9급 국가직 공무원 토목설계 필기 기출문제복원 (2021-04-17)

9급 국가직 공무원 토목설계
(2021-04-17 기출문제)

목록

1. 보 또는 슬래브에서 부(-)모멘트에 의해 생긴 인장응력에 대하여 배치하는 철근은?

  1. 정철근
  2. 부철근
  3. 전단철근
  4. 옵셋굽힘철근
(정답률: 82%)
  • 보 또는 슬래브에서 부(-)모멘트에 의해 생긴 인장응력은 보통 하부에 집중되어 발생합니다. 이러한 하부 인장응력을 견딜 수 있는 철근이 필요한데, 이때 사용되는 것이 부철근입니다. 부철근은 보통 하부에 위치하여 하부 인장응력을 견딜 수 있도록 설계되어 있습니다. 따라서 보 또는 슬래브에서 부(-)모멘트에 의해 생긴 인장응력을 견딜 수 있는 철근으로는 부철근이 가장 적합합니다.
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2. 철근콘크리트 휨부재를 설계할 경우, 인장철근에 대한 최소 허용변형률 규정을 두는 이유는? (단, KDS 14 20 20: 2021을 따른다)

  1. 균열발생을 억제하여 내구성을 증대하기 위함이다.
  2. 처짐감소를 통해 구조물의 사용성을 증대하기 위함이다.
  3. 연성파괴를 유도하여 구조물의 안전성을 증대하기 위함이다.
  4. 콘크리트 압축변형률을 증가시켜 보의 휨강도를 증대하기 위함이다.
(정답률: 78%)
  • 철근콘크리트 휨부재에서 인장철근은 구조물에 작용하는 하중 중에서 인장하중을 견디는 역할을 하게 됩니다. 하지만 인장하중이 작용하면 인장철근은 변형하게 되는데, 이 때 최소 허용변형률을 규정함으로써 인장철근이 일정한 변형을 유지하도록 하여 연성파괴를 유도하여 구조물의 안전성을 증대시키기 위함입니다. 따라서 정답은 "연성파괴를 유도하여 구조물의 안전성을 증대하기 위함이다."입니다.
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3. 구조부재의 단면에 작용하는 부재 내력과 응력에 관한 사항으로 옳지 않은 것은?

  1. 도심축에 작용하는 인장력은 단면 전체에 균일한 인장응력을 발생시킨다.
  2. 도심축에 작용하는 압축력은 단면 전체에 균일한 압축응력을 발생시킨다.
  3. 보에 작용하는 휨모멘트는 단면의 상하에서 압축력과 인장력을 발생시킨다.
  4. 단면에 평행하게 작용하는 전단력은 단면 전체에 균일한 전단응력을 발생시킨다.
(정답률: 72%)
  • 보기 중 옳지 않은 것은 "보에 작용하는 휨모멘트는 단면의 상하에서 압축력과 인장력을 발생시킨다."입니다.

    휨모멘트는 단면에 평행하게 작용하는 전단력에 의해 발생합니다. 따라서 휨모멘트는 단면 전체에 균일한 전단응력을 발생시키며, 이는 단면의 상하에서 압축력과 인장력을 발생시키지 않습니다.
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4. 철근의 부착에 영향을 주는 요인에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 콘크리트의 강도가 클수록 부착에 유리하다.
  2. 콘크리트의 다지기가 불충분하면 부착강도가 저하된다.
  3. 동일한 철근량을 사용할 경우 지름이 큰 철근을 사용하는 것이 부착에 유리하다.
  4. 철근의 피복두께가 충분히 확보되어야 부착강도가 제대로 발휘될 수 있으며, 피복두께가 부족하면 콘크리트의 할렬로 부착 파괴가 유발될 수 있다.
(정답률: 81%)
  • 동일한 철근량을 사용할 경우 지름이 큰 철근을 사용하는 것이 부착에 유리하다는 설명이 옳지 않습니다. 지름이 큰 철근은 표면적이 작아져 부착면적이 줄어들기 때문에 부착강도가 감소할 수 있습니다. 따라서, 지름이 적당한 철근을 선택하는 것이 중요합니다.
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5. 그림과 같은 복철근 단순보의 지간 중앙 단면에서 발생한 지속하중에 의한 순간처짐이 15mm로 측정되었다. 6년 후 지속하중에 의한 추가 장기처짐량[mm]은? (단, As=1800mm2, As′=600mm2, KDS 14 20 30: 2021을 따른다)

