제 2 장 재료의 성질과 허용응력

교량의 건설재료로 사용되는 목재, 콘크리트, 철강재 등의 설계 계산을 위한 기계적 제성질과 허용응력을 제시하고 계산예로 그 적용을 밝힌다.

2.1 목재(wood)

2.1.1 강도

제 2 장  재료의 성질과 허용 응력

목재의 강도는 그 섬유방향에 대한 힘의 작용방향에 따라 현저히 다르게 된다. 기건상태(Air Dried State)에서 나무의 섬유방향으로 힘을 가한 경우의 강도가 표준강도이다.

표 2.1은 주요 수종의 표준강도를 나타낸 것이다. 표 2.1에서 알 수 있는 바와 같이 일반적으로 목재의 인장강도는 그 압축강도보다 크다.

표 2.1 섬유방향의 목재의 강도(kgf/cm2)
종 류		건조비중	압축강도	인장강도	휨강도	전단강도
침엽수	홰 나 무 삼 송 흑 송 적 송 미 송	0.41 0.39 0.54 0.53 0.48	369 400 440 515 480	575 447 579 574 290	483 576 703 734 600	63 52 76 82 74
활엽수	밤 나 무 졸참나무 느티나무 떡갈나무 흰떡갈나무	0.50 0.80 0.68 1.06 0.99	353 459 526 547 641	578 901 878 1160 1250	582 786 874 1204 1180	64 79 97 120 123

2.1.2 탄성계수

목재의 응력방향의 탄성계수는 기건상태의 비중을 [eqn: rho`]라고 하면 다음의 식으로 주어진다.

[eqn: rm E ~=~ 1.8``×rho``×10^5`(kgf/cm^2`)`]   (2.1)

일반적으로 설계 □ 계산에서는 樹種에 관계없이 E = 100tonf/cm2을 적용한다.

2.1.3 허용응력

(1) 목재의 허용응력은 표 2.2의 값을 적용한다.

표 2.2 목재의 허용응력
種 別	材 種	축방향인장 kgf/cm2 (순단면에)	축방향압축 kgf/cm2 l/r < 100 (총단면에)	휨인장 kgf/cm2 (순단면에)	지압 (kgf/cm2)		전단 (kgf/cm2)
					섬유에 평행	섬유에 직각	섬유에 평행	섬유에 직각
침엽수	삼 송 소나무類	80	70 - 0.48 l/r	90	80	20	8	12
활엽수	참 나 무 느티나무類	110	80 - 0.58 l/r	120	110	35	12	18
주) l은 부재길이

축방향압축에서 [eqn: `rm □ ~=~ l over r ~ ge ~100]일 때는 樹種에 관계없이 허용압축응력은 다음 식에 의한다.

[eqn: rm f_a ~=~ 220,000 over (l/r)^2 ``kgf/cm^2`]   (2.2)

l : 부재의 길이(cm)로 가로방향으로 지지되지 않는 압축재의 길이가 된다.

r : 부재 단면의 최소회전반경(cm)

(2) 응력방향이 섬유방향과 경사를 이룰 때의 지압응력은 표 2.3에 따른다.

표 2.3 섬유에 斜방향의 지압응력(kgf/cm2)
섬유와 만드는 각도 種別	0	10	20	30	40	45	50	60	70	80	90
침엽수	80	73	59	46	36	32	29	25	22	21	20
활엽수	110	103	88	72	58	53	49	42	38	36	35

(3) 木도로교 설계에 있어서 主하중(사하중 및 활하중과 충격하중)과 풍하중, 횡하중, 제동하중 등을 동시에 작용할 때는 아래의 비율로 허용응력을 증가할 수 있다.

i) 主하중 + [(풍하중과 횡하중) 또는 제동하중] : 허용응력의 25% 증가

ii) 主하중 + (풍하중과 횡하중) + 제동하중 : 허용응력의 35% 증가

(4) 거푸집과 동바리용 목재의 허용응력으로 별도로 표 2.4에 의해 적용하기도 한다.

표 2.4 동바리 및 거푸집에서 사용될 목재의 허용응력(kgf/cm2)
목재의 종류		허용응력(kgf/cm2)
		휨(인장,압축)	지압* fc	전단 □
침엽수	솔, 공솔, 낙엽송, 노송나무, 솔송나무, 미송	135	120	10.5
	杉, 가문비, 미杉	105	90	7.5
활엽수	참나무	195	135	21
	밤나무, 느티나무	150	105	15
* 축방향압축에 대하여 □ □ 100일 때 fb =fc(1-0.007□), □ > 100일 때 fb = 3000fc/□2. fc는 위 표의 해당 값.

(5) 계산예 1. 목도로교 빔의 안전성 검산

그림 2.1은 지간 6m(빔 간격 90cm)인 목형 도로교 빔의 단면과 재하상태를 보인 것이다. 이 빔의 안전성(휨응력, 전단응력 및 활하중에 의한 처짐)을 검산하라.

휨응력의 검산  최대 휨모멘트를 빔 중앙에서 계산한다.

死하중으로 :[eqn: rm D`` =`` W_d`l^2`/8`` =`` 0.25``×``6^2`/8`` =`` 1.125 `t ·m`]

活하중으로 :[eqn: rm L`` =`` R(l``-``e)^2`/(4`l)`]

[eqn: rm =`` 3.75(6``-``0.6)^2`/(4``×``6)`` =`` 4.556 `t ·m`]

휨모멘트 계 :[eqn: rm M`` = ``D ``+`` L`` =`` 5.681` t ·m`]

빔의 최대 휨응력 [eqn: rm f`` =`` M/Z`` =`` 5.681``×``10^5`/(25``×``35^2`/6)`` =`` 111.3 kgf/cm^2`]

< 허용값 [eqn: rm f_a`` = ``120` kgf/cm^2`](표 2.2), O.K.

