KDS 설계기준 413020 건축물 강합성구조 설계기준

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KDS 41 30 20 강합성구조 설계기준

1. 일반사항

1.1 목적

구조용 강재와 다른 재료를 합성으로 사용한 건축물 및 공작물(이하 “”강합성구조물””)의 구조적 안정성 확보를 위한 규정

1.2 적용 범위

구조용 강재와 다른 재료를 합성으로 사용한 건축물 및 공작물

1.3 참고 기준

관련 법규: 내용 없음
관련 기준:
- KDS 14 20 00 콘크리트구조 설계(강도설계법)
- KDS 14 31 00 강구조설계(하중저항계수설계법)
- KDS 41 10 10 건축구조기준 검사
- KDS 41 17 00 건축물 내진설계기준
- KDS 41 20 00 건축물 콘크리트구조 설계기준
- KDS 41 30 10 강구조 설계기준

1.4 용어의 정의

KDS 14 31 05에 따름

1.5 기호의 정의

KDS 14 31 05에 따름

1.6 해석과 설계 원칙

KDS 41 30 10(1.5)에 따름

1.7 구조설계도서

KDS 41 30 10(1.6)에 따름

1.8 제작, 설치 및 품질관리

KDS 41 30 10(1.7)에 따름

2. 조사 및 계획

내용 없음

3. 재료

KDS 41 30 10(3)에 따름

4. 설계

4.1 합성부재

압연형강, 용접형강 또는 강관이 구조용 콘크리트와 함께 거동하도록 구성된 합성부재
철근콘크리트 슬래브와 이를 지지하는 강재보가 서로 연결되어 보와 슬래브가 함께 휨에 저항하도록 구성된 강재보
스터드앵커를 갖는 단순 및 연속합성보, 매입형합성보, 충전형합성보 (동바리 사용 여부와 상관없이 적용)

4.1.1 일반사항

공사 과정에서 각 증분하중이 가해지는 단계마다의 유효단면을 고려해야 함
합성부재의 강도는 제작 및 공사 과정에서 발생된 잔류응력, 잔류변형, 시공오차 등의 불완전성 영향을 고려해야 함

4.1.1.1 콘크리트와 철근

합성구조에 사용된 콘크리트와 철근에 관련된 설계, 배근상세 및 재료 성질은 KDS 41 20 00을 따르며 다음 예외사항 및 제한사항을 준용:
- KDS 14 20 50(4.5.2), KDS 14 20 66(4.3) 및 KDS 41 20 00(4.8)의 모든 내용 제외
- 콘크리트와 철근의 재료강도에 대한 제한사항은 4.1.1.3 따름
- 횡방향철근에 대한 구조제한사항은 4.1.2.1(1)②와 KDS 41 20 00 따름
- 매입형 합성부재에서 길이방향철근의 최소철근비는 4.1.2.1(1)③ 따름
KDS 41 20 00에 따른 콘크리트와 철근의 설계는 한계상태설계법의 하중조합에 따름

4.1.1.2 합성단면의 공칭강도

소성응력분포법 또는 변형률적합법에 따라 결정
콘크리트의 인장강도는 무시
충전형합성부재는 국부좌굴의 영향을 고려해야 함
매입형합성부재는 국부좌굴을 고려할 필요가 없음

① 소성응력분포법 – 강재가 인장 또는 압축으로 항복응력에 도달할 때 콘크리트는 축력과/또는 휨으로 인한 압축으로 0.85의 응력에 도달한 것으로 가정하여 공칭강도 계산 – 충전형 원형강관 합성기둥의 콘크리트는 축력과 휨, 축력 또는 휨으로 인한 압축응력을 받는 경우 구속 효과를 고려

② 변형률적합법 – 단면에 걸쳐 변형률이 선형적으로 분포한다고 가정 – 콘크리트의 최대압축변형률을 0.003 mm/mm로 가정 – 강재 및 콘크리트의 응력-변형률관계는 KDS 41 10 10에 따라 실험을 통해 구하거나 유사한 재료에 대한 공인된 결과를 사용