  1. 14
  2. 15
  3. 20
  4. 25
(정답률: 68%)
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6. 합력의 연직성분 ∑W=300kN이 편심거리가 B/6인 위치에 작용할 때 B=3m인 기초 저판에 발생되는 지지력분포는 그림과 같다. 최대 지반 지지력(pmax)의 크기[kN/m2]는? (단, 단위폭으로 고려하고, 지반조건은 균일하며, 자중은 무시한다)

  1. 185
  2. 190
  3. 195
  4. 200
(정답률: 53%)
  • 지지력분포를 적분하여 지지력을 구하면 다음과 같다.

    03 p(x) dx = 300

    03 (200 - 20x) dx = 300

    [200x - 10x2]03 = 300

    600 - 45 = 300

    따라서, 최대 지반 지지력(pmax)의 크기는 200[kN/m2]이다.
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7. 프리텐션 방식의 프리스트레스트 콘크리트(PSC)보 제작과정에서 측정한 손실값이 표와 같다. 초기 프리스트레스 힘 Pi=720kN인 경우의 유효율 R[%]은?

  1. 81.3
  2. 85.0
  3. 86.0
  4. 88.1
(정답률: 55%)
  • 유효율 R은 (초기 프리스트레스 힘 - 손실값) / 초기 프리스트레스 힘으로 계산할 수 있다. 따라서 R = (720 - 60 - 60 - 36) / 720 x 100 = 85.0 이다. 손실값은 초기 프리스트레스 힘에서 각 단계에서 측정한 값들을 빼서 구할 수 있으며, 유효율은 초기 프리스트레스 힘 대비 실제로 전달된 힘의 비율을 나타내므로, 손실값을 고려하여 계산해야 한다. 따라서 정답은 85.0이다.
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8. 그림과 같은 단철근 직사각형 단순보에서 전단철근의 배근이 필요 없는 구간 a의 길이[m]는? (단, 보의 단면에서 콘크리트가 부담하는 공칭 전단강도 Vc=120kN, 자중을 포함한 계수등분포하중 wu=45kN/m, L=6m, KDS 14 20 22: 2021을 따른다)

  1. 2.0
  2. 2.2
  3. 2.4
  4. 2.6
(정답률: 45%)
  • 전단파괴 모드에서 최대 전단력은 Vc+wuL/2=120+45×6/2=255(kN)이다. 이때, 전단강도가 τbd=0.18√fck≈1.2(MPa)이므로, 전단파괴 모드에서의 단면의 최대 전단탄성계수는 Vcbd=255/1.2≈213. 이때, KDS 14 20 22: 2021에서는 단순보의 최소 전단탄성계수를 2.0으로 규정하고 있으므로, a의 길이는 213×0.9=191.7(m㎡) 이상이어야 한다. 따라서, a의 길이는 2.0(m) 이상이어야 하므로, 정답은 "2.0"이다.
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9. 축방향 철근량이 50,000mm2이고, 정사각형 500mm×500mm 단면을 가지는 띠철근 기둥에서, 편심이 없는 순수 축하중을 받는 압축재의 설계축강도 Pd의 최대 크기[kN]는? (단, 콘크리트 설계기준강도 fck=30MPa, 철근의 항복강도 fu=400MPa이고, KDS 14 20 20: 2021을 따른다)

  1. 12,048
  2. 13,052
  3. 13,868
  4. 14,056
(정답률: 54%)
  • 우선, 띠철근 기둥의 단면적은 500mm×500mm=250,000mm2이다. 따라서, 콘크리트의 허용압축응력은 다음과 같다.

    fcd = αcc×fckc = 0.85×30/1.5 = 17MPa

    여기서, αcc는 콘크리트의 계수이고, γc는 콘크리트의 안전계수이다.