전단응력의 검산  최대 전단력을 지점에서 계산한다.

死하중으로 :[eqn: rm S_D`` =`` W_d` `×`` l/2`` =`` 0.25``×``6/2`` =`` 0.750 `t]

活하중으로 : [eqn: rm S_L`` =`` R(l``-``e)^2`/l`` =`` 3.75(6``-``0.6)/6`` =`` 3.375` t `]

전단력 계 : [eqn: rm S ``= ``S_D`` + ``S_L`` =`` 4.125 `t `]

최대 전단응력 [eqn: rm upsilon `` =`` k(S/A)`` =`` 1.5(4.125``×``10^3`/(25``×``35)) ``=`` 7.1` kgf/cm^2`]

< 허용값 [eqn: rm upsilon _a`` = ``12` kgf/cm^2`](표 2.2), O.K.

처짐의 검산  빔 중앙에서 계산한다. 처짐의 한계는 활하중(충격없이 등분포 0.4 tonf/m2)과 사하중에 대해 l/300.

최대 휨모멘트 : [eqn: rm M`` =`` (W_d`` +``W_l`)``×``l^2`/8`` =`` (0.25`` +`` 0.36)``×``6^2`/8`` =`` 2.745` t onf·m`]

(< 휨응력 검산시의 최대 M값)

단면2차모멘트 : [eqn: rm I`` =`` bh^3`/12`` =`` 25``×``35^3`/12`` =`` 89320`cm^4`]

휨강도 :        [eqn: rm EI`` =`` (100``×``89320)``×``10^-4`` =`` 893 `t onf·m^2`]

최대 처짐:     [eqn: rm delta max`` =`` Ml^2``/(9.6`EI)`` =`` 2.745``×``6^2`/(9.6``×``893)`` =`` 0.0115` m ``□ ``1.2` cm`]

(허용최대처짐 :[eqn: rm delta _a`` =`` l/300`` =`` 600/300`` =`` 2`cm ``>`` delta max`]   O.K.)

※ 목재의 탄성계수로 실험식 (2.1)을 적용하면 [eqn: rm E`` =`` 180 rho`` =`` 180``×``0.5`](표 2.1) [eqn: rm =`` 90 `t onf/cm^2`]가 되어 계산상의 처짐이 위의 값보다 10% 증가하고, [eqn: rm delta max`` = 1.3`cm ``> ``delta_a`] N.G.

(6) 계산예 2. 동바리의 허용 지지력과 배치 간격

그림 2.2는 통나무 동바리의 재하상태와 배치를 보인 것이다. 주어진 동바리 1개의 허용 지지력과 배치 간격을 계산하여라.

① 표 2.2의 값을 사용할 때

동바리 1개의 허용하중

이 값은 支柱(축방향 압축하중을 받는다) 자체의 허용 지지력과 받침(섬유에 직각인 방향으로 지압력을 받는다)의 허용 지지력 중 작은 것으로 정해진다. 즉,

지주:	단면의 최소회전반경 r = □/4 = 12/4 = 3cm

세장비              □ = l/r = 360/3 = 120 > 100

허용(축방향압축)응력 fa1 = 220,000/□2 = 220,000/1202 = 15.3 kgf/cm2      (a)

받침:	허용(지압, 직각)응력 fa2 =                20 kgf/cm2       (b)

위의 (a), (b) 중 작은 값(지주의 총단면과 받침의 지압면적이 같으므로)을 택하여, 허용하중은

Pa = fa□A = 15.3×(122□/4)×10-3 = 1.73 tonf

지주의 배치 간격

지주 1개가 부담하는 하중 wS2 □ 허용하중 Pa로부터

[eqn: rm s ~le ~ sqrt { P_a ``/`` w } ~=~ sqrt {1.73/2.4 } ~=~0.85 ``m]

위의 계산에서 지주로 角材(소나무) 13×15 cm를 사용할 때의 배치간격은 다음과 같이 된다.

[eqn: rm r ~=~ d/sqrt12 ~= ~(단면의 ~작은~치수, ~13)/sqrt 12 ~=~3.75``cm]

[eqn: rm □ ~=~ {it l }/r ~=~ 360/3.75 ~=~ 96.0 ~<~100]

[eqn: rm f _a1 ~=~70``-``0.48□ ~=~ 70``-``0.48``times``96.0 ~=~ 23.9~ >~f _a2 ~=~ 20``kgf/cm^2`]

[eqn: rm P_a ~=~f _a (f_a1 , ~f_a2 ``중 ~작은~값)``□``A ~=~ 20``times (13 times 15) times 10^-3 ~=~ 3.90 ``t onf`]

[eqn: rm s ~le ~ sqrt {P_a / w} ~=~ sqrt { 3.90/2.4 } ~=~ 1.27 ``m]

② 표 2.4의 값을 사용할 때

支柱의 허용응력(통나무 □12×360, □ = 120 > 100)

fb = 3,000□c/□2 = 3,000×120(소나무)/1202 = 25 kgf/cm2

받침의 지압(직각) 허용응력 (표 2.3에 지정되어 있지 않으므로 표 2.2를 준용)

= 20kgf/cm2

Pa = 20×(122□/4)×10-3 = 2.26 tonf

[eqn: rm s ~le ~ sqrt {2.26/2.4 } ~=~0.97 ``m]

각주(소나무 13×15)일 때 □ = 96.0 < 100

fb = □c(1-0.007□) = 120(1-0.007×96) = 39.4 kgf/cm2 > 20 kgf/cm2 (받침)

Pa, s는 위의 결과와 같다.

