허용응력설계법, 극한강도설계법 비교.

기본적으로 구조물에 가해지는 하중에 충분히 견디도록 단면을 설계하게 된다. 이러한 개념을 강도설계법(strength design)이라고 한다. 강도설계법은 사용재료가 받을 수 있는 최대강도 즉, 콘크리트와 철근이 받을 수 있는 최대강도를 기준으로 하므로 변형률-응력은 비선형 범위에까지 들어가게 된다. 강도설계법에 의해서 설계된 부재는 처짐, 균열, 그리고 피로거동 등 사용성(serviceability)에 관한 검토를 반드시 하도록 규정하고 있다.

허용응력설계법(allowable stress design, service load design)은 사용하중 하에서 재료가 허용응력이라고 불리우는 응력범위 내에 들도록 설계하는 것이다. 이 범위 안에서는 재료가 탄성거동을 하는 것으로 볼 수 있기 때문에 탄성거동에 기초하여 부재를 설계한다. 허용응력설계법은 부재가 파괴가 일어날 때까지의 안전에 대한 여유치를 제대로 평가하는 것이 어렵다.

강도설계법은 하중계수를 통하여 여러 하중의 불확실성을 각각 다르게 반영할 수 있고, 강도감소계수를 통하여 모멘트, 전단, 비틀림, 축력 등 다양한 강도에 대한 계산의 정확성을 달리 반영할 수 있다. 지금의 '콘크리트구조설계기준'에서 주로 사용하는 설계법은 강도설계법을 기준으로 하고 있으며, 사용성검토에서 허용응력설계법의 개념이 간접적으로 반영되고 있다.


강도설계법과 허용응력설계법에 대한 자세한 내용은 뒤에 해당 절에서 자세히 다룬다.

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1) 허용응력 설계법

부재의 강도를 알 수 없다.
파괴에 대한 두 재료의 안전도를 일정하게 하기가 곤란하다.
각 하중이 미치는 서로 다른 영향을 구별해서 반영하기 어렵다.

2) 강도 설계법

파괴에 대한 안전도의 확보가 확실하다.
하중계수를 이용해서 각 하중의 특징을 반영할 수 있다.
서로 다른 재료의 특성을 반영하기 어렵다.
사용성에 대해선 별도의 검토가 필요하다.

3) 한계상태 설계법

부분안전계수를 사용하여 하중 및 각 재료에 대한 특성을 합리적으로 반영한다.
안정성은 극한 한계상태를 검토하고, 사용성은 사용 한계상태를 검토하여 확보한다.
세계적인 설계법의 발전 방향이라 할 수 있다.


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7 허용응력설계법과 극한강도설계법


7.1 허용응력설계법

허용응력설계는 탄성해석에서 작용하중에 의한 부재의 거동은 각 하중을 개별적으로 작용시켜 그 효과를 합친 것과 같은 중첩원리가 성립되므로 그 중 가장 불리한 응력상태가 정하여진 허용응력을 넘지 않게 부재단면을 선정하는 방법

가정

1. 콘크리트와 철근은 후크의 법칙에 따라 응력과 변형률이 선형비례하며 제하시 잔류변형이 생기지 않는다.
2. 철근과 콘크리트의 부착은 완전하여 하중작용시 상대적인 미끄러짐이 생기지 않는다.
3. 콘크리트와 철근에 생기는 응력은 규정된 허용응력값을 초과하지 않는다




허용응력설계법이 실용적인 방법이 되지 못한 이유

1. 콘크리트는 복합체로 균질하지 못하며 크리프와 건조수축의 영향을 받는다
2. 응력이 생기기 전에도 미세균열이 콘크리트 내에 존재하며 하중작용시 응력-변형률 곡선은 실제로 선형이 아니다.
3. 콘크리트와 철근의 부착은 완전하지 않으며 부분적인 미끄러짐이 일어난다.




허용응력설계법을 사용하는 경우

철근콘크리트 구조체의 거동을 매우 이상적인 상태에서 평가하게 되고 수축, 크리프, 균열등에 의한 재료의 비선형성과 하중의 특성을 설계에 반영할 수 없어 구조체의 안전성과 경제성에 의문점을 남기고 있다.
그러나, 구조체의 사용성은 탄성역에서의 구조거동에 관련되어 있어 검토에는 허용응력설계법이 사용되고 있다.



7.2 극한강도설계법

사용하중에 하중율을 곱한 하중을 부재에 작용시켰을 때 그 부재가 파괴되지 않고 또 하중을 제거하면 원형으로 복귀한가의 여부로 부재의 극한 강도를 결정하는 방법이다. 일반적인 사용상태에서 구조물이 어떠한 상태에 놓여 있는지 정확한 판단을 할 수 없으므로 변형이나 균열등에 대하여는 별도의 검토가 필요하다.
탄성이론으로 설계된 부재가 파괴에 가까운 하중을 받으면 이론과 실제가 맞지않게 된다.
하중으로서 예상할 수 있는 최대의 것을 채용하여 이 하중일 때 부재가 적당한 안전율을 갖고 파괴에 이르도록 설계하는 것이 합리적이다.

기본개념은 부재의 강도가 계수하중에 지지할 수 있는 강도이상이 되도록 설계하는 방법이다.
여기서 부재의 강도란 그 재료의 실제 응력도-변형도 관계로 부터 계산된 값이며, 계수하중이란 사용하중을 구조체이 파괴가 일어나는 점까지 계수에 의하여 증대시킨 하중으로 구조부재는 이러한 계수하중을 지지할 수 있는 강도를 지닐 수 있도록 설계되어야 한다.
부재의 강도계산은 콘크리트의 비선형응력도-변형도 관계를 고려하므로 허용응력설계법과
비교하여 부재의 실제거동에 가깝다고 할 수 있다.