강철 구조물의 설계 기준 최신 비교

09-07-2021

1. 강철 구조를 정의하는 설계 기준의 주요 특징
2. 일부 국가의 설계 하중 기준
3. 현재 강철 구조 설계 평가 기준 비교
4. 강철 구조 설계 기준 적용 시 주의사항

산업이 성장함에 따라, 안전성과 내구성을 보장하기 위해 건설이 품질 기준을 충족하는 것이 의무적입니다. 프로젝트마다 각 카테고리는 서로 다른 평가 기준을 갖습니다. 아래 기사에서 BMB Steel은 강철 구조의 최신 설계 기준을 비교하여 개요로 제시할 것입니다.

1. 강철 구조를 정의하는 설계 기준의 주요 특징

1.1 베트남의 강철 구조 기준의 특징

베트남의 강철 구조 기준 TCVN 5575:2012는 러시아 기준을 기반으로 합니다. 베트남 기준에 따르면, 모든 건설 절차에는 방법과 안전 계수(SF) 가 적용되어야 합니다. 다음은 그 내용입니다:

하중의 안전 계수
건축 과정에서 제공되는 자재의 안전 계수
작업 환경에서의 안전 계수, 즉 산업안전보건(OSH)

따라서, 베트남의 강철 구조 기준은 강성에 중점을 두며 강철 구조는 과도하게 변형되어서는 안 됩니다. 계산 강도에 관해 TCVN에서는 다음과 같은 공식을 사용합니다:
- 계산 강도 = 표준 강도 / 자재 안전 계수

가정 하중은 다음 공식으로 계산됩니다:
- 가정 하중 = 표준 하중 × 하중 계수

베트남의 강철 설계 기준 TCVN 2737:1995 는 강철 구조의 가정 하중 기준으로 사용됩니다. 풍하중 속도는 3초 평균값을 기준으로 하며, 20년간의 데이터를 기반으로 합니다. 베트남의 풍압 계수는 풍속이 아닌 풍압 으로 계산됩니다. 이는 풍동 실험 결과를 통해 결정 되며, 입방체와 같은 물체에도 적용할 수 있습니다.

1.2 미국 AISC 89/ASD 기준의 강철 설계 기준 특징.

베트남 기준 외에도, 미국의 강철 구조 설계 기준은 계약자들이 널리 적용하는 방법입니다. 미국 기준의 특징은 다음 두 가지 계산 방법 을 적용한다는 점입니다.

방법 1: 허용 응력 설계(ASD)

하중 계수를 적용하며, 용 응력 ≤ 0.6 ~ 0.67 × 항복 응력(Fy) → 즉, 변형이 허용 응력을 초과해서는 안 됩니다.

방법 2: 하중·저항 계수 설계(LRFD)

하중 계수: 1.2 ~ 1.6
저항 계수: 0.75 ~ 0.9
주요 설계 응력 기준: 항복 강도(Fy)

Ft, Fy, Fb 관계

인장 허용 응력 Ft = 0.6Fy
압축 시: Fy × 좌굴 계수
굽힘 허용 응력 Fb = 0.6 ~ 0.67Fy

내부력(M, N, Q)

내부력은 표준 하중에서 발생하며 하중 계수는 적용되지 않지만, 내부력 산정 시 하중 조합은 포함 됩니다.

단면 분류

미국 기준 단면은 3가지로 구분됩니다:

고형 단면(Compact section)
비고형 단면(Non-compact section)
얇은 단면(Slender section)
고형 단면은 모든 강도를 사용할 수 있으나, 비고형과 얇은 단면은 허용 응력을 감소 적용 해야 합니다.

1.3 유럽 기준 Eurocode 3를 기반으로 하는 강철 설계 기준 특징

유럽의 강철 구조 기준은 한계 상태(지지 한계 및 사용 한계) 를 기준으로 계산됩니다. 한계 응력은 항복 강도에 여러 계수를 곱하여 산정됩니다.

단면:
단면은 얇은 정도(너비/두께)를 기준으로 여러 등급으로 나뉩니다. 두꺼운 1, 2급은 더 높은 응력을 받을 수 있는 반면, 3, 4급은 얇아서 지역 안정성을 잃기 쉽습니다. 이는 TCVN 및 LRFD에 따른 미국 기준과 유사합니다. 따라서 단면은 다음 4종으로 나뉩니다: 고형 단면, 비고형 단면, 플라스틱 단면 및 얇은 단면.

하중:
BS 6399를 기준으로 바닥 하중, 풍하중 및 눈 하중을 고려해야 합니다.

풍하중의 주의 사항:

풍하중 압력은 지형, 건물 형태 등을 고려하여 풍속으로부터 계산됩니다.
풍하중의 공기역학 계수는 건물 내부의 음압을 포함해야 합니다. 계산 시 가장 불리한 계수값을 선택해야 합니다.
BS 6399는 50년 재현 기간을 기준으로 1시간 평균 풍속을 사용하며, 영국 기준 CP3는 50년 재현 기간을 기준으로 3초 평균 풍속을 사용합니다.