2.2 콘크리트

2.1.1 콘크리트 재료

(1) 사용 시멘트

: 보통 포틀랜드 시멘트, 조강 포틀랜드 시멘트, 저발열포틀랜드시멘트, 내황산염포틀랜드시멘트는 KSL 5201에 적합한 것을 사용한다. 그러나 고로슬래그시멘트, 플라이애쉬시멘트 및 포틀랜드 포졸란시멘트는 각각 KSL 5210, KSL 5211 및 KSL 5401에 적합한 것이어야 하고, 상기 이외의 시멘트에 대해서는 그 품질을 확인하고, 그 사용방법을 충분히 검토하여 신뢰할 수 있을 때 사용한다.

(2) 골재

: 사용 세골재 및 조골재는 깨끗하고 강하며, 내구적이고 적당한 입도를 가지며, 먼지, 흙, 유기 불순물, 염화물 등의 유해량을 함유해서는 안되고, 특히 조골재는 얇은 석편, 길다란 석편 등을 함유해서는 안된다.

(3) 물 : 기름, 산, 염류, 유기물 등의 유해물을 포함하지 않는 것으로 한다.

(4) 혼화제 : AE제, 감수제, AE감수제 등의 사용시는 KSF 2560에 적합하여야 한다.

2.1.2 콘크리트의 최저 설계기준강도

콘크리트의 내구성은 물시멘트비 w/c에 따라 변한다. 따라서 내구성 확보를 위하여 필요한 값 이하로 물시멘트비를 제한하기 위하여 이것에 직접적으로 관계가 되는 콘크리트 설계기준강도의 최저값을 규정하게 된다.

중력식 교대, 케이슨의 바닥슬래브 등에 사용하는 무근콘크리트의 설계기준강도는 180kgf/cm2 이상으로 하고, 확대기초 하면에 타설하는 버림 콘크리트 등은 무근 콘크리트의 최저 설계기준강도 이하의 콘크리트를 사용해도 무방하다.

콘크리트와 하부구조의 주구조부에 이용하는 철근콘크리트 부재의 설계기준강도는 210kgf/cm2 이상으로 하고, 프리스트레스트콘크리트 부재는 300kgf/cm2 이상 사용하도록 제한하였다.

표 2.5 콘크리트의 최저 설계기준강도       (kgf/cm2)

부재의 종류		최저 설계기준강도
무근콘크리트 부재		180
철근콘크리트 부재		210
프리스트레스트 콘크리트 부재	프리텐션 방식	350
	포스트텐션 방식	300

2.2.3 콘크리트의 탄성계수

(1) 콘크리트의 탄성계수는 다음의 규정에 따른다.

① 철근콘크리트 부재의 응력을 계산할 때 콘크리트의 탄성계수는 콘크리트의 단위중량 W가 1.45 □ 2.5 t/m2 사이일 때는 식 (2.3)에 따라 계산한다.

[eqn: rm E_c ~=~ W^1.5 ``times ``4270 ``sqrt f_ck` ``(kgf/cm^2 )]   (2.3)

다만, 보통 중량의 콘크리트(W=2.3t/m2 정도)에 대해서는 다음 식 (2.4)로 계산하여도 좋다.

[eqn: rm E_c ~=~ 15,000 ``sqrt f_ck ``(kgf/cm^2 )]   (2.4)

콘크리트의 압축강도가 300 kgf/cm2을 초과하는 경우로서 단위중량 W의 값이 1.45∼2.5 tonf/m3 인 콘크리트의 탄성계수는 다음 식(2.5)에 따라 구할 수 있다.

[eqn: rm E_c``=``3,000`W^1.5`sqrt{f_ck`}``+``70,00`(kgf/cm^2`)`]	(2.5)

다만, 보통골재를 사용한 콘크리트는 [eqn: rm E_c``=``10,500`sqrt{f_ck`}``+``70,000`]을 사용할 수 있다.

② 철근콘크리트 구조물의 부정정력 또는 탄성변형의 계산 및 프리스트레스트 콘크리트 부재의 설계 계산에 쓰이는 탄성계수는 ① 항에 준하되 설계기준강도 [eqn: rm f_ck`]에 따라 표 2.6의 값을 사용하여도 된다.

표 2.6 콘크리트의 탄성계수 (kgf/cm2)

[eqn: rm f_ck`]	210	240	270	280	400	450
Ec	2.2×105	2.3×105	2.5×105	2.7×105	2.8×105	2.9×105

(2) 콘크리트의 전단탄성계수 Gc 는 식 (2.6)에 따라 계산한다.

[eqn: rm G_c ~=~ {E_c}over{2`(1``+``nu`)`}`]   (2.6)

여기서,	Ec : 콘크리트의 탄성계수(kgf/cm2)

[eqn: nu`] : 콘크리트의 프와송비(poisson's ratio)(보통 0.15 ∼ 0.20)

2.2.4 콘크리트의 크리프와 건조수축의 영향

콘크리트 부재의 설계에 고려하는 콘크리트의 크리프와 건조수축으로 인한 영향은 다음과 같다.

(1) 콘크리트의 크리프 변형율

[eqn: rm □_cc ~=~ f_c over E_c `` □]   (2.7)

□cc :콘크리트의 Creep 변형율, [eqn: rm f_c`] : 지속하중에 의한 응력(kgf/cm2)

Ec : 콘크리트의 탄성계수(kgf/cm2),  □ : 콘크리트의 Creep 계수

표 2.7 콘크리트의 크리프 계수

콘크리트의 재령		4□7일	14일	28일	90일	365일
크리프 계수	조강시멘트사용	3.8	3.2	2.8	2.0	1.1
	보통시멘트사용	4.0	3.4	3.0	2.2	1.3

(2) 건조수축

콘크리트의 건조수축으로 인한 프리스트레스의 감소량 등을 산출할 경우 건조수축율은 다음 표의 값을 표준으로 한다.

