1.1 콘크리트 상세의 구조 설계를 위한 일반 개요

콘크리트 부재의 설계 및 평가는 일반적으로 단면(1D 부재) 또는 점(2D 부재) 수준에서 수행됩니다. 이 절차는 구조 설계에 관한 모든 기준(예: EN 1992-1-1 또는 ACI 318-19)에 기술되어 있으며, 일상적인 구조 엔지니어링 실무에서 사용됩니다. 그러나 이 절차는 평면 변형률 분포에 관한 Bernoulli-Navier 가설이 적용되는 영역(B영역이라 함)에서만 유효하다는 사실이 항상 알려져 있거나 준수되지는 않습니다. 이 가설이 적용되지 않는 부분을 불연속 또는 교란 영역(D영역(불연속 영역))이라고 합니다. 1D 부재의 B영역 및 D영역(불연속 영역) 예시는 (그림 1)에 나와 있습니다. 이러한 예로는 지압 영역, 집중 하중이 작용하는 부분, 단면이 급격히 변하는 위치, 개구부 등이 있습니다. 콘크리트 구조를 설계할 때는 벽체, 교량 격벽, 코벨 등과 같은 다양한 D영역(불연속 영역)을 접하게 됩니다. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 1\qquad Discontinuity regions (Navrátil et al. 2017)}}}\]

과거에는 불연속 영역의 치수 설계에 반경험적 설계 규칙이 사용되었습니다. 다행히도 이러한 규칙들은 지난 수십 년에 걸쳐 스트럿-타이 모델(Schlaich et al., 1987)과 응력장(Marti 1985)으로 대부분 대체되었으며, 이는 현행 설계 기준에 반영되어 오늘날 설계자들이 자주 활용하고 있습니다. 이러한 모델들은 역학적으로 일관성이 있고 강력한 도구입니다. 응력장은 일반적으로 연속 또는 불연속일 수 있으며, 스트럿-타이 모델은 불연속 응력장의 특수한 경우임을 유의하십시오.

지난 수십 년간 계산 도구가 발전했음에도 불구하고, 스트럿-타이 모델은 본질적으로 여전히 수계산 방식으로 사용되고 있습니다. 반복 계산이 필요하고 여러 하중 조합을 고려해야 하므로, 실제 구조물에 적용하는 것은 번거롭고 시간이 많이 소요됩니다. 또한 이 방법은 사용성 기준(변형, 균열 폭 등)의 검증에는 적합하지 않습니다.

D영역(불연속 영역) 설계를 위한 신뢰성 있고 빠른 도구에 대한 구조 엔지니어들의 관심은, 면내 하중을 받는 구조 콘크리트 부재의 자동 설계 및 평가를 가능하게 하는 컴퓨터 지원 응력장 설계 방법인 새로운 적합 응력장 방법의 개발로 이어졌습니다.

CSFM(적합 응력장 방법)은 고전적인 응력장 해석에 운동학적 고려 사항을 보완한 연속 유한요소법 기반의 응력장 해석 방법으로, 구조 전체에 걸쳐 변형률 상태를 평가합니다. 따라서 콘크리트의 유효 압축 강도는 압축 연화를 고려하는 압축장 해석(Vecchio and Collins 1986; Kaufmann and Marti 1998) 및 EPSF 방법(Fernández Ruiz and Muttoni 2007)과 유사한 방식으로 횡방향 변형률 상태에 기반하여 자동으로 산정될 수 있습니다. 또한 CSFM(적합 응력장 방법)은 인장 강성 효과를 고려하여 부재에 현실적인 강성을 부여하며, 기존 방법들이 일관되게 다루지 못했던 모든 설계 기준 규정(사용성 및 변형 능력 측면 포함)을 포괄합니다. CSFM(적합 응력장 방법)은 설계 기준에서 제공하는 콘크리트 및 철근에 대한 일반적인 단축 구성 법칙을 사용합니다. 이는 설계 단계에서 이미 알려져 있어 부분 안전계수법을 적용할 수 있습니다. 따라서 설계자는 비선형 유한요소법 해석에서 일반적으로 요구되는 추가적이고 종종 임의적인 재료 특성을 별도로 제공할 필요가 없으므로, 이 방법은 엔지니어링 실무에 완벽하게 적합합니다.

구조 엔지니어들의 컴퓨터 지원 응력장 활용을 촉진하기 위해, 이러한 방법들은 사용자 친화적인 소프트웨어 환경에 구현되어야 합니다. 이를 위해 CSFM(적합 응력장 방법)은 IDEA StatiCa Detail에 구현되었습니다. 이는 DR-Design Eurostars-10571 프로젝트의 일환으로 ETH 취리히와 소프트웨어 회사 IDEA StatiCa가 공동으로 개발한 새로운 사용자 친화적 상용 소프트웨어입니다.