허용응력도설계법과 극한 강도설계법의 장단점

철근콘크리트(Reinforced Concrete : RC)구조는 포틀랜드 시멘트와 골재 및 물이 일정한 비율로 배합되어 이루어진 콘크리트에 철근이 보강되어 경화(硬化)되면서 하중을 지지할 수 있도록 만들어진 구조체를 말한다.
철근콘크리트구조가 개발된 것은 140년 정도밖에 되지 않으나, 철근콘크리트가 가지는 경제성, 시공성, 내구성, 조형성 등의 장점으로 구조재료로서의 적합성이 인정되어 각종 건축물을 위시하여 교량, 항만 및 해양구조물, 지하구조물 등에 널리 사용되고 있다.
철근콘크리트의 주요원료인 시멘트와 철근은 공장에서 생산되나, 거푸집과 철근을 가공조립하고 콘크리트를 배합하여 타설한 후 양생을 거치는 과정에서 철골구조에 비하여 인위적인 요인과 주위 환경의 영향을 많이 받기 때문에, 철근콘크리트에 있어서는 구조전문가라 하더라도 재료의 특성을 포괄적으로 이해하지 않으면 안 된다.
철근콘크리트의 성립이유
① 철근과 콘크리트의 결합에서는 두 재료 사이의 부착강도(성능)가 크다.
- 두 재료가 일체로 거동할 수 있도록 한다.
② 콘크리트는 압축에 강하나 인장에는 약하다. 구조용 강재나 철근은 인장과 압축에 모두 강하 나 압축력에 대해서는 부재의 세장성으로 좌굴의 우려가 있어 인장력 저항에 보다 유리하기 때문에, 이 두 재료를 결합하여 철근콘크리트로 할 경우 이러한 취약점들이 서로 보완되어 구 조성능을 높일 수 있다.
- 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 1/9~1/13(10%)정도 이다.
③ 열팽창계수가 거의 같아 온도변화에도 두 재료가 분리되지 않는다.
- 콘크리트 : 0.000010/℃
- 철 근 : 0.000012/℃
④ 내구성에서도 콘크리트의 피복은 철근의 녹슬음(부식)을 방지하고, 철근은 콘크리트의 균열을 방지하는 역할을 한다.
⑤ 철근 배근된 상태에서 콘크리트 부어넣기에도 큰 어려움이 없어 시공성이 좋다.
철근콘크리트구조는 구조재로 쌍벽을 이루는 철골구조에 비하여 다음과 같은 장점들을 가지고 있다.
① 첫 번째, 철근콘크리트구조는 철골구조에 비하여 높은 경제성을 가지고 있다. 콘크리트를 이루는 시멘트, 골재, 물 등 재료의 공급이 풍부하고, 운반하거나 저장하기 쉬우며, 철근의 단위무게당 가격도 철골보다 저렴하여, 골조구조를 철근콘크리트로 하는 경우 철골에 비하여 공사비를 20∼30% 절약할 수 있다.
② 두 번째, 내구성이 높고 유지관리하기 쉬운 점을 들 수 있다. 콘크리트는 내화성이 높고 화학적으로 안정된 재료이므로 건물의 방화성능을 높여주고 철근의 부식을 방지하는 역할을 한다.
③ 세 번째, 뛰어난 조형성이다. 콘크리트는 거푸집 안에 소성상태로 타설되기 때문에 거푸집과 마감기술에 따라 원하는 형태와 무늬를 만들어 낼 수 있다.
