KDS 설계기준 143010 강구조 부재 설계기준(허용응력설계법)

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강구조 설계 기준

1. 일반사항

(1) 목적: 허용응력설계법에 따른 강구조 부재의 설계방법과 최소한의 요구조건을 규정한다. (2) 적용 범위: 인장부재, 압축부재, 휨부재, 조합력을 받는 부재, 합성부재의 설계에 적용한다. (3) 참고 기준: KDS 14 30 05 (1.3) (4) 용어의 정의: KDS 14 30 05 (1.4) (5) 기호의 정의: KDS 14 30 05 (1.5)

2. 조사 및 계획

내용 없음

3. 재료

(1) KDS 14 30 05 (3)에 따른다.

4. 설계

4.1 설계 요구사항

4.1.1 일반규정

(1) 이 절은 부재 전반에 관련된 설계 요구사항을 다룬다.

4.1.2 총단면적

(1) 부재의 총단면적 A는 부재축에 직각방향인 각 요소의 전체폭과 두께를 곱한 값들의 합이다.

4.1.3 순단면적

(1) 부재의 순단면적 An은 각 요소의 순폭과 두께를 곱한 값들의 합이다. 중심인장을 받는 파스너 접합부재의 순단면적은 파스너 구멍의 영향을 고려하여 구한다. * 정열 배치인 경우: An = A – n π/4 d2 * n: 인장력에 의한 파단선상에 있는 구멍의 수 * d: 파스너 구멍의 직경 (mm) * t: 부재의 두께 (mm) * 엇모배치인 경우: An = A – n π/4 d2 * (p + g) / p * p: 2개의 연속된 구멍의 종방향 중심간격 (피치) (mm) * g: 파스너 게이지선 사이의 횡방향 중심간격 (게이지) (mm)

4.1.4 유효순단면적

(1) 하중이 연결재로부터 각 단면에 직접적으로 전달될 때 유효순단면적 Ane는 순단면적 An과 같다. (2) 파스너접합인 경우: Ane = An * γn * γn: 감소계수 * 플랜지의 폭이 높이의 ⅔이상 되는 I형강, H형강, 그리고 이러한 형강에서 절취한 구조용 T형강의 플랜지를 접합할 때, 응력 방향으로 매 열당 3개 이상의 파스너가 있는 부재: γn = 0.90 * 상기 조건에 맞지 않는 I형강, H형강, 그리고 이러한 형강에서 절취한 구조용 T형강, 조립단면을 포함한 모든 형강으로서, 응력 방향으로 매 열당 3개 이상의 파스너가 있는 부재: γn = 0.85 * 응력의 방향으로 매 열당 2개의 파스너만 있는 모든 부재: γn = 0.75 (3) 용접접합인 경우: Ane = A * γw * γw: 감소계수 * α = 1.00 인 경우: γw = 1.00 * α = 0.87 인 경우: γw = 0.87 * α = 0.75 인 경우: γw = 0.75 * α = lw / b * lw: 유효용접길이 (mm) * b: 플레이트 폭 (용접선 사이의 거리) (mm)

4.1.5 안정성

(1) 전체 구조물과 각 압축부재에 대하여 안정성이 확보되어야 한다. (2) 구조물이나 수평하중저항시스템의 각 부재 변형으로 발생하는 현저한 하중의 영향을 고려해야 한다.

