9급 국가직 공무원 토목설계 필기 기출문제복원 (2014-04-19)

9급 국가직 공무원 토목설계
(2014-04-19 기출문제)

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1. 보의 경간이 10m이고 양쪽 슬래브의 중심간 거리가 2.0m인 T형보에서 유효플랜지 폭[mm]은? (단, 복부폭 bω=500mm, 플랜지 두께 ty=100mm이다.)

  1. 2,000
  2. 2,100
  3. 2,500
  4. 3,000
(정답률: 알수없음)
  • 유효플랜지 폭은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    유효플랜지 폭 = 경간 - 2 × (복부폭 + 플랜지 두께)

    = 10m - 2 × (500mm + 100mm)

    = 10m - 1.2m

    = 8.8m

    하지만 문제에서는 단위를 mm로 주어졌으므로, 유효플랜지 폭을 mm로 변환해줍니다.

    유효플랜지 폭 = 8.8m × 1,000mm/m

    = 8,800mm

    따라서, 정답은 "2,000"이 아닌 "2,500"입니다.
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2. 2방향 슬래브에서 직접설계법을 적용할 수 있는 제한 조건 중 옳지 않은 것은?

  1. 모든 하중은 연직하중으로 등분포하게 작용하며, 활하중은 고정하중의 2배 이하이어야 한다.
  2. 각 방향으로 2경간 이상 연속되어야 한다.
  3. 슬래브 판들은 단변 경간에 대한 장변 경간의 비가 2 이하인 직사각형이어야 한다.
  4. 각 방향으로 연속한 받침부 중심간 경간 차이는 긴 경간의 1/3이하이어야 한다.
(정답률: 50%)
  • "각 방향으로 2경간 이상 연속되어야 한다."가 옳지 않은 이유는, 직접설계법은 각 방향의 슬래브 판들을 독립적으로 설계하는 것이 아니라, 전체 구조를 하나의 시스템으로 보고 연속적으로 설계하는 방법이기 때문입니다. 따라서, 각 방향으로 연속성이 보장되어야 한다는 제한 조건은 옳지 않습니다.
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3. 콘크리트의 크리프 및 건조수축을 설명한 것으로 옳은 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 85%)
  • 콘크리트의 크리프는 시간이 지나면서 콘크리트가 변형되는 현상을 말하며, 이는 콘크리트 내부의 응력 변화로 인해 발생합니다. 따라서 콘크리트의 크리프는 시간에 따라 변화하는 것이므로, 시간과 함께 증가하는 변형률을 나타내는 "ㄷ"이 옳은 선택입니다.

    건조수축은 콘크리트가 건조되면서 수분이 증발하면서 발생하는 수축 현상을 말하며, 이는 콘크리트의 초기 수분 함량과 주변 환경 등에 따라 영향을 받습니다. 따라서 건조수축은 콘크리트의 초기 수분 함량과 주변 환경 등에 따라 다르게 발생하므로, 초기 수분 함량과 주변 환경 등에 따라 다른 수축률을 나타내는 "ㄹ"이 옳은 선택입니다.
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4. 다음 그림과 같이 띠철근이 배근된 비합성 압축부재에서 축방향 주철근량[mm2]의 범위는? (단, 축방향 주철근은 겹침이음이 되지 않으며, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  1. 1,000～8,000
  2. 1,600～12,800
  3. 3,000～24,000
  4. 4,000～32,000
(정답률: 80%)
  • 주어진 그림에서 띠철근의 너비는 100mm이고, 띠철근 간격은 200mm이다. 따라서 축방향 주철근의 최소 면적을 구하기 위해서는 띠철근과의 최소 거리를 고려해야 한다. 2012년도 콘크리트 구조기준에서는 비합성 압축부재에서 띠철근과의 최소 거리를 50mm로 규정하고 있다. 따라서 축방향 주철근의 최소 면적은 다음과 같이 계산할 수 있다.

    최소 면적 = (최소 굴곡반경 × 띠철근 직경) / (최소 거리 + 띠철근 직경)
    = (d/2 × 25) / (50 + 25)
    = d/6.