④ 네 번째, 차음성능과 내진성능이 큰 것도 장점 중의 하나이다. 바람이나 보행자 또는 기계의 작동에 의하여 건물 전체나 바닥판이 진동하는 경우가 있으나, 철근콘크리트구조에서는 높은강성과 질량으로 이에 대한 저항성능이 크며, 상하층 간이나 벽체 내외에 소리를 차단하는 효율이 좋다. 즉, 절점이 강접합으로 되어 있으므로 구조물의 강성이 커서 지진, 진동 및 소음에 강하다.
⑤ 다섯 번째, 시공성이다. 접합부 등의 주요부재 설계와 시공이 편리하다.
이러한 우수성들로 인하여 콘크리트는 점차 매력이고 사용하기 쉬운 건축재료로 인식되고 있으나, 철골구조에 비하여 몇 가지 단점들도 아울러 가지고 있다.
① 첫 번째, 콘크리트의 인장강도가 낮은 점이다. 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 10% 정도이기 때문에 인장측에서 균열과 취성파괴가 쉽게 일어나며, 철근은 이러한 인장취약성을 보강하기 위하여 사용되고 있다.
② 두 번째, 거푸집과 지주(support)의 사용이다. 콘크리트가 타설될 때에는 반죽상태이기 때문에 거푸집이 없이는 형태를 이룰 수 없고, 타설되어 일정한 기간이 지나야 경화되어 강도를 가지기 때문에 그동안 거푸집을 지주로 지지하지 않으면 안 된다. 거푸집과 지주는 철근콘크리트 공사에만 사용되며, 거푸집 공사비는 전체 철근콘크리트 공사비의 30% 내외를 차지하고 있다.
③ 세 번째, 강도에 비하여 무게(중량)가 무거운 점이다. 철근콘크리트의 비중(2.4)은 철강재료(7.8)에 비하여 3배정도 가벼운 편이나, 강도는 철강재료가 10∼15배정도 크므로 강재에 비하여 많은 물량이 소요되고 구조체의 자중(自重)이 커지는 단점을 가지고 있다. 이러한 이유로 철근콘크리트구조는 철골구조에 비하여 긴 스팬구조에는 불리한 면을 가지고 있다. 따라서, 부재의 치수가 크게 되어 유효면적이 적어지며, 수평하중(풍하중, 지진하중)에도 불리하다.
④ 네 번째, 건조수축과 크리이프도 콘크리트가 가지는 큰 단점 중의 하나이다. 콘크리트는 건조수축에 의하여 구조체에 바라지 않는 변형이나 균열을 일으키며, 이러한 현상은 지속하중 상태에서 크리이프에 의하여 가중된다. 댐이나 항만구조물 등 콘크리트가 큰 부피를 이루는 구조물에서는 작용하중에 의한 응력보다 건조수축이나 크리이프에 의한 변형이나 응력이 구조설계의 대상이 되는 경우도 있다. 즉, 시공방법이나 양생조건에 따라 콘크리트 강도에 미치는 영향이 크므로 균질시공이 어렵고 경화과정에서 건조수축과 크리이프로 인하여 변형과 균열이 발생한다.
⑤ 그밖에 다음과 같은 단점이 있다.
- 습식구조이므로 겨울철 공사가 곤란하거나, 공사기간이 길어진다. 또한, 시공이 조잡해지기 쉽다.
- 해체시 파괴 및 철거가 어렵고 재료의 재사용이 곤란하다.
- 검사, 개조, 보강이 어렵다.
철근콘크리트구조는 위와 같은 재료적인 장점과 단점을 같이 가지고 있으며, 합리적인 구조설계를 위해서는 이러한 재료특성에 대하여 본질적인 이해가 선행되어야 한다.