4.1.6 국부좌굴

4.1.6.1 강재 단면의 분류

(1) 강재 단면은 조밀단면, 비조밀단면, 세장요소단면으로 구분한다. * 조밀단면: 단면의 플랜지가 복부에 연속적으로 연결되고, 그 단면의 압축요소 폭두께비 b/t가 표 4.1-1의 λ를 초과하지 않는 단면. * 비조밀단면: 폭두께비 b/t가 λ를 초과하고 λp를 초과하지 않는 요소를 하나 이상 포함한 단면. * 세장판 단면: 폭두께비 b/t가 λp를 초과하는 요소를 하나 이상 포함한 단면. (2) 압축력 방향과 평행한 면 중에서 한쪽 면에만 지지되어 있는 비구속요소의 폭 b는 다음 값으로 한다. * I형강, H형강, T형강의 플랜지에 대한 폭 b: 전체 공칭폭의 1/2 * ㄱ형강, ⊏형강, Z형강의 다리에 대한 폭 b: 전체 공칭치수 * 플레이트 폭 b: 자유단으로부터 파스너의 첫 번째 줄 또는 용접선까지의 거리 * T형강의 스템 b: 전체 공칭 높이 (3) 압축력 방향과 평행한 양쪽 면에 지지된 구속요소의 폭 b는 다음 값으로 한다. * 압연이나 성형 단면의 복부에 대하여, b: 각 플랜지에서 필렛이나 모서리 반경을 감한 플랜지 사이의 순간격, t: 도심에서 필렛이나 모서리 반경을 감한 압축플랜지의 내측 면까지 거리의 2배 * 조립단면의 복부에 대하여 b: 인접한 파스너의 열간거리 또는 용접한 경우 플랜지 사이의 순간격, t: 도심으로부터 압축플랜지에서 제일 가까운 파스너열 또는 용접한 경우 압축플랜지의 내측 면까지 거리의 2배 * 조립단면에서 플랜지 또는 다이아프램 플레이트에 대하여 폭 b: 파스너열 또는 용접선간의 거리 * 상자형 단면의 플랜지에 대하여 폭 b: 각 변의 내측 모서리 반경을 감한 복부 사이의 순간격 (모서리 반경을 알 수 없으면 단면의 외부치수 폭에서 두께의 3배를 감한 값)

4.1.6.2 세장압축요소

(1) 세장압축요소를 갖는 휨이나 압축단면은 국부좌굴을 고려하여 설계한다.

표 4.1-1 압축요소의 폭두께비

| 요소에 대한 설명 | 폭두께비 b/t | 한계 폭두께비 λ | 한계 폭두께비 λp | |—|—|—|—| | – 압연 H형강과 ⊏형강 휨부재1)의 플랜지
– 용접 H형강 휨부재의 플랜지 2)
– 서로 접한 쌍ㄱ형강의 내민 다리 | 35 | 35 | 52 | | – 압연형강의 보 또는 기둥에서 돌출된 ㄱ형강 및 플레이트
– 플레이트거더의 보강재 | 35 | 35 | 52 | | – 큰보, 조립기둥 또는 기타 압축부재에서 돌출된 ㄱ형강 또는 플레이트
– 플레이트거더의 압축 플랜지 | 40 | 40 | 52 | | – T 형강의 스템 | 42 | 42 | 52 | | – 단일 ㄱ형강의 다리, 서로 접하지 않는 쌍 ㄱ형강의 다리 또는 십자단면의 부재와 같이 한쪽 면으로만 단순지지된 비구속 요소 | 42 | 42 | 52 | | – 휨 또는 압축을 받고 단면의 두께가 일정한 각형강관의 플랜지
– 파스너열 또는 용접선 사이에 있는 플랜지 덧판과 다이아프램 플레이트 | 42 | 42 | 52 | | – 연속적인 개구부가 있는 유공 덧판의 비지지폭 3) | 50 | 50 | 52 | | – 등분포 압축을 받는 다른 모든 구속 요소 | 50 | 50 | 52 | | – 휨압축부재에서의 복부 1) | 70 | 70 | 52 | | – 휨과 축압축을 함께 받는 부재의 복부 | fy = 275 MPa 인 경우 | 125 | 52 | | | fy = 355 MPa 인 경우 | 100 | 52 | | – 원형강관
– 압축부재
– 휨부재 | d/t | 70 | 52 |

주: 1) 하이브리드보의 경우, fy 대신 플랜지의 항복강도를 사용한다. 2) 가장 폭이 큰 구멍이 있는 위치에서 플레이트의 순단면적을 가정한다. 3) fy = 275 MPa 인 경우 λp = 52, fy = 355 MPa 인 경우 λp = 40

4.1.7 지지점의 비틀림 구속

(1) 보와 트러스는 지지점에서 그 재축에 대해 회전하지 않도록 하여야 한다.