표 2.8 콘크리트의 건조수축율

콘크리트 재령	4□7일	28일	90일	365일
건조수축율	27×10-5	20×10-5	14×10-5	7×10-5

2.2.5 콘크리트의 허용응력

(1) 철근콘크리트 부재에서 콘크리트의 허용응력

① 허용휨응력

(가) 허용휨압축응력	[eqn: rm f_ca ~= ~0.4 ``f_ck`]

(나) 허용휨인장응력(무근확대기초와 벽체에서)

[eqn: rm f_ta ~= ~ 0.42 ``sqrt f_ck`]

(다) 허용휨강도(파괴계수):	보통콘크리트	[eqn: rm f_r ~= ~ 2.0 ``sqrt f_ck]

모래경량콘크리트	[eqn: rm f_r ~= ~ 1.7 ``sqrt f_ck`]

전경량콘크리트	[eqn: rm f_r ~= ~ 1.5 ``sqrt f_ck`]

② 허용압축응력(무근확대기초와 벽체에서)	[eqn: rm f_ca ~= ~0.25 ``f_ck`]

③ 허용전단응력

(가) 보 및 1방향전단(1방향슬래브 및 확대기초)

i) 콘크리트의 허용전단응력	[eqn: rmv _ca ~= ~ 0.25 ``sqrt f_ck`]

ii) 전단보강이 있는 부재의 최대허용전단응력	[eqn: rm v_ca ~= ~ 1.0 ``sqrt f_ck`]

(나) 2방향전단(2방향슬래브 및 확대기초)

i) 콘크리트의 허용전단응력	[eqn: rm v_ca ~= ~ 0.25(1``+``2 over □_c ) ``sqrt f_ck ~le~ 0.5 ``sqrt f_ck`]

ii) 전단보강이 있는 부재의 최대허용전단응력은 콘크리트교편 4.5.5 참조

(다) 경량골재콘크리트의 허용전단응력

i), ii)에 규정된 값의 70%를 취한다.

④ 허용지압응력

(가) 허용지압응력은 다음의 값으로 한다.

[eqn: rm f_ba ~=~ 0.25 `f_ck`sqrt { A_c over A_b } ``le``0.5`f_ck`]

여기서, Ac : 지지하는 콘크리트의 전면적

Ab : 지압을 받는 재하면적

(나) 지지하는 콘크리트가 경사지거나 계단식의 경우에는, 윗 변은 지압면이고 경사는 2:1(수평:수직)로 된 직사각형 각추대 또는 원추대를 그렸을 때 그 하부 면적을 Ac로 취한다. 다만, 이 각추대 또는 원추대는 지지하는 콘크리트 내에 있어야 한다.

(다) 처짐이나 편심하중으로 인하여 지압면 단부에 큰 응력을 받는 경우에는 재하단면의 허용지압응력은 (가) 항의 값에 0.75를 곱한 값을 취한다.

(2) 프리스트레스트 콘크리트 부재에서 콘크리트의 허용응력

① 크리프와 건조수축에 의한 손실이 일어나기 전의 일시적 응력

(가) 압축응력

i) 프리텐션부재	:	[eqn: rm 0.60 ``f_ci '`]

ii) 포스트텐션부재 :	[eqn: rm 0.55 ``f_ci '`]

(나) 인장응력

i) 미리 압축력을 가한 인장구역 : ②항에 있는 손실 후의 허용응력 참조

ii) 그외 지역 :

(i) 부착된 철근이 없는 인장구역 :	14 kgf/cm2 또는 [eqn: rm 0.80 ``sqrt {f_ci ' }]

② 모든 손실이 일어난 후 사용하중 상태에서의 응력

(가) 압축응력:	[eqn: rm 0.4 ``f_ck`]

(나) 미리 압축력을 가한 인장구역에서의 인장응력

i) 부착된 철근을 갖는 부재 :	[eqn: rm 1.60 ``sqrt □_ck`]

해변지역과 같이 심각한 부식에 노출된 상태 :	[eqn: rm 0.80 ``sqrt f_ck`]

ii) 부착된 철근이 없는 부재:	0

(다) 다른 구역에서의 인장력은 ①항에서 규정한 일시적 허용응력에 의해 제한된다.

③ 균열 응력(실험으로부터 얻은 파괴계수를 사용하되 실험자료가 없는 경우)

(가) 보통콘크리트:	[eqn: rm 2.00 ``sqrt f_ck`]

(나) 부분경량콘크리트:	[eqn: rm 1.70 ``sqrt f_ck`]

(다) 전경량콘크리트:	[eqn: rm 1.50 ``sqrt f_ck`]

④ 정착부의 지압응력

긴장재 정착직후	[eqn: rm 0.70`f_ci`sqrt{{A_b^'`}over{A_b}``-``0.2`}``le``1.10`f_ci`]

프리스트레스 손실 발생후	[eqn: rm 0.50`f_ci`sqrt{{A_b^'`}over{A_b}`}``le``0.90`f_ck`]

2.3 철근

2.3.1 철근의 종류 및 허용응력

철근의 종류 및 허용응력과 기계적 성질은 표 2.9와 같다(KSD3504).

