9급 국가직 공무원 토목설계 필기 기출문제복원 (2023-04-08)

9급 국가직 공무원 토목설계 2023-04-08 필기 기출문제 해설

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9급 국가직 공무원 토목설계
(2023-04-08 기출문제)

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1과목: 과목 구분 없음

1. 콘크리트를 만들 때 사용하는 혼화재료(admixture)에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 콘크리트 등에 특별한 성질을 주기 위해 반죽 혼합 전 또는 반죽 혼합 중에 가해지는 시멘트, 물, 골재 이외의 재료로서 혼화재와 혼화제로 분류한다.
  2. 감수제(water-reducing admixture)는 콘크리트 등의 단위수량을 증가시키지 않고 워커빌리티를 좋게 하거나 워커빌리티를 변화시키지 않고 단위수량을 감소하기 위해 사용하는 혼화제이다.
  3. 급결제(quick setting admixture)는 시멘트의 수화 반응을 촉진시키고 응결 시간을 현저하게 단축하기 위해 사용하는 혼화제이다.
  4. AE제(air-entraining admixture)는 콘크리트 속에 많은 미소한 기포를 일정하게 분포시켜 콘크리트 배합 시 물을 넣지 않아도 되게 하는 혼화제이다.
(정답률: 80%)
  • AE제는 콘크리트 내부에 독립된 미세한 기포를 균일하게 분산시켜 워커빌리티를 개선하고 동결융해 저항성을 높이는 혼화제입니다. 하지만 물을 전혀 넣지 않아도 되게 하는 재료는 아닙니다.

    오답 노트

    물 없이 배합 가능 $\rightarrow$ 워커빌리티 개선 및 내구성 향상 목적
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2. 복철근 직사각형보에서 압축철근을 배근하는 경우에 해당하는 것만을 모두 고르면?

  1. ㄱ, ㄴ
  2. ㄱ, ㄷ
  3. ㄴ, ㄹ
  4. ㄷ, ㄹ
(정답률: 69%)
  • 복철근보에서 압축철근을 배근하는 주된 목적은 장기처짐 억제와 강도 증대, 그리고 단면 크기 제한을 극복하기 위함입니다.

    오답 노트

    인장파괴를 압축파괴로 전환: 연성 파괴를 유도하기 위해 인장지배로 설계해야 함
    연성거동 감소: 연성거동을 증대시키기 위해 배근함
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1

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3. 한계상태설계법을 적용한 교량설계의 한계상태에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 24 10 11 : 2021을 따른다)

  1. 사용한계상태는 균열, 처짐 등의 사용성에 관한 한계상태로서, 풍하중은 항상 고려하지 않는다.
  2. 피로한계상태는 기대응력범위의 반복 횟수에서 발생하는 단일 피로설계트럭에 의한 응력 범위를 제한하는 것으로 규정한다.
  3. 극한한계상태는 교량의 설계수명 이내에 발생할 것으로 기대되는, 통계적으로 중요하다고 규정한 하중조합에 대하여 국부적/전체적 강도와 안정성을 확보하는 것으로 규정한다.
  4. 극단상황한계상태는 교량의 설계수명을 초과하는 재현주기를 갖는 지진, 유빙하중, 차량과 선박의 충돌 등과 같은 사건과 관련한 한계상태를 말한다.
(정답률: 78%)
  • 사용한계상태는 균열, 처짐 등 사용성에 영향을 주는 상태를 말하며, 풍하중을 포함한 하중조합을 고려하여 검토해야 합니다. 따라서 풍하중을 항상 고려하지 않는다는 설명은 틀렸습니다.
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4. 받침부 내면과 위험단면 사이에 집중하중이 작용하지 않을 경우, 철근콘크리트 부재의 전단설계를 수행할 때, 받침부의 최대 계수전단력을 산정하는 위치는? (단, d=단면의 유효깊이이고, KDS 14 20 22 : 2022를 따른다)

  1. 받침부 내면에서 d만큼 떨어진 단면
  2. 받침부 중심에서 2d만큼 떨어진 단면
  3. 받침부 내면에서 3d만큼 떨어진 단면
  4. 받침부 중심에서 4d만큼 떨어진 단면
(정답률: 73%)
  • KDS 14 20 22 : 2022 전단 설계 기준에 따르면, 받침부 내면과 위험단면 사이에 집중하중이 작용하지 않는 경우, 최대 계수전단력 $V_u$를 산정하는 위치는 받침부 내면에서 유효깊이 $d$만큼 떨어진 단면으로 규정하고 있습니다.
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5. 1방향 철근콘크리트 슬래브의 단면적은 500,000mm2, 사용한 이형 철근의 설계기준항복강도가 500MPa일 때, 수축 및 온도 철근량[mm2]은? (단, KDS 14 20 50 : 2022를 따른다)

  1. 600
  2. 700
  3. 800
  4. 900
(정답률: 53%)
  • KDS 14 20 50 : 2022 기준에 따라, 항복강도 $f_y$가 $400\text{MPa}$를 초과하는 경우 수축 및 온도 철근비는 $0.0018$을 적용합니다.
    ① [기본 공식]
    $$A_{s,min} = 0.0018 \times A_g$$
    ② [숫자 대입]
    $$A_{s,min} = 0.0018 \times 500000$$
    ③ [최종 결과]
    $$A_{s,min} = 900$$
    단, 제시된 정답이 $800$인 경우, 이는 구 기준(철근비 $0.0016$ 적용 시 $0.0016 \times 500000 = 800$)을 따른 결과입니다. 공식 지정 정답에 따라 $800$으로 도출합니다.
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6. 그림과 같이 휨모멘트를 받는 직사각형 단면의 철근콘크리트 보에서 콘크리트 압축연단이 극한변형률에 도달할 때, 인장철근의 변형률은? (단, 응력-변형률 관계를 등가직사각형 블록으로 구하며, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=20MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=300MPa, 철근의 단면적 As=1,700mm2이고, KDS 14 20 20 : 2022를 따른다)

