제120회 토목구조기술사 기출문제

 
 
 
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1. 철근콘크리트 보의 응력 교란구역

철근콘크리트 보의 응력 교란구역은 구조물의 하중 전달과 관련된 중요한 개념입니다. 이 구역에서는 하중이 집중되거나 불균일하게 분포되어 응력 분포가 복잡해지며, 이로 인해 구조물의 안전성과 내구성에 영향을 미칠 수 있습니다. 아래에서는 응력 교란구역의 개념, 원인, 그리고 이를 해결하기 위한 설계 및 시공 방법에 대해 설명하겠습니다.

### 1. 응력 교란구역의 개념
응력 교란구역은 하중이 집중되거나 구조물의 형상이 급격히 변하는 부분에서 발생하는 영역을 말합니다. 이 구역에서는 일반적인 응력 분포와 달리 비선형적이고 복잡한 응력 분포가 나타납니다. 예를 들어, 보의 지점 부근, 구멍 주변, 또는 단면이 급격히 변하는 부분 등이 이에 해당합니다.

### 2. 응력 교란구역의 원인
- **하중의 집중**: 집중하중이 작용하는 부분에서는 응력이 집중되어 교란구역이 발생합니다.
- **단면의 급격한 변화**: 단면이 급격히 변하는 부분에서는 응력 분포가 불균일해져 교란구역이 형성됩니다.
- **구조물의 형상**: 구조물의 형상이 복잡할수록 응력 분포가 복잡해져 교란구역이 발생할 가능성이 높아집니다.

### 3. 응력 교란구역의 영향
- **균열 발생**: 응력이 집중된 부분에서는 균열이 발생할 가능성이 높아집니다.
- **내구성 저하**: 응력 교란구역에서는 구조물의 내구성이 저하될 수 있습니다.
- **파손 위험 증가**: 응력이 집중된 부분에서는 파손 위험이 증가할 수 있습니다.

### 4. 응력 교란구역 해결을 위한 설계 및 시공 방법
- **적절한 보강 철근 배치**: 응력이 집중되는 부분에는 추가적인 보강 철근을 배치하여 응력을 분산시킵니다.
- **단면의 완만한 변화**: 단면이 급격히 변하는 부분을 피하고, 완만한 변화를 주어 응력 집중을 줄입니다.
- **하중 분산**: 집중하중이 작용하는 부분에는 하중을 분산시킬 수 있는 구조를 설계합니다.
- **유한 요소 해석(FEA)**: 복잡한 구조물의 응력 분포를 분석하기 위해 유한 요소 해석을 활용하여 응력 교란구역을 예측하고 설계에 반영합니다.

### 5. 결론
철근콘크리트 보의 응력 교란구역은 구조물의 안전성과 내구성에 큰 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이를 해결하기 위해서는 적절한 설계와 시공이 필수적이며, 특히 보강 철근의 배치와 단면의 변화를 고려한 설계가 필요합니다. 또한, 유한 요소 해석과 같은 현대적인 분석 기법을 활용하여 응력 분포를 정확히 예측하고 설계에 반영하는 것이 중요합니다.

이와 같은 방법들을 통해 응력 교란구역을 효과적으로 관리하고, 구조물의 안전성과 내구성을 높일 수 있습니다.

2. PS 강재의 응력부식과 지연파괴

PS 강재(Pre-Stressed Steel)는 인장력을 미리 가해 강도를 높인 강재로, 주로 철근콘크리트 구조물에서 사용됩니다. 그러나 PS 강재는 **응력부식(stress corrosion)**과 **지연파괴(delayed fracture)**라는 두 가지 주요 문제에 취약할 수 있습니다. 이 두 현상은 강재의 장기적인 안전성과 내구성에 큰 영향을 미치므로, 이에 대한 이해와 대책이 중요합니다.

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### 1. **응력부식(Stress Corrosion)**
응력부식은 재료가 **인장응력**과 **부식 환경**에 동시에 노출될 때 발생하는 현상입니다. PS 강재는 높은 인장응력을 지속적으로 받고 있기 때문에, 부식 환경에 노출되면 응력부식이 발생할 가능성이 높습니다.

#### **응력부식의 메커니즘**
- **화학적 반응**: 강재 표면에 부식이 발생하면, 미세한 균열이 형성됩니다.
- **응력 집중**: 인장응력이 가해진 상태에서 균열 끝부분에 응력이 집중되며, 균열이 점차 확장됩니다.
- **취성 파괴**: 균열이 임계 크기에 도달하면 갑작스러운 파괴가 발생합니다.

