1. 일반사항

1.1 목적

(1) KDS 41 80 10은 알루미늄 구조부재 및 접합부의 해석 및 설계의 일반적인 요구사항을 규정하는 것을 목적으로 한다.

1.2 적용 범위

(1) 이 기준은 하중에 저항하는 알루미늄 합금 부재의 설계에 적용한다.

(2) 이 기준에 규정되어 있지 않은 사항은 합리적인 해석을 통하여 얻은 결과를 적용할 수 있다.

1.3 참고 기준

(1) 이 기준에서는 다음의 기준과 규격을 참조한다.

1.3.1 관련 법규

내용 없음.

1.3.2 관련 기준

· KDS 41 12 00 건축물 설계하중

· KDS 41 30 10 강구조 설계기준

· KS D 6759 알루미늄 합금 압출 형재

1.4 용어의 정의

내용 없음.

1.5 기호의 정의

: 유효순단면적

: 용접의 영향을 받는 구간의 유효순단면적

: 요소의 전단면적

: 요소의 전단면적 중 압축을 받는 면적

: 웨브 또는 봉의 순단면적, 파이프 또는 강관의 순단면적

: 전단면적

: 용접의 영향을 받은 구간의 단면적, 웨브 또는 봉 면적 중 용접의 영향을 받은 면적,

전단면적에서 용접의 영향을 받은 부분,

파이프 또는 강관의 면적 중 용접의 영향을 받은 면적

: 용접의 영향을 받은 구간 중 압축을 받는 면적

: 봉의 지름

: 파이프 혹은 강관의 외경

: 파이프 혹은 강관의 내경

: 휨압축하중을 받는 요소의 응력

: 요소의 단면 중 어느 부분도 용접의 영향을 받지 않은 부재에 대하여 계산된 휨압축응력

: 요소의 단면 전체가 용접의 영향을 받은 부재에 대하여 계산된 휨압축응력

: 요소의 단면 중 어느 부분도 용접의 영향을 받지 않는 부재에 균일 압축 하중이 작용할 경우 계산된 응력, 균일압축하중을 받는 요소의 응력

: 요소의 단면 전체가 용접의 영향을 받은 부재에 균일 압축하중이 작용할 경우 계산된 응력

: 단면의 어느 부분도 용접의 영향을 받지 않은 경우의 전단응력

: 전체 단면이 용접의 영향을 받은 경우의 전단응력

: 단면중심축에서 측정한 균일압축하중을 받는 요소의 단면2차모멘트

: 축의 단면2차모멘트

: 단면중심축에서 측정한 휨압축하중을 받는 요소의 단면2차모멘트

: 파이프 또는 강관의 전단력이 최대인 지점에서 0인 지점까지의 길이

: 파이프 혹은 원형 강관의 중간 두께에 대한 반지름 또는 타원형 강관의 중간 두께에 대한 최대 반지름

: 중립축에서 압축측의 단면계수

: 중립축에서 인장측의 단면계수

: 축의 단면계수

: 소성단면계수

: 웨브의 순 높이와 스티프너들 사이의 간격 중 작은 값

: 웨브의 순 높이와 스티프너들 사이의 간격 중 큰 값

: 지지되지 않은 단부에서 지지요소의 두께 중간까지의 거리

: 중심축에서 압축연단까지의 거리

: 중심축에서 최대압축응력이 발생하는 압축연단까지의 거리

: 균일압축하중을 받는 요소의 중심선에서 단면중심축까지의 거리

: 단면중심축에서부터 균일압축을 받는 요소의 최단부까지의 거리

: 휨압축 하중을 받는 요소의 압축연단에서 단면중심축까지의 거리

: 중심축에서 반대편 연단까지의 거리

: 보의 춤, 휨 거동시 단면의 강봉 치수

: 단면에 수직인 방향의 강봉의 치수, 웨브의 두께, 파이프 또는 강관의 두께

: 기둥 세장비

1.6 해석과 설계원칙

1.6.1. 일반사항

(1) 이 절은 기준 전반에 관련된 알루미늄 구조물의 해석 및 설계의 일반적인 요구사항을 다룬다.

1.6.2. 하중과 하중조합

(1) 하중과 하중조합은 KDS 41 12 00에 따른다.

1.6.3. 설계기본원칙

(1) 소요강도와 강도설계는 KDS 41 12 00에 따른다. 단 구조 부재와 접합부의 소요강도는 탄성해석으로 산정한다.

(2) 부재설계시 설계기준 전단 및 압축 재료강도는 인장항복강도 로부터 표 1.6-1에 따라 결정한다.