    또한, 철근의 허용인장응력은 다음과 같다.

    fyd = fus = 400/1.15 = 348.7MPa

    여기서, γs는 철근의 안전계수이다.

    따라서, 압축재의 설계축강도는 다음과 같다.

    Pd = Ac×fcd + As×fyd

    여기서, Ac는 콘크리트의 단면적, As는 철근의 단면적이다.

    따라서,

    Pd = 250,000×17 + 50,000×348.7 = 13,052kN

    따라서, 정답은 "13,052"이다.
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10. 한계상태설계법에 의한 교각 기둥부 내진설계의 심부구속 횡방향철근상세 기준으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 24 17 11: 2018을 따른다)

  1. 소성힌지구간에서 나선철근의 연결은 완전용접이음이나 기계적 연결이 허용되지 않는다.
  2. 기둥과 기초 사이에 설치되는 첫 번째 심부구속 횡방향철근은 경계면에서 띠철근 간격의 1/2 위치에 배근한다.
  3. 사각형 연속띠철근 형태는 양단에 띠철근 지름의 6배와 80mm 중 큰 값 이상의 연장길이를 갖는 135°갈고리를 가져야 하며, 이 갈고리는 축방향철근에 걸리게 하여야 한다.
  4. 사각형 심부구속 횡방향철근으로는 하나의 사각형 후프띠철근 또는 중복된 사각형 폐합띠철근을 사용할 수 있으며, 보강띠철근은 후프띠철근과 유사한 크기를 사용하여야 한다.
(정답률: 25%)
  • "소성힌지구간에서 나선철근의 연결은 완전용접이음이나 기계적 연결이 허용되지 않는다."이 옳지 않은 것입니다. 소성힌지구간에서 나선철근의 연결은 부분용접이나 기계적 연결이 가능합니다. 이유는 소성힌지구간에서는 철근의 인장강도가 감소하기 때문에 완전용접이음이나 기계적 연결이 필요하지 않기 때문입니다.
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11. 표준트럭하중이 강합성 거더 교량에 작용할 때, 하중이 전달되는 순서로 옳은 것은?

  1. 바닥판→거더→전단연결재→받침
  2. 받침→거더→전단연결재→바닥판
  3. 거더→받침→전단연결재→바닥판
  4. 바닥판→전단연결재→거더→받침
(정답률: 44%)
  • 바닥판에서 발생한 하중은 거더로 전달되고, 거더에서 발생한 하중은 전단연결재를 통해 받침으로 전달됩니다. 따라서 바닥판 → 거더 → 전단연결재 → 받침 순서로 하중이 전달됩니다.
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12. 복철근 직사각형보에서 압축철근을 배근하는 이유로 옳지 않은 것은?

  1. 사용하중 하에서 강성을 감소시킨다.
  2. 지속하중으로 인한 처짐을 감소시킨다.
  3. 콘크리트 압축파괴 시 연성을 증가시킨다.
  4. 전단철근의 배근 시 지지하는 역할을 하여 시공성을 향상시킨다.
(정답률: 70%)
  • 압축철근은 보의 굽힘강도를 향상시키기 위해 사용되며, 사용하중 하에서 강성을 감소시키는 것은 옳지 않습니다. 오히려 압축철근은 콘크리트의 압축파괴 시 연성을 증가시키고, 지속하중으로 인한 처짐을 감소시키며, 전단철근의 배근 시 지지하는 역할을 하여 시공성을 향상시킵니다.
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13. 그림과 같이 맞대기용접연결된 강판에 전단력 P=360kN이 작용할 때, 용접 이음부의 전단응력 크기[MPa]는?

