 있는 체계이다.

(2) 주요 KDS 코드

KDS 14 00 00 구조설계기준 (콘크리트 및 강구조)
KDS 17 10 00 내진설계 일반
KDS 21 00 00 가설설계기준
KDS 24 00 00 교량설계기준
KDS 27 10 00 터널설계기준
KDS 29 10 00 공동구 설계 일반
KDS 41 00 00 건축구조기준
KDS 47 00 00 철도설계기준

기존 설계기준		→	설계기준 코드 (KDS)
콘크리트구조 설계기준	2012	→	KDS 14 20 00	콘크리트구조 설계기준
건축구조기준	2009	→	KDS 41 00 00	건축구조기준
도로교설계기준	2015	→	KDS 24 00 00	교량설계기준

4.2.1 허용응력설계법 (ASD, Allowable Stress Design)

□ 개요

콘크리트는 0.5f_ck 이하의 낮은 응력 하에서는 탄성거동을 한다
철근은 항복점 이하의 응력에서는 완전히 탄성적이다
철근콘크리트 구조물은 사용하중이 작용하는 보통의 사용상태에서는 철근콘크리트를 탄성체로 보고 탄성이론으로 해석 가능

[그림 4.2.1a 콘크리트의 탄성거동과 0.5f_ck]

[그림 4.2.1b 철근콘크리트 보의 거동과 허용응력설계에서 가정한 보의 단계 II]

▷ 기본 가정

베르누이 가정: 변형은 중립축으로부터의 거리에 비례
훅의 법칙: 응력과 변형률은 비례 (f = Eε), 탄성계수비(n = E_s/E_c)는 정수
콘크리트의 휨 인장응력은 무시

▷ 허용응력

철근콘크리트를 탄성체로 보고 탄성이론으로 구한 응력이 허용응력을 넘지 않도록 설계

f_c ≤ f_ca (콘크리트 응력 ≤ 콘크리트 허용응력)
f_s ≤ f_sa (철근 응력 ≤ 철근 허용응력)

▷ 설계 개념

하중: 사용하중(service load) 사용
재료: 재료별 응력 사용
안전율:
안전율 = 사용응력 / 허용응력
- 응력계산의 불확실성, 재료의 불균질성 등을 고려
- 구조물 전체에 획일적인 값을 안전율로 사용

참고: 2007년 콘크리트구조설계기준에서 허용응력설계법이 삭제되었고, 2012년 콘크리트구조기준에서는 완전히 삭제되었다.

4.2.2 강도설계법 (USD, Ultimate Strength Design / SD, Strength Design)

□ 개념

강도설계법은 부재의 파괴상태 또는 파괴에 가까운 상태(극한상태)에 기초를 둔다. 이러한 극한상태에서의 부재강도를 "극한강도(ultimate strength)"라고 한다.

φR_n ≥ Σγ_iQ_i

설계강도 ≥ 소요강도

여기서,

φ = 강도감소계수 (< 1)
R_n = 공칭강도
γ_i = Q_i의 불확실성을 나타내는 하중계수 (> 1)
Q_i = i번째 하중

[그림 4.2.2 소요(D)와 강도(C)의 개념]

□ 설계 가정 (KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준)

휨모멘트와 축력을 받는 부재의 강도설계는 힘의 평형조건과 변형률 적합조건을 만족
평면유지가정: 철근과 콘크리트의 변형률은 중립축부터 거리에 비례
극한변형률: 콘크리트 압축연단의 극한변형률
- f_ck ≤ 40 MPa: ε_cu = 0.0033
- f_ck > 40 MPa: 매 10 MPa 증가당 0.0001씩 감소
철근 응력:
- f_s ≤ f_y일 때: f_s = E_sε_s
- f_s > f_y일 때: f_s = f_y
콘크리트 인장강도: 무시 (PSC는 예외)
압축응력 분포: 직사각형, 사다리꼴, 포물선형 등 사용 가능

[그림 4.2.2c 포물선-사각형 응력-변형률 곡선]

[그림 4.2.2d 등가 직사각형 응력-변형률 곡선]

▷ 등가직사각형 응력블록

압축영역 깊이: a = β₁c
압축응력: η(0.85f_ck)

