KDS 14 20 24 콘크리트구조 스트럿-타이모델 기준

1. 일반사항

1.1 목적

(1) 이 기준은 콘크리트구조의 스트럿-타이모델에 관한 설계방법과 최소한의 요구조건을 규정한다.

1.2 적용 범위

(1) 이 기준은 응력교란영역에 대한 합리적인 설계를 위한 규정으로서, 모든 계산에서 평형조건과 구성요소의 항복조건을 만족하여야 한다.

1.3 참고 기준

· KDS 14 20 01 콘크리트구조 설계(강도설계법) 일반사항

· KDS 14 20 10 콘크리트구조 해석과 설계 원칙

· KDS 14 20 20 콘크리트구조 힘 및 압축 설계기준

· KDS 14 20 22 콘크리트구조 전단 및 비틀림 설계기준

· KDS 14 20 26 콘크리트구조 피로 설계기준

· KDS 14 20 30 콘크리트구조 사용성 설계기준

· KDS 14 20 40 콘크리트구조 내구성 설계기준

· KDS 14 20 50 콘크리트구조 철근상세 설계기준

· KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준

· KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준

· KDS 14 20 60 프리스트레스트 콘크리트구조 설계기준

· KDS 14 20 62 프리캐스트 콘크리트구조 설계기준

· KDS 14 20 64 구조용 무근콘크리트 설계기준

• KDS 14 20 66 합성콘크리트 설계기준

• KDS 14 20 70 콘크리트 슬래브와 기초판 설계기준

• KDS 14 20 72 콘크리트 벽체 설계기준

• KDS 14 20 74 기타 콘크리트구조 설계기준

• KDS 14 20 80 콘크리트 내진설계구조 설계기준

• KDS 14 20 90 기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준

1.4 용어의 정의

(1) KDS 14 20 01(1.4)에 따른다.