4.1.1.3 재료강도 제한

합성구조에 사용하는 구조용강재, 철근, 콘크리트는 실험 또는 해석으로 검증되지 않을 경우 다음 제한조건들을 만족해야 함:
- 설계강도의 계산에 사용되는 콘크리트의 설계기준압축강도는 21 MPa 이상이어야 하며 70 MPa를 초과할 수 없음 (경량콘크리트의 경우 21 MPa 이상, 42 MPa 초과 불가)
- 합성기둥의 강도를 계산하는데 사용되는 구조용 강재 및 철근의 설계기준항복강도는 650 MPa를 초과할 수 없음 (단, 매입형합성기둥의 강도산정은 4.1.2.1 매입형 합성부재 제한사항 따름)

4.1.1.4 국부좌굴에 대한 충전형합성단면의 분류

압축력을 받는 충전형 합성부재의 단면은 조밀, 비조밀, 세장으로 분류
휨을 받는 충전형 합성부재의 단면은 조밀, 비조밀, 세장으로 분류

① 압축력을 받는 충전형 합성부재 – 압축강재요소 중 최대 폭두께비가 를 초과하지 않는다면 조밀 – 하나 이상의 압축강재요소의 최대 폭두께비가 를 초과하고 를 초과하지 않는다면 비조밀 – 압축강재요소 중에서 최대 폭두께비가 를 초과하는 요소가 있으면 세장 – 최대허용 폭두께비는 표 4.1-1 따름

② 휨을 받는 충전형 합성부재 – 압축강재요소 중 최대 폭두께비가 를 초과하지 않는다면 조밀 – 하나 이상의 압축강재요소의 최대 폭두께비가 를 초과하고 를 초과하지 않는다면 비조밀 – 압축강재요소 중에서 최대 폭두께비가 를 초과하는 요소가 있으면 세장 – 최대허용 폭두께비는 표 4.1-2 따름

각형강관과 원형강관의 폭() 또는 직경()과 두께()에 대한 정의는 KDS 14 31 10(표 4.2-2) 참고

표 4.1-1 압축력을 받는 충전형합성부재의 압축강재요소에 대한 판폭두께비 제한

| 구분 | 판폭 두께비 | 조밀/비조밀 | 비조밀/세장 | 최대허용 | |—|—|—|—|—| | 각형강관1) | | | | | | 원형강관 | | | | |

주 1) 사각형 강관 및 두께가 일정한 용접사각형강관

표 4.1-2 휨을 받는 충전형합성부재 압축강재요소에 대한 판폭두께비 제한

| 구분 | 판폭 두께비 | 조밀/비조밀 | 비조밀/세장 | 최대허용 | |—|—|—|—|—| | 각형강관1)의 플랜지 | | | | | | 각형강관1)의 웨브 | | | | | | 원형강관 | | | | |

주 1) 사각형 강관 및 두께가 일정한 용접사각형강관

4.1.2 축력을 받는 부재

매입형 합성부재와 충전형 합성부재에 적용

4.1.2.1 매입형 합성부재

구조 제한:
- 강재코어의 단면적은 합성기둥 총단면적의 1% 이상
- 강재코어를 매입한 콘크리트는 연속된 길이방향철근과 띠철근 또는 나선철근으로 보강
  - 횡방향철근의 중심간 간격: 직경 D10의 철근 사용 시 300 mm 이하, 직경 D13 이상 철근 사용 시 400 mm 이하 (이형철근망이나 용접철근 사용 시 등가단면적 확보)
  - 횡방향 철근의 최대간격: 강재 코어의 설계기준공칭항복강도가 450 MPa 이하인 경우 부재단면에서 최소크기의 0.5배 초과 불가, 450 MPa 초과하는 경우 부재단면에서 최소 크기의 0.25배 초과 불가
- 연속된 길이방향철근의 최소철근비 는 0.004로 하며 다음 식으로 구함:
(4.1-1)
- ：연속길이방향철근의 단면적, mm2
- ：합성부재의 총단면적, mm2
- 압축강도: 축하중을 받는 2축대칭 매입형합성부재의 설계압축강도 는 기둥세장비에 따른 휨좌굴한계상태로부터 다음과 같이 구함:
- 인 경우
(4.1-2) – 인 경우