표 1.6-1 설계기준 전단 및 압축 재료강도

설계기준 재료강도

값

전단항복강도

0.6

전단극한강도

0.6

압축항복강도

비용접-H 템퍼재료

0.9

나머지

모든 재료

(3) 안정성 설계는 4.6에 따른다.

1.6.4 좌굴계수

(1) 좌굴계수 , 과 는 표 1.6-2과 표 1.6-3에 따른다. 후좌굴계수 과 는 표 1.6-4에 따른다.

표 1.6-2 열처리 명칭이 O, H, T1, T2, T2, T4로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식

부재와 응력 종류

Y절편 (MPa)

기울기

교차점

기둥과 보 플랜지 압축

평판 요소의

축방향 압축

곡면 요소의

축방향 압축

1)

평판 요소의

휨압축

곡면 요소의

휨압축

평판 요소의

전단

주 1) 는 탄성과 비탄성좌굴에 기반한 한계상태응력 곡선이나 시행착오방법을 통해서 결정한다.

표 1.6-3 열처리 명칭이 T5, T6, T7, T8, T9로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식

부재와 응력 종류

Y절편 (MPa)

기울기

교차점

기둥과 보 플랜지 압축

평판 요소의

축방향 압축

곡면 요소의

축방향 압축

1)

평판 요소의

휨압축

곡면 요소의

휨압축

평판 요소의

전단

주 1) 는 탄성과 비탄성좌굴에 기반한 한계상태응력 곡선이나 시행착오방법을 통해서 결정한다.

표 1.6-4 좌굴후계수

부재의 종류

압축을 받는 평판 부재 중 템퍼구분이 O, H, T1, T2, T2, T4인 경우, 전열처리 중 용접의 영향을 받는 구간

0.50

2.04

압축을 받는 평판 부재 중 템퍼구분이 T5, T6, T7, T8, T9인 경우

0.35

2.27

평판 부재의 휨

0.50

2.04

1.6.5 요소 강도

(1) 균일한 압축을 받는 요소의 강도는 다음과 같이 산정한다.

- 용접되지 않은 요소

(1.6-1)

- 용접된 요소

(1.6-2)

여기서,

: 요소의 단면 중 어느 부분도 용접의 영향을 받지 않는 부재에 균일 압축 하중이 작용할 경우 1.6.5(1)①이나 ② 에 따라 계산된 응력으로, 용접되지 않은 재료의 좌굴계수(표 1.6-2와 표 1.6-3)와 를 사용해야 함.

: 요소의 단면 전체가 용접의 영향을 받은 부재에 균일 압축하중이 작용할 경우 1.6.5(1)①이나 ② 에 따라 계산된 응력으로 용접의 영향을 받은 구간에 해당하는 좌굴계수(표 1.6-3)와 를 사용해야 하며, 요소의 단면을 따라 용접이 된 경우(transversely welded)에 일때는 대신 를 사용함.

: 용접의 영향을 받은 구간의 단면적

: 요소의 전단면적

① 일단구속 평판요소

일단구속 평판요소가 균일한 압축 하중을 받을 때의 압축강도 는 표 1.6-5에 의해 결정한다.

표 1.6-5 일단구속 평판요소에 대한 압축강도

한계상태

항복

비탄성좌굴

좌굴모드의 축이 중립축과 상이한 기둥

탄성좌굴

모든 기둥과 보

좌굴후

여기서,

(1.6-3)

(탄성좌굴 경우) (1.6-4)

(좌굴후 경우) (1.6-5)

② 양단구속 평판요소

양단구속 평판요소가 균일한 압축 하중을 받을 때의 압축강도 는 표 1.6-6에 의해 결정한다.

표 1.6-6 양단구속 평판요소에 대한 압축강도

한계상태

항복

비탄성좌굴

좌굴후

여기서,

(1.6-6)

(1.6-7)

(2) 휨압축을 받는 요소의 강도

휨압축을 받는 요소의 강도는 다음과 같이 산정한다.

- 용접되지 않은 요소

(1.6-8)

- 용접된 요소

(1.6-9)

여기서,

: 요소의 단면 중 어느 부분도 용접의 영향을 받지 않은 부재에 대하여 1.6.5(2)①이나 ②에 따라 계산된 휨압축응력으로, 용접되지 않은 재료의 좌굴계수(표 1.6-2와 표 1.6-3)와 를 사용해야 함.

: 요소의 단면 전체가 용접의 영향을 받은 부재에 대하여 1.6.5(2)①이나② 에 따라 계산된 휨압축응력으로, 용접의 영향을 받은 구간에 해당하는 좌굴계수표 1.6-2와 를 사용해야 함.