1.5 기호의 정의

• $a$ : 전단경간, 즉 구조물에서 하중점과 반접부 사이의 거리, mm

• $b$ : 부재의 두께, mm

• $A_s$ : 스트럿의 유효단면적, mm$^2$

• $A_n$ : 접합연역 경계면 또는 접합연역을 횡성하는 요소의 단면적, mm$^2$

• $A_{se}$ : 긴장재 타이의 단면적, mm$^2$

• $A_{st}$ : 스트럿과 교차하는 1번째 수직방향 또는 수평방향 철근의 단면적, mm$^2$

• $A_{tt}$ : 접근타이의 단면적, mm$^2$

• $A'_s$ : 접근스트럿의 단면적, mm$^2$

• $d$ : 압축연단에서 종방향 인장철근 도심까지 거리, mm

• $f_{ce}$ : 스트럿 또는 접합연역의 콘크리트 유효압축강도, MPa

• $f_{ck}$ : 콘크리트의 설계기준압축강도, MPa

$f_s'$ : 압축철근의 응력, MPa

$f_{pw}$ : 긴장재의 유효프리스트레스 응력, MPa

$f_s$ : 사용하중이 작용할 때 철근의 응력, MPa

$f_u$ : 철근의 설계기준항복강도, MPa

$P_n$ : 스트럿, 타이 또는 접점영역의 공칭축강도, N

$P_{nn}$ : 접점영역 경계면의 공칭축강도, N

$P_{ns}$ : 스트럿의 공칭축강도, N

$P_{nt}$ : 타이의 공칭축강도, N

$P_u$ : 스트럿, 타이, 지압부 또는 접점영역에 작용하는 계수축력, N

$l_s$ : 순경간, mm

$s$ : 부재의 표면에 인접한 1 번째 수직방향 또는 수평방향 철근의 간격, mm

$w_s$ : 스트럿의 유효폭, mm

$w_t$ : 타이의 유효폭, mm

$w_{t,max}$ : 접점영역의 형상을 결정할 때 사용되는 타이의 최대 유효폭, mm

$β_s$ : 콘크리트 스트럿 압축강도를 계산할 때 균열의 영향과 구속철근의 영향을 고려하기 위한 계수

$β_n$ : 접점영역 압축강도를 계산할 때 타이의 정착 영향을 고려하기 위한 계수

$γ$ : 스트럿과 교차하는 1 번째 수직방향 또는 수평방향의 철근이 스트럿과 이루는 각도

$\Delta f_g$ : 계수축력에 의한 긴장재의 응력 증가분, MPa

$\lambda$ : 경량콘크리트계수(KDS 14 20 10(4.4) 참조)

$\phi$ : 강도감소계수

$\nu$ : 스트럿의 강도감소계수로 0.75

· $\phi$ : 타이의 강도감소계수로 0.85

2. 조사 및 계획

내용 없음.

3. 재료

(1) KDS 14 20 01(3)을 따른다.

4. 설계

4.1 스트럿-타이 모델 설계 절차

4.1.1 설계 절차 일반

(1)콘크리트 구조 부재 또는 D영역은 이상화된 트러스 모델로 설계할 수 있다.

(2)트러스 모델은 스트럿, 타이 그리고 절점으로 구성한다.

(3)트러스 모델의 모든 계수하중을 지지할, 압축응력물, 인장타이 또는 인접한 B영역으로 전달하여야 한다.

4.1.2 설계 절차

(1)콘크리트 구조 부재 또는 D영역의 스트럿-타이 모델 설계는 다음 (2)부터 (6)까지의 규정된 설계 절차에 따라야 한다.

(2)설계 대상 영역을 설정하고 설계 대상 영역의 설계를 위한 초기조건을 결정하여야 한다.

(3)설계 대상 영역의 설계를 위한 스트럿-타이 모델을 구성하여야 한다.

(4)스트럿과 타이의 단면력을 스트럿-타이 모델의 구조해석을 통해 계산하여야 한다. 구조해석을 할 때 스트럿과 타이의 필요 단면적은 스트럿과 타이의 유효강도 범위 내에서 결정하여야 하고, 스트럿과 타이의 유효강도는 4.2에

서 정의된 방법으로 구해야 한다. 스트럿과 타이의 필요단면적이 설계 대상 영역과 스트럿-타이 모델의 기하학적 형상에 의해 결정되는 이들 요소의 최대 허용단면적을 초과하지 않아야 하며, 이를 위반할 경우 초기의 설계조건을 수정하여 (3)으로 되돌아가야 한다.

(5)4.4에서 정의된 방법으로 절점영역의 강도를 검토하여야 한다. 절점영역의 강도를 만족하지 않는 경우 절단타이의 정착방법과 지압판의 크기를 변경하여 절점영역의 강도를 재검토하거나 초기의 설계조건을 수정하여 (3)으로 되돌아가야 한다.

(6)4.3.1에서 정의된 타이의 유효강도를 고려하여 필요철근량을 산정하여야 한다. 이때 철근의 배치와 정착은 4.3.2와 4.3.3의 규정을 만족시켜야 한다.

4.1.3 설계 원칙

(1) 스트럿, 타이 그리고 절점영역의 설계는 식 (4.1-1)에 따라야 한다.

$\phi F_n \geq F_u$ $(4.1-1)$

여기서, $F_u$는 계수하중에 의한 스트럿과 타이의 단면력 또는 절점영역의 한 면에 작용하는 단면력이고, $F_n$은 스트럿, 타이 그리고 절점영역의 공칭축강도이며, $\phi$는 강도감소계수이다. 스트럿의 강도감소계수 $\phi_s$는 0.75, 타이의 강도감소계수 $\phi_t$는 0.85를 사용한다.

4.2 스트럿의 축강도

4.2.1 축강도 산정

(1) 콘크리트 스트럿의 공칭압축강도는 콘크리트 스트럿 양단부의 강도를 식 (4.2-1)로 결정한 값 중에서 작은 값이어야 한다.

