5.5 사용성 검토

사용성 평가는 응력 제한, 균열 폭, 처짐 한계에 대해 수행됩니다. 응력은 강도에 대해 규정된 것과 유사한 방식으로 ACI 318-19에 따라 콘크리트 및 철근 요소에서 검토됩니다.

응력 제한

사용 하중 상태에서 허용 콘크리트 압축 응력은 프리스트레스 부재 Class U 및 T에 대해 검증되어야 합니다. Table R24.5.2.1에 따르면, 균열이 발생한 것으로 가정되는 콘크리트에 대해서는 응력 제한 검토가 요구되지 않습니다. 사용자는 설계 부재 설정에서 프리스트레스 부재의 클래스를 설정해야 합니다.

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

일시적 하중을 받는 부재에 대한 허용 압축 응력은 ACI 318-19 24.5.4.1에서 0.6f_c'로 규정됩니다. 0.45f_c'의 압축 응력 한계는 반복 하중으로 인한 프리스트레스트 콘크리트 부재의 파괴 확률을 줄이기 위해 설정되었습니다. 이 한계는 또한 과도한 크리프 변형을 방지하는 데 합리적인 것으로 간주되었습니다. 응력 값이 높을수록 가해지는 응력이 증가함에 따라 크리프 변형률이 더 빠르게 증가하는 경향이 있습니다.

콘크리트 압축 응력은 사용성 평가를 위한 FE 해석에서 얻은 최대 주 압축 응력 f_c = σ_c2 와 Table 24.5.4.1을 기준으로 설정된 한계값 사이의 비율로 평가됩니다.

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

애플리케이션에서 Prestress plus sustained load는 장기(Long-term) 조합으로, Prestress plus total load는 단기(Short-term) 조합으로 처리됩니다.

처짐

선택된 조합 유형(장기 또는 단기)을 기준으로 장기 처짐 또는 단기 처짐이 평가됩니다. 최대 허용 처짐값은 사용자가 결정해야 하며, ACI 138-19 24.2에 따라 고려되어야 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 표시하거나, 총 처짐 Δ_Tot (고정하중+활하중)을 표시하는 것이 가능합니다.

절단된 단부에서의 처짐은 검토할 수 없습니다.

균열 폭

균열 폭 및 균열 방향은 사용성 단기 또는 장기 조합에 대해 계산됩니다. ACI는 균열 폭 한계값을 직접 규정하지 않으므로, 사용자가 균열 폭 한계값 w_lim을 지정해야 합니다.

검증은 다음과 같이 표시됩니다:

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

여기서:

w         FE 해석으로 계산된 단기 또는 장기 균열 폭,

w_lim     사용자가 정의한 균열 폭 한계값.

애플리케이션에서 사용되는 균열 폭 계산 방법은 본 문서에서도 자세히 설명되어 있으며, ACI 224R-01에 따릅니다. 따라서 균열 폭 한계값을 결정하는 데 ACI 224R-01 Table 4.1을 사용할 수 있습니다.

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

균열 폭을 계산하는 방법에는 두 가지(안정화 균열과 비안정화 균열)가 있습니다. 일반적인 경우(안정화 균열)에는 철근의 1D 요소에서 변형률을 적분하여 균열 폭을 계산합니다. 균열 방향은 철근의 해당 1D 유한요소 중심에서 가장 가까운 세 개의 2D 콘크리트 요소 적분점으로부터 계산됩니다. 이러한 균열 방향 계산 방식은 실제 균열 위치와 정확히 일치하지는 않지만, 철근 위치에서 규정에서 요구하는 균열 폭 값과 비교할 수 있는 대표적인 균열 폭 결과를 제공합니다.