표 2.9 철근의 종류

異形철근 SBD 24 - 50					圓形철근 SBD 24 - 40
기호	공칭지름* (mm)	공칭단면적 As (cm2)	공칭둘레 (cm)	단위중량 (kg/m)	기호 (지름) mm	단면적 As(cm2)	둘레 (cm)	단위중량 (kg/m)
D6 D10 D13 D16 D19	6.35 9.53 12.7 15.9 19.1	0.3163 0.7133 1.267 1.986 2.865	2.0 3.0 4.0 5.0 6.0	0.249 0.560 0.995 1.56 2.25	[eqn: phi`]6 [eqn: phi`]9 [eqn: phi`]12 [eqn: phi`]16 [eqn: phi`]19	0.283 0.636 1.131 2.011 2.835	1.885 2.827 3.770 5.027 5.965	0.222 0.499 0.880 1.578 2.225
D22 D25 D29 D32 D35	22.2 25.4 28.6 31.8 34.9	3.871 5.067 6.424 7.942 9.566	7.0 8.0 9.0 10.0 11.0	3.05 3.98 5.04 6.23 7.51	[eqn: phi`]22 [eqn: phi`]25 [eqn: phi`]28 [eqn: phi`]32 [eqn: phi`]36	3.801 4.909 6.158 8.042 10.17	6.912 7.854 8.976 10.05 11.31	2.983 3.851 4.851 6.310 7.986
D38 D41 D51	38.1 41.3 50.8	11.40 13.40 20.07	12.0 13.0 16.0	8.95 10.5 15.9	[eqn: phi`]40	12.56	12.57	9.860

* = [eqn: rm 12.74 ``sqrt {w`}`],  w는 표의 단위중량(kgf/m)

표 2.10 철근콘크리트용 봉강의 허용응력(kgf/cm2)

철근의 종류 응력의 종류	SD30	SD35	SD40
허용인장응력	1500	1600	1600
허용압축응력	1500	1750	1800

표 2.11 철근콘크리트용 봉강의 기계적 성질

종류의 기호	인장시험				굽힘성
	항복점 혹은 0.2% 내력 (kgf/mm2)	인장강도 (kgf/mm2)	인장 시험편	연신율 (%)	굽힘각도	안쪽반지름
SD30A	30이상	45□61	2호에 준한 것	16이상	180o	D16이하: 공칭지름의 1.5배
			3호에 준한 것	18이상
						D16을 넘는 것: 공칭지름의 2배
SD30B	30□40	45이상	2호에 준한 것	16이상	180o	D16이하: 공칭지름의 1.5배
			3호에 준한 것	18이상
						D16을 넘는 것: 공칭지름의 2배
SD35	35□45	50이상	2호에 준한 것	18이상	180o	D16이하: 공칭지름의 1.5배
			3호에 준한 것	20이상		D16이상 D41이하: 공칭지름의 2배
						D51: 공칭지름의 2.5배
SD40	40□52	57이상	2호에 준한 것	16이상	180o	공칭지름의 2.5배
			3호에 준한 것	18이상

2.3.2 탄성계수와 온도계수

설계 계산에 적용할 철근의 Young 계수는 Es = 2000 tonf/cm2 으로 하고 온도계수는 콘크리트와 같은 값으로 [eqn: rm epsilon_t``=``10^-5`/`℃`]로 한다.

2.4 구조용 강재

강재의 종류에는 구조용 강재와 강관, 접합용 강재, 용접재료, 주단조품, 선재 및 봉강으로 분류되고 구조용 강재에는 일반구조용 압연강재(KSD3503), 용접구조용 압연강재(KSD3515), 용접구조용 내후성 열간압연강재(KSD3529)로 분류할 수 있다.

일반구조용 압연강재는 SS41이 있고, 용접구조용 압연강재에는 SM400, SM490, SMWS50Y, SM520, SM570의 5종류가 있으며, 용접구조용 내후성 열간압연강재는 SMA41, SMA50, SMA58 등 3종류가 있다.

구조용 강재의 허용응력은 다음과 같다.

(1) 구조용 강재의 허용축방향인장응력 및 허용휨인장응력은 표 2.12에 표시된 값으로 한다.

표 2.12 허용축방향인장응력 및 허용휨인장응력(kgf/cm2)

강종 강재판두께(mm)	SS41 SWS41 SMA41	SWS50	SWS50Y SWS53 SMA50	SWS58 SMA58
40이하	1,400	1,900	2,100	2,600
40 초과 75 이하	1,300	1,750	2,000	2,500
75 초과 100 이하			1,950	2,450
주) 본 기준적용 이전 계획된 구조물의 검토서 판두께 50mm는 40mm이하의 기준을 적용한다.

(2) 구조용 강재의 허용축방향압축응력은 식 (2.8)에 의해 산출된 값으로 한다.

[eqn: rm f_ca ~=~ f_cag ``□``f_cal ``/ ``f_cao`]   (2.8)

여기서,

[eqn: rm f_ca`] : 허용축방향 압축응력(kgf/cm2)

[eqn: rm f_cag`] : 표 2.13에 표시된 국부좌굴을 고려치 않은 허용축방향 압축응력(kgf/cm2)

[eqn: rm f_cal`] : 도로교시방서 3.4.2.1, 3.4.2.2, 및 3.4.2.3에 규정한 국부좌굴에 대한 허용응력(kgf/cm2)

[eqn: rm f_cao`] : 표 2.13에의 국부좌굴을 고려치 않은 허용축방향 압축응력의 상한값(kgf/cm2)

표 2.13 국부좌굴을 고려하지 않은 허용축방향압축응력 (kgf/cm2)

