5.5 사용성 검증

사용성 평가는 응력 제한, 균열폭 및 처짐 한계에 대해 수행합니다. 콘크리트와 철근 요소의 응력은 ACI 318-19에 따라 강도 검토에서 규정한 방식과 유사하게 검토합니다.

응력 제한

프리스트레스트 부재 Class U 및 T에 대해서는 사용 하중 시 콘크리트 허용 압축 응력을 검증해야 합니다. Table R24.5.2.1에 따르면, 균열이 발생한 것으로 가정하는 콘크리트에 대해서는 응력 제한 검토가 필요하지 않습니다. 사용자는 설계 부재 설정에서 프리스트레스트 부재의 클래스를 지정해야 합니다.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 53\qquad Prestressed flexural member class selection}}}$$

일시적 하중을 받는 부재의 허용 압축 응력은 ACI 318-19 24.5.4.1에서 0.6f_c'로 규정하고 있습니다. 0.45f_c'의 압축 응력 한계는 반복 하중으로 인한 프리스트레스트 콘크리트 부재의 파괴 확률을 낮추기 위해 설정되었습니다. 이 한계는 과도한 크리프 변형을 방지하는 데에도 타당한 것으로 보입니다. 응력이 높아지면 작용 응력이 증가함에 따라 크리프 변형률이 더 급격히 증가하는 경향이 있습니다.

압축 상태의 콘크리트 응력은 사용성에 대한 FE 해석으로 얻은 최대 주 압축 응력 f_c = σ_c2 와 Table 24.5.4.1에 따라 설정한 한계값의 비로 평가합니다.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 54\qquad Concrete compressive stress limits at service loads}}}$$

애플리케이션에서 프리스트레스 + 지속 하중은 장기 조합으로, 프리스트레스 + 전체 하중은 단기 조합으로 취급합니다.

처짐

선택한 조합 유형(장기 또는 단기)에 따라 장기 처짐 또는 단기 처짐을 평가합니다. 최대 허용 처짐값은 사용자가 결정해야 하며 ACI 138-19 24.2에 따라 고려해야 합니다. 

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 55\qquad Maximum allowable deflection value}}}$$

애플리케이션에서는 변형된 형상을 표시하면서 고정하중에 의한 처짐 Δ_DL과 활하중에 의한 처짐 Δ_LL을 개별적으로 표시할 수 있으며, 전체 처짐 Δ_Tot (고정하중+활하중)도 표시할 수 있습니다.

절단된 단부에서의 처짐은 검토할 수 없습니다.

균열폭

균열폭과 균열 방향은 사용성 단기 또는 장기 조합에 대해 계산합니다. ACI는 한계 균열폭을 직접 규정하지 않으므로 사용자가 한계 균열폭 w_lim을 지정해야 합니다.

검증 결과는 다음과 같이 표시됩니다.

$$\frac{w}{w_{lim}}$$

여기서:

w         FE 해석으로 계산한 단기 또는 장기 균열폭,

w_lim     사용자가 정의한 균열폭 한계값입니다.

애플리케이션에서 사용하는 균열폭 계산 방법은 본 문서에서도 더 자세히 설명하며, ACI 224R-01을 따릅니다. 따라서 ACI 224R-01 Table 4.1을 사용하여 균열폭 한계값을 결정할 수 있습니다.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 56\qquad Reasonable crack widths for reinforced concrete under service load}}}$$

균열폭을 계산하는 방법에는 두 가지(안정화 균열 및 비안정화 균열)가 있습니다. 일반적인 경우(안정화 균열)에는 철근 1D 요소의 변형률을 적분하여 균열폭을 계산합니다. 균열 방향은 해당 철근 1D 유한요소의 중심에서 가장 가까운 2D 콘크리트 요소의 적분점 3개로부터 계산합니다. 이러한 균열 방향 계산 방식이 실제 균열 위치와 일치하는 것은 아니지만, 철근 위치에서 규정에서 요구하는 균열폭 값과 비교할 수 있는 균열폭 결과를 도출하는 대표적인 값을 제공합니다.