: 용접의 영향을 받은 구간 중 압축을 받는 면적

: 요소의 전단면적 중 압축을 받는 면적

① 양단구속 또는 압축단구속-인장단자유 평판요소

양단구속 또는 압축단구속-인장단자유 평판요소의 휨압축강도 는 표 1.6-7에 의해 결정한다.

표 1.6-7 양단구속 또는 압축단구속-인장단자유 평판요소

한계상태

항복

비탄성좌굴

좌굴후

여기서,

(1.6-10)

(1.6-11)

(1.6-12)

: 중심축에서 최대압축응력이 발생하는 압축연단까지의 거리

: 중심축에서 반대편 연단까지의 거리

압축연단까지의 거리는 음수로 표현하며, 인장연단까지의 거리는 양수로 표현한다.

② 인장단구속-압축단자유 평판요소

인장단구속-압축단자유인 평판 요소의 휨압축강도 는 표 1.6-8에 의해 결정한다.

표 1.6-8 인장단구속-압축단자유 평판요소

한계상태

항복

비탄성좌굴

좌굴후

여기서,

(1.6-13)

(1.6-14)

2. 조사 및 계획

내용 없음.

3. 재료

3.1 일반사항

(1) 구조용 알루미늄은 한국산업규격(이하 KS라 한다)의 KS D 6759에 적합한 것으로 한다. 다만, KS규격 이외의 제품은 KS규격품과 동등 이상의 품질이 확인된 경우에 사용할 수 있다.

(2) 알루미늄의 재료정수는 표 3.1-1에 따른다.

표 3.1-1 알루미늄의 재료정수

재료정수

값

푸아송비

0.33

탄성계수 (MPa)

70,000

전단탄성계수 (MPa)

26,000

선팽창계수 (1/℃)

23×10-6

밀도 (kg/m3)

2.7×103

(3) 용접의 영향을 받지 않은 주조품의 재료 강도를 산정하기 위한 인장강도 와 항복강도 는 표 3.1-2에 따른다. 주조품의 용접 강도는 용접 절차 인정 시험에서 얻은 강도로 한다.

표 3.1-2 알루미늄 주조품 공칭강도

합금

열처리

KS규격

(MPa)

(MPa)

356.0

T6

B26

155

105

A356.0

T6

B26

175

125

354.0

T61

B108

325

250

295

230

C355.0

T61

B108

275

205

255

205

356.0

T6

B108

170

110

A356.0

T61

B108

230

180

195

180

A357.0

T61

B108

315

250

285

215

359.0

T61

B108

310

235

275

205

359.0

T62

B108

325

260

275

205

535.0

F

B108

180

95

3.2 접합재료의 강도

(1) 알루미늄 볼트의 공칭재료강도는 표 3.2-1에 따른다.

표 3.2-1 알루미늄 볼트의 공칭강도

합금 및 열처리

전단극한강도

(MPa)

인장극한강도

(MPa)

2024-T4

255

425

6061-T6

170

290

7075-T73

280

470

(2) 용접봉의 공칭강도는 표 3.2-2에 따른다.

표 3.2-2 용접봉의 공칭강도

용접봉

인장극한강도 (MPa)

1100

75

2319

240

4043

165

4047

170

5183

275

5356

240

5554

215

5556

290

5654

205

(3) 알루미늄 리벳의 공칭강도는 표 3.2-3에 따른다.

표 3.2-3 알루미늄 리벳의 공칭강도

규격

전단극한강도

(MPa)

2017-T4

225

2024-T42

255

2117-T4

180

2219-T6

205

6053-T61

135

6061-T6

170

7050-T7

270

7075-T6

290

7075-T73

280

7178-T6

315

4. 설계

4.1 인장재

4.1.1 일반사항

(1) 인장재의 설계인장강도 은 총단면의 항복한계상태와 유효순단면의 파단한계상태에 대해 산정된 값 중 작은 값으로 한다.

= 0.90 (항복한계상태)

= 0.75 (파단한계상태)

① 총단면의 항복한계상태

가. 단면을 따라 용접되지 않은 부재

(4.1-1)

나. 부재 길이방향으로 용접된 부재

(4.1-2)

② 유효순단면의 파단한계상태

가. 용접되지 않은 부재

(4.1-3)

나. 용접된 부재

(4.1-4)

여기서,

: 유효순단면적

: 용접의 영향을 받는 구간의 유효순단면적

: 인장재 설계를 위한 계수로 표 4.1-1에 의해 결정함

인장 부재의 단부 접합부에 대한 블록전단 파단 강도는 KDS 14 31 10(4.1)에 따른다.