허용 변위:
허용 변위는 사용 하중(실제 하중) 으로 인한 최대값으로 계산되며, 과부하 계수와는 관련이 없습니다. TCVN에 따르면 더 큰 변형이 허용됩니다. 예를 들어:

천장 지지보: L/360 (TCVN: L/400)
보조 보: L/200 (TCVN: L/240)

허용 변위는 실제 하중만을 기준으로 하며 TCVN처럼 전체 하중 조합을 고려하지 않습니다.

안전 계수:
BS 6399에 따르면, 하중 종류에 따라 다음과 같은 안전 계수를 사용합니다:

사하중 안전 계수(HSAT): 1.4 (TCVN: 1.2)
활하중: 1.6 (TCVN: 1.2 또는 1.3)
풍하중: 1.4 (TCVN: 1.2)

또한 자재의 안전 계수는 1로 적용되며, 이는 자재 강도 산정 시 이미 조정되었기 때문입니다. 반면 TCVN에서는 강철 종류에 따라 1.05 ~ 1.1 을 적용합니다. BS 기준은 건물 기능이나 구조의 작업 계수에 대한 별도의 안전 계수를 적용하지 않지만, TCVN은 이를 포함합니다.

BS의 HSAT를 TCVN과 비교하면, TCVN의 HSAT가 더 작습니다. 따라서 동일한 강철 자재와 명목 하중을 사용하는 경우, TCVN에 따라 설계된 구조는 더 적은 자재로도 설계가 가능합니다.

2. 일부 국가의 설계 하중 기준

각 국가의 설계 하중에는 일정한 기준이 있습니다. 다음은 일부 대표 국가의 설계 하중 기준입니다:
베트남: TCVN 2737:1995: 하중 및 충격에 대한 설계 기준.
미국: MBMA 2002; UBC 97; IBC 2006;
영국: BS 6399: Part 2: 1997: 건축 하중: Part 2: 풍하중에 대한 실무 규정;
BS 6399: Part 1: 1984: 건물 설계 하중: Part 1: 사하중 및 활하중에 대한 실무 규정.
유럽: EN 1991-1-4:2005 A1: 구조물에 작용하는 하중.
호주: AS/NZS 1170.1:2002: 호주/뉴질랜드 사하중, 활하중 및 기타 하중 기준;
AS/NZS 1170.2:2011: 호주/뉴질랜드 풍하중 기준.

설계 하중은 구조의 외부 요소에 따라 결정되며, 건설 현장의 영향, 기후 조건으로 인한 하중 변동 등을 포함합니다.
각 국가는 저마다 기준이 있지만,가장 기본적인 구조 설계 원칙을 준수하는 것이 권장됩니다. 건설의 안전을 보장하고 오류와 위험을 예측하기 위해.

3. 현재 강철 구조 설계 평가 기준 비교

현재 강철 구조 설계의 평가 기준은 각 국가의

강철 구조 설계 기준에 따라 다릅니다. 이를 통해 어떤 기준을 평가에 적용할 수 있는지 확인할 수 있습니다.
- 베트남은 TCVN 5575:2012: 강철 구조 – 안전을 위한 설계 기준에 기반합니다.
- 미국은 AISC-89: 미국 강철 건설 협회 기준 – 탄성 설계 및 재료 거동을 강조합니다.
- 영국: BS 5950: Part 1: 1990: 건축물에서의 강철 사용에 관한 영국 기준.
- 유럽: EN 1993-1-1: 유럽 기준 – 강철 구조 설계로, 건설 프로젝트에서 널리 사용되며 적절한 검토 및 안전 수준을 강조합니다.
- 호주: AS 4100-1998: 강철 구조에 대한 호주 기준; AS 4600:1996: 호주/뉴질랜드 냉간성형 강구조 기준.

일반적으로 강철 구조 설계가 보장되는지를 평가하기 위해, 강철 구조 설계의 설계 과정에 앞서 구조 성능, 안전 기준 및 하중 지지 능력을 평가하는 것이 필수적입니다.

현재 강철 구조 설계는 각 국가의 기준뿐만 아니라 프리패브 건물에서도 중요한 역할을 하고 있습니다. 이는 강철 구조를 사용하여 시간과 비용을 최적화하는 건축 유형입니다. 프리패브 건물은 하중 지지 요건을 충족해야 하며, 베트남의 TCVN 5575:2012 또는 유럽의 EN 1993-1-1과 같은 국제 기준을 준수하여 안전성과 내구성을 보장해야 합니다. 적절한 강철 구조 설계 기준의 선택은 프리패브 강철 건물의 건설에서 매우 중요하며, 투자자에게 품질 및 비용 최적화를 보장합니다.