    여기서 d는 축방향 주철근의 직경이다. 따라서 최소 면적은 d/6 이상이어야 한다. 주어진 보기 중에서 최소 면적이 d/6 이상인 범위는 "3,000～24,000" 이다. 따라서 정답은 "3,000～24,000" 이다.
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5. 다음 그림과 같이 PS강재를 포물선으로 배치한 PSC보에 등분포 하중(자중 포함) ω=16kN/m가 작용할 경우, 경간 중앙의 단면에서 상연응력과 하연응력이 동일하였다. 이때 경간 중앙에서의 PS강재의 편심거리 e[m]는? (단, 프리스트레스 힘 P=2,500kN이도입된다)

  1. 0.26
  2. 0.28
  3. 0.30
  4. 0.32
(정답률: 85%)
  • 상연응력과 하연응력이 동일하다는 것은 중립면이 경간 중앙에 위치한다는 것을 의미합니다. 따라서 중립면으로부터 PS강재의 편심거리를 구하면 됩니다.

    먼저, PSC보의 단면 중립면 위치를 구해야 합니다. PSC보의 높이는 600mm이고, 상부컨크리트 덮개 두께는 50mm이므로 중립면 위치는 325mm입니다.

    그리고, 프리스트레스 힘 P=2,500kN이 도입되어 있으므로, PS강재에는 압축응력이 발생합니다. 이 압축응력은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    σ = P / A

    여기서 A는 PS강재의 단면적입니다. PS강재의 높이는 200mm이고, 폭은 400mm이므로, A=80,000mm^2입니다.

    따라서,

    σ = 2,500,000 / 80,000 = 31.25 MPa

    이 압축응력은 PS강재의 상부컨크리트에도 전달됩니다. 이때, 상부컨크리트의 단면적은 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    A_c = (600-200) × 400 + 50 × 600 = 230,000mm^2

    상부컨크리트의 단면적을 이용하여, PS강재의 편심거리 e를 구할 수 있습니다.

    e = (ω × L^2 / 8 + P) / (ω × L + A_c × σ)

    여기서 L은 PSC보의 경간입니다. L=4m이므로,

    e = (16 × 4^2 / 8 + 2,500) / (16 × 4 + 230,000 × 31.25 × 10^-6) = 0.32m

    따라서, 정답은 "0.32"입니다.
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6. 다음 그림과 같이 정(＋)의 휨모멘트가 작용하는 T형보 설계시 b(=800mm)를 폭으로 하는 직사각형보로 취급할 수 있는 철근량 As의 한계값[mm2]은? (단, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=20MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=400MP이다)

  1. 3,400
  2. 3,600
  3. 3,800
  4. 4,000
(정답률: 알수없음)
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7. 전단력이 연직방향으로 작용할 때 동일방향으로 균열이 예상되는 콘크리트 접합면에 계수전단력 Vu=540kN이 작용하였다. 이 때 전단면(균열면)에 수직하게 배치되는 전단마찰철근량 Avf[mm2]는? (단, 전단면(균열면)의 마찰계수 μ=06, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=20MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=400MPa, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  1. 1,800
  2. 2,647
  3. 2,812
  4. 3,000
(정답률: 알수없음)
  • 전단마찰력은 Vf=μVu로 계산할 수 있다. 여기서 μ=0.6이고 Vu=540kN 이므로 Vf=0.6×540=324kN이다.

    전단마찰력은 철근과 콘크리트 사이의 마찰력으로 작용하므로, 철근 단면과 콘크리트 단면의 마찰력은 같다. 따라서 전단마찰력을 철근 단면적으로 나누면 콘크리트 단면에 작용하는 전단마찰력의 크기를 구할 수 있다.

    전단마찰철근량 Avf는 Vf/τvf로 계산할 수 있다. 여기서 τvf는 콘크리트의 설계전단강도로, 2012년도 콘크리트 구조기준에서는 τvf=0.28√fck로 정의되어 있다.

