본 기준은 콘크리트 구조의 스트럿-타이 모델에 대한 설계 방법 및 최소 요구 조건을 규정합니다.
1.2 적용 범위
본 기준은 응력 교란 영역에 대한 합리적인 설계 규정이며, 모든 계산은 평형 조건과 구성 요소의 항복 조건을 만족해야 합니다.
1.3 참고 기준
KDS 14 20 01 콘크리트 구조 설계(강도 설계법) 일반사항
KDS 14 20 10 콘크리트 구조 해석과 설계 원칙
KDS 14 20 20 콘크리트 구조 휨 및 압축 설계 기준
KDS 14 20 22 콘크리트 구조 전단 및 비틀림 설계 기준
KDS 14 20 26 콘크리트 구조 피로 설계 기준
KDS 14 20 30 콘크리트 구조 사용성 설계 기준
KDS 14 20 40 콘크리트 구조 내구성 설계 기준
KDS 14 20 50 콘크리트 구조 철근 상세 설계 기준
KDS 14 20 52 콘크리트 구조 정착 및 이음 설계 기준
KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계 기준
KDS 14 20 60 프리스트레스트 콘크리트 구조 설계 기준
KDS 14 20 62 프리캐스트 콘크리트 구조 설계 기준
KDS 14 20 64 구조용 무근 콘크리트 설계 기준
KDS 14 20 66 합성 콘크리트 설계 기준
KDS 14 20 70 콘크리트 슬래브와 기초판 설계 기준
KDS 14 20 72 콘크리트 벽체 설계 기준
KDS 14 20 74 기타 콘크리트 구조 설계 기준
KDS 14 20 80 콘크리트 내진 설계 구조 설계 기준
KDS 14 20 90 기존 콘크리트 구조물의 안전성 평가 기준
1.4 용어의 정의
KDS 14 20 01(1.4)에 따른다.
1.5 기호의 정의
: 전단 경간, 즉 구조물에서 하중점과 받침부 사이의 거리, mm
: 부재의 두께, mm
: 스트럿의 유효 단면적, mm²
: 절점 영역 경계면 또는 절점 영역을 형성하는 요소의 단면적, mm²
: 긴장재 타이의 단면적, mm²
: 스트럿과 교차하는 번째 수직 방향 또는 수평 방향 철근의 단면적, mm²
: 철근 타이의 단면적, mm²
: 철근 스트럿의 단면적, mm²
: 압축 연단에서 종방향 인장 철근 도심까지 거리, mm
: 스트럿 또는 절점 영역의 콘크리트 유효 압축 강도, MPa
: 콘크리트의 설계 기준 압축 강도, MPa
: 압축 철근의 응력, MPa
: 긴장재의 유효 프리스트레스 응력, MPa
: 사용 하중이 작용할 때 철근의 응력, MPa
: 철근의 설계 기준 항복 강도, MPa
: 스트럿, 타이 또는 절점 영역의 공칭 축 강도, N
: 절점 영역 경계면의 공칭 축 강도, N
: 스트럿의 공칭 축 강도, N
: 타이의 공칭 축 강도, N
: 스트럿, 타이, 지압부 또는 절점 영역에 작용하는 계수 축력, N
: 순 경간, mm
: 부재의 표면에 인접한 번째 수직 방향 또는 수평 방향 철근의 간격, mm
: 스트럿의 유효 폭, mm
: 타이의 유효 폭, mm
: 절점 영역의 형상을 결정할 때 사용되는 타이의 최대 유효 폭, mm
: 콘크리트 스트럿 압축 강도를 계산할 때 균열의 영향과 구속 철근의 영향을 고려하기 위한 계수
: 절점 영역 압축 강도를 계산할 때 타이의 정착 영향을 고려하기 위한 계수
: 스트럿과 교차하는 번째 수직 방향 또는 수평 방향의 철근이 스트럿과 이루는 각도
: 계수 축력에 의한 긴장재의 응력 증가분, MPa
: 경량 콘크리트 계수(KDS 14 20 10(4.4) 참조)
: 강도 감소 계수
: 스트럿의 강도 감소 계수로 0.75
: 타이의 강도 감소 계수로 0.85
2. 조사 및 계획
내용 없음.
3. 재료
KDS 14 20 01(3)을 따른다.
4. 설계
4.1 스트럿-타이 모델 설계 절차
4.1.1 설계 절차 일반
콘크리트 구조 부재 또는 D 영역은 이상화된 트러스 모델로 설계할 수 있습니다.
트러스 모델은 스트럿, 타이, 그리고 절점으로 구성됩니다.
트러스 모델은 모든 계수 하중을 지지판, 압축 응력 블록, 인장 타이 또는 인접한 B 영역으로 전달해야 합니다.
