2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

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5-6

콘크리트 구조물 안전성 향상을 위한

스트럿-타이 모델 적용 방안

설 계 처-2975

(2013. 10. 7)

I 검토목적

□ 하중이나 부재의 형태가 불연속적이며 평면유지의 법칙이 적용

되지 않는 응력교란영역(D영역6)) 설계에는 일반적인 보 이론이

적용되기 어려워, 복잡․조밀한 철근 배근으로 시공성이 저하됨

□ 新설계기술인 스트럿-타이 모델을 도입하여 경제성, 안전성,

및 합리적인 콘크리트 구조물 설계를 유도하고, 우리 공사

기술 위상 제고 및 해외 시장 개척을 위한 기술 축척 도모

Ⅱ 현 설계기준

□ 국내 기준

o 콘크리트 구조기준(2012)

- 깊은보의 휨,압축(6.3.4), 전단(7.8.1)에 대하여 비선형 변형률 분포를

고려하거나 스트럿-타이 모델에 따라 설계하여야 한다.

- 브래킷, 내민받침(av/d≤2)에 대한 전단설계(7.9.1)에는 스트럿-

타이모델을 이용하여 설계할 수 있다.

※ 교각 코핑부는 스트럿-타이 모델(2011년 이후) 적용중

o 도로교 설계기준(2012)

- 부재의 응력교란영역의 설계(5.5.5)를 위하여 스트럿-타이 모델을

사용할 수 있다.

6) D영역(Disturbed region) : 집중하중에 의한 하중 불연속부, 단면이 급변하는 기하학적

불연속부 그리고 보이론의 평면유지원리가 적용되지 않는 영역

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□ 국외 기준

구 분 미 국 유 럽

시방기준 AASHTO LRFD 2010 ACI318-08 EuroCode 2

내 용

집중하중 작용점, 비

선형부 등 D영역에

대하여 스트럿-타이

모델 검토

기존 경험식에 의존

하던 깊은보 전단설

계방법을 스트럿-타이

모델로 대체

연속응력부 극한한

계상태, 비선형 변형부

등 스트럿-타이 모델

검토

적용부재

깊은보, 파일캡,

브라켓 및 코벨 등

깊은보, 코벨, 보-기둥

접합부, PSC 정착부,

교각 코핑부 등

깊은보, 내민받침,

파일캡, 코벨 등

Ⅲ 적용방안

【 스트럿-타이 모델 해석 적용 】

□ 스트럿-타이 모델 적용 타당성

o (기본개념) 응력흐름이 균일하지 않은 응력교란구간(D영역)을

해석․설계하는 트러스 모델

o 스트럿(strut) : 프리즘 모양 또는 부채꼴

모양의 압축응력장을 이상화한 요소

o 타이(tie) : 인장력 전달요소

o 절점영역(nodal zone) : 스트럿과 타이의

힘이 절점을 통해서 전달될 수 있도록

하는 절점의 유한 영역

o (기본원리) 스트럿, 타이 그리고 절점의 강도와 평형조건을 만족하는

정역학적 시스템으로 휨, 전단, 축력의 모든 하중 효과를 동시에 고려하여

일관성을 확보함

o (적용성 검토) 교량에서 D영역 부재인 말뚝기초, 코벨, PSC 거더

정착부, PSC 박스거더 정착부에 대하여 구조해석 시행

2013년도 설계실무자료집 - 구조물공사

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o 부재별 적용도

구분 힘의 흐름도 스트럿-타이 모델 적용도

말뚝

기초

코벨

PSC

I거더

정착부

PSCB

정착부

코핑부

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【 부재별 적용성 검토 】

□ 말뚝기초

o 대상 : T형 교각 기초(6×6m), 말뚝(4×4)

o 검토결과, 기초 주철근량 0.6톤(13%) 감소

기존 설계방법 개선방안

하부 주철근 : 3.506ton

상부 주철근 : 1.111ton

계 : 4.617ton

하부 주철근 : 3.065ton(Δ 13%)

상부 주철근 : 0.952ton(Δ 14%)

계 : 4.017ton (Δ 13%)

□ 코벨

o 대상 : 교대 접속슬래브 헌치

o 검토결과, 코벨 주철근량 0.104톤(12%) 감소

기존 설계방법 개선방안

코벨 주철근 : 0.760ton

수평전단철근 : 0.097ton

계 : 0.857ton

코벨 주철근 : 0.656ton(Δ 14%)

수평전단철근 : 0.097ton( - )

계 : 0.753ton (Δ 12%)

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□ PSC계열 거더 정착부

o 대상 : PSC거더(L=30m)

o 검토결과, 거더 단부 보강철근 0.155톤(15%) 감소

기존 설계방법 개선방안

수직 전단철근 : 0.302ton

수평 전단철근 : 0.168ton

배면 보강철근 : 0.056ton

계 : 0.526ton

수직 전단철근 : 0.255ton(Δ 16%)

수평 전단철근 : 0.137ton(Δ 18%)

배면 보강철근 : 0.056ton( - )

계 : 0.448ton (Δ 15%)

□ PSC 박스거더 정착부

o 대상 : PSC 박스거더(B=18.2m, H=3.5m)

o 검토결과, 박스 단부 보강철근 3.319톤(19%) 감소

기존 설계방법 개선방안

수직 전단철근 : 6.587ton

수평 전단철근 : 12.251ton

배면 보강철근 : 0.228ton

계 : 19.066ton

수직 전단철근 : 4.875ton(Δ 26%)

수평 전단철근 : 10.644ton(Δ 13%)

배면 보강철근 : 0.228ton( - )

계 : 15.747ton (Δ 17%)

□ 교각 코핑부

o 대상 : T형 교각(설계처-1361, 2011.06)

o 검토결과, 코핑 철근량 0.821톤(11%) 감소

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【 결론 및 기대효과 】

□ 스트럿-타이 모델 적용은 힘의 흐름에 따른 합리적인 설계로

기존 설계법보다 철근량이 11~17% 절감되어 경제적인 설계

가능

□ 교량별 하중조건, 부재 형상 등의 설계조건과 경제성을 비교

검토 후 설계 적용

□ 현 설계노선 적용시 공사비 약 30억원 절감 예상

o 대 상 : 함양~울산 등 5개 노선

Ⅳ 향후 추진계획

□ 적 용

o 설계중인 노선 : 본 방침 적용

□ 향후 추진 계획

o 설계 Check List 스트럿-타이 모델 검토 항목 신설

o 스트럿-타이 모델 설계 적용을 위한 교육 시행 : 2013. 11월

- 대 상 : 공사 및 설계용역사 직원

붙 임 : 1. 스트럿-타이모델 설계 절차

2. 부재별 검토 결과

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스트럿-타이 모델 설계 절차

설계대상 영역 선정

깊은 보, 내민받침

PSC 정착부, 교각 코핑부

초기조건 결정 설계하중, 지점조건

유한요소 구조해석

(주응력 흐름 검토)

MIDAS CIVIL, SAP 2000

스트럿-타이 모델 선정

균열양상과 철근의 배근

상황을 고려하여 선정

스트럿과 타이의 필요단

면적이 설계대상영역의

스트럿-타이모델의 형상에

의해 결정되는 요소의 최대

허용단면적을 만족하는지

검토 필요

NO 스트럿, 타이

유효강도 검토

YES

NO 절점영역은 스트럿 및

타이의 설계단면력을

전달함에 충분한 강도를

확보하는지 검토 필요

(        

 )

절점영역의

강도 검토

YES

필요철근량 산정

설계도 작성 및 물량산출

붙 임 #1

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붙 임 #2