(4.1-3) – ：강재단면적, mm2 – ：콘크리트단면적, mm2 (단, 강재코어의 설계기준공칭항복강도가 450 MPa를 초과할 경우는 ＝ 로 산정) – ：매입합성기둥의 경우 피복두께와 띠철근 직경을 제외한 심부 콘크리트의 유효단면적, mm2 – ：연속된 길이방향철근의 단면적, mm2 – ：콘크리트의 탄성계수, MPa – ：강재의 탄성계수, MPa – ：철근의 탄성계수, MPa – ：콘크리트의 설계기준압축강도, MPa – ：강재의 설계기준항복강도, MPa – ：철근의 설계기준항복강도, MPa – ：콘크리트단면의 단면2차모멘트, mm4 – ：강재단면의 단면2차모멘트, mm4 – ：철근단면의 단면2차모멘트, mm4 – ：부재의 유효좌굴길이계수 – ：부재의 횡지지길이, mm – ：콘크리트의 단위체적당 무게 (1,500≤≤2,500kg/m3) – ：합성단면의 유효강성, N·mm2 (단, 강재코어의 설계기준 공칭항복강도가 450 MPa를 초과하여도 합성단면의 유효강성 산정에는 콘크리트 전체 단면적()을 사용)

(4.1-6) (4.1-7) – 인장강도: 매입형 합성기둥의 설계인장강도 는 항복한계상태로부터 다음과 같이 구함:

(4.1-8) – 하중 전달: 매입형합성부재의 하중전달에 대한 요구사항은 4.1.6에 따름 – 상세 요구사항: – 강재단면과 길이방향 철근 사이의 순간격은 철근직경의 1.5배 이상 또는 40 mm 중 큰 값 이상 – 플랜지에 대한 콘크리트 순피복두께는 플랜지폭의 1/6 이상 – 2개 이상의 형강재를 조립한 합성단면인 경우 형강재들은 콘크리트가 경화하기 전에 가해진 하중에 의해 각각의 형강재가 독립적으로 좌굴하는 것을 막기 위해 띠판 등과 같은 부재들로 서로 연결되어야 함

4.1.2.2 충전형 합성부재

구조 제한:
- 강관의 단면적은 합성부재 총단면적의 1% 이상
- 충전형합성부재는 4.1.1.4에 따라 국부좌굴효과를 고려하여 분류
압축강도: 축하중을 받는 2축대칭 충전형 합성부재의 설계압축강도는 다음과 같은 보정된 식들을 사용하여 4.1.2.1(2)에 따라 휨좌굴한계상태로부터 구함:
- 조밀단면
(4.1-9)
- ：사각형단면에서는 0.85, 원형단면에서는 로 함
- ：강관의 두께
- 비조밀단면
(4.1-11)
- ：표 4.1-1의 판폭(직경) 두께비 제한값
- 세장단면
(4.1-13)
- 사각형단면；
(4.1-14) – 원형단면；

(4.1-15) – 합성단면의 유효강성은 다음 식으로 구함:

(4.1-16)
- ：충전형합성압축부재의 유효강성을 구하기 위한 계수
(4.1-17) – 인장강도: 충전형 합성기둥의 설계인장강도 는 항복한계상태로부터 다음과 같이 구함:

(4.1-18) – 하중 전달: 충전형합성부재의 하중전달에 대한 요구사항은 4.1.6에 따름

4.1.3 휨을 받는 부재

4.1.3.1 일반사항

휨을 받는 다음 3종류의 합성부재에 적용:
- 스터드앵커 또는 ㄷ형강으로 구성된 강재앵커(전단연결재)가 있는 합성보
- 매입형 합성부재
- 충전형 합성부재
유효폭: 콘크리트 슬래브의 유효폭은 보중심을 기준으로 좌우 각 방향에 대한 유효폭의 합으로 구해지며 각 방향에 대한 유효폭은 다음 중에서 최솟값으로 함:
- 보스팬(지지점의 중심간)의 1/8
- 보중심선에서 인접보 중심선까지 거리의 1/2
- 보중심선에서 슬래브 가장자리까지의 거리
시공 중의 강도: 동바리를 사용하지 않는 경우, 콘크리트의 강도가 설계기준강도의 75%에 도달하기 전에 작용하는 모든 시공하중은 강재단면 만으로 지지할 수 있어야 함 (강재단면의 강도는 KDS 14 31 10에 따라 구함)
다른 형태의 휨부재인 합성트러스와 합성데크슬래브는 4.1.9와 4.1.11에 따름

