기존 구조물 안전성평가 강도감소계수

왜 배우는가: 기존 구조물은 준공 당시 기준으로 설계되었고 이후 용도 변경과 열화를 겪으므로 안전성을 다시 판정해야 한다. 강도감소계수는 평가 결과를 좌우하는 핵심 입력값이라 1교시 용어 문제와 3교시 논술에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 3번, 제129회 3교시 4번, 제119회 1교시 6번, 제117회 1교시 1번, 제113회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기존 구조물 평가의 강도감소계수는 부재력 종류별로 저항강도를 낮춰 잡는 계수다.

답안 첫 줄은 기존 콘크리트구조물의 안전성 평가에서 강도감소계수는 부재력 종류별로 저항강도를 낮춰 잡는 계수라는 형식으로 시작한다. 이어서 적용 대상 부재력과 평가 기준명을 한 문장으로 붙인다.

핵심 키워드: 기존 구조물 안전성 평가, 강도감소계수(φ), 공칭강도, 설계강도, 부재력, 평가 입력값, 하중계수, KDS 14 20 90

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 이미 지어진 건물을 다시 계산할 때 이 부재가 계산상 강도의 몇 %를 믿을 수 있는지 정하는 값이다. 같은 부재라도 파괴 형태에 따라 계수가 달라진다. 휨 파괴는 변형이 먼저 나타나 여유가 있는 연성 파괴이고, 전단 파괴는 예고 없이 갑자기 일어나는 취성 파괴이므로 전단에 더 작은 계수를 둔다.

정식으로는 공칭강도에 강도감소계수를 곱해 설계강도를 얻는다. 평가에서는 설계강도가 소요강도 이상인지를 확인한다. 식으로 쓰면 다음과 같다.

$\phi R_n \ge U$

여기서 R_n은 재료 강도의 공칭값과 실측 치수로 계산한 공칭강도(단위 kN 또는 kN·m), \phi는 부재력 종류별 강도감소계수(무차원), U는 하중계수를 곱한 소요강도(단위 kN 또는 kN·m)다.

핵심 용어를 정리한다.

• 공칭강도: 재료의 공칭 강도와 부재 치수로 계산한 저항 능력이다. 실측 재료 강도로 구하면 평가용 공칭강도가 된다.
• 설계강도: 공칭강도에 강도감소계수를 곱한 값으로 실제 안전 검토에 쓴다.
• 안전여유: 설계강도가 소요강도보다 얼마나 큰지를 나타내는 여유분이다.

하중계수는 하중 쪽의 불확실성을 보상하기 위해 하중에 곱하는 계수다. 강도감소계수는 저항 쪽의 불확실성을 보상한다. 두 계수는 짝을 이루어 평가의 안전 수준을 정한다. 기존 구조물 평가에서는 부재력 종류별 강도감소계수로 저항을 낮추고, 하중계수로 현재의 작용하중을 키워 검토한다. 참고로 부재력별 값은 기준이 정한 값을 따른다. 휨모멘트 및 인장축력, 나선철근 압축, 띠철근 압축, 전단력과 비틀림, 콘크리트 지압은 각각 부재력 종류별 강도감소계수를 적용한다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 구조물은 준공 당시의 설계기준으로 지어졌다. 그 뒤 기준의 하중 규정과 재료 규정이 바뀌었고, 건물의 용도와 적재 조건도 달라졌다. 콘크리트는 중성화, 염해, 동해, 균열 같은 열화를 거치면서 저항 능력이 줄어든다. 따라서 신축 설계에서 쓰는 계수를 그대로 적용하면 평가 결과가 실제보다 과대하거나 과소하게 나온다.

신축 설계는 설계 시점에 재료 강도를 정하고 안전 여유를 계수로 확보한다. 기존 구조물은 재료 강도를 현장 시험으로 얻으므로 불확실성의 구조가 설계와 다르다. 그래서 평가용 강도감소계수와 하중계수를 별도의 기준으로 정한다. 이것이 기존 구조물 안전성 평가 기준이 따로 존재하는 이유다.

신뢰도 기반 설계에서는 불확실성을 부분안전계수로 명시적으로 반영한다. 부분안전계수는 크게 하중계수와 강도감소계수로 구성된다. 이 구조를 기존 구조물 평가에 옮기면, 현장에서 얻은 재료 자료와 조사 결과의 신뢰도에 따라 저항 쪽 계수를 정하고, 현재의 용도와 하중에 따라 하중 쪽 계수를 정하게 된다.