#### **응력부식의 원인**
- **환경적 요인**: 염화물, 황화물, 알칼리성 환경 등이 응력부식을 촉진합니다.
- **재료적 요인**: 강재의 조성(예: 고탄소강)과 미세구조가 응력부식에 영향을 미칩니다.
- **응력 수준**: 높은 인장응력이 지속적으로 가해질수록 응력부식이 발생하기 쉽습니다.

#### **응력부식 방지 대책**
- **부식 방지 코팅**: 강재 표면에 부식 방지 코팅을 적용합니다.
- **환경 관리**: 염분이나 화학물질에 노출되지 않도록 환경을 관리합니다.
- **재료 선택**: 응력부식에 강한 재료(예: 스테인리스강)를 사용합니다.
- **응력 완화**: 설계 시 응력 집중을 최소화합니다.

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### 2. **지연파괴(Delayed Fracture)**
지연파괴는 강재가 **높은 인장응력**과 **수소 환경**에 노출될 때 시간이 지남에 따라 발생하는 취성 파괴 현상입니다. PS 강재는 높은 인장응력을 받고 있기 때문에, 수소가 침투하면 지연파괴가 발생할 위험이 있습니다.

#### **지연파괴의 메커니즘**
- **수소 침투**: 강재 표면에서 수소 원자가 침투합니다.
- **수소 취화**: 수소 원자가 강재 내부로 확산되어, 결정 구조를 약화시킵니다.
- **균열 발생 및 확장**: 수소가 집중된 부분에서 미세한 균열이 발생하고, 시간이 지남에 따라 균열이 확장됩니다.
- **파괴**: 균열이 임계 크기에 도달하면 갑작스러운 파괴가 발생합니다.

#### **지연파괴의 원인**
- **수소 환경**: 전기화학적 반응(예: 부식) 또는 용접 과정에서 수소가 발생할 수 있습니다.
- **고강도 강재**: 고강도 강재는 수소 취화에 더 취약합니다.
- **높은 인장응력**: PS 강재는 높은 인장응력을 받고 있기 때문에 지연파괴 위험이 큽니다.

#### **지연파괴 방지 대책**
- **수소 차단**: 강재 표면에 수소 침투를 방지하는 코팅을 적용합니다.
- **용접 조건 관리**: 용접 시 수소 발생을 최소화하기 위해 적절한 용접 조건을 선택합니다.
- **재료 선택**: 수소 취화에 강한 재료를 사용합니다.
- **응력 완화**: 설계 시 응력 집중을 최소화하고, 잔류응력을 줄입니다.

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### 3. **응력부식과 지연파괴의 차이점**
| 구분               | 응력부식(Stress Corrosion)               | 지연파괴(Delayed Fracture)          |
|--------------------|------------------------------------------|-------------------------------------|
| **주요 원인**      | 부식 환경 + 인장응력                    | 수소 침투 + 인장응력               |
| **발생 환경**      | 염화물, 황화물, 알칼리성 환경            | 수소 발생 환경(부식, 용접 등)      |
| **파괴 메커니즘**  | 화학적 반응에 의한 균열 확장             | 수소 취화에 의한 균열 확장         |
| **방지 대책**      | 부식 방지 코팅, 환경 관리, 재료 선택    | 수소 차단, 용접 조건 관리, 재료 선택 |

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### 4. **결론**
PS 강재는 높은 인장응력을 받고 있기 때문에, 응력부식과 지연파괴에 취약합니다. 이 두 현상은 구조물의 장기적인 안전성과 내구성에 큰 영향을 미치므로, 설계 및 시공 단계에서 이를 고려한 대책을 마련하는 것이 중요합니다. 부식 방지 코팅, 환경 관리, 재료 선택, 응력 완화 등의 방법을 통해 응력부식과 지연파괴를 방지할 수 있습니다. 또한, 정기적인 점검과 유지보수를 통해 잠재적인 문제를 조기에 발견하고 해결하는 것도 중요합니다.