4.1.3.2 강재앵커(전단연결재)를 갖는 합성보

강재앵커는 스터드앵커 또는 ㄷ형강을 사용

① 정모멘트에 대한 휨강도 – 설계휨강도 는 항복한계상태로부터 다음과 같이 구함: – 인 경우: 합성단면의 항복한계상태에 대해 소성응력분포로부터 산정 (소성모멘트) – 인 경우: 동바리의 영향을 고려하여 항복한계상태에 대해 탄성응력을 중첩하여 구함 (항복모멘트)

② 부모멘트에 대한 휨강도 – 설계휨강도 는 KDS 14 31 10(4.3)에 따라 강재단면만을 사용하여 구하거나, 다음과 같은 계수를 사용하여 항복한계상태(소성모멘트)에 대해 합성단면의 소성응력분포로부터 구할 수 있음 (단, 다음 조건들을 만족해야 함): – 강재보는 조밀단면이며 KDS 14 31 10(4.3)에 따라 적절히 횡지지되어야 함 – 부모멘트 구간에서 콘크리트슬래브와 강재보에 강재앵커로 결합되어야 함 – 유효폭 내의 강재보에 평행한 슬래브철근은 적절히 정착되어야 함

③ 골데크플레이트를 사용한 합성보 – 일반사항: 강재보와 골데크플레이트 슬래브로 이루어진 합성부재의 설계휨강도는 4.1.3.2(1)①과 4.1.3.2(1)②에 따라 구하되 다음 조건들을 만족해야 함: – 데크플레이트의 공칭골깊이는 75 mm 이하 (더 큰 골높이의 사용은 실험과 해석을 통해 정당성이 증명되어야 함) – 골 또는 헌치의 콘크리트 평균폭 는 50 mm 이상이어야 하며 데크플레이트 상단에서의 최소순폭 이하로 함 – 콘크리트슬래브와 강재보를 연결하는 스터드앵커의 직경은 19 mm 이하이어야 하며 데크플레이트를 통하거나 아니면 강재보에 직접 용접되어야 함 (스터드앵커는 부착 후 데크플레이트 상단 위로 38 mm 이상 돌출, 상단 위로 13 mm 이상의 콘크리트피복 필요) – 데크플레이트 상단 위의 콘크리트두께는 50 mm 이상 – 데크플레이트는 지지부재에 450 mm 이하의 간격으로 고정 (스터드앵커나 스터드앵커와 점용접의 조합, 또는 설계자에 의해 명시된 방법에 의해 이루어져야 함) – 골방향이 강재보와 직각인 경우: 골 내부의 콘크리트는 합성단면의 성능산정이나 의 계산에 포함할 수 없음 – 골방향이 강재보와 평행인 경우: 골 내부의 콘크리트는 합성단면의 성능산정에 포함될 수 있으며 의 계산에 포함 – 지지보 위의 데크플레이트골은 길이방향으로 절단한 후 간격을 벌림으로써 콘크리트 헌치를 형성하도록 할 수 있음 (데크플레이트의 공칭깊이가 40 mm 이상일 때 골 또는 헌치의 평균폭 는 스터드앵커가 일렬배치인 경우에는 50 mm 이상이어야 하며 추가되는 스터드앵커마다 스터드앵커 직경의 4배를 더해주어야 함)

④ 강재보와 슬래브 사이의 하중전달 – 정모멘트 구간: 4.1.3.3의 매입형 합성단면을 제외하고는, 강재보와 슬래브면 사이의 전체수평전단력은 강재앵커에 의해서만 전달된다고 가정 – 강재보와 콘크리트가 합성작용을 하기 위해서 정모멘트가 최대가 되는 위치와 모멘트가 0이 되는 위치 사이의 총수평전단력 는 콘크리트의 압괴, 강재단면의 인장항복, 그리고 강재앵커의 강도 등의 3가지 한계상태로부터 구한 값 중에서 최솟값으로 함: – 콘크리트 압괴