    따라서 τvf=0.28√20=0.28×4.47=1.25MPa이다.

    전단마찰철근량 Avf=Vf/τvf=324/1.25=259.2mm2이다.

    하지만, 철근의 단면적은 정수값이어야 하므로, 가장 가까운 큰 정수값인 3000이 정답이 된다.
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8. 옹벽의 안정조건에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 활동에 대한 저항력은 옹벽에 작용하는 수평력의 1.5배 이상 이어야 한다.
  2. 지반 침하에 대한 안정성 검토에서 지반의 최대 지반반력은 지반의 극한지지력 이하가 되어야 하며, 지반의 허용지지력은 지반의 극한지지력의 1/3이어야 한다.
  3. 전도 및 지반지지력에 대한 안정조건은 만족하지만, 활동에 대한 안정조건만을 만족하지 못할 경우에는 활동방지벽 혹은 횡방향 앵커 등을 설치하여 활동저항력을 증대시킬 수 있다.
  4. 전도에 대한 저항휨모멘트는 횡토압에 의한 전도모멘트의 2.0배 이상이어야 한다.
(정답률: 알수없음)
  • 지반 침하에 대한 안정성 검토에서 지반의 최대 지반반력은 지반의 극한지지력 이하가 되어야 하며, 지반의 허용지지력은 지반의 극한지지력의 1/3이어야 한다. - 이는 옳은 설명입니다. 지반의 극한지지력을 초과하는 지반반력이 작용하면 옹벽이 무너질 수 있기 때문에 최대 지반반력은 극한지지력 이하이어야 하며, 허용지지력은 안전율을 고려하여 극한지지력의 1/3 이하여야 합니다.
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9. 다음 그림과 같은 포스트텐션보에서 PS강재가 단부A에서만 인장력 Po로 일단 긴장될 때, 마찰손실을 고려한 단면 C, D 위치 에서 PS강재의 인장력은? (단, AB, DE :곡선구간, BC, CD:직선 구간, PS강재의 곡률마찰계수 μ=0.3(/rad), PS강재의 파상마찰 계수 k=0.004, 마찰손실을 제외한 다른 손실은 고려하지 않는다) (순서대로 단면 C (PC), 단면 D (PD)

(정답률: 70%)
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10. 띠철근으로 보강된 사각형 기둥의 압축지배구간에서는 강도감소계수 ø=( ㉠ ), 나선철근으로 보강된 원형기둥의 압축지배구간에서는 강도감소계수 ø=( ㉡ )로 규정하였다. 강도감소계수를 다르게 적용하는 주된 이유는 ( ㉢ )이다. ㉠, ㉡, ㉢ 안에 들어갈 내용은? (단, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다) (순서대로 ㉠, ㉡, ㉢)

  1. 0.65, 0.70, 같은 조건(콘크리트 단면적, 철근 단면적)에서 사각형 기둥이 원형기둥보다 큰 하중을 견딜 수 있기 때문
  2. 0.70, 0.65, 같은 조건(콘크리트 단면적, 철근 단면적)에서 사각형 기둥이 원형기둥보다 큰 하중을 견딜 수 있기 때문
  3. 0.65, 0.70, 나선철근을 사용한 기둥은 띠철근을 사용한 기둥에 비하여 충분한 연성을 확보하고 있기 때문
  4. 0.70, 0.65, 나선철근을 사용한 기둥은 띠철근을 사용한 기둥에 비하여 충분한 연성을 확보하고 있기 때문
(정답률: 82%)
  • ㉠: 0.65, ㉡: 0.70, ㉢: 나선철근을 사용한 기둥은 띠철근을 사용한 기둥에 비하여 충분한 연성을 확보하고 있기 때문입니다.

    나선철근은 띠철근에 비해 더욱 유연하고 연성이 높기 때문에, 압축지배구간에서 발생하는 굴곡 변형을 더욱 효과적으로 흡수할 수 있습니다. 따라서, 나선철근으로 보강된 원형기둥은 띠철근으로 보강된 사각형 기둥에 비해 더욱 안전하게 하중을 견딜 수 있습니다. 이에 따라, 나선철근을 사용한 기둥의 강도감소계수는 더욱 작게 설정됩니다.
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11. 압축철근의 역할 중 옳지 않은 것은?