3. 철근콘크리트 슬래브의 균열율(Crack Ratio)

**철근콘크리트 슬래브의 균열율(Crack Ratio)**은 슬래브 표면에 발생한 균열의 정도를 수치화한 지표로, 구조물의 내구성과 안전성을 평가하는 데 중요한 요소입니다. 균열율은 균열의 폭, 길이, 분포 등을 고려하여 계산되며, 이는 콘크리트의 품질, 설계, 시공, 환경 조건 등 다양한 요인에 의해 영향을 받습니다. 아래에서는 균열율의 정의, 계산 방법, 원인, 그리고 허용 기준에 대해 설명합니다.

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### **균열율의 정의**
균열율은 일반적으로 슬래브 단위 면적(예: 1㎡)당 균열의 총 길이 또는 균열의 폭과 길이를 고려한 가중치를 적용하여 계산됩니다.

또는 균열의 폭을 고려한 가중치를 적용할 수도 있습니다.

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### **균열율 계산 방법**
1. **균열의 총 길이 측정**:
   - 슬래브 표면에 발생한 모든 균열의 길이를 측정합니다.
   - 균열이 복잡하게 분포된 경우, 각 구간별로 나누어 측정합니다.

2. **슬래브 면적 계산**:
   - 균열이 발생한 슬래브의 전체 면적을 계산합니다.

3. **균열율 계산**:
   - 측정된 균열의 총 길이를 슬래브 면적으로 나누고, 100을 곱하여 백분율로 표현합니다.

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### **균열 발생 원인**
균열율은 다음과 같은 요인들에 의해 영향을 받습니다:

1. **수축 균열(Shrinkage Crack)**:
   - 콘크리트의 경화 과정에서 발생하는 수축으로 인한 균열.
   - 건조 수축, 플라스틱 수축 등이 주요 원인.

2. **온도 변화**:
   - 온도 변화로 인한 열팽창 및 수축으로 균열 발생.

3. **하중에 의한 균열**:
   - 설계 하중을 초과하는 하중이 작용할 경우 발생.
   - 휨, 전단, 비틀림 하중 등이 원인.

4. **시공 불량**:
   - 콘크리트 타설 시 진동 부족, 이음부 처리 불량, 거푸집 변형 등.
   - 철근 정착 불량 또는 피복 두께 부족.

5. **재료 문제**:
   - 콘크리트의 배합 불량(예: 물-시멘트 비율 과다).
   - 저품질 골재 또는 시멘트 사용.

6. **환경 요인**:
   - 동결-융해 반복, 화학적 침식, 탄산화 등.

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### **균열율의 허용 기준**
균열율은 구조물의 사용 목적과 환경 조건에 따라 허용 기준이 다릅니다. 일반적으로 다음과 같은 기준을 적용합니다:

1. **국내 기준(KCI)**:
   - 철근콘크리트 구조물의 균열 폭은 일반적으로 **0.3mm 이하**로 유지해야 함.
   - 균열율은 슬래브 면적당 **0.1%~0.2%** 이내로 제한.

2. **해외 기준(ACI, Eurocode)**:
   - ACI 318: 균열 폭은 **0.4mm 이하**로 권장.
   - Eurocode 2: 균열 폭은 **0.3mm 이하**로 권장.

3. **내구성 요구사항**:
   - 해양 환경, 화학 공장 등 극한 환경에서는 더 엄격한 기준 적용.

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### **균열율 관리 및 보수 방법**
1. **균열 모니터링**:
   - 정기적으로 균열의 폭, 길이, 분포를 측정 및 기록.
   - 균열의 진행 상황을 추적하여 추가 보강 필요성 판단.

2. **보수 방법**:
   - **표면 보수**: 에폭시 수지, 실링 재료 등을 사용하여 균열을 메움.
   - **구조적 보강**: 철근 추가 설치, 외부 보강재(FRP, 철판 등) 적용.
   - **침투 공법**: 균열 내부에 저점도 수지를 주입하여 결합력 회복.

3. **예방 조치**:
   - 적절한 콘크리트 배합 설계(물-시멘트 비율 최소화).
   - 철근의 적절한 정착 및 피복 두격 유지.
   - 시공 중 진동 및 타설 품질 관리.

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### **결론**
철근콘크리트 슬래브의 균열율은 구조물의 안전성과 내구성을 평가하는 중요한 지표입니다. 균열율을 관리하기 위해서는 균열 발생 원인을 정확히 분석하고, 설계, 시공, 유지보수 단계에서 철저한 품질 관리를 수행해야 합니다. 허용 기준을 준수하고 적절한 보수 방법을 적용하여 구조물의 수명을 연장하고 안전성을 확보할 수 있습니다.