    ```
    (4.1-19)
    ```
    - 강재단면의 인장항복

    ```
    (4.1-20)
    ```
    - 강재앵커의 강도

    ```
    (4.1-21)
    ```

    -  ：유효폭 내의 콘크리트단면적, mm2
    -  ：강재단면적, mm2
    -  ：정모멘트가 최대가 되는 위치와 모멘트가 0이 되는 위치 사이의 강재앵커 공칭강도의 합, N

부모멘트 구간: 연속합성보에서 부모멘트구간의 슬래브 내에 있는 길이방향철근이 강재보와 합성으로 작용하는 경우, 부모멘트가 최대가 되는 위치와 모멘트가 0이 되는 위치 사이의 총수평전단력 는 슬래브철근의 항복과 전단연결재의 강도 등의 2가지 한계상태로부터 구한 값 중에서 최솟값으로 함:
- 슬래브철근의 인장항복 한계상태
(4.1-22)
- ：콘크리트슬래브의 유효폭 내에 있는 적절하게 정착된 길이방향 철근의 단면적, mm2
- ：철근의 설계기준항복강도, MPa
- 강재앵커의 강도
(4.1-23)

4.1.3.3 매입형합성부재의 휨강도

설계휨강도는 다음과 같이 구함:
- 공칭휨강도 는 다음 방법 중 하나를 사용하여 구함:
  - 항복한계상태(항복모멘트): 동바리의 효과를 고려하여 합성단면에 작용하는 탄성응력을 중첩하여 산정
  - 강재단면의 항복한계상태(소성모멘트): 강재단면만의 소성응력분포를 사용하여 구함
  - 합성단면에 작용하는 소성응력분포를 사용하여 구하거나 변형률적합법을 사용하여 구함
매입형합성부재에는 강재앵커를 사용해야 함

4.1.3.4 충전형합성부재의 휨강도

충전형합성단면은 4.1.1.4에 따라 국부좌굴에 의해 분류
설계휨강도는 다음과 같이 구함:
- 공칭휨강도 는 다음과 같이 구함:
  - 조밀단면
  (4.1-24)
  - ：합성단면의 소성응력분포로부터 구한 모멘트, N·mm
  - 비조밀단면
  (4.1-25)
  - ：표 4.1-2의 판폭(직경)두께비 제한값
  - ：인장플랜지의 항복과 압축플랜지의 첫 항복에 대응하는 항복모멘트, N·mm (첫 항복에서의 저항능력은 0.7의 최대콘크리트압축응력과 의 최대강재응력의 선형탄성응력분포로 가정하여 계산)
  - 세장단면: 공칭휨강도는 첫 항복모멘트로부터 구함 (압축플랜지응력은 식 (4.1-14) 또는 식 (4.1-15)로부터 구한 국부좌굴응력 로 제한, 콘크리트응력분포는 최대압축응력을 0.7로 한 선형탄성응력분포로 함)

4.1.4 전단강도

4.1.4.1 충전형 및 매입형 합성부재

설계전단강도 는 다음 중에서 한 가지 방법으로 구함:
- KDS 14 31 10(4.3)에 따른 강재단면만의 설계전단강도
- KDS 41 20 00(4.5)에 따른 철근콘크리트만의 전단강도 (강도저항계수는 다음 값을 사용, 단, 무근콘크리트로 채운 충전형합성부재에서 콘크리트만의 전단강도는 KDS 41 20 00의 관련 기준에 따름)
- KDS 14 31 10(4.3)에 따른 강재단면의 공칭전단강도와 KDS 41 20 00에 따른 철근의 공칭전단강도의 합 (강도저항계수는 다음 값을 사용)

4.1.4.2 데크플레이트를 사용한 합성보(또는 노출형 합성보)