여기서, β₁과 η는 콘크리트 강도에 따라 결정

f_ck (MPa)	η	β₁
≤ 40	0.85	0.85
40 ~ 90	0.85 ~ 0.75	0.85 ~ 0.65

4.2.3 한계상태설계법 (LSD, Limit State Design / LRFD)

□ 한계상태

한계상태(limit state): 구조물 또는 부재가 그 사용목적의 요구조건들을 만족하지 못하는 상태

구조물이 한계상태를 넘으면 사용목적에 적합하지 않게 된다는 개념

한계상태의 분류:

한계상태	설명
극한한계상태 (ULS)	강도, 안정성 등 붕괴 또는 이와 유사한 형태의 구조적인 파괴에 대한 한계상태
사용한계상태 (SLS)	균열, 처짐, 피로 등의 사용성에 관한 한계상태
피로·파단한계상태	반복적인 차량하중에 의한 피로파괴 및 파단에 관한 한계상태
극단상황한계상태	지진, 유빙하중, 차량·선박 충돌 등과 같은 사건과 관련한 한계상태

□ 설계 (KDS 24 10 11 교량 설계 일반사항)

Ση_iγ_iQ_i ≤ R_r

여기서,
R_r = 계수저항
• 콘크리트: R_r = R{φ_iX_i} (재료계수 적용)
• 그 외: R_r = φR_n (저항계수 적용)

Q_i = 하중효과
γ_i = 하중계수
η_i = 하중수정계수 (연성, 여용성, 중요도)

용어:

설계수명: 통행 하중의 통계적 산출 근거 기간 (100년)
여용성(Redundancy): 부재 파괴가 교량 붕괴로 이어지지 않는 성능
연성(Ductility): 비탄성응답을 허용하는 특성

4.2.4 성능설계법 (Performance Based Design)

성능설계법: 기준에서 규정한 목표성능을 만족하면서 건축구조물을 건축주가 선택한 성능지표(안전성능, 사용성능, 내구성능, 친환경성능)에 만족하도록 설계하는 방법

"성능기반설계법" 또는 "성능검증설계법"이라고도 함

성능설계법의 특징:

신뢰성·경제성: 적절한 수준의 신뢰성과 경제성 확보
하중·환경: 목표 사용수명 동안 발생 가능한 모든 하중과 환경 고려
목표성능: 구조적 안전성, 사용성, 내구성, 친환경성 확보
검증: 실험 또는 비선형해석을 통한 성능 검증

주의사항:

난이도: 기술적으로 매우 난이도가 높음
의존성: 설계자 및 참여전문가의 기술 수준에 전적으로 의존
자원: 비선형해석이나 실물실험 등 많은 시간과 비용 소요
절차: 검증 절차가 복잡

4.2.5 각 설계법의 비교

(1) 허용응력설계법 (ASD/WSD)

장점:

설계법의 편리성 및 단순성
사용하중 상태에서의 응력을 직접 확인 가능
직관적이고 이해하기 쉬움

단점:

파괴에 대한 두 재료(콘크리트, 철근)의 안전도를 일정하게 하기 곤란
성질이 다른 하중의 영향을 설계에 반영할 수 없음
재료의 실제 강도를 충분히 활용하지 못함
모든 하중에 대해 동일한 안전율 적용

(2) 강도설계법 (USD/SD)

장점:

파괴에 대한 안전도의 확보가 확실
하중계수에 의해 각 하중의 특성을 설계에 반영
재료의 극한강도를 효율적으로 활용
보다 경제적인 설계 가능

단점:

서로 다른 재료의 특징을 설계에 합리적으로 반영하기 어려움
사용성(처짐, 균열)의 확보를 위해 별도의 검토 필요
계산이 다소 복잡

(3) 한계상태설계법 (LSD/LRFD)

장점:

하중과 재료에 대해 각각 부분안전계수를 사용하여 특성을 설계에 반영
극한한계상태와 사용한계상태를 구분하여 강도설계법의 단점 개선
확률론적 접근으로 보다 합리적
국제적으로 통용되는 설계법

단점:

재료 절감 등 경제적 동기유발이 부족
설계자의 이해와 적응 필요
다양한 계수 적용이 복잡할 수 있음

(4) 성능설계법 (Performance-Based Design)

장점:

구조물의 실제 성능을 직접 평가
새로운 재료나 공법 적용 용이
설계자의 창의성 발휘 가능
최적 설계 가능

단점:

기술적으로 매우 난이도가 높음
설계결과의 안전성과 경제성이 전문가 기술 수준에 전적으로 의존
비선형해석·실물실험 등 많은 시간과 비용 소요
검증 절차가 복잡

4.3.1 구조형식의 선정

(1) 콘크리트 시공 방법의 선정

현장타설 콘크리트 공법 (Cast-in-Place, CIP)

장점: 형상의 자유도, 일체성 확보
단점: 공기 소요, 품질관리 어려움

프리캐스트 공법 (Precast)

장점: 품질관리 용이, 공기 단축
단점: 운반 제한, 접합부 시공

(2) 프리스트레싱 방식의 선정

구분	프리텐션	포스트텐션
긴장 시기	콘크리트 타설 전	콘크리트 경화 후
정착 방법	부착	기계적 정착
적용	공장 제작	현장 시공 가능
긴장재 배치	직선 위주	곡선 가능

텐던(Tendon) 종류

단일 강연선 텐던: mono-strand tendon
단일 강봉 텐던: single-bar tendon
다발 강선 텐던: multi-wire tendon
다발 강연선 텐던: multi-strand tendon

긴장 방식

내적 긴장 (internal prestressing): 긴장재가 부재 내부
외적 긴장 (external prestressing): 긴장재가 부재 외부

부착 여부

부착 긴장재 (bonded tendon): 그라우팅으로 부착
비부착 긴장재 (unbonded tendon): 부착 없이 긴장만

(3) 긴장재 배치 형상 및 부속 장치의 선정

프리텐션 방식

직선 배치
절곡(Harped) 배치
방향전환장치(Hold-down device) 사용

포스트텐션 방식

직선 배치
곡선(Parabolic) 배치
다양한 형상 가능

조립식 공법

프리캐스트 세그먼트(Segment) 연결
Match-cast 방식
Span-by-span 방식
Balanced cantilever 방식

(4) 프리스트레싱 수준의 선정

완전긴장 (Full Prestressing)

균열: 사용하중 하에서 균열 미발생
균열등급: fₜ ≤ 0.63√fck
성능: 높은 내구성, 수밀성
재료: 많은 PS 강재 소요

부분긴장 (Partial Prestressing)

균열: 사용하중 하에서 제한적 균열 허용
균열등급: 0.63√fck < fₜ ≤ √fck
경제성: PS 강재 절감
관리: 균열 제어 필요

구조물 특성별 고려사항

교량: 피로, 내구성 중요 → 완전긴장 선호
건물: 경제성 고려 → 부분긴장 가능
해양구조물: 내구성 필수 → 완전긴장

제4장 설계방법

4.1 절차와 기준

4.1.1 구조설계 절차

▪ 구조설계란?

▪ 구조설계 vs 건축설계

▪ 구조설계 절차 (7단계)

4.1.2 설계기준

□ 국가건설기준: KDS 00 00 00

(2) 주요 KDS 코드

4.2 설계방법의 분류

4.2.1 허용응력설계법 (ASD, Allowable Stress Design)

□ 개요

▷ 기본 가정

▷ 허용응력

▷ 설계 개념

4.2.2 강도설계법 (USD, Ultimate Strength Design / SD, Strength Design)

□ 개념

□ 설계 가정 (KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준)

▷ 등가직사각형 응력블록

4.2.3 한계상태설계법 (LSD, Limit State Design / LRFD)

□ 한계상태

한계상태의 분류:

□ 설계 (KDS 24 10 11 교량 설계 일반사항)

4.2.4 성능설계법 (Performance Based Design)

성능설계법의 특징:

4.2.5 각 설계법의 비교

(1) 허용응력설계법 (ASD/WSD)

(2) 강도설계법 (USD/SD)

(3) 한계상태설계법 (LSD/LRFD)

(4) 성능설계법 (Performance-Based Design)

4.3 PSC 구조물의 설계

4.3.1 구조형식의 선정

(1) 콘크리트 시공 방법의 선정

(2) 프리스트레싱 방식의 선정

텐던(Tendon) 종류

긴장 방식

부착 여부

(3) 긴장재 배치 형상 및 부속 장치의 선정

조립식 공법

(4) 프리스트레싱 수준의 선정

구조물 특성별 고려사항