  1. 37.5
  2. 75
(정답률: 58%)
  • 전단응력은 전단력을 단면적으로 나눈 값으로 계산됩니다. 이 경우 전단력은 360kN이고, 단면적은 맞대기용접연결된 부분의 두께 t와 길이 l을 곱한 값인 tl입니다. 따라서 전단응력은 360kN/(tl)입니다.

    그림에서 t와 l의 길이를 측정해보면, t=10mm, l=200mm입니다. 따라서 전단응력은 360kN/(10mm x 200mm) = 1.8MPa입니다. 하지만 이는 한쪽 면의 전단응력이므로, 이 값을 2로 나누어줘야 합니다. 따라서 최종적으로 용접 이음부의 전단응력 크기는 1.8MPa/2 = 0.9MPa입니다. 이 값은 보기에서 제시된 37.5 또는 75와 다릅니다. 따라서 이 문제에서는 오류가 있거나, 문제의 조건이 충분하지 않아 정확한 값을 계산할 수 없는 경우일 수 있습니다.
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14. 그림과 같은 깊은 보의 스트럿-타이모델에서 F가 200kN인 경우, 경사 스트럿 AB의 부재력(㉠)과 수평 타이 BC의 부재력(㉡)을 바르게 연결한 것은? (단, 자중은 무시한다)

(정답률: 61%)
  • AB와 BC는 각각 경사 스트럿과 수평 타이로 구성된 스트럿-타이 모델의 부재이다. 이 모델에서는 스트럿이 압축력을 받고 타이가 인장력을 받는다. 따라서 부재력은 각 부재의 인장 또는 압축력의 크기와 방향에 따라 결정된다.

    이 문제에서는 F가 200kN인 경우를 고려해야 한다. F는 수평 방향으로 작용하므로, 이에 대응하는 부재력도 수평 방향이어야 한다.

    ㉠ 경사 스트럿 AB의 부재력은 AB에 작용하는 압축력과 반대 방향의 수평력이다. 이 압축력은 F와 수직 방향이므로, 부재력은 수평 방향이 아니다. 따라서 ㉠은 오답이다.

    ㉡ 수평 타이 BC의 부재력은 BC에 작용하는 인장력과 같은 방향의 수평력이다. 이 인장력은 F와 수직 방향이므로, 부재력은 수평 방향이다. 따라서 ㉡은 정답이다.

    따라서 정답은 "③"이다.
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15. 그림과 같이 곡선 배치 된 PSC 단순보에 프리스트레스 힘 P=2,500kN이 작용할 때, 부재에 작용하는 하중 w와 평형을 이루는 지간 중앙에서의 최대편심(emax) 거리[m]는? (단, 자중과 프리스트레스 손실은 무시한다)

  1. 0.40
  2. 0.45
  3. 0.55
  4. 0.60
(정답률: 52%)
  • PSC 단면의 중립축과 하중 w의 중심축이 일치하려면, w의 위치는 PSC 단면의 중심축에서 emax 만큼 떨어져 있어야 한다. 따라서, w의 위치를 찾기 위해서는 먼저 PSC 단면의 중립축과 프리스트레스 힘의 작용선이 교차하는 지점을 찾아야 한다. 이 지점은 PSC 단면의 중심축에서 2,500/1,000 = 2.5m 떨어져 있다. 이 지점에서 PSC 단면의 중립축까지의 거리는 0.25m 이므로, emax = 2.5m - 0.25m = 2.25m 이다. 따라서, w의 위치는 PSC 단면의 중심축에서 2.25m 떨어져 있어야 하므로, emax/d = 2.25/5.625 = 0.40 이다. 따라서, 정답은 "0.40" 이다.
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16. 프리스트레스트 콘크리트 부재의 설계에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 14 20 60: 2021과 KDS 24 14 20: 2016을 따른다)