강종 판두께 (mm)	SS400, SM400 SMA41	SM490	SM490Y, SM520 SMA50	SM570 SMA58
40 이하	[eqn: 1,400``:``l over r``le``20`] [eqn: &1,400``-``8.4`left(l over r``-``20`right)``:``## &~~~~~~~~20``＠``l over r``le``93`] [eqn: &{12,000,000} over {6,700``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~93``＠``l over r`]	[eqn: 1,900``:``l over r``le``15`] [eqn: &1,900``-``13`left(l over r``-``15`right)``:``## &~~~~~~~~15``＠``l over r``le``80`] [eqn: &{12,000,000} over {5,000``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~80``＠``l over r`]	[eqn: 2,100``:``l over r``le``14`] [eqn: &2,100``-``15`left(l over r``-``14`right)``:``## &~~~~~~~~14``＠``l over r``le``76`] [eqn: &{12,000,000} over {4,500``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~76``＠``l over r`]	[eqn: 2,600``:``l over r``le``18`] [eqn: &2,600``-``22`left(l over r``-``18`right)``:``## &~~~~~~~~18``＠``l over r``le``67`] [eqn: &{12,000,000} over {3,500``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~67``＠``l over r`]
40 초과 75 이하	[eqn: 1,300``:``l over r``le``20`] [eqn: &1,300``-``7.5`left(l over r``-``20`right)``:``## &~~~~~~~~20``＠``l over r``le``97`] [eqn: &{12,000,000} over {7,300``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~97``＠``l over r`]	[eqn: 1,750``:``l over r``le``15`] [eqn: &1,750``-``11`left(l over r``-``15`right)``:``## &~~~~~~~~15``＠``l over r``le``83`] [eqn: &{12,000,000} over {5,300``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~83``＠``l over r`]	[eqn: 2,000``:``l over r``le``14`] [eqn: &2,000``-``14`left(l over r``-``14`right)``:``## &~~~~~~~~14``＠``l over r``le``78`] [eqn: &{12,000,000} over {4,700``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~78``＠``l over r`]	[eqn: 2,500``:``l over r``le``18`] [eqn: &2,500``-``21`left(l over r``-``18`right)``:``## &~~~~~~~~18``＠``l over r``le``69`] [eqn: &{12,000,000} over {3,600``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~69`＠``l over r`]
75 초과 100 이하			[eqn: 1,950``:``l over r``le``14`] [eqn: &1,950``-``13`left(l over r``-``14`right)``:``## &~~~~~~~~14``＠``l over r``le``79`] [eqn: &{12,000,000} over {4,900``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~79``＠``l over r`]	[eqn: 2,450``:``l over r``le``18`] [eqn: &2,450``-``20`left(l over r``-``18`right)``:``## &~~~~~~~~18``＠``l over r``le``69`] [eqn: &{12,000,000} over {3,700``+``left(l over r right)^2`}``:``## &~~~~~~~~69``＠``l over r`]
비 고	[eqn: l`] : 부재의 유효좌굴길이(cm) (표 3.3.3 참조) [eqn: r`] : 부재 총단면의 단면회전반경(cm)

(3) 구조용 강재의 허용휨압축응력은 다음의 규정에 따라야 한다.

① 부재의 압축연의 허용휨압축응력은 표 2.14(a) 및 표 2.14(b)에 표시된 값으로 한다.

표 2.14(a) 허용휨압축응력 (kgf/cm2)

강 종 강재 판두께(mm)	SS400 SM400 SMA41	SM490	SM490Y SM520 SMA50	SM570 SMA58
40 이하	1,400	1,900	2,100	2,600
40 초과 75 이하	1,300	1,750	2,000	2,500
75 초과 100 이하			1,950	2,450

그림 2.3 단면의 분류

② 도로교 시방서 3.2.1, 3.2.2 및 3.2.2에 규정된 국부좌굴에 대한 허용응력이 표 2.14에 표시된 값보다 작은 경우에는 ①항의 규정에 관계없이 3.2.1, 3.2.2 및 3.2.3에 규정된 국부좌굴에 대한 허용응력을 허용휨압축응력으로 한다.

③ 응력을 검사할 단면을 포함하는 압축플랜지의 고정점간의 부재에서, 부재 양단의 휨모멘트 값이 다르고, 양단 사이에서 휨모멘트가 직선적인 변화를 할 때는 표 2.14에 주어진 값에 (M/Meq)를 곱하여 허용응력을 증가시킬 수 있다. 다만, 표 2.14의 상한값은 3.2.1, 3.2.2 및 3.2.3에 규정된 국부좌굴에 대한 허용응력을 넘어서는 안된다.

여기서,

M  : 설계단면에 작용하는 휨모멘트(kg·cm)

Meq : 등가환산휨모멘트이며, 설계단면을 포함하는 고정점간에서 그의 고정점에 작용하는 휨모멘트를 M1 및 M2(M1 □ M2)로 할 때 0.6M1 + 0.4M2와 0.4M1 가운데 큰 것을 사용한다. 또한 M1, M2의 부호는 고려하는 플랜지에 압축응력이 발생하는 경우를 정(正)으로 한다. 다만, 중간에 최대휨모멘트가 발생하는 경우에는 그 값을 M으로 한다(kgf·cm)

(4) 구조용 강재의 허용전단응력 및 허용지압응력은 각각 표 2.15에 표시된 값으로 한다.

표 2.15 허용전단응력 및 허용지압응력 (kgf/cm2)

강종 판두께(mm) 응력종류			SS400 SM400 SMA41	SM490	SM490Y SM520 SMA50	SM570 SMA58
전단응력		40 이하	800	1,100	1,200	1,500
		40 초과 75 이하	750	1,000	1,150	1,450
		75 초과 100 이하			1,100	1,400
지압응력	강판과 강판사이의 지압응력	40 이하	2,100		3,100	3,900
		40 초과 75 이하	1,950	2,600	3,000	3,750
		75 초과 100 이하			2,900	3,650
	헬츠공식으로 산출하는 경우	40 이하	6,000	7,000	-	-
		40 초과 75 이하
		75 초과 100 이하

(5)용접부의 허용응력은 표 2.16과 같다. 강도가 서로 다른 강재를 이을 때는 강도가 작은 편의 강재에 대한 값을 취한다.