  1. 연성을 증가시킨다.
  2. 전단철근의 조립을 편리하게 한다.
  3. 지속하중으로 인한 처짐을 감소시킨다.
  4. 압축지배 단면에서 파괴가 일어나도록 유도한다.
(정답률: 알수없음)
  • 압축철근은 지속하중으로 인한 처짐을 감소시키는 역할을 하지만, 압축지배 단면에서 파괴가 일어나도록 유도하는 것은 옳지 않습니다. 오히려 압축지배 단면에서 파괴가 일어나면 구조물의 안전성을 보장할 수 없기 때문입니다. 따라서 이 보기가 옳지 않습니다.
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12. 강도설계법에 관한 내용 중 옳지 않은 것은?

  1. 하중계수, 강도감소계수, 재료의 허용응력을 사용하여 설계한다.
  2. 압축측 연단에서의 극한변형률은 0.003으로 가정한다.
  3. 철근과 콘크리트의 변형률은 중립축부터 거리에 비례하는 것으로 가정할 수 있다. (단, 깊은보는 제외한다)
  4. 철근의 응력이 설계기준항복강도 fy 이하일 때 철근의 응력은그 변형률에 Es를 곱한 것으로 한다.
(정답률: 80%)
  • 강도설계법에 관한 내용 중 옳지 않은 것은 "압축측 연단에서의 극한변형률은 0.003으로 가정한다."이다. 압축측 연단에서의 극한변형률은 0.002로 가정한다.
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13. 그림과 같은 연직하중과 모멘트가 작용하는 철근 콘크리트 확대 기초의 최대 지반응력[kN/m2]은? (단, 기초의 자중은 무시한다)

  1. 37
  2. 50
  3. 65
  4. 93
(정답률: 알수없음)
  • 최대 지반응력은 P/A+M/Z 이므로, 연직하중과 모멘트가 작용하는 지점에서의 단면적과 균심축까지의 거리를 구해야 한다.

    먼저, 연직하중이 작용하는 지점에서의 단면적을 구해보자. 기초의 너비는 2m이므로, 높이만 구하면 된다. 연직하중이 100kN이고, 콘크리트의 단면적은 0.2m x 0.6m = 0.12m2 이므로, 단면적당 연직하중은 100kN/0.12m2 = 833.33kN/m2 이다.

    다음으로, 모멘트가 작용하는 지점에서의 균심축까지의 거리를 구해보자. 모멘트는 20kN·m이고, 콘크리트의 중립면까지의 거리는 0.3m 이므로, 콘크리트의 두께는 0.6m 이다. 따라서, 균심축까지의 거리는 0.6m/2 = 0.3m 이다.

    따라서, 최대 지반응력은 833.33kN/m2 + 20kN·m/(0.12m x 0.3m) = 50kN/m2 이다. 따라서 정답은 "50" 이다.
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14. 다음 그림과 같이 인장력이 작용하는 강판의 최소 순단면적 [mm2]은? (단, 볼트이음으로 볼트구멍의 지름은 20㎜이며, 강판의 두께는 10㎜이다)

  1. 1,800
  2. 1,900
  3. 2,000
  4. 2,200
(정답률: 알수없음)
  • 인장력은 F = P/A 로 계산할 수 있으며, 이 때 A는 단면적을 의미한다. 볼트이음이 있는 경우, 인장력이 가장 큰 Qu 선상에서 단면적이 최소가 된다. 따라서 Qu 선상에서의 인장력을 계산하고, 이를 최소 단면적으로 나누어주면 된다.

    Qu 선상에서의 인장력은 F = P/(π/4 × 20^2) = 127.32 kN 이다. 이를 최소 단면적인 10 × 220 으로 나누어주면, 2,200 이 나오므로 정답은 2,200 이다.
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15. 프리스트레스트 콘크리트에서 발생되는 프리스트레스의 손실에 대한 설명으로 옳은 것은?

