구조설계법의 종류

핵심 정리

구조설계법은 건물이 자기 무게와 사용 중에 받는 하중을 견디도록 부재의 치수와 강도를 정하는 방법이다. 설계의 결과는 도면, 구조 계산서, 시방서 등을 합친 설계도서로 정리되며, 구조 계산서는 그중에서 안전성을 계산으로 보여 주는 부분이다. 건축법규는 구조적 무결성 등 안전, 건강, 일반 복지에 대한 최소 기준을 제공하고, 설계자는 이 표준을 참고 서적을 사용해 적용한다. 설계법의 종류는 안전을 무엇과 비교해 확인하느냐에 따라 갈린다. 비교 대상이 강도인지 응력인지, 기준이 한계상태인지 목표성능인지를 먼저 잡아 두어야 선지를 가를 수 있다.

이 가운데 중심이 되는 방법이 강도설계법이다. 구조부재의 비탄성거동을 고려한 공칭강도에 강도감소계수를 곱한 설계강도가 계수하중에 의한 부재력 이상이 되도록 설계하는 방법을 강도설계법이라 한다. 외울 것은 설계강도가 부재력 이상이라는 조건이다. 공칭강도는 재료의 설계기준강도를 바탕으로 이론상 계산한 부재의 강도이고, 계수하중은 하중에 하중계수를 곱해 여유를 반영한 하중이다. 검토는 하중 쪽이 요구하는 값과 부재 쪽이 제공하는 값을 비교하는 과정이며, 이 비교가 설계 전체의 출발점이 된다.

한계상태설계법은 한계상태를 정의하고 하중과 저항에 계수를 적용해 신뢰도를 확보하는 설계법이다. 한계상태는 구조물이 제 역할을 다하지 못하는 상태를 가리키며, 이를 강도한계상태와 사용한계상태로 나누어 본다. 두 한계상태는 검토하는 대상이 서로 다르므로, 어느 쪽에 속하는 항목인지 구분하는 것이 선지 판별의 출발점이다. 허용응력설계법은 재료가 탄성 범위에서 거동한다고 보고 응력을 제한하는 방식으로, 강도설계법과 기준값이 달라 함께 비교해야 한다.

자세히

설계도서 작성기준상 구조 계산서는 설계도, 시방서와 상호 보완관계를 유지하도록 작성한다. 설계법의 쟁점은 아래처럼 나누어 보면 정리가 된다.

한계상태의 구분

강도한계상태는 항복, 소성힌지 형성, 안정성, 인장파괴, 피로파괴 등 안정성과 최대하중 지지력에 관한 한계상태이다. 소성힌지는 부재 단면이 항복한 뒤 하중이 더 늘면 그 지점에서 회전이 일어나는 상태를 말하고, 피로파괴는 반복하중으로 균열이 누적되어 생기는 파괴를 말한다. 이런 파괴와 안정의 문제는 구조물이 최대하중을 얼마나 버티는지를 보는 쪽에서 검토한다.

소성힌지의 형성은 강도한계상태에 해당한다. 인장파괴는 강도한계상태에 해당한다. 골조의 안정성은 강도한계상태에서 검토한다.

사용한계상태는 구조물의 외형, 유지관리, 내구성, 사용자 안락감 등에 영향을 미치는 한계상태이다. 구조물의 진동은 사용한계상태에서 검토하는 항목이다. 항목을 고를 때는 붕괴나 최대하중과 관련되면 강도 쪽, 외관이나 사용성과 관련되면 사용 쪽으로 가르는 것이 기본 틀이다.

성능기반설계법

성능기반설계법은 건축구조기준이 정한 목표성능을 만족하면서 건축주가 선택한 성능지표를 충족하도록 설계하는 방법이다. 앞의 두 방법이 부재의 강도나 응력을 기준값과 비교하는 방식인 것과 달리, 이 방법은 성능 목표를 놓고 그 충족 여부를 보는 방식이다. 건물 전체가 어떤 성능을 내야 하는지를 먼저 세우고, 그 성능을 성능지표로 확인하는 흐름이라 부재 하나의 치수를 정하는 절차와는 출발점이 다르다.