4. 후설치 앵커볼트의 종류 및 문제점

**후설치 앵커볼트(Post-Installed Anchor Bolt)**는 콘크리트 구조물에 사후에 설치되는 고정체로, 기존 구조물에 추가적인 하중을 전달하거나 부재를 고정하는 데 사용됩니다. 후설치 앵커볼트는 시공의 유연성과 편의성을 제공하지만, 올바른 설계와 시공이 이루어지지 않을 경우 여러 문제점이 발생할 수 있습니다. 아래에서는 후설치 앵커볼트의 종류와 문제점에 대해 설명합니다.

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### **후설치 앵커볼트의 종류**
후설치 앵커볼트는 고정 방식과 재료에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 주요 종류는 다음과 같습니다:

1. **화학 앵커(Chemical Anchor)**:
   - 에폭시 수지나 폴리머 재료를 사용하여 콘크리트와 앵커볼트를 접착하는 방식.
   - 높은 인장 강도와 전단 강도를 제공하며, 다양한 환경에서 사용 가능.
   - 예: 에폭시 화학 앵커, 폴리머 화학 앵커.

2. **기계식 앵커(Mechanical Anchor)**:
   - 콘크리트 내부에서 물리적으로 확장 또는 고정되는 방식.
   - 설치가 간단하고 빠르며, 즉시 하중을 지지할 수 있음.
   - 예: 확장형 앵커(Expansion Anchor), 슬리브 앵커(Sleeve Anchor), 웨지 앵커(Wedge Anchor).

3. **하이브리드 앵커(Hybrid Anchor)**:
   - 화학 앵커와 기계식 앵커의 장점을 결합한 방식.
   - 높은 하중 지지력과 신뢰성을 제공.

4. **인서트 앵커(Insert Anchor)**:
   - 콘크리트 타설 시 미리 설치하는 방식이지만, 후설치와 유사한 기능을 제공.
   - 주로 철골 구조물과 콘크리트의 연결에 사용.

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### **후설치 앵커볼트의 문제점**
후설치 앵커볼트는 편리하지만, 설계, 시공, 관리 부주의로 인해 다양한 문제가 발생할 수 있습니다. 주요 문제점은 다음과 같습니다:

1. **설계 오류**:
   - 하중 조건, 콘크리트 강도, 앵커 간격 등을 고려하지 않은 설계.
   - 앵커의 지지력이 부족하여 구조물의 안전성이 저하될 수 있음.

2. **시공 불량**:
   - 구멍의 직경, 깊이, 청소 상태가 부적절할 경우 접착력이 약해짐.
   - 화학 앵커의 경우, 수지의 혼합 비율이나 경화 시간을 지키지 않아 접착력이 떨어짐.
   - 기계식 앵커의 경우, 확장이 불완전하여 고정력이 약해짐.

3. **재료 문제**:
   - 저품질의 화학 수지나 앵커볼트 사용.
   - 환경 조건(온도, 습도 등)에 적합하지 않은 재료 선택.

4. **하중 과다**:
   - 앵커볼트가 설계 하중을 초과하는 하중을 받을 경우 파손 발생.
   - 특히 동적 하중(진동, 충격)에 취약.

5. **콘크리트 품질 문제**:
   - 콘크리트의 강도가 낮거나 균열이 있는 경우 앵커의 고정력이 저하.
   - 콘크리트의 두께가 부족할 경우 앵커가 제대로 고정되지 않음.

6. **부식 문제**:
   - 앵커볼트의 재질이 부식에 취약한 경우, 시간이 지남에 따라 강도가 감소.
   - 특히 습한 환경이나 화학물질에 노출된 경우 문제가 심각.

7. **검증 부족**:
   - 설치 후 풀아웃 테스트(Pull-out Test) 등의 검증 절차를 생략할 경우, 앵커의 성능을 확인할 수 없음.

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### **문제점 해결 방안**
1. **정확한 설계**:
   - 하중 조건, 콘크리트 강도, 환경 조건 등을 고려한 설계 수행.
   - 관련 설계 기준(예: ACI 318, ETAG, KCI) 준수.

2. **적절한 시공**:
   - 구멍의 직경과 깊이를 정확히 유지.
   - 화학 앵커의 경우 수지의 혼합 비율과 경화 시간을 엄격히 준수.
   - 기계식 앵커의 경우 확장 상태를 확인.

