건축 구조물 설계법 종류

구조물을 설계하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 아래에서는 여러 설계법의 종류에 대해 알아보고, 각 설계법의 정의와 장단점에 관해 설명하겠습니다.

 

 

허용응력 설계법

허용응력설계법(Allowable stress design method)은 철근콘크리트 단면의 중심축에서 거리에 따라 응력이 비례한다고 가정한 탄성이론에 기초하여 만들어진 설계법입니다. 사용하중을 예측하여 결정하고, 부재 단면의 치수와 철근의 양은 콘크리트와 철근에 생기는 허용응력을 초과하지 않도록 합니다. 허용응력설계법에서는 다음과 같은 가정을 전제로 합니다. 첫째, 철근의 탄성계수는 정수입니다. 둘째, 변형은 중립축으로부터의 거리에 비례합니다. 셋째, 콘크리트의 휨 인장 응력은 무시하며 철근과 콘크리트의 부착은 완전하기 때문에 하중이 작용할 경우 상대적인 미끄러짐이 생기지 않습니다. 넷째, 콘크리트와 철근에 생기는 응력은 규정된 허용 응력을 초과하지 않습니다.

하지만 실제로 철근콘크리트는 완전 탄성체가 아니라 소성체에 가깝고, 콘크리트의 응력 변형도는 낮은 응력에서는 응력과 변형이 비례하지만, 응력이 점점 높아지면 응력과 변형이 비례하지 않는 곡선이기 때문에 이를 직선으로 보는 탄성이론으로 설계하는 것은 불합리합니다. 또한 이 방법으로 설계된 콘크리트 부재가 파괴될 때의 응력분포는 이론과 다릅니다. 따라서 허용응력도 설계법은 설계 계산이 간단하다는 장점이 있는 반면, 파괴에 대한 두 재료의 안전도를 일정하게 하기 어렵다는 점과 고정하중이나 활하중같이 서로 성질이 다른 하중의 영향을 설계에 반영하는 것이 불가능하다는 점, 그리고 부재의 강도를 알기 힘들다는 점이 단점입니다. 

 

한계상태설계법

기존에는 허용응력설계법이 유일했으며 아직도 일부에서 사용되고 있습니다. 하지만 1960년대 초반부터는 극한강도설계법이 많이 채택되었으며 1970년 초에는 영국의 설계기준에 한계상태설계법(Limit state design method)이 등장하여 이 설계법으로 설계기준을 통일하는 국제적인 움직임이 유럽에서 시작되었습니다.

한계상태란 구조물이 안정성이나 규정된 기능을 발휘하지 못하는 상태를 의미하며, 극한한계상태(Ultimate limit state)와 사용 한계상태(Serviceability limit state)로 분류됩니다. 극한한계상태란, 구조물의 최대 내력에 해당하는 상태를 의미합니다. 즉, 구조물이나 부재가 파괴하려는 상태 혹은 파괴에 가까운 상태를 말합니다. 이 상태는 구조체가 평형 상태를 상실하고, 좌굴이 생기며 단면파괴나 구조체의 불안정성 등으로 붕괴하는 경우를 의미합니다. 한편, 사용 한계상태는 과한 변형, 진동, 균열, 처짐 등을 일으키는 등 정상적인 사용상태나 내구성에 관한 필요조건을 만족하지 못하는 상태를 의미합니다. 

허용응력설계법에서 안전율을 정할 때는 하중과 재료 강도에 불확실성이 포함되지 않는다고 가정하지만, 여전히 남아있을 수 있는 불확실성의 요인을 고려하여 경험과 판단에 의해 안전율을 정했습니다. 하지만 실제로 하중과 재료 강도는 그 값들이 어떤 범위를 갖고 변동하는 특정 형태의 분포를 가지고 있습니다. 따라서 우리는 신뢰성 이론에 근거해 구조물을 설계해야 하는데, 한계상태설계법은 이런 목적을 달성하고자 만들어진 설계법입니다. 즉, 신뢰성 이론에 근거하여 사용성과 안정성을 합리적으로 하나의 설계 체계 안에서 다루려는 설계법이라고 할 수 있습니다.

영국에서 채택하고 있는 한계상태설계법(BS 8110)은 설계하고 있는 구조물이 요구하는 사용 목적에 적합하지 않게 되는 어떤 한계 상태에 도달하는 확률을 허용할 수 있는 한도 이하로 만드는 데 있습니다. 이를 위해서는 가장 불리한 한계상태에 대해 설계하고, 다른 한계상태에는 도달되지 않았다는 것을 검토해야 합니다. BS 8110은 확률이론에 완전히 근거할 수 있을 만큼 충분한 자료를 수집할 수 없었던 상황 때문에 재료 강도와 하중작용에 대한 부분안전계수를 도입하게 되었고, 이에 따라 한계상태까지는 미치지 못하지만 어느 정도 이에 근접한 확률을 보증할 수 있는 설계법으로 발전하였습니다.

 

강도설계법

강도설계법(Strength design method)은 콘크리트의 파괴나 항복으로 인해 구조물을 파괴상태로 만드는 극한 하중 이상의 설계강도를 갖도록 설계하는 설계법입니다. 이때 소요강도는 사용하중에 하중계수를 곱한 것으로, 설계강도는 공칭강도에 강도감소계수를 곱해 얻습니다. 하중계수의 크기는 사용하중을 예측할 수 있는 정확도에 따라 정해지는 것으로 1보다 큰 숫자이며, 강도감소계수는 시공할 때 단면 치수의 부족, 작업자의 미숙련도, 콘크리트의 공극, 철근 배근 시 발생하는 오차, 재료의 강도 저하 등 부재 강도에서 필연적인 손실과 부재의 연성, 부재 강도를 예측할 수 있는 정확도, 전체구조 강도에 대한 그 부재의 중요도 등을 고려하여 정해지는 것으로 1보다 작은 값입니다.

철근콘크리트 구조는 서로 다른 재료 특성을 가진 두 재료인 철근과 콘크리트의 합성 구조체입니다. 완전한 탄성 거동을 하는 철근에 비해 콘크리트는 근본적으로 비 탄성적이며 균질하지 않은 취성재료인데다 크리프와 건조수축 현상이 심하게 발생하는 재료이기 때문에 결과적으로 철근콘크리트 구조체는 탄성적인 거동을 못 하고, 구조역학 이론이 고도로 발전된 오늘날까지도 이론적으로 정확하게 예측하는 것이 거의 불가능한 복잡한 비탄성 거동을 나타냅니다. 따라서 철근콘크리트 구조물은 구조 요소별로 가능한 모든 강도와 사용성 한계상태 모드를 모두 고려해 실험이나 이론에 의해 합리적으로 도출된 탄성이나 비탄성 거동을 예측해야 합니다. 그리고 이 예측값을 바탕으로 설계해야 합니다. 사실 우리나라도 현재 선진국에서 도입하고 있는 한계상태설계법으로의 전환이 시급하지만, 다행히 우리나라의 국토교통부 규준의 강도설계법은 강도와 사용성에 대한 2단계의 설계를 요구하고 있습니다. 즉, 소요강도를 지지할 수 있는 설계 강도를 가질 수 있게 단면을 결정하되, 사용하중 수준에서 구조물 사용성 문제와 직결되는 진동과 처짐, 균열 등에 대해 검토를 하게끔 규정하고 있으므로 한계상태설계법과 거의 비슷한 수준으로 합리적인 설계를 할 수 있습니다.