$F_{ns} = f_{ce}A_s$ $(4.2-1)$

여기서, $A_s$는 스트럿의 양단부에서 최소 단면적이고, $f_{ce}$는 4.2.2의 규정에 의해 결정되는 콘크리트 스트럿의 유효압축강도이다.

4.2.2 유효압축강도

(1)콘크리트 스트럿의 유효압축강도는 식 (4.2-2)로 결정하여야 하나, 유효압축강도에 영향을 미치는 여러 인자를 고려하여 실험과 적절한 해석을 통해 구한 값을 이용할 수 있다.

$f_{ce} = 0.85\beta_s f_{ck}$ (4.2-2)

(2)식 (4.2-2)의 $\beta_s$는 각 조건에 따라 다음과 같이 구하여야 한다.

① 전 길이에 걸쳐 스트럿의 단면적이 일정할 경우 　　　　　1.0

② 스트럿 길이 중앙부의 단면적이 스트럿 양단의 단면적보다 큰 병목상인 스트럿의 경우 4.2.3의 절균 배치에 관한 규정을 만족할 때 $\beta_s=0.750$이며, 그렇지 못할 때 $\beta_s=0.60$이다. 여기서, $\lambda$는 KDS 14 20 10(4.4)에 따른다.

③ 인장요소 또는 콘크리트 구조 부재의 인장균열지 콘크리트의

스트럿인 경우　　　　　　　　　　　　　0.40

④ 기타의 모든 경우　　　　　　　　　　　　0.60

4.2.3 절균 상세

(1)4.2.2(2)③에서 정의된 $\beta_s$를 사용할 경우 콘크리트 스트럿의 중심선은 스트럿 압축력의 확산으로 인한 스트럿의 횡방향 인장력에 저항하는 절근과 교차하여야 한다. 이때 콘크리트 스트럿의 압축력은 스트럿의 중방향과 횡방향으로 각각 2:1로 분산, 전달된다고 가정할 수 있다.

(2)$f_{ck}$가 40MPa 이하일 경우, 4.2.3의 규정은 콘크리트 스트럿의 중심선이 식 (4.2-3)의 조건을 만족하도록 배치된 절근과 교차할 때 만족하는 것으로 할 수 있다.

$\sum \frac{A_s}{s}\sin^2\alpha_s \geq 0.003$ (4.2-3)

여기서, $A_s$는 콘크리트 스트럿 중심선과 이루는 각 $\alpha_s$ 절근의 간격 $s$로 배치된 절근의 전체 면적이다.

(3)4.2.3의 구속절근을 콘크리트 스트럿 중심선에 대해 두 직각방향으로 배치하거나 한 방향으로 배치하여야 한다. 구속절근을 한 방향으로 배치한다면 그 각은 40° 이상이어야 한다.

4.2.4 절근 효과

(1)스트럿의 강도를 증가시키기 위해 압축철근을 사용할 수 있으며, 콘크리트 스트럿의 중심선에 평행하게 배치된 압축철근을 적절하게 정착하고, 압축응력을 위한 횡방향 보강재의 규정을 만족하는 띠철근 또는 나선철근의 내측에 스트럿을 배치하여야 한다.

(2)종방향으로 보강된 스트럿의 강도는 식 (4.2-4)와 같이 구할 수 있다.

$F_{ns} = f_{ce}A_s + 13.4A_s' f_s'$ (4.2-4)

여기서, $f_s'$는 압축철근의 응력으로 스트럿이 압축파괴될 때의 스트럿 변형률로부터 계산하거나, 설계기준항복강도가 500MPa 이하인 철근의 경우에는 설계기준항복강도를 사용할 수 있다.

4.3 타이의 인장강도

4.3.1 강도 산정

(1) 타이의 공칭강도는 식 (4.3-1)로 결정하여야 한다.