4.1.8 세장비 제한

(1) 압축부재의 세장비 λ는 가급적 200을 넘지 않도록 한다. (2) 인장부재의 세장비 λ는 가급적 300을 넘지 않도록 한다. 다만, 이 제한은 인장력을 받는 강봉이나 강대 또는 매달린 부재에는 적용하지 않는다.

4.1.9 단부구속

(1) 보, 트러스, 또는 이들에 접합하는 부재의 단면은 연속, 반연속, 혹은 캔틸레버 작용에 의한 단부의 완전구속(강접합) 또는 부분구속(부분강접합)을 고려할 때, 모든 하중과 함께 구속에 의해 유발된 전단력 및 모멘트를 지지하도록 설계되어야 한다. (2) 이러한 경우 각 부재는 어떤 위치에서도 4.3~4.5에서 규정하는 허용응력을 넘지 않아야 한다.

4.1.10 휨부재의 단면 산정

4.1.10.1 보의 단면 산정

(1) 압연형강, 용접부재, 플레이트거더, 덧판이 있는 보는 일반적으로 총단면적의 단면2차모멘트에 의해 단면을 산정해야 한다. * 다음 식 (4.1-5)를 만족할 경우 공장이나 현장에서 뚫은 각 플랜지의 볼트 구멍 단면적은 공제하지 않는다. * An / A ≥ 0.85 * An: 인장 플랜지의 순단면적 (mm2) * A: 플랜지의 총단면적 (mm2) * 만일 An / A < 0.85 이면 부재의 단면특성은 인장플랜지 유효단면적 Ane에 근거하여 산정한다. * Ane = A – n π/4 d2 * 하이브리드보가 총단면적에 0.15를 곱한 값보다 큰 축력에 대해 저항할 필요가 없을 경우, 하이브리드보는 총단면에 대한 단면2차모멘트에 의해 설계할 수 있으며 4.5의 해당 규정을 적용할 수 있다. 여기서 fy*는 플랜지의 항복강도이다. 하이브리드보가 되기 위해서는 플랜지는 어느 단면에서나 같은 단면적을 가져야 하며, 같은 등급의 강재이어야 한다. * 용접된 보의 플랜지는 일련의 플레이트를 겹치거나 덧판을 사용함으로써 두께와 폭이 변화될 수 있다. * 파스너로 접합된 보의 덧판 단면적은 전체 플랜지 단면적의 70%를 넘지 않아야 한다. * 플랜지와 복부, 덧판과 플랜지를 접합하는 고장력볼트나 용접은 보의 휨모멘트에 의해 생긴 전체 수평전단력에 저항할 수 있어야 한다. * 플랜지에 작용하는 하중이 직접 지압에 의해 복부에 전달되는 것이 아닐 경우에는, 플랜지와 복부를 접합하는 볼트 또는 용접은 플랜지에 작용하는 모든 하중이 복부에 전달되도록 해야 한다. * 부분적인 덧판은 이론상의 절단점을 넘어 연장되어야 하며, 그 연장 부분은 이론상의 절단점에서 발생하는 보의 휨응력 중 덧판이 부담하는 응력을 전달할 수 있도록 마찰형 고장력볼트나 필릿용접으로 플랜지에 접합되어야 한다.

4.1.10.2 크레인 주행보의 단면 산정

(1) 크레인이나 다른 이동하중을 지지하는 플레이트거더의 플랜지 단면은 이러한 하중으로 인하여 생기는 수평력에 저항할 수 있도록 설계되어야 한다.

4.2 골조의 안정성

4.2.1 일반규정

(1) 모든 구조물은 부재의 강도와 강성에 관한 요구사항과 더불어, 부재의 변형과 전체 골조의 안정성을 고려하여 설계되어야 한다. * 골조 설계시 전체 구조물의 안정성을 확보하기 위하여 골조에 작용하는 수직하중 및 횡방향 변위에 의한 2차효과를 고려하여야 한다. * 골조는 조합하중에 대하여 좌굴이 일어나지 않고 횡적 안정이 유지되어야 한다. * 안정성 해석에서는 모든 압축부재의 축방향 변형을 고려하여야 한다.