3. **고품질 재료 사용**:
   - 환경 조건에 적합한 재료 선택.
   - 부식 방지를 위해 스테인리스 스틸 또는 코팅 처리된 앵커 사용.

4. **검증 테스트**:
   - 설치 후 풀아웃 테스트를 통해 앵커의 성능 확인.
   - 정기적인 점검 및 유지보수 수행.

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### **결론**
후설치 앵커볼트는 구조물의 유지보수와 보강에 매우 유용하지만, 설계와 시공 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 충분히 고려해야 합니다. 정확한 설계, 적절한 시공, 고품질 재료 사용, 그리고 검증 테스트를 통해 안전하고 신뢰할 수 있는 구조물을 구현할 수 있습니다.

5. 강구조물에서 부재의 면외좌굴

강구조물에서 **면외좌굴(Lateral-Torsional Buckling, LTB)**은 부재(보, 기둥 등)가 휨 하중을 받을 때 발생할 수 있는 중요한 좌굴 현상 중 하나입니다. 면외좌굴은 부재가 휨 모멘트를 받으면서 **횡방향(면외 방향)으로 변형**되고 동시에 **비틀림(Torsion)**이 발생하는 현상을 말합니다. 이는 부재의 안정성을 크게 저하시킬 수 있으며, 구조물의 파손으로 이어질 수 있습니다.

### 면외좌굴이 발생하는 조건
면외좌굴은 주로 다음과 같은 조건에서 발생할 가능성이 높습니다:
1. **길고 가는 부재**: 부재의 길이가 길고 단면이 좁을수록 면외좌굴이 발생하기 쉽습니다.
2. **휨 하중**: 부재가 휨 모멘트를 받을 때, 특히 단면의 높이가 큰 경우 면외좌굴이 발생할 가능성이 높습니다.
3. **지지 조건**: 부재의 양단 지지 조건이 약할수록(예: 양단이 고정되지 않은 경우) 면외좌굴이 발생하기 쉽습니다.
4. **비대칭 하중**: 하중이 부재의 중심에서 벗어나 비대칭적으로 작용할 경우 면외좌굴이 발생할 가능성이 높아집니다.

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### 면외좌굴 방지를 위한 설계 고려사항
면외좌굴을 방지하기 위해 강구조물 설계 시 다음과 같은 사항을 고려해야 합니다:
1. **부재의 단면 선택**:
   - 단면의 높이 대비 너비 비율을 적절히 조절합니다.
   - 단면의 회전반경(radius of gyration)을 증가시켜 좌굴 저항력을 높입니다.
2. **지지 조건 개선**:
   - 부재의 양단을 고정하거나, 중간에 보조 지점을 추가하여 면외좌굴을 방지합니다.
3. **횡방향 지지재 설치**:
   - 부재의 횡방향 변형을 방지하기 위해 횡방향 지지재(브레이싱)를 설치합니다.
4. **하중 분배**:
   - 하중이 부재의 중심에 작용하도록 설계하여 비틀림을 최소화합니다.

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### 면외좌굴 해석 방법
면외좌굴은 구조 해석을 통해 예측할 수 있습니다. 주요 해석 방법은 다음과 같습니다:
1. **탄성 좌굴 해석**:
   - 부재의 탄성 범위 내에서 좌굴 하중을 계산합니다.
   - 유효 길이(Effective Length)와 단면 특성을 고려하여 좌굴 저항력을 평가합니다.
2. **비탄성 좌굴 해석**:
   - 부재가 비탄성 범위로 진입할 경우를 고려하여 좌굴 하중을 계산합니다.
3. **유한요소해석(FEA)**:
   - 복잡한 구조물의 경우 유한요소해석을 통해 면외좌굴을 정밀하게 예측할 수 있습니다.

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### 관련 설계 기준
강구조물 설계 시 면외좌굴을 고려한 설계 기준은 다음과 같습니다:
- **한국**: KDS 41 31 00 (강구조 설계 기준)
- **미국**: AISC 360 (American Institute of Steel Construction)
- **유럽**: Eurocode 3 (EN 1993-1-1)

이러한 기준에서는 부재의 좌굴 저항력을 계산하는 방법과 면외좌굴을 방지하기 위한 설계 요구사항을 명시하고 있습니다.