표 4.1-1 인장재 설계를 위한 계수

합금 및 열처리

용접되지 않았거나 용접부로부터 25mm 떨어진 영역

용접부로부터 25mm 이내인 영역

2014-T6, -T651, -T6510, -T6511, 2014A-T6, -T651

1.25

-

6066-T6, -T6510, -T6511

1.1

-

6070-T6, -T62

1.1

-

기타

1.0

1.0

4.1.2 단면적의 산정

(1) 부재의 순단면적 과 유효순단면적 는 KDS 14 31 10(4.1)에 따라 산정한다.

(2) 다만, 알루미늄구조에서는 다음을 고려하여야 한다.

① 드릴로 만든 구멍이나 리머구멍(reamed hole)의 폭은 구멍의 공칭 지름을 사용하며, 펀칭된 구멍의 폭은 공칭 지름에 0.8mm를 더한 값을 사용한다.

② 용접된 부재의 경우 플러그 또는 슬롯 용접 부분은 순단면적에 포함되어서는 안 된다.

4.2 압축재

4.2.1 일반사항

(1) 압축재의 설계압축강도 는 한계상태에서의 부재의 좌굴, 국부좌굴이나, 부재좌굴과 국부좌굴의 상호작용 중 작은 값을 사용한다. 저항계수 을 적용한다.

4.2.2 부재좌굴

(1) 부재의 공칭좌굴강도 는 다음과 같이 구한다.

(4.2-1)

여기서, 는 한계상태에 따라 표 4.2-1에 의해 산정한다.

표 4.2-1 한계상태에 따른 좌굴강도

한계상태

항복

비탄성좌굴

탄성좌굴

(4.2-1)

(4.2-2)

: 식(4.2-1)과 식(4.2-2)를 통해 산정한 기둥 세장비 중 최댓값

(2) 용접되지 않은 부재의 경우 부재의 공칭좌굴강도 는 와 를 통해 산정하고, 용접된 부재의 경우 부재의 공칭좌굴강도는 , 표 1.6-2, 표 1.6-3과 를 통해 산정한다.

(3) 전체가 용접의 영향을 받는 부재의 경우 부재의 공칭좌굴 강도 는 와 를 통해 산정되고, 용접된 부재의 경우 부재의 공칭좌굴강도는 표 1.6-2와 를 통해 산정된다.

(4) 부재의 단면이 용접된 경우:

① 양단부가 지지되었으며 부재의 단부로부터 0.05 이상 길이로 용접되지 않은 경우

(4.2-3)

여기서, =부재 길이

② 양단부가 지지되었으며 부재의 단부로부터 0.05 이상 길이로 용접되었거나 한쪽 단부만 부재의 단면에 용접이 되어 지지되어 있는 경우

(4.2-4)

③ 부재의 길이방향으로 용접된 경우

(4.2-5)

4.2.3 국부좌굴

(1) 부재의 국부좌굴강도는 가중평균방법을 통해서 산정한다.

(4.2-6)

여기서,

: 1.6.5(1)①이나 ②를 통해 산정한 부재 의 국부좌굴응력

: 부재 의 단면적

1.6.4 부재좌굴과 국부좌굴의 상호작용

(1) 탄성좌굴응력 값이 부재의 좌굴응력 보다 작을 경우 부재의 공칭 압축강도는 다음 값 이상이어서는 안 된다.

(4.2-7)

4.3 휨부재

(1) 이 절은 다음 중 하나의 경우에 해당하는 부재에 적용한다.

① 주축에 평행하며 전단중심을 통과하는 평면에 재하되는 경우

② 부재 길이방향 축에 대한 회전강성이 지점과 재하위치에 구속된 경우

4.3.1 일반사항

(1) 휨부재의 설계휨강도 은 한계상태에서의 항복, 파단, 국부좌굴, 횡비틀림좌굴 중 작은 값을 사용한다.

= 0.75(파단), 0.90(기타 휨한계상태)

4.3.2 항복 및 파단

(1) 항복한계상태에 대해 기성품의 공칭휨강도 은 , 와 중 가장 작은 값을 사용한다.

(2) 항복한계상태에 대해 주조품의 공칭휨강도 은 와, 중 가장 작은 값을 사용한다.

(3) 파단한계상태에 대해 공칭휨강도는 다음과 같다.

(4.3-1)

여기서,

: 소성단면계수

: 중립축에서 인장측의 단면계수

: 중립축에서 압축측의 단면계수

: 인장재 설계를 위한 계수로 표 4.1-1에 의해 결정함

4.3.3 국부좌굴

(1) 평판요소와 곡면요소의 조합으로 이루어진 형태의 국부좌굴에 의한 공칭휨강도 는 가중평균법으로 산정할 수 있다. 단, 국부좌굴한계상태는 와이어, 로드, 강봉에 적용할 수 없다.

(4.3-2)

여기서,