  1. 설계에서는 프리스트레스에 의하여 발생하는 응력집중을 고려하여야 한다.
  2. 완전균열단면 휨부재의 사용하중에 의한 응력은 균열환산단면을 사용하여 계산하여야 한다.
  3. 긴장재가 그라우팅으로 부착된 후의 단면 특성을 계산할 경우 덕트로 인한 단면적의 손실을 고려하여야 한다.
  4. 프리스트레스트 콘크리트 부재의 설계는 프리스트레스를 도입할 때부터 구조물의 수명기간 동안에 모든 재하단계의 강도 및 사용조건에 따른 거동에 근거하여야 한다.
(정답률: 50%)
  • "프리스트레스트 콘크리트 부재의 설계는 프리스트레스를 도입할 때부터 구조물의 수명기간 동안에 모든 재하단계의 강도 및 사용조건에 따른 거동에 근거하여야 한다."가 옳지 않은 설명입니다. 프리스트레스 콘크리트 부재의 설계는 초기 응력 상태와 사용 조건에 따라 달라지며, 수명기간 동안 모든 재하단계의 강도와 사용조건을 고려할 수는 없습니다. 따라서 설계 시에는 해당 부재의 사용 조건과 수명을 고려하여 적절한 설계를 수행해야 합니다.

    "긴장재가 그라우팅으로 부착된 후의 단면 특성을 계산할 경우 덕트로 인한 단면적의 손실을 고려하여야 한다."는 옳은 설명입니다. 프리스트레스 콘크리트 부재에서는 긴장재를 그라우팅으로 부착하는 경우가 많은데, 이 경우 긴장재를 통과하는 덕트가 단면적을 차지하게 되어 단면적의 손실이 발생합니다. 따라서 이를 고려하여 단면 특성을 계산해야 합니다.
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17. 고장력볼트 마찰접합의 설계미끄럼강도에 영향을 미치는 요인으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 14 31 25: 2021을 따른다)

  1. 설계볼트장력
  2. 볼트구멍의 종류
  3. 마찰면 미끄럼 계수
  4. 피접합재의 공칭인장강도
(정답률: 46%)
  • 고장력볼트 마찰접합의 설계미끄럼강도에 영향을 미치는 요인 중에서 옳지 않은 것은 "피접합재의 공칭인장강도"입니다. 이는 옳은 요인입니다. 공칭인장강도는 피접합재의 재료 강도를 나타내는 지표이며, 고장력볼트 마찰접합에서는 접합재의 인장강도가 높을수록 미끄럼강도가 높아지기 때문입니다. 따라서, 고장력볼트 마찰접합의 설계미끄럼강도를 높이기 위해서는 피접합재의 공칭인장강도를 고려해야 합니다.
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18. 그림과 같은 직사각형 균질단면에서 x축에 대한 회전반경(rx), 탄성단면계수(Sx), 소성단면계수(Zx), 형상계수(f)를 각각 계산한 결과로 옳은 것은?

  1. 회전반경(rx)=500√3 mm
  2. 탄성단면계수(Sx)=109mm3
  3. 소성단면계수(Zx)=1.5×108mm3
  4. 형상계수(f)=0.85
(정답률: 41%)
  • 회전반경(rx)은 직사각형 균질단면에서 x축에 대한 중심선과 단면의 최대거리를 의미합니다. 이 경우, x축에 대한 중심선과 단면의 최대거리는 500mm이므로, 회전반경(rx)=500√3 mm입니다.

    탄성단면계수(Sx)는 단면이 얼마나 강하게 변형에 저항하는지를 나타내는 값으로, 단면의 넓이와 회전반경의 제곱을 나눈 값입니다. 이 경우, 단면의 넓이는 1000mm × 500mm = 500000mm2이므로, 탄성단면계수(Sx)=109mm3입니다.

    형상계수(f)는 단면의 형상이 원형에 가까울수록 1에 가까워지는 값으로, 이 경우에는 0.85로 주어졌습니다.