강재앵커를 갖는 노출형 합성보의 설계전단강도는 KDS 14 31 10(4.3)에 따라 강재 단면만의 특성으로부터 구함

4.1.5 휨과 축력의 조합

합성부재에 압축력과 휨이 동시에 작용하는 경우 KDS 14 31 15에서 요구되는 안정성을 고려해야 함
설계압축강도와 설계휨강도는 4.1.2와 4.1.3에 따라서 각각 구함
압축강도에 미치는 길이의 영향을 고려한 부재의 공칭압축강도는 4.1.2에 따라 구함
매입형합성부재와 조밀단면의 충전형합성부재에 대한 축력과 휨의 상호관계는 KDS 14 31 10(4.4.1.1)의 상호관계식 또는 4.1.1.2에서 규정한 방법 중의 하나를 따름
비조밀 또는 세장 단면의 충전형합성부재에 대한 축력과 휨의 상호관계는 KDS 14 31 10(4.4.1.1)의 상호관계식에 따름

4.1.6 하중 전달

4.1.6.1 일반 요구사항

외력이 매입형합성부재 또는 충전형합성부재에 축방향으로 가해질 때, 부재로의 힘 도입과 부재 안에서의 길이방향 전단력 전달은 이 조항에 있는 힘의 분배에 대한 요구사항에 따라 평가
4.1.6.3에 따라 결정된 적절한 힘전달기구의 설계강도 는 4.1.6.2에서 구한 길이방향 소요전단력 이상이어야 함

4.1.6.2 힘의 분배

강재와 콘크리트 간에 전달되어야 할 힘의 크기는 다음 요구사항에 따른 외력의 분배로 함:
- 외력이 강재단면에 직접 가해지는 경우: 콘크리트에 전달되어야 할 힘 는 다음과 같이 구함:
(4.1-26)
- ：길이효과를 고려하지 않은 공칭압축강도, N (매입형합성부재는 식 (4.1-4), 충전형합성부재는 식 (4.1-9)에 의해 구함)
- ：합성부재에 가해지는 소요외력, N
- 외력이 콘크리트에 직접 가해지는 경우: 강재에 전달되어야 할 힘 는 다음과 같이 구함:
(4.1-27)
- ：길이효과를 고려하지 않은 공칭압축강도, N (매입형합성부재는 식 (4.1-4), 충전형합성부재는 식 (4.1-9)에 의해 구함)
- ：합성부재에 가해지는 소요외력, N
- 외력이 강재단면과 콘크리트에 동시에 가해지는 경우: 콘크리트에서 강재 또는 강재에서 콘크리트로 전달되어야 할 힘 는 강재에 직접 가해지는 외력의 일부 와 식 (4.1-27)에서 산정한 힘 과의 차이로 함:
(4.1-28)
- ：강재에 직접 가해지는 외력의 일부 힘, N

4.1.6.3 힘전달기구

직접부착작용, 전단접합 및 직접지압에 의한 힘전달기구의 공칭강도 는 다음과 같이 구함 (이 중에서 가장 큰 공칭강도의 힘전달기구를 사용할 수 있으나 중첩하여 사용할 수 없음, 길이방향 전단력 가 직접부착작용에 의한 설계전단강도를 초과할 경우에는 4.1.6.3(1)① 또는 4.1.6.3(1)②에 의한 힘전달기구를 사용해야 함):
- 직접지압강도: 힘이 내부지압기구에 의한 직접지압에 의해 매입형 또는 충전형 합성부재에 전달되는 경우, 설계지압강도는 다음과 같이 콘크리트압괴의 한계상태로부터 구함:
(4.1-29)
- ：콘크리트의 재하면적, mm2
- 전단접합: 힘이 전단접합에 의해 매입형 또는 충전형 합성부재에 전달되는 경우, 강재앵커의 설계전단강도는 다음과 같이 구함:
(4.1-30)
- ＝4.1.6.4에 정의한 하중도입부 길이 안에 배치된 스터드앵커 또는 ㄷ형강앵커의 설계전단강도 의 합, N
- 각 강재앵커의 설계전단강도 는 4.1.8.3(1) 또는 4.1.8.3(4)로부터 구함
- 직접부착강도: 힘이 직접부착작용에 의해 충전형합성부재 및 매입형합성부재에 전달되는 경우, 강재와 콘크리트 사이의 설계부착강도는 다음과 같이 구함:
“` (4.1

”