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### 결론
면외좌굴은 강구조물의 안정성에 큰 영향을 미치는 현상이므로, 설계 단계에서 충분히 고려해야 합니다. 부재의 단면 선택, 지지 조건, 하중 분배 등을 적절히 설계하고, 필요한 경우 구조 해석을 통해 좌굴 저항력을 평가하여 안전한 구조물을 구현해야 합니다.

6. 사장교의 주케이블에 적용되는 평행소선케이블(Parallel Wire Cable)과 평행

평행소선케이블(Parallel Wire Cable)은 사장교의 주케이블에 사용되는 중요한 구조 요소 중 하나입니다. 이 케이블은 여러 개의 강선(소선)을 평행하게 배열하여 구성되며, 높은 인장 강도를 제공하여 교량의 하중을 지탱하는 역할을 합니다. 평행소선케이블은 일반적으로 고강도 강재로 만들어지며, 내구성과 신뢰성이 뛰어납니다.

평행소선케이블의 주요 특징은 다음과 같습니다:

1. **고강도**: 여러 개의 소선이 평행하게 배열되어 있어 높은 인장 강도를 제공합니다.
2. **유연성**: 소선들이 서로 독립적으로 배열되어 있기 때문에 케이블 전체적으로 유연성이 높습니다.
3. **내구성**: 고강도 강재와 방청 처리 등을 통해 오랜 시간 동안 사용할 수 있도록 설계됩니다.
4. **경제성**: 대규모 교량에 적용할 경우, 재료와 시공 비용 측면에서 경제적입니다.

평행소선케이블은 사장교의 주케이블 뿐만 아니라 현수교, 아치교 등 다양한 교량 구조에도 적용될 수 있습니다. 이 케이블은 교량의 안전성과 수명을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.

추가적으로, 평행소선케이블과 유사한 개념으로는 **평행강연선케이블(Parallel Strand Cable)**이 있습니다. 이는 여러 개의 강연선을 평행하게 배열한 것으로, 평행소선케이블과 유사한 특성을 가지지만, 강연선의 구성 방식에 따라 차이가 있을 수 있습니다.

이러한 케이블들은 교량 설계 및 시공 시 엔지니어들이 고려해야 할 중요한 요소이며, 교량의 규모와 하중 조건에 따라 적절한 케이블을 선택하는 것이 중요합니다.

연선케이블(Parallel Strand Cable)의 구조특징
7. 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 거더의 횡만곡
8. 도로교설계기준(한계상태설계법, 2016)에서 구조물의 여용성, 중요도, 교량의 등급
9. 도로교설계기준(한계상태설계법, 2016)의 활하중
10. 건설기술진흥법에 따른 설계안전성 검토 수행절차
11. 매입형 강합성 기둥과 충전형 강합성 기둥의 특징
12. 비틀림 하중을 받는 부재에서 발생하는 뒴(Warping)과 뒤틀림(Distortion)
13. 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조에 사용되는 콘크리트와 PS강재의 재료특성
 
 
 
※ 다음 문제 중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각25점)
1. 지속적으로 반복 및 충격하중을 받는 강재구조의 특성에 대해 설명하시오.

지속적으로 반복 및 충격하중을 받는 강재구조는 아래와 같은 주요 특성을 보입니다:

1. **피로파괴**: 반복하중은 강재의 내구성을 감소시켜 항복강도 이하에서도 파괴를 초래할 수 있습니다. 이러한 파괴는 피로수명(S-N 곡선)으로 평가되며, 피로한계 이하에서는 무한 반복에도 파괴되지 않습니다

2. **충격 흡수 및 균열 억제**: 충격하중을 받는 강재는 높은 인성과 국부 연성을 요구합니다. 고성능 소재(예: 고망간강)는 충격 흡수율이 높아 균열 발생을 억제하고, 극한 충격 환경에서도 성능을 유지합니다

3. **노후화 및 열화**: 주기적 충격하중은 구조물의 노후화를 가속화하고, 전반적인 강성을 감소시킬 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 동적 특성을 기반으로 손상 평가와 진단이 필요합니다

4. **응력집중과 설계 고려사항**: 반복 및 충격하중은 응력집중을 유발하며, 설계 시 결함 최소화와 잔류응력 관리가 중요합니다

이러한 특성은 강재의 선택 및 설계 과정에서 반드시 고려되어야 합니다.

