철근 콘크리트의 한계상태

안녕하세요.

오늘은 철근 콘크리트의 설계에 앞서 한계상태에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

한계상태와 철근콘크리트의 설계

(Limit States and the Design of Reinforced Concrete)

 

한계상태(Limit State)

구조물이나 구조 요소(structural element)가 처음에 계획된 대로 구조적인 역할을 하지 못할 때 우리는 한계상태(limit state)에 이르렀다고 말한다. 철근콘크리트 구조물의 한계상태는 아래와 같이 크게 3단계로 구분할 수 있다.

 

1) 극한 한계상태 (Ultimate Limit State)

이 한계상태는 구조물의 일부 또는 전체가 붕괴(collapse)하는 상태를 말한다. 이런 한계상태로 인명을 잃거나 큰 경제적 손실을 가져올 수 있으므로 극한한계상태가 일어날 확률빈도 (probability occurrence)는 아주 낮아야 만 할 것이다.

• 평형의 상실(Loss of equilibrium) : 구조물의 일부 또는 전체가 강체(rigid body)로서 평형을 잃는 경우가 있을 수 있다. 이런 파괴(failure)는 구조물 전체가 기울거나 미끄러짐에 대한 평형을 유지하는 데 필요한 충분한 반력이 발달하지 않을 때 일어날 수 있다.
• 균열 파괴(Rupture) : 구조적으로 중요한 부분의 균열 파괴로 인하여 부분적인 또는 전체적인 붕괴로 이어지는 상태이다.
• 점진적인 붕괴(Progressive collapse) : 사소한 국부적인 파괴가 인접한 부재에 과한 하중을 받게 하여 파괴하면서 결국에는 구조물 전체의 붕괴로 발전되는 경우이다. 이런 점진적인 붕괴는 구조 요소가 서로 잘 연결되도록 하는 설계 상세 (design detail)에 의해서 또는 국부적인 붕괴의 경우에 대체할 수 있는 하중 경로(load path)를 만들어주는 것으로 붕괴를 방지하거나 붕괴의 발전을 지연시킬 수 있다. 이는 시공과정에서 일어날 수 있으므로 설계자는 시공과정과 시공 중에 작용하는 하중에 대해서도 고려하여야 할 것이다. 구조물이 이렇게 점진적인 붕괴가 전체적인 붕괴로 발전되지 못하도록 억제하는 구조물을 구조물의 일체성(general structural integrity)을 가졌다고 말한다. 구조기준 5.8(ACT 7.13) 구조 일체성 요구조건에서는 철근의 배근 상세에 관해서 규정하여 구조물의 여력(redundancy)과 연성(ductility)을 향상할 수 있도록 하고 있다.
• 소성 메커니즘의 형성(Formation of plastic mechanism) : 구조물이 불안정하도록 보강철근이 여러 단면에서 항복하여 소성 힌지를 형성하는 경우에 파괴 메커니즘이 발달할 수 있다.
• 불안정(Instability) : 구조물의 변형으로 인하여 불안정해지는 경우로 이런 종류의 파괴는 기둥 등에서 좌굴(buckling) 파괴를 일으키는 경우이다.
• 피로(Fatigue) : 반복적인 하중이 작용할 때 반복적인 응력 주기(stress cycles)로 비록 그 응력의 크기는 크지 않더라도 부재가 찢어지거나 파괴되는 경우이다.

 

2) 사용성 한계상태 (Serviceability Limit State)

비록 그 자체로 구조물의 붕괴를 가져오지는 않지만 설계된 목적의 기능적인 용도가 손상을 받는 경우를 말한다. 인명 손실 등의 위험이 그렇게 크지 않으므로 극한 한계상태보다는 그 발생빈도가 높더라도 허용할 수 있다. 사용하중(service load)이 작용할 때 구조물은 탄성 거동을 한다고 볼 수 있으므로 아래에서 언급하는 처짐과 균열은 탄성응력 해석 개념이다. 주요한 사용성 한계상태는 아래의 상태를 포함한다.

• 과도한 처짐(Excessive deflection) : 사용하중이 작용할 때 과도한 처짐이 발생하는 상태로 과도한 처짐의 발생은 외관상 불안감을 주거나 비구조적인 요소나 기계 등의 작동을 방해하고 하중의 분포를 변화시킬 수도 있다. 만약에 지붕이 유연하게 되면 지붕 위에 고인 물에 의해서 더 깊이 처지게 되고 따라서 더 많은 물이 고이게 되면서 종래에는 고인 물의 하중에 의해서 지붕이 파괴될 수도 있다. 이런 경우가 바로 사용성의 결핍으로 인하여 파괴가 일어나는 경우이다.
• 과도한 균열의 폭(Excessive crack width) : 철근콘크리트 구조물에서 보강철근이 외력을 지지하기 위해서는 먼저 콘크리트에 균열이 일어나야 하지만 보강철근의 배치를 세심하게 하면 균열의 폭을 최소화할 수 있다. 과도한 균열 폭은 균열을 따라 누수가 발생하여 보강철근을 부식시켜 점진적으로 콘크리트의 품질을 저하하게 된다.
• 과도한 진동(Undesirable vibration) : 철근콘크리트 구조물에서 진동이 문제가 되는 일은 거의 없지만 바닥이나 교량의 수직 진동 또는 고층 건물의 수평이나 비틀림 진동은 사용자에게 불쾌감을 유발할 수 있으므로 과도한 진동이 발생하지 않아야 할 것이다.

 

3) 특별 한계상태 (Special Limit State)

이 특별 한계상태는 비정상적인 조건이나 하중에 의해서 손상을 받거나 파괴되는 한계상태를 의미하며 다음과 같은 사항들을 포함한다.

• 심한 지진하중에 의한 손상이나 붕괴
• 화재나 폭발 또는 차량의 충돌에 의한 구조적 영향
• 부식(corrosion)이나 성능저하(deterioration)에 의한 구조적 영향
• 장기적으로 물리-화학적인 불안정 문제