구조물의 하중 전달, 1방향 슬래브, 2방향 슬래브, 구조물의 해석과 설계

안녕하세요 윈트입니다.

오늘은 구조물의 하중전달과 슬래브의 종류, 철근콘크리트 구조물의 해석과 설계에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 직사각형 철근콘크리트 보 단면이 어떻게 휨 거동하는지를 이해하기 위해서 콘크리트와 보강철근의 응력-변형률 관계를 이용하여 설명하였다. 재료나 단면의 값이 변화할 때 보 단면의 휨 거동(모멘트-곡률 곡선 관계)에 어떠한 영향을 주는지도 검토하였다.

 휨 거동에 대해서 다룬 뒤에 현행 구조기준에서 규정하는 공칭강도를 구하는데 적용할 수 있는 단순화한 재료의 모델(콘크리트와 철근)을 제시하고, 이를 이용하여 철근콘크리트 보 단면의 공칭 휨강도(nominal flexural strength) Mn을 구하는 방법을 제시하였다.

 대부분의 철근콘크리트 구조물은 휨(flexure, 굽힘 bending)에 저항하는 보(beam)나 슬래브(slab)와 축방향 압축과 휨에 저항하는 기둥(column)으로 나눌 수 있다. 그림은 보와 슬래브로 구성된 전형적인 구조물 형식을 보여주고 있다. A점에 작용하는 집중하중 P는 음영으로 표시된 슬래브의 띠장(strip)에 의해서 지지가 된다. 집중하중 P와 슬래브 띠장의 고정하중(dead load)은 반력으로 양쪽에 위치하는 보의 B와 C에 전달된다. 보는 이 하중들을 각각 D와 E 또 는 G와 F의 기둥에 전달하고, 기둥은 이 하중들을 기초(foundation)를 통하여 지반에 전달한다. 그림에서 슬래브가 한 방향으로 하중을 전달한다고 가정하고 있으므로 이를 1방향 슬래브(one-way slab)라고 한다. 구조기준 10.2.1(2)(ACI 9.5.3.2)에서 장변(long span)에 대한 단변(short span)의 비가 2배를 넘으면 1방향 슬래브로 설계하고, 장변/단변 < 2 이하이면 양방향으로 하중을 전달하는 2방향 슬래브(two-way slab)로 설계하도록 규정하고 있다.

[그림] 1방향 휨

 

해석과 설계(Analysis versus Design)

 철근콘크리트 구조물을 설계(design)하는 것이 주된 목적이지만 설계된 구조물을 해석(analysis) 해야 하는 경우도 발생할 수 있다.

1. 해석(Analysis) : 단면의 크기, 콘크리트 압축강도, 철근의 위치와 단면적 및 항복강도가 주어졌을 때 단면의 강도 또는 저항력을 계산한다.
2. 설계(Design) : Mu로 표기하는 계수 모멘트(factored design moment, 소요강도 required strength)가 주어지면 단면의 크기 및 형태, 콘크리트의 압축강도 및 보강철근 등을 선택하는 과정을 밟아야 하고, 결과물은 여러 조합으로 다양하게 얻어질 수 있다.

비록 해석이나 설계가 모두 같은 원리에 근거를 두고 있지만, 각각 다른 과정을 밟아서 수행된다. 해석에서는 모든 변수(단면이나 재료의 종류 및 크기 등이)가 정해진 상태이므로 단면의 강도를 계산하면 된다. 이에 비해서 설계에서는 계수하중을 지지하는 데 문제가 없도록 단면의 크기, 재료의 강도 및 보강철근의 배치를 결정하여야 한다. 해석이 설계에 비해서 간단하므로 먼저 해석을 다루고 이어서 설계 문제를 다루도록 한다.