4.1.2 설계 절차
콘크리트 구조 부재 또는 D 영역의 스트럿-타이 모델 설계는 다음 (2)부터 (6)까지에 규정된 설계 절차에 따라야 합니다.
설계 대상 영역을 설정하고 설계 대상 영역의 설계를 위한 초기 조건을 결정해야 합니다.
설계 대상 영역의 설계를 위한 스트럿-타이 모델을 구성해야 합니다.
스트럿과 타이의 단면력을 스트럿-타이 모델의 구조 해석을 통해 계산해야 합니다. 구조 해석을 할 때 스트럿과 타이의 필요 단면적은 스트럿과 타이의 유효 강도 범위 내에서 결정해야 하고, 스트럿과 타이의 유효 강도는 4.2에서 정의된 방법으로 구해야 합니다. 스트럿과 타이의 필요 단면적이 설계 대상 영역과 스트럿-타이 모델의 기하학적 형상에 의해 결정되는 이들 요소의 최대 허용 단면적을 초과하지 않아야 하며, 이를 위반할 경우 초기의 설계 조건을 수정하여 (3)으로 되돌아가야 합니다.
4.4에서 정의된 방법으로 절점 영역의 강도를 검토해야 합니다. 절점 영역의 강도를 만족하지 않는 경우 철근 타이의 정착 방법과 지압판의 크기를 변경하여 절점 영역의 강도를 재검토하거나 초기의 설계 조건을 수정하여 (3)으로 되돌아가야 합니다.
4.3.1에서 정의된 타이의 유효 강도를 고려하여 필요 철근량을 산정해야 합니다. 이때 철근의 배치와 정착은 4.3.2와 4.3.3의 규정을 만족시켜야 합니다.
4.1.3 설계 원칙
스트럿, 타이, 그리고 절점 영역의 설계는 식 (4.1-1)에 따라야 합니다. (4.1-1)
여기서, 는 계수 하중에 의한 스트럿과 타이의 단면력 또는 절점 영역의 한 면에 작용하는 단면력이고, 는 스트럿, 타이, 그리고 절점 영역의 공칭 축 강도이며, 는 강도 감소 계수입니다. 스트럿의 강도 감소 계수 는 0.75, 타이의 강도 감소 계수 는 0.85를 사용합니다.
4.2 스트럿의 축 강도
4.2.1 축 강도 산정
콘크리트 스트럿의 공칭 압축 강도는 콘크리트 스트럿 양단부의 강도를 식 (4.2-1)로 결정한 값 중에서 작은 값이어야 합니다. (4.2-1)
여기서, 는 스트럿의 양단부에서 최소 단면적이고, 는 4.2.2의 규정에 의해 결정되는 콘크리트 스트럿의 유효 압축 강도입니다.
4.2.2 유효 압축 강도
콘크리트 스트럿의 유효 압축 강도는 식 (4.2-2)로 결정해야 하나, 유효 압축 강도에 영향을 미치는 여러 인자를 고려하여 실험과 적절한 해석을 통해 구한 값을 이용할 수 있습니다. (4.2-2)
식 (4.2-2)의 는 각 조건에 따라 다음과 같이 구해야 합니다.
① 전 길이에 걸쳐 스트럿의 단면적이 일정할 경우 1.0
② 스트럿 길이 중앙부의 단면적이 스트럿 양단의 단면적보다 큰 병모양인 스트럿의 경우 4.2.3의 철근 배치에 관한 규정을 만족할 때 =0.75이며, 그렇지 못할 때 =0.60이다. 여기서, 는 KDS 14 20 10(4.4)에 따른다.
③ 인장 요소 또는 콘크리트 구조 부재의 인장 플랜지 콘크리트의 스트럿인 경우 0.40
④ 기타의 모든 경우 0.60
4.2.3 설계 상세
4.2.2(2)②에서 정의된 를 사용할 경우 콘크리트 스트럿의 중심선은 스트럿 압축 응력의 확산으로 인한 스트럿의 횡방향 인장력에 저항하는 철근과 교차해야 합니다. 이때 콘크리트 스트럿의 압축력은 스트럿의 종방향과 횡방향으로 각각 2:1로 분산, 전달된다고 가정할 수 있습니다.
가 40MPa 이하일 경우, 4.2.3의 규정은 콘크리트 스트럿의 중심선이 식 (4.2-3)의 조건을 만족하도록 배치된 철근과 교차될 때 만족하는 것으로 할 수 있습니다. (4.2-3)
여기서, 는 콘크리트 스트럿 중심선과 이루는 각 와 철근의 간격 로 배치된 철근의 전체 면적입니다.