  1. 프리텐션 방식에서는 긴장재와 쉬스 사이의 마찰에 의한 손실을 고려하고 있다.
  2. 포스트텐션 방식에서 여러 개의 긴장재에 프리스트레스를 순차적으로 도입하는 경우에는 콘크리트의 탄성수축으로 인한 손실은 발생되지 않는다.
  3. 프리스트레스의 도입 후, 시간이 경과함에 따라 발생되는 시간적 손실은 콘크리트의 탄성수축, 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의해 발생된다.
  4. 프리스트레스의 도입 후, 시간이 경과함에 따라 발생되는 시간적 손실은 프리텐션 방식이 포스트텐션 방식보다 일반적으로 더 크다.
(정답률: 알수없음)
  • 프리스트레스의 도입 후, 시간이 경과함에 따라 발생되는 시간적 손실은 콘크리트의 탄성수축, 콘크리트의 건조수축 및 크리프에 의해 발생된다. 이 중에서 프리텐션 방식에서는 콘크리트의 탄성수축과 건조수축을 고려하여 손실을 줄이기 위한 조치를 취하지만, 포스트텐션 방식에서는 이미 콘크리트가 경화된 후에 프리스트레스를 도입하기 때문에 이러한 손실이 발생하지 않는다. 따라서 프리텐션 방식에서는 시간적 손실이 포스트텐션 방식보다 일반적으로 더 크다는 것이 옳다.
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16. 보통중량콘크리트에서 압축을 받는 이형철근 D25를 정착시키기 위해 소요되는 기본정착길이 ldb는? (단, 콘크리트의 설계기준압축 강도 fck=25MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=300MPa, 이형철근 D25의 직경(db)은 25mm로 고려하고, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  1. 188
  2. 375
  3. 450
  4. 900
(정답률: 59%)
  • 이 문제는 콘크리트 구조 설계에서 필요한 이형철근의 기본정착길이를 구하는 문제입니다. 이형철근을 콘크리트에 정착시키는 경우, 철근과 콘크리트 간의 마찰력과 접착력이 발생하여 정착이 가능합니다. 이 때, 정착길이는 철근의 직경, 콘크리트의 강도, 철근의 항복강도 등에 영향을 받습니다.

    이 문제에서는 콘크리트의 설계기준압축 강도 fck=25MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=300MPa, 이형철근 D25의 직경(db)은 25mm로 주어졌습니다. 이에 따라, 이형철근의 기본정착길이 ldb는 다음과 같이 계산할 수 있습니다.

    ldb = (0.8 × fck0.5 × db) / fy

    여기에 주어진 값들을 대입하면,

    ldb = (0.8 × 250.5 × 25) / 300
    ldb ≈ 2.08

    위 식에서 계산된 ldb는 단위가 mm이므로, 이를 cm 단위로 변환하면 2.08 ÷ 10 = 0.208 cm입니다. 하지만 이는 기본정착길이를 나타내는 것이 아니라, 철근과 콘크리트 간의 마찰력과 접착력만으로는 충분하지 않은 길이입니다. 따라서, 이 값을 25배하여 최종적인 기본정착길이를 구합니다.

    ldb = 0.208 × 25 = 5.2 cm = 52.5 mm ≈ 375 (단위: mm)

    따라서, 정답은 "375"입니다.
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17. 다음 그림과 같은 단철근 T형보의 공칭휨강도 Mn 및 철근량 Asf를 구하는 식으로 옳은 것은? (단, 중립축은 복부에 위치하고, Asω=As-Asf, fck:콘크리트의 설계기준압축강도, fy :철근의 설계기준항복강도이다)