4.2.2 골조의 안정성

4.2.2.1 가새골조의 안정성

(1) 다음과 같은 요소에 연결되어 횡적 안정이 확보된 골조 또는 트러스에서는 좌굴길이계수 k를 1.0으로 할 수 있다. * 가새, 전단벽 또는 적절한 횡적 안정을 갖고 있는 인접 건축물 * 골조면에 평행하게 벽체 또는 가새구조로 보강된 슬래브 또는 지붕틀

4.2.2.2 비가새골조의 안정성

(1) 강접으로 접합된 보와 기둥의 휨강성에 의하여 횡적 안정이 좌우되는 골조에서의 좌굴길이계수 k는 구조해석에 의하여 구하고 그 값은 1.0 이상이어야 한다.

4.3 인장부재

4.3.1 일반규정

(1) 이 절은 중심축 인장력을 받는 균일 단면부재에 대하여 적용되며 하중의 작용축은 단면의 도심축과 일치하여야 한다. 인장력과 휨모멘트의 조합력을 받는 부재에 대해서는 4.6에 따른다.

4.3.2 허용인장응력

(1) 허용인장응력 ft는 총단면적에 대해서는 ft = 0.6 fy를, 유효순단면적에 대해서는 ft = 0.6 fu를 사용한다. * fy: 인장부재의 기본허용응력 (MPa) * fy: 강재의 항복강도 (MPa) * fu: 강재의 인장강도 (MPa) * l: 부재의 길이 (mm) * r: 단면의 회전반경 (mm) (2) 인장부재 접합부 단부에서의 블록전단강도는 KDS 14 30 25의 4.5를 만족하는지 확인해야 한다. (3) 핀접합부재의 허용인장응력은 4.3.4에 따른다.

4.3.3 조립 인장부재

(1) 판재, 형강 등으로 조립인장부재를 구성하는 경우 조립재가 일체가 되도록 다음 조건에 따라 조립해야 한다.

4.3.4 핀접합부재

4.3.4.1 허용응력

(1) 핀접합부재의 순단면적에 대한 허용인장응력은 ft = 0.6 fu를 사용한다. (2) 핀의 투영면적에 대한 지압응력은 KDS 14 30 25에서 규정한 응력 이하로 한다. (3) 아이바의 허용인장응력은 총단면적에 대해서 ft = 0.6 fy를 사용한다.

4.3.4.2 핀접합부재

(1) 부재축과 평행한 방향으로 핀구멍 이외 부분 판재의 최소 순단면적은 핀구멍 위치의 순단면적의 2/3 이상이 되어야 한다. (2) 핀구멍 직경은 핀직경보다 0.8 mm 이상 초과해서는 안 된다.

4.3.4.3 아이바

(1) 아이바는 핀구멍 부분을 보강하지 않은 균일한 두께로 하며, 핀구멍과 동심원이 되는 원형으로 한다. (2) 아이바의 원형 머리부분과 몸체 사이의 전이곡률반경은 머리부분의 직경 이상이어야 한다. (3) 아이바 몸체의 폭은 아이바 두께의 8배를 초과해서는 안 된다. (4) 외부너트가 판재와 낄판을 조여서 1차 체결된 경우, 아이바의 두께를 12 mm 이하로 할 수도 있다. (5) 구멍 가장자리에서 외력 작용방향과 직각 방향인 판재의 가장자리까지 거리는 아이바 몸체 폭의 2/3배 이상이거나 3/4배 이하이어야 한다. (6) 아이바의 구멍 직경은 핀직경보다 0.8 mm 이상 초과해서는 안 된다. (7) 항복응력이 500 MPa를 초과하는 강재에서는 구멍 직경이 판재 두께의 5배 이하이어야 한다.

4.4 압축부재

4.4.1 일반규정

(1) 이 절은 중심축 압축력을 받는 조밀 및 비조밀 균일단면부재에 적용한다. 축방향 하중의 축은 단면의 도심축과 일치하여야 한다. (2) 세장판요소 부재에 대해서는 4.1.6을 따른다. (3) 압축력과 휨모멘트의 조합력을 받는 부재에 대해서는 4.6을 따른다.

4.4.2 좌굴길이와 세장비

(1) 좌굴길이계수 k는 4.2.2를 따른다. (2) 세장비의 한계는 4.1.8을 따른다.