$F_{nt} = A_{st}f_y + A_{pt}(f_{pe} + \Delta f_p)$ (4.3-1)

여기서, $(f_{pe} + \Delta f_p)$는 $f_{pu}$를 초과할 수 없으며, 긴장재가 있는 부재에서 $A_{pt}$는 영의 값이다. 식 (4.3-1)에서 $\Delta f_p$는 부착된 긴장재의 경우 420MPa, 부착되지 않는 긴장재의 경우 70MPa이며, 해석에 의해 증명된 경우 다른 $\Delta f_p$ 값을 사용할 수 있다.

4.3.2 중심선

(1) 철근의 중심선은 스트럿-타이 모델에서 타이의 중심선과 일치시켜야 한다.

4.3.3 정착

(1)타이가 인장력을 효과적으로 발휘하기 위하여 다음 (2), (3), (4), (5)에 따라 철근타이는 기계적 정착, 포스트 텐션 정착 정착, 표준갈고리 또는 철근의 연장 등에 의해 정착시켜야 한다.

(2)절점을 기준으로 서로 맞은편에 있는 타이의 단면적 변화를 크기만큼 절점영역에서 정착시켜야 한다.

(3)하나의 타이가 연결된 절점영역에서, 타이의 단면적을 확장절점영역의 경계면과 절근타이의 도심이 교차하는 곳부터 확장절점영역 내측에서 정착시켜야 한다.

(4)두 개 이상의 타이가 연결된 절점영역에서, 각 방향의 타이 단면적은 확장절점영역의 경계면과 절근타이의 도심이 교차하는 곳부터 각각 확장절점영역 내측으로 정착시켜야 한다.

(5)4.2.3에 의해 산정되는 필요한 복부철근은 복부철근의 정착에 관한 규정에 따라 정착시켜야 한다.

4.4 절점영역의 강도

4.4.1 축강도 산정

(1) 절점영역의 강도는 4.4.1에 정의된 절점영역의 공칭압축강도를 이용하여 식 (4.1-1) 조건의 만족 여부를 확인하는 방법으로 검토하거나, 절점영역의 비탄성 해석에 의한 절점영역의 안전 여부를 확인할 수 있는 방법을 이용하여 검토할 수 있다.

4.4.2 공칭강도

(1) 절점영역의 공칭강도는 식 (4.4-1)에 의해 결정하여야 한다.

$F_{cu} = f_{cu}A_n \quad (4.4-1)$

여기서, $f_{cu}$는 4.4.1에 주어진 절점영역의 유효압축강도이고, $A_n$은 $F_u$의 작용선에 직각인 절점영역 경계면의 면적 또는 합력 작용선에 직각인 절점영역 경계면의 면적이다.

4.4.3 유효압축강도

(1)절점영역에 배치된 구속철근이 없고 실험 및 해석을 통해 구속철근의 영향을 평가하지 않는다면, 스트럿과 타이의 단면력에 의한 절점영역 경계면의 유효압축강도는 식 (4.4-2)에 의한 값 이하이어야 한다.

$f_{cu} = 0.85\beta_c f_{ck} \quad (4.4-2)$

여기서, $\beta_c$은 다음 (2)에 주어진 값이다.

(2)식 (4.4-2)의 $\beta_c$ 값은 각 조건에 따라 다음과 같이 정하여야 한다.

① 지지판, 스트럿 또는 지지판과 스트럿에 의해 형성된 절점영역 1.0

② 하나의 타이가 연결된 절점영역 0.80

③ 두 개 이상의 타이가 연결된 절점영역 0.60

4.4.4 3차원 절점

(1) 3차원 스트럿-타이 모델에서 절점영역의 각 경계면의 면적은 4.4.2에 주어진 값보다 작지 않아야 하며, 절점영역 각 경계면의 형상은 절점영역 경계면에 접하는 스트럿 단부의 투영 형상과 유사하여야 한다.