표 2.16 용접부의 허용응력 (kgf/cm2)

강 종			SM400 SMA41		SM490		SM490Y, SMA50 SM520			SM570 SMA58
강재판두께(mm)			40이하	40초과 100이하	40이하	40초과 100이하	40이하	40초과 75이하	75초과 100이하	40이하	40초과 75이하	75초과 100이하
공장용접	전단면용입홈용접	압축응력	1,400	1,300	1,900	1,750	2,100	2,000	1,950	2,600	2,500	2,450
		인장응력	1,400	1,300	1,900	1,750	2,100	2,000	1,950	2,600	2,500	2,450
		전단응력	800	750	1,100	1,000	1,200	1,150	1,100	1,500	1,450	1,400
	필렛용접, 부분용입 홈용접	전단응력	800	750	1,100	1,000	1,200	1,150	1,100	1,500	1,450	1,400
현 장 용 접			공장용접에 준하는 품질을 얻을 수 없는 경우에 있어서 상기의 90%로 한다.

(6) 고장력볼트의 허용력 및 허용응력

① 마찰이음용 고장력볼트의 허용응력은 표 2.17에 표시한 값과 같다.

표 2.17 마찰이음용 고장력볼트의 허용력(kgf) (1볼트 1마찰면마다)

볼트등급 나사호칭	F8T	S10T주)
M20 M22 M24	3,100 3,900 4,500	3,900 4,800 5,600
주) S10T : T/S볼트의 기계적 성질에 따른 등급을 나타내는 기호

(7) 지압이음을 고장력볼트의 허용전단응력 및 허용지압응력은 각각 표 2.18과 표 2.19에 표시한 값과 같다.

표 2.18 지압이음을 고장력볼트의 허용전단응력 (kgf/cm2)

볼트의 등급	B 8 T	B 10 T
허용전단응력	1,500	1,900

표 2.19 지압이음용 고장력볼트의 허용지압응력 (kgf/cm2)

모재 및 거세트판의 강종 강재판두께(mm)	SS400 SM400 SMA41	SM490	SM490Y SM520 SMA50	SM570 SMA58
40 이하	2,400	3,200	3,600	4,600
40 초과 75 이하	2,200	3,000	3,400	4,400
75 초과 100 이하			3,300	4,300

(8) 앵커볼트, 핀, 다듬볼트의 허용응력은 표 2.21에 표시한 값과 같다.

표 2. 앵커볼트 등의 허용응력(kgf/cm2)

부재의 응력의 종류		강종 종류	SS 41	SM 30C
전단응력	앵커볼트 핀 다듬볼트	600 1,000 900	700 1,200 1,080	800 1,400 1,200
휨응력	핀	1,900	2,300	2,600
지압응력	다듬볼트 핀1) 핀2)	2,100 2,100 1,050	2,500 2,500 1,250	2,800 2,800 1,400
1)회전을 동반하지 않는 경우 2)회전을 동반하는 경우

(9) 고장력 볼트의 허용응력

마찰이음용 고장력볼트 이음설계에서 볼트 한개당의 허용력은 식 (2.9)로 구하고 허용전단응력은 마찰이음용 고장력볼트의 허용력을 나사부 바깥지름으로 계산된 단면적으로 나누어 구할 수 있다. 여기에서 말하는 전단력이란 마찰이음의 접촉면 사이에 작용하는 전단력을 뜻하고 볼트가 직접 전단력을 받는다는 의미는 아니다.

고장력 볼트 한개당의 허용력은 표 2.21의 허용전단응력 [eqn: tau_a`]에 나사부 바깥지름으로 계산한 단면적을 곱한 것이다.

이것을 근거로 한 식은 다음과 같고 계산 결과를 표 2.22에 표시하였다.

[eqn: rm □_a ~=~ 1 over S □ `□` □` N]	(2.9)

여기서,

[eqn: rm f_a`] : 볼트 한개 1마찰면당의 허용력(kg)

S : 이음의 미끄럼에 대한 안전율(1.7)

□ : 마찰계수(0.4)

N : 설계 볼트 축력 = □□□yAe(kg)

□ : 항복점에 대한 비율

F8T에 대하여 0.85

F10T에 대하여 0.75

□y : 볼트의 항복점(kg/cm2)

Ae : 나사부의 유효단면적(cm2)

[eqn: rm v_a ~=~ f_a over A_o]

[eqn: rm v_a`] : 허용전단응력(kg/cm2)

[eqn: rm A_0`] : 볼트의 나사부의 바깥지름으로 계산한 단면적(cm2)

표 2.22 고장력 볼트의 허용력

볼트의 기계적 성질에 따른 등급	나사 의 호칭	S	□	N				□a	□a
				□	□y	Ae	N
									Ao	□a/Ao	□a
		-	-	-	kg/cm2	mm2	t	t	mm2	kg/cm2	kg/cm2
F8T	M20 M22 M24	1.7	0.4	0.85	64	244.8 303.4 352.5	13.32 16.51 19.18	3.13 3.88 4.52	314.2 380.1 452.4	996 1,021 997	1,000
F10T	M20 M22 M24	1.7	0.4	0.75	90	244.8 303.4 352.4	16.52 20.48 23.79	3.88 4.82 5.60	314.2 380.1 452.4	1,238 1,268 1,238	1,250

2.5 PC 강재

線材 및 線材 2차 제품으로 피아노선재(KSD3509) PWR과 경강선재(KSD3559)로 HSWR 및 PC 강선 및 PC 강연선(KSD7002) 등이 있다. 또한 PC용 봉강으로 PC 강봉(KSD3505)이 사용된다.

PC 강선의 종류로는 원형선(SWPC1), 이형선(SWPD1)이 있고, PC 강연선으로는 2연선(SWPC2), 이형3연선(SWPD3), 7연선(SWPC7), 19연선(SWPC19) 등이 사용되고, PC 강봉으로는 A종1호(SBRP785/930), A종2호(SBRP785/1030), B종1호(SBPR930/1080), B종2호(SBPR930/1180)가 있다.