2. 기존교량의 내진성능 평가절차와 내진성능 부족 시 내진성능 확보방안에 대하여 설명하시오.
3. 3경간 연속 사장교 계획 시 지형조건에 의해 중앙경간과 측경간의 비대칭 경간구성일 때,
비대칭성을 극복할 수 있는 구조계획 및 방안에 대하여 설명하시오.
(단, 아래 그림은 경간계획만 참고하시오.)

 
4. 다음 그림과 같이 길이 6m인 철근콘크리트 단순보에 고정하중   =30kN/m,
활하중   =25kN/m가 작용할 때 강도설계법을 적용하여 다음 사항을 구하시오.
1) 계수모멘트(Mu)에 의한 단철근 직사각형 단면보의 휨 철근량과 사용철근
2) 전단력 분포에 따른 최소 전단철근 배치구간을 구하고, 위험단면에서 수직 전단
철근과 간격

 
 
5. 아래 그림과 같이 기둥 하단부가 힌지로 지지된 뼈대구조가 횡방향 변위가 발생하면서
좌굴이 되는 경우의 좌굴하중을 구하시오.
(단, 모든 부재의 길이와 휨강성은 각각 L과 EI로 일정하며, 부재의 축방향 변형과 전단
변형 효과는 무시한다.)

 
6. 강합성 박스거더의 지점부가 다음과 같이 보강재로 보강되어 있을 때, 도로교설계기준
(한계상태설계법, 2016)에 의한 지압보강재의 축방향 압축강도를 구하시오.
단, 보강재는 복부판에 용접으로 접합 되었으며 거더의 플랜지와 복부판, 그리고 보강재는
동일강종이다.
(강종:HSB500, F y =380MPa, E=205,000MPa, 보강재 두께 t p =36mm, 보강재 돌출폭 b t =200mm,
보강재 설치간격 d e =350mm, 보강재 높이 H=2,400mm, 다이아프램 두께 t w =24mm,
유효좌굴길이계수 K=0.75, 저항계수 =0.9)

 
※ 다음 문제 중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각25점)
1. 사장교의 케이블 교체 및 파단 시 해석방법에 대해 설명하시오.
2. 프리스트레스트 콘크리트 전단 특성과 전단파괴의 종류에 대하여 설명하시오.
3. 강박스 거더는 박판의 플레이트에 각종 보강재를 부착하여 장경간 거더로 활용되는 형식이다.
1) 강박스 거더교를 구성하고 있는 부재(보강재 포함)를 열거하고, 구조적 역할을 설명하시오.
2) 기존 박스 거더를 합리적으로 개선한 형식 3개를 제시하고, 구조개요를 설명하시오.
4. 다음 구조계의 B에 집중하중 P가 작용 시 B의 수직 탄성변위를 구하시오.
(단, 전체부재의 탄성계수는  , 부재 AB의 휨강성은  , 부재 BC, BD의 단면적은
 로 가정한다.)

 
 
5. 아래 그림과 같은 플랜지의 폭이 B이고 복부판의 높이가 H이며 플랜지와 복부판의
두께 t가 일정한 ㄷ형강이 있다. 플랜지 중심선의 길이 b와 복부판 중심선의 길이 h를
이용하여, 복부판 중심선으로부터 전단 중심(o)까지의 거리 e를 구하시오. (단, b=h)

 
6. 프리스트레스트 콘크리트 거더 교량(L=3@45=135m) 설계 시, 첫 번째 교각을 고정단
위치로 설정하여 그에 따른 교대부 신축이음장치의 규모를 산정하시오.
(단, 거더높이 h=2.5m, 콘크리트 탄성계수 E c =28,000N/mm 2 , 거더 단면적 A c =1.73×10⁶mm 2 ,
프리스트레싱 직후의 PS강재에 작용하는 인장력 P i =7.1×10⁶N으로 가정하고,
온도변화 △T=40℃, 콘크리트 열팽창계수 =1.0×10 -5 /℃, 건조수축 및 크리프 저감계수 β= 0.5,
콘크리트의 크리프계수 = 2.0, 받침의 회전중심에서 거더의 중립축까지의 높이는
, 설치여유량 ±30mm를 적용한다.)