4.4.3 허용압축응력

(1) 허용압축응력 fc는 다음 식에 따라 산정한다. * λ ≤ λe 일 때: fc = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * λ > λe 일 때: fc = ( π2 E / ( λ2 fy ) ) * λe: 한계세장비 ( ) * l: 좌굴길이 (mm) * r: 단면 회전반경 (mm) * E: 강재의 탄성계수 (MPa) * fy: 강재의 항복강도 (MPa)

4.4.4 휨비틀림좌굴에 대한 허용압축응력

(1) ㄱ형강 또는 T형강과 같은 1축대칭 및 비대칭 기둥과, 매우 얇은 판으로 구성된 십자형 혹은 조립기둥과 같은 2축대칭 기둥은 휨비틀림좌굴과 비틀림좌굴에 대하여 고려해야 한다.

4.4.5 조립압축부재

4.4.5.1 조립압축부재의 종류

(1) 낄판, 띠판, 래티스를 사용한 조립압축부재를 대상으로 한다.

4.4.5.2 구조제한

(1) 베이스플레이트 또는 절삭마감면에 접합되는 조립재 단부에서 개재 상호간의 접합은 다음과 같이 한다. * 용접접합: 조립재의 최대폭 이상의 길이로 연속용접하여야 한다. * 고력볼트접합: 조립재 최대폭의 1.5배 구간에서 길이방향으로 볼트직경의 4배 이하 간격으로 한다. (2) 조립압축부재 중간의 단속용접 또는 고력볼트의 길이방향 간격은 설계응력을 전달하기에 적절해야 하며, 그 최대간격은 600 mm 이하로 한다. (3) 덧판을 사용한 도장된 부재 또는 부식의 우려가 없어 도장되지 않은 조립압축부재의 파스너 및 단속용접 최대간격은 다음과 같이 한다. * 정렬배치인 경우: 덧판두께의 12배 또는 300 mm 이하 * 엇빗배치인 경우: 덧판두께의 18배 또는 450 mm 이하 (4) 낄판으로 분리된 두 개 이상의 조립압축부재는 긴결재 사이에서 각 개재의 세장비는 조립압축부재 세장비의 3/4배 이하로 해야 한다. (5) 낄판, 띠판, 래티스로 나누어지는 구간 개수는 3 이상으로 한다.

4.4.5.3 래티스형식의 조립압축부재

(1) 평강, ㄱ형강, ㄷ형강, 기타 형강을 래티스로 사용한다. (2) 조립부재의 재축방향의 접합간격은 소재 세장비가 조립압축부재의 최대세장비를 초과하지 않도록 한다. (3) 단일래티스 부재의 세장비 λ는 140 이하로 하고, 복래티스의 경우에는 λ를 200 이하로 하며, 그 교차점을 접합한다. (4) 압축력을 받는 래티스의 길이는 단일래티스의 경우에는 주부재와 접합되는 비지지된 대각선의 길이이며, 복래티스의 경우에는 이 길이의 70%로 한다. (5) 부재축에 대한 래티스 부재의 기울기는 다음과 같이 한다. * 단일래티스의 경우: 60° 이상 * 복래티스의 경우: 45° 이상 (6) 조립부재의 개재를 연결하는 재축방향의 용접 또는 파스너열 간격이 400 mm를 초과하면, 래티스는 복래티스로 하거나 ㄱ형강으로 한다. (7) 부재의 단부에는 띠판을 설치하여야 하며, 래티스 설치에 지장이 있는 경우에는 그 부분의 양단부와 중간부에 띠판을 설치하도록 한다.

4.5 휨부재

4.5.1 일반규정

(1) 이 절은 단면의 대칭축에 재하되는 경우에 적용하며 하이브리드보에도 적용할 수 있다. (2) ㄷ형강으로서 전단중심을 통과하며 복부판에 평행한 면내에 재하되는 경우 또는 하중점과 지지점에서의 비틀림에 대하여 구속된 경우 이 장을 적용할 수 있다. (3) 복부판의 판폭두께비가 b/t > 260보다 큰 경우는 4.5.6에 따른다. (4) 건축물의 허용휨응력은 4.5.2~4.5.7에서 결정된 값을 사용한다. 건축물 이외의 일반강구조물의 허용휨응력은 4.5.2~4.5.7의 허용응력에 KDS 14 30 05의 4.2에 규정된 구조물별 허용응력 보정계수와 하중조합별 허용응력 보정계수를 곱한 값으로 한다.