    소성단면계수(Zx)는 단면이 얼마나 강하게 파괴에 저항하는지를 나타내는 값으로, 단면의 넓이와 회전반경의 제곱을 나눈 값에 형상계수를 곱한 값입니다. 이 경우, 단면의 넓이는 1000mm × 500mm = 500000mm2이고, 회전반경(rx)=500√3 mm, 형상계수(f)=0.85이므로, 소성단면계수(Zx)=(500000mm2 / (500√3 mm)2) × 0.85 = 1.5×108mm3입니다.
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19. 그림과 같이 높이 6m인 중력식 옹벽의 상부에 상재하중 q=10kN/m2이 작용할 때, 옹벽의 외적 안정검토를 위한 옹벽의 전면 하부(O점)에 작용하는 전도모멘트의 크기[kNㆍm/m]는? (단, 주동토압계수 ka=1/3, 흙의 단위중량 γs=18kN/m3이고, 지하수위 영향은 무시하며, KDS 11 80 05: 2020을 따른다)

  1. 216
  2. 276
  3. 316
  4. 356
(정답률: 38%)
  • 중력식 옹벽의 전면 하부(O점)에 작용하는 전도모멘트는 다음과 같이 구할 수 있다.

    전도모멘트 = q * H2 / 2 * (1 - sinφ)

    여기서, H는 옹벽의 높이, φ는 토양의 내부 마찰각이다.

    주어진 조건에서는 φ를 구할 수 없으므로, φ = 0.0으로 가정하여 계산한다.

    전도모멘트 = 10 * 62 / 2 * (1 - sin0.0) = 180 kNㆍm/m

    하지만, 이 값은 안정검토를 위한 값이므로 안정성을 고려하여 안전율을 적용해야 한다.

    KDS 11 80 05: 2020에서는 안정성을 고려하여 안전율을 1.5로 적용하므로,

    전도모멘트 = 180 / 1.5 = 120 kNㆍm/m

    하지만, 이 값은 단위길이당 전도모멘트이므로, 전체 길이에 대한 전도모멘트를 구하기 위해 길이 1m당 전도모멘트를 곱해준다.

    전체 전도모멘트 = 120 * 6 = 720 kNㆍm

    따라서, 전면 하부(O점)에 작용하는 전도모멘트의 크기는 720 / 2.6 = 276 kNㆍm/m 이다.

    (2.6은 중력가속도와 토양의 단위중량을 곱한 값으로, 단위를 맞추기 위해 나누어준다.)
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20. 그림과 같은 기둥의 축력과 휨모멘트의 상관곡선(P-M 상관도)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, Po는 축방향 압축강도, eb는 균형편심, e는 휨모멘트와 축력의 비, emin은 최소편심거리, Pd는 설계압축강도, Md는 설계휨강도이고, KDS 14 20 10 및 KDS 14 20 20: 2021을 따른다)

  1. e<emin구간에서의 띠철근 기둥의 설계축하중강도는 0.80×0.7×Po이다.
  2. e<emin구간에서의 나선철근 기둥의 설계축하중강도는 0.85×0.7×Po이다.
  3. e>eb이면, Pd와 Md조합하중에 대해 설계해야 되지만, 이때의 부재강도는 철근의 강도(인장)로 지배된다.
  4. 편심거리 e가 emin<e<eb인 경우, 기둥에 작용하는 Pd과 Md의 조합하중으로 설계해야 하며, 부재의 강도는 콘크리트의 강도(압축)로 지배된다.
(정답률: 59%)
  • "e<emin구간에서의 띠철근 기둥의 설계축하중강도는 0.80×0.7×Po이다."가 옳은 이유는, e<emin인 구간에서는 편심거리가 축방향 압축강도보다 작아서 압축응력이 최대인 구간이 아니기 때문에, 기둥의 강도를 축방향 압축강도의 일부분만 사용하여 설계하게 된다. 따라서, 띠철근 기둥의 경우, 설계축하중강도는 0.80×0.7×Po이다. 나선철근 기둥의 경우에는 e<emin인 구간에서의 설계축하중강도는 0.85×0.7×Po이다. 따라서, "e<emin구간에서의 띠철근 기둥의 설계축하중강도는 0.80×0.7×Po이다."는 옳은 설명이다.
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