4.2.3의 구속 철근을 콘크리트 스트럿 중심선에 대해 두 직각 방향으로 배치하거나 한 방향으로 배치해야 합니다. 구속 철근을 한 방향으로 배치한다면 그 각은 40° 이상이어야 합니다.
4.2.4 철근 효과
스트럿의 강도를 증가시키기 위해 압축 철근을 사용할 수 있으며, 콘크리트 스트럿의 중심선에 평행하게 배치된 압축 철근을 적절하게 정착하고, 압축 요소를 위한 횡방향 보강재의 규정을 만족하는 띠 철근 또는 나선 철근의 내측에 스트럿을 배치해야 합니다.
종방향으로 보강된 스트럿의 강도는 식 (4.2-4)와 같이 구할 수 있습니다. (4.2-4)
여기서, 는 압축 철근의 응력으로 스트럿이 압축 파괴될 때의 스트럿 변형률로부터 계산하거나, 설계 기준 항복 강도가 500MPa 이하인 철근의 경우에는 설계 기준 항복 강도를 사용할 수 있습니다.
4.3 타이의 인장 강도
4.3.1 강도 산정
타이의 공칭 강도는 식 (4.3-1)로 결정해야 합니다. (4.3-1)
여기서, 는 를 초과할 수 없으며, 긴장재가 없는 부재에서 는 영의 값입니다. 식 (4.3-1)에서 는 부착된 긴장재의 경우 420MPa, 부착되지 않는 긴장재의 경우 70MPa이며, 해석에 의해 증명된 경우 다른 값을 사용할 수 있습니다.
4.3.2 중심선
철근의 중심선은 스트럿-타이 모델에서 타이의 중심선과 일치시켜야 합니다.
4.3.3 정착
타이가 인장력을 효과적으로 발휘하기 위하여 다음 (2), (3), (4), (5)에 따라 철근 타이는 기계적 장치, 포스트 텐션 정착 장치, 표준 갈고리 또는 철근의 연장 등에 의해 정착시켜야 합니다.
절점을 기준으로 서로 맞은편에 있는 타이의 단면력 변화량 크기만큼 절점 영역에서 정착시켜야 합니다.
하나의 타이가 연결된 절점 영역에서, 타이의 단면력을 확장 절점 영역의 경계면과 철근 타이의 도심이 교차하는 곳부터 확장 절점 영역 내측에서 정착시켜야 합니다.
두 개 이상의 타이가 연결된 절점 영역에서, 각 방향의 타이 단면력은 확장 절점 영역의 경계면과 철근 타이의 도심이 교차하는 곳부터 각각 확장 절점 영역 내측으로 정착시켜야 합니다.
4.2.3에 의해 산정되는 필요한 복부 철근은 복부 철근의 정착에 관한 규정에 따라 정착시켜야 합니다.
4.4 절점 영역의 강도
4.4.1 축 강도 산정
절점 영역의 강도는 4.4.1에 정의된 절점 영역의 공칭 압축 강도를 이용하여 식 (4.1-1) 조건의 만족 여부를 확인하는 방법으로 검토하거나, 절점 영역의 비탄성 해석에 의한 절점 영역의 안전 여부를 확인할 수 있는 방법을 이용하여 검토할 수 있습니다.
4.4.2 공칭 강도
절점 영역의 공칭 강도는 식 (4.4-1)에 의해 결정해야 합니다. (4.4-1)
여기서, 는 4.4.1에 주어진 절점 영역의 유효 압축 강도이고, 는 의 작용선에 직각인 절점 영역 경계면의 면적 또는 합력 작용선에 직각인 절점 영역 경계면의 면적입니다.
4.4.3 유효 압축 강도
절점 영역에 배치된 구속 철근이 없고 실험 및 해석을 통해 구속 철근의 영향을 평가하지 않는다면, 스트럿과 타이의 단면력에 의한 절점 영역 경계면의 유효 압축 강도는 식 (4.4-2)에 의한 값 이하이어야 합니다. (4.4-2)
여기서, 는 다음 (2)에 주어진 값입니다.
식 (4.4-2)의 값은 각 조건에 따라 다음과 같이 정해야 합니다.
① 지지판, 스트럿 또는 지지판과 스트럿에 의해 형성된 절점 영역 1.0
② 하나의 타이가 연결된 절점 영역 0.80
③ 두 개 이상의 타이가 연결된 절점 영역 0.60
4.4.4 3차원 절점
3차원 스트럿-타이 모델에서 절점 영역의 각 경계면의 면적은 4.4.2에 주어진 값보다 작지 않아야 하며, 절점 영역 각 경계면의 형상은 절점 영역 경계면에 접하는 스트럿 단부의 투영 형상과 유사해야 합니다.