(1) PC 강선과 PC 강연선의 기계적 성질 및 공칭단면적, 단위중량 등은 표 2.24와 같다.

표 2.25 PC 강선과 PC강연선의 기계적 성질, 공칭단면적, 단위중량

기호	호칭명	인 장 시 험			릴렉세 이션치 (%)	공칭 단면적 (mm2)	단위 무게 (kg/m)
		0.2% 영구 연신율에 대한 하중 (kg)	인장하중 (kg)	연신율 (%)
SWPC1 및 SWPD1	5mm	2850이상 (145이상)	3250이상 (165이상)	4.0이상	3.0이하	19.64	0.154
	7mm	5200이상 (135이상)	5950이상 (155이상)	4.5이상	3.0이하	38.48	0.302
	8mm	6550이상 (130이상)	7550이상 (150이상)	4.5이상	3.0이하	50.27	0.395
	9mm	7950이상 (125이상)	9200이상 (145이상)	4.5이상	3.0이하	63.62	0.499
SWPC2	2.9mm 2연선	2300이상 (175이상)	2600이상 (195이상)	3.5이상	3.0이하	13.21	0.104
SWPD3	2.9mm 3연선	3450이상 (170이상)	3900이상 (195이상)	3.5이상	3.0이하	19.82	0.156
SWPC 7A	9.3mm 7연선	7700이상 (150이상)	9050이상 (175이상)	3.5이상	3.0이하	51.61	0.405
	10.8mm 7연선	10400이상 (150이상)	12200이상 (175이상)	3.5이상	3.0이하	69.68	0.546
	12.4mm 7연선	13900이상 (150이상)	16300이상 (175이상)	3.5이상	3.0이하	92.90	0.729
	15.2mm 7연선	20800이상 (140이상)	24500이상 (165이상)	3.5이상	3.0이하	138.7	1.101
SWPC 7B	9.5mm 7연선	8850이상 (160이상)	10400이상 (190이상)	3.5이상	3.0이하	54.84	0.432
	11.1mm 7연선	12000이상 (160이상)	14100이상 (190이상)	3.5이상	3.0이하	74.19	0.580
	12.7mm 7연선	15900이상 (160이상)	18700이상 (190이상)	3.5이상	3.0이하	98.71	0.774
	15.2mm 7연선	22600이상 (160이상)	26600이상 (190이상)	3.5이상	3.0이하	138.7	1.101
SWPC 19	17.8mm 19연선	33600이상 (160이상)	39500이상 (185이상)	3.5이상	3.0이하	208.4	1.652
	19.3mm 19연선	39500이상 (160이상)	46000이상 (185이상)	3.5이상	3.0이하	243.7	1.931
	21.8mm 19연선	50500이상 (160이상)	58400이상 (186.6이상)	3.5이상	3.0이하	312.9	2.482
(주) 0.2% 영구연신율에 대한 하중 및 인장하중란의 괄호속의 갑은 규격치를 공칭단면적으로 나눈 값(단위 : kgf/mm2)

(2) PC 강봉의 종류와 기계적 성질은 아래 표와 같다.

표 2.26 PC 강봉의 기계적 성질

종 류		기 호	인 장 시 험			릴렉세이션값 (%)
			항복점 (kg/mm2)	인장강도 (kg/mm2)	연신율 (%)
원형봉강 A종	1호	SBPR 785/930	80이상	95이상	5이상	1.5이하
	2호	SBPR 785/1030	80이상	105이상	5이상	1.5이하
원형봉강 B종	1호	SBPR 930/1030	95이상	110이상	5이상	1.5이하
	2호	SBPR 930/1180	95이상	120이상	5이상	1.5이하

표 2.27 PC 강봉의 종류

호칭명	기본 지름 (mm)	나사의 호칭	핏치(mm)	공칭단면적 (mm2)	단위중량 (kg/m)
9.2mm 11mm 13mm 17mm 23mm 26mm 32mm	9.2 11.0 13.0 17.0 23.0 26.0 32.0	M10 M12 M14 M18 M24 M27 M33	1.25 1.5 1.5 1.5 2 2 2	66.48 95.03 132.7 227.0 415.5 530.9 804.2	0.52 0.75 1.04 1.78 3.26 4.17 6.31

2.6 설계계산에 사용하는 강재의 물리적 상수

(1) 설계계산에 사용하는 강재의 물리적 상수는 표 2.28과 같다.

표 2.27 설계계산에 사용되는 강재의 물리상수

종 류	물리상수의 값
강과 주강의 탄성계수 철근의 탄성계수 PC강선, PC강연선, PC강봉의 탄성계수 주철의 탄성계수 강의 전단탄성계수 강과 주강의 포아송비 주철의 포아송비	2.1×106kg/cm2 2.04×106kg/cm2 2.0×106kg/cm2 1.0×106kg/cm2 8.1×105kg/cm2 0.30 0.25

(2) 프리스트레스의 감소량을 산출하는 경우에 PC강재의 겉보기 릴렉세이션율은 표 2.29의 값을 표준으로 한다. 다만, PC강재가 고온의 영향을 받는 경우에는 PC강재의 겉보기 리락세이션율은 표 2.29의 값에 2%를 가산하는 것을 원칙으로 한다.

표 2.29 PC강재의 겉보기 리락세이션율(%)

PC강재의 종류	겉보기 릴렉세이션율
PC강선, PC강연선 PC강봉	5 3

(3) 2항에 따르기 힘든 경우에는 PC강재의 인장응력에 따라 측정된 릴렉세이션율에서 콘크리트의 크리프, 건조수축 등의 영향을 고려하여 별도로 PC강재의 겉보기 릴렉

세이션율을 정하여야 한다.