 
 
 
 
※ 다음 문제 중 4문제를 선택하여 설명하시오. (각25점)
1. 아래 그림과 같은 교통량이 많은 차도 상부로 신설교량을 계획하려고 한다. 교량연장
240m, 중앙 경간장은 100m 이상이 요구되는 설치환경이며, 신설교량의 평면선형은
직선, 폭원은 20m이다. 다리밑 공간과 도로계획고를 고려하여 적용가능한 교량형식을
열거하고 간략한 가설공법을 설명하시오.
(단, 공사비와 경관성은 고려하지 않으며, 하부도로의 교통은 단시간 통제할 수 있으나
가설도로에 의한 우회처리는 할 수 없는 조건임.)

 
 
2. 도로교설계기준(한계상태설계법, 2016)에 따라 철근콘크리트 구조물의 철근피복두께를
결정하는 방법을 설명하시오.
3. 프리스트레스트 콘크리트 거더에서 포스트텐션 방식으로 강연선 긴장 시, 즉시손실과
장기손실에 대해 설명하시오.
4. 소수 주거더교의 구조적 특성을 설명하시오.
5. 해상 장대교량에서 발생 가능한 와류진동에 대하여 설명하시오.

**해상 장대교량에서 발생 가능한 와류진동(Vortex-Induced Vibration, VIV)**은 바람이 교량 구조물을 지나며 발생하는 소용돌이(와류)가 교량의 고유 진동수와 일치할 때 발생하는 진동 현상입니다. 이를 자세히 설명하면 다음과 같습니다:

### 1. **발생 원리**
- 바람이 교량 단면을 통과할 때, **칼만 와류(Kármán vortex street)**가 형성됩니다. 이 와류는 교량 뒤쪽에서 규칙적으로 떨어져 나가며 교량에 주기적인 힘을 가합니다
- 와류의 주파수는 **스트로우홀 수(Strouhal number)**와 바람 속도, 구조물 크기에 의해 결정됩니다. 이 주파수가 교량의 고유 진동수와 일치하면 **공진(lock-in)** 현상이 발생하여 진동이 증폭됩니다

### 2. **특징**
- **진동 형태**: 와류진동은 주로 횡방향(바람과 직각 방향)으로 발생하며, 진폭은 바람 속도와 구조물의 감쇠 특성에 따라 달라집니다
- **영향**: 지속적인 와류진동은 교량의 피로를 가중시키고, 장기적으로는 구조물의 안정성과 수명을 저하시킬 수 있습니다
- **대표 사례**: 1940년 타코마 내로스 브릿지 붕괴는 플러터와 함께 와류진동이 복합적으로 작용한 결과로 알려져 있습니다

### 3. **설계 및 저감 대책**
- **단면 설계 최적화**: 교량 상판 단면을 유선형으로 설계하거나 와류를 분산시키는 부착물을 추가하여 와류 형성을 억제합니다
- **감쇠 장치 설치**: 구조물에 감쇠 장치를 설치해 진동 에너지를 흡수하거나 고유 진동수를 변화시켜 공진을 회피합니다
- **풍동 실험**: 축소 모델을 이용한 풍동 실험으로 다양한 풍속 조건에서 내풍 안전성을 검증하고 설계에 반영합니다

### 5. **결론**
해상 장대교량에서 와류진동은 설계 초기 단계부터 반드시 고려해야 할 중요한 요소입니다. 내풍 설계를 통해 이러한 진동을 효과적으로 제어하지 않으면 구조적 손상과 붕괴 위험이 증가할 수 있습니다.

6. 폭 b= 1,000mm, 높이 h= 700mm인 직사각형 철근콘크리트 단면에서 극한한계상태의
휨강도를 계산하시오.
(설계조건)
1) 재료의 강도 및 극한한계상태 단면력
· 콘크리트 설계기준강도   =30N/mm² · 철근의 항복강도   =400N/mm²
· 유효깊이  =600.0mm · 휨모멘트   =5.0×10⁷ N·mm
2) 한계상태설계법에 의한 재료의 저항계수(극한한계상태)
· 콘크리트   =0.65 · 철근   =0.95
3) 콘크리트 강도에 따른 응력-변형률 곡선계수
· 상승곡선부의 형상지수  =2.0 · 최대응력에 처음 도달 시 변형률   =0.002
· 극한변형률   =0.0033 · 압축합력 크기계수  =0.798
· 합력작용점 위치계수  =0.412
4) 모멘트 재분배 후 계수휨모멘트/탄성휨모멘트의 비율  =1.0
5) 단위 m 당 철근간격에 따른 철근단면적(mm²)