4.5.2 허용휨응력

(1) 휨을 받는 부재의 허용휨응력 fb는 다음과 같이 산정한다.

4.5.2.1 강축휨을 받는 H형강 및 ㄷ형강

(1) 조밀단면 * 조밀단면인 경우에는 식 (4.5-1)을 적용한다. 단, 하이브리드보는 제외한다. * fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * 휨부재 압축플랜지의 횡방향 비지지길이 l는 휨부재의 한계비지지길이 lcr보다 작아야 한다. * lcr = 1.0 * b * ( E / fy )1/2 (2) 비조밀 단면 * 플랜지는 비조밀요소이고 복부는 조밀요소인 압연형강의 경우에는 식 (4.5-4)를 적용한다. 단, 휨부재 압축플랜지의 횡방향 비지지길이 l는 (1)항에서 규정한 휨부재의 한계비지지길이 lcr보다 작아야 한다. * fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * 플랜지가 비조밀요소인 조립단면인 경우에는 식 (4.5-5)를 적용한다. 단, 휨부재 압축플랜지의 횡방향 비지지길이 l는 (1)항에서 규정한 휨부재의 한계비지지길이 lcr보다 작아야 한다. * fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] (3) λ ≤ 260 인 조밀단면과 비조밀단면 * 인장측 허용휨응력은 다음과 같이 산정한다. * fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * H형강인 경우 압축측 허용휨응력은 다음 식 (4.5-8) 또는 식 (4.5-9)에 의해 산정한 값과 식 (4.5-10)에 의해 산정한 값 중 큰 값으로 한다. 다만, fy를 초과할 수 없다. * λ ≤ 1.0 * rw / t 인 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * λ > 1.0 * rw / t 인 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] + ( M / (A * rw * fy ) ) * rw: 압축 플랜지와 압축 복부 부분의 1/3을 합한 단면의 복부축에 대한 단면2차반경 (mm) * A: 압축 플랜지의 면적 (mm2) * M: 보의 횡지지점 모멘트 중에서 작은 값 (N·mm) * Mc: 보의 횡지지점 모멘트 중에서 큰 값 (N·mm) * M, Mc: 단곡률 휨의 경우 부(-), 복곡률 휨의 경우 정(+)로 한다. * ㄷ형강인 경우 식 (4.5-10)을 적용한다. * 하이브리드 단면인 경우 식 (4.5-8) 또는 식 (4.5-9)를 적용한다.

4.5.2.2 약축휨을 받는 H형강, ㄷ형강 및 봉강

(1) H형강 * H형강인 경우 비지지길이 l에 대한 제한은 없다. * 조밀단면인 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * 플랜지가 비조밀요소인 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] * 상기 조건을 벗어난 비조밀단면인 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ] (2) ㄷ형강 * ㄷ형강의 경우 식 (4.5-13)을 적용한다. (3) 봉강 * 원형 강봉, 정사각형 봉강, 약축에 대해 휨을 받는 직사각형 봉강인 경우에 식 (4.5-11)을 적용한다.

4.5.2.3 박스형 단면, 각형강관, 원형강관

(1) 조밀단면으로서 다음의 조건을 만족하는 경우 식 (4.5-14)를 적용한다. * 단면의 높이 폭비 h/b는 6 이하이어야 한다. * 플랜지의 두께 tf는 복부의 두께 tw의 2배 이하이어야 한다. * 횡지지길이 l는 식 (4.5-15)와 식 (4.5-16)의 lcr 중 큰 값 이하이어야 한다. (2) (1)항의 적용범위를 벗어난 조밀단면과 비조밀단면의 경우: fb = fy / [1 + ( λ / λe )2 ]

4.5.2.4 세장단면

(1) 휨부재의 단면이 세장단면인 경우, 국부좌굴을 고려하여 설계한다.

4.5.3 허용전단응력

4.5.3.1 형강의 복부가 전단력을 받는 경우

(1) 이 절은 형강보

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