1.2 철근콘크리트 설계규준
1900∼1950 허용응력설계법 사용
1950∼1970 허용응력설계법과 한계상태설계법이 병용
1970년대 이후에는 한계상태설계법에 근거를 둔 설계규준들이 통용.
(1) 현재 각국에서 채택되고 있는 철근콘크리트 설계규준은 크게 두 계열로 분류된다.
- 미국에서는 강도설계법(미국 콘크리트 학회 ACI)
- 유럽에는 한계상태설계법(유럽 콘크리트 위원회 CEB)
(2) 우리나라의 규준은 다음과 같다.
- 1972년 허용응력도설계법,「철근콘크리트구조 계산규준」
- 1988년 극한강도설계법,「극한강도설계법에 의한 철근콘크리트 구조 설계기준」이 규준은 미국 강도설계법을 근간으로 하고, 허용응력도 설계법에서 사용되었던 구조제한들이 시공방법 등을 고려하여 부분적으로 채택되었다.
구조재료의 성능을 탄성에서 비탄성까지 확대하여 재료의 효율적 이용과 더불어 보다 확률론적 접근방법을 시도한 결과로 보여진다.

허용응력도설계법(WSD)
허용응력도 설계법은 하중계수를 적용하지 않은 사용하중을 설계하중으로 사용하며, 탄성해석에 근거를 두고 있다.
탄성해석에서 작용하중에 의한 부재의 거동은 중첩원리(각 하중을 개별적으로 작용시켜, 그 효과를 합친 것과 같다)가 성립되므로, 구조체에 따라 예상되는 설계하중들을 여러 경우별로 적용시키고 그 결과들을 조합하여 그 중 가장 불리한 응력상태가 정하여진 허용응력을 넘지 않게 부재단면을 선정하는 방법이다.
부재응력(사용하중에서 가장 불리한 상태) ≤ 허용응력(안전율×재료강도)
부재응력이 재료강도에 안전율을 적용하여 정하여지는 허용응력도 이하가 되도록 콘크리트 단면과 철근량 및 배근방법을 정하여야 한다. 부재의 사용성에 대하여 특별히 고려하지 않아도 된다.
(1) 허용응력도 설계법에서는 다음과 같은 가정이 통용된다.
① 콘크리트와 철근은 훅크의 법칙을 따라, 응력과 변형도가 선형비례하며, 제하시 잔류변형이 생기지 않는다.
② 철근의 탄성계수는 정수이다.
③ 콘크리트의 휨인장응력은 무시한다.
④ 철근과 콘크리트의 부착은 완전하여 하중작용시 상대적인 미끄러짐이 생기지 않는다.
⑤ 콘크리트와 철근에 생기는 응력은 규정된 허용응력의 값을 초과하지 않는다.
(2) 허용응력도 설계법의 장·단점
① 장점
- 설계시 응력계산이 간단하다.
② 단점
- 부재의 강도를 알기 어렵다.
- 파괴에 대한 두 재료의 안전도를 일정하게 하기 곤란하다.
- 동일한 재료에서도 하중의 종류에 관계없이 동일한 안전계수를 사용하므로 성질이 다른 하중의 특성을 설계에 반영하지 못한다.
(3) 허용응력도 설계법이 실용적인 방법이 되지 못한다는 것이 인식되었다.
① 콘크리트는 균질하지 못하며, 크리이프와 건조수축의 영향을 받는다.
② 응력이 생기기 전에도 미세균열이 콘크리트 내에 존재하며, 하중작용시 응력-변형도 곡선은 실제로 선형이 아니다.
③ 콘크리트와 철근의 부착은 완전하지 않으며, 부분적인 미끄러짐이 일어난다.
④ 전체 구조재의 콘크리트를 동일하게 유지할 수 없다.
한계상태 설계법, 또는 극한강도 설계법에서도 구조체의 사용성은 탄성역에서의 구조거동에 관련되어 있어 사용성에 대한 검토에는 허용응력도 설계법이 사용되고 있다.

강도설계법
강도설계법은 하중계수와 강도저감계수를 사용하여 적절한 설계단면 강도를 갖게 설계하도록 규정하고 있다.
강도설계법에서 설계하중(계수하중)은 사용하중에 하중계수를 적용한 값을 사용한다. 주어진 단면과 보강상태에서 부재가 발휘할 수 있는 공칭부재강도에 강도저감계수를 적용하여 얻어지는 설계강도가 소요강도 이상이 되도록 하여야 한다. 부재단면의 선정에서 부재의 사용성이 아울러 고려되어야 한다.
설계강도 ≥ 소요강도
강도저감계수×공칭부재강도 ≥ 하중계수×사용하중