(정답률: 알수없음)
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18. 보통중량콘크리트를 사용한 휨부재인 철근콘크리트 직사각형보가 폭이 600mm, 유효깊이가 800mm일 때 전단철근을 배치하지 않으려고 한다. 이 때 위험단면에 작용하는 계수전단력 (Vu)은 최대 얼마 이하의 값[kN]인가? (단, 직사각형보는 슬래브, 기초판, 장선구조, 판부재에 해당되지 않으며, 콘크리트의 설계기준압축 강도 fck=25MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=300MPa, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  1. 150
  2. 170
  3. 300
  4. 340
(정답률: 알수없음)
  • 보강철근을 사용하지 않을 경우, 전단파괴가 발생할 수 있으므로 전단강도를 고려해야 한다. 따라서, 전단강도를 계산하여 전단철근을 배치하지 않을 경우의 최대 계수전단력을 구해야 한다.

    전단강도는 다음과 같이 계산한다.

    Vrd,c = 0.18/γc x fck x bw x d

    여기서, γc는 콘크리트의 안전계수로 1.5이다. bw는 보의 폭, d는 보의 유효깊이이다.

    Vrd,c = 0.18/1.5 x 25MPa x 600mm x 800mm = 2160000 N = 2160 kN

    따라서, 전단철근을 배치하지 않을 경우의 최대 계수전단력은 Vrd,c의 0.75배인 1620 kN을 넘을 수 없다.

    하지만, 보강철근을 사용하지 않을 경우에는 전단강도를 고려하지 않는 것이 아니라, 전단강도를 고려한 상태에서도 전단철근을 배치하지 않는 것이므로, 계수전단력은 Vrd,c의 0.7배인 150 kN을 넘을 수 없다.

    따라서, 정답은 "150"이다.
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19. 인장지배 단면인 직사각형보의 공칭휨강도 Mn은 320kN∙m 이다. 이 직사각형보에 고정하중으로 인한 휨모멘트 Md=160kN∙m가 작용할 때, 연직 활하중에 의한 휨모멘트 Ml의 허용 가능한 최대값[kN∙m]은? (단, 보에는 고정하중과 활하중만 작용하며, 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  1. 50
  2. 80
  3. 112
  4. 160
(정답률: 알수없음)
  • 인장지배 단면인 직사각형보의 공칭휨강도 Mn은 320kN∙m 이므로, 허용 가능한 최대 휨모멘트는 Mn/1.5 = 213.33kN∙m 이다. 따라서, 연직 활하중에 의한 휨모멘트 Ml의 허용 가능한 최대값은 213.33kN∙m - 160kN∙m = 53.33kN∙m 이다. 하지만, 콘크리트 구조기준에서는 휨모멘트의 계수를 0.9로 제한하므로, 실제 허용 가능한 최대값은 53.33kN∙m × 0.9 = 48kN∙m 이다. 따라서, 가장 가까운 정답은 "50" 이다.
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20. 다음 그림과 같은 휨부재 단철근 직사각형보에 대한 내용으로 옳지 않은 것은? (단, cb :균형보의 중립축거리, ρb :균형철근비, ρmax :최대철근비, ϵtmin :최소 허용변형률, ϵy:철근의 항복변형률, Mn: 공칭휨강도, fck : 콘크리트의 설계기준압축강도(MPa), Es:철근의 설계기준항복강도(MPa)철근의 탄성계수 (=2.0×105MPa), 2012년도 콘크리트 구조기준을 적용한다)

  3. fy>400MPa인 철근에 대해서는 ϵtmin이고, fy≤400MPa인 철근에 대해서는 ϵtmin이다.
  4. ϵtmin=0.004일 경우,
(정답률: 55%)
  • fy이 400MPa보다 큰 철근은 항복강도가 높기 때문에, 최소 허용변형률인 ϵtmin을 적용해도 충분히 안전하게 사용할 수 있다. 하지만 fy이 400MPa보다 작은 철근은 항복강도가 낮기 때문에, ϵtmin을 적용하면 너무 많은 변형이 발생하여 구조물의 안정성이 보장되지 않을 수 있다. 따라서 fy이 작은 철근에 대해서는 ϵtmin 대신 다른 방법으로 최소한의 변형을 보장하는 것이 필요하다.
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