강도저감계수 및 하중계수를 사용하는 이유
① 재료 및 부재의 강도는 예상값보다도 작을 수 있다.
② 과재하가 일어날 수 있다.
③ 파괴의 결과가 심각할 수 있다.
강도저감계수에서 휨재에 대하여 의 값이 0.9로 비교적 크게 규정된 것은 휨재는 불의 파괴가 생기더라도 철근 보강된 인장측에서 파괴가 생기도록 설계되며 철근보강의 인장측은 큰 연성을 발휘하여 취성에 의한 갑작스런 파괴를 피할 수 있기 때문이다. 그러나 압축력을 지지하는 기둥에서는 압축력에 의한 파괴가 취성이고 구조해석이나 설계에서 가장 불리한 상태의 축압력과 휨모멘트의 조합을 고려하지 못할 우려가 있기 때문에 강도저감계수가 낮은 값으로 규정되어 있다.
(2) 강도설계법의 장·단점
① 장점
- 파괴에 대한 안저도의 확보가 확실하다.
- 각 내력에 따른 하중계수를 적용하여 하중의 특성을 반영하고 있다.
② 단점
- 재료의 불균질, 잔류응력, 크기의 부정확 등 재료의 특성을 반영하지 못한다.
- 처짐이나 균열 등 사용성의 확보를 별도로 검토해야 한다.

1.2.3 한계상태 설계법
구조체가 제 기능을 발휘 못하는 상태, 즉 한계상태에 이르는 것은 하중지지능력을 상실하는 극한한계상태와 구조기능 저하로 사용상 부적합한 상태(균열, 처짐, 진동 등)가 되는 사용한계상태로 대별된다.
(1) 극한한계상태(ultimate limit state) : 구조체의 전체 또는 부분이 붕괴되어 하중지지능력을 잃은 상태
구조체를 극한한계상태에 도달하게 하는 주요 요인은
① 구조체가 전도, 미끄러짐 등으로 인한 평형상태의 상실
② 휨인장파괴, 시공하중 등에 의한 연속파괴
③ 소성힌지의 과다발생으로 인한 소성기구의 형성
④ 구조체의 불안정성 등으로 붕괴되는 경우에 극한한계상태에 도달하게 된다.
(2) 사용한계상태(serviceability limit state) : 구조체가 붕괴되지는 않았으나 구조기능의 저하로 사용 에 매우 부적합하게 되는 상태
구조체를 사용한계상태에 도달하게 하는 주요 요인은 과다한 처짐과 과다한 균열이다.

1.3 사용성(처짐, 균열, 진동 등)

허용응력도 설계법은 사용성(serviceability)에 중점을 두고, 극한강도 설계법은 안정성에 중점을 두고 사용성은 별도로 검토하는 방법을 취하고 있다. 균열과 처짐은 극한강도 설계법과 고강도 철근이 도입되면서 사용하중의 작용상태에서 철근의 응력이 허용응력도 설계에 의한 경우보다 50%정도 증가함에 따라 이에 관련된 균열폭, 처짐등이 주요 설계대상이 되고 있다.
극한강도 설계법에서 고강도의 철근과 콘크리트를 사용할 경우 단면이 작아지고 이로 인해 강성이 저하되어 처짐이 발생할 우려가 있다. 그러므로 설계시 구조부재의 처짐은 비구조부재에 손상을 주지 않고 이들 비구조부재들이 제 역할을 할 수 있도록 제한되어야 한다.
구조체가 제 기능을 발휘 못하는 상태, 즉 한계상태에 이르는 것은 하중지지능력을 상실하는 극한한계상태와 구조기능 저하로 사용상 부적합한 상태(균열, 처짐, 진동 등)가 되는 사용한계상태로 대별된다. 부재의 안정성은 계수하중에 의하여 검토하지만, 사용성(처짐, 균열 등)은 사용하중에 의하여 검토한다. 부재의 처짐이나 균열은 보통의 사용 상태하에서 문제되기 때문이다. 이와 같은 처짐의 발생을 피하고 구조물을 양호한 상태로 사용하기 위해서는 구조물의 종류, 사용목적, 하중의 종류 등을 고려하여 허용처짐을 규정하여야 한다. 또한, 철근콘크리트 부재는 사용하중에서 구조물의 강도나 실제 사용에 해로운 영향을 주는 처짐 또는 그 외의 변형이 일어나지 않도록 충분한 강성이 확보되어야 한다.