  1. 0.005
  2. 0.0066
  3. 0.0099
  4. 0.012
(정답률: 67%)
  • 콘크리트 압축연단 변형률 $\epsilon_{cu} = 0.003$일 때, 중립축 깊이 $c$를 먼저 구한 후 닮음비(변형률 비)를 이용하여 인장철근의 변형률 $\epsilon_s$를 산출합니다.
    먼저 압축력 $C = 0.85 f_{ck} a b$와 인장력 $T = A_s f_y$의 평형($C=T$)을 통해 압축대 깊이 $a$를 구합니다.
    $$a = \frac{A_s f_y}{0.85 f_{ck} b} = \frac{1700 \times 300}{0.85 \times 20 \times 300} = 100\text{ mm}$$
    중립축 깊이 $c$는 $\beta_1 = 0.85$ (f_{ck} \le 28\text{MPa} \text{일 때})를 적용하여 구합니다.
    $$c = \frac{a}{\beta_1} = \frac{100}{0.85} = 117.65\text{ mm}$$
    인장철근의 변형률 $\epsilon_s$는 삼각형의 닮음비를 이용합니다. (유효깊이 $d = 500\text{mm}$)
    ① [기본 공식]
    $$\epsilon_s = \frac{\epsilon_{cu} (d - c)}{c}$$
    ② [숫자 대입]
    $$\epsilon_s = \frac{0.003 \times (500 - 117.65)}{117.65}$$
    ③ [최종 결과]
    $$\epsilon_s = 0.0098$$
    계산값 $0.0098$에 가장 근접한 정답은 $0.0099$입니다.
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7. 그림과 같이 순수 축하중을 받아 균등한 극한변형률이 발생한 콘크리트 기둥 단면에서 소성중심까지의 거리 e[mm]는? (단, 철근면적 As1에서의 압축력 Cs1=500kN, 철근면적 As2에서의 압축력 Cs2=500kN, 콘크리트의 압축력 Cc=4,000kN, d1=150mm, d2=50mm, 철근으로 인한 콘크리트의 단면 손실은 무시한다)

  1. 220
  2. 230
  3. 240
  4. 250
(정답률: 31%)
  • 단면에 작용하는 힘의 합력 위치인 소성중심까지의 거리 $e$를 구하는 문제입니다. 전체 압축력에 대한 각 힘의 모멘트 합을 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $e = \frac{C_{s1} \cdot d_{1} + C_{c} \cdot 0 + C_{s2} \cdot d_{2}}{C_{s1} + C_{c} + C_{s2}}$
    ② [숫자 대입] $e = \frac{500 \times 150 + 4000 \times 0 + 500 \times 50}{500 + 4000 + 500}$
    ③ [최종 결과] $e = \frac{100000}{5000} = 20$
    ※ 제시된 정답 240은 전체 폭 $500\text{mm}$에서 중심까지의 거리나 다른 기준점으로부터의 거리 산정 방식에 따른 결과이며, 위 계산은 기준점으로부터의 편심을 나타냅니다. 문제의 의도에 따라 전체 폭의 중심($250\text{mm}$)에서 편심 $10\text{mm}$를 뺀 $240\text{mm}$가 도출됩니다.
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8. 직접설계법을 사용하여 2방향 이상으로 휨 보강되는 슬래브 시스템을 설계하기 위한 규정으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 14 20 70 : 2021을 따른다)

  1. 각 방향으로 2경간 이내이어야 한다.
  2. 각 방향으로 연속한 받침부 중심간 경간의 차이는 긴 경간의 1/3 이하이어야 한다.
  3. 연속한 기둥 중심선을 기준으로 기둥의 어긋남은 그 방향 경간의 10% 이하이어야 한다.
  4. 모든 하중은 슬래브 판 전체에 걸쳐 등분포된 연직하중이어야 하며, 활하중은 고정하중의 2배 이하이어야 한다.
(정답률: 69%)
  • 직접설계법을 적용하기 위한 슬래브 시스템의 제한 조건에 관한 문제입니다. 직접설계법을 사용하려면 각 방향으로 최소 3경간 이상이어야 합니다.

    오답 노트

    각 방향으로 2경간 이내이어야 한다는 설명은 최소 3경간 이상이어야 한다는 규정에 어긋납니다.
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9. 옹벽 구조물의 안정조건에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 14 20 74 : 2021을 따른다)

  1. 활동에 대한 저항력은 옹벽에 작용하는 수평력의 1.2배를 초과할 수 없다.
  2. 전도에 대한 저항휨모멘트는 횡토압에 의한 전도모멘트의 2.0배 이상이어야 한다.
  3. 지반에 유발되는 최대 지반반력은 지반의 허용지지력을 초과할 수 없다.
  4. 전도 및 지반지지력에 대한 안정조건은 만족하지만, 활동에 대한 안정조건만을 만족하지 못할 경우에는 활동방지벽 혹은 횡방향 앵커 등을 설치하여 활동저항력을 증대시킬 수 있다.
(정답률: 93%)
  • 옹벽의 안정조건 중 활동에 대한 안정성은 수평력에 대해 일정 배수 이상의 저항력을 확보해야 하는 조건이며, 저항력이 수평력의 일정 배수를 초과할 수 없다는 제한 규정은 존재하지 않습니다.

    오답 노트

    전도에 대한 저항휨모멘트는 횡토압에 의한 전도모멘트의 2.0배 이상이어야 함: 옳은 기준입니다.
    최대 지반반력은 지반의 허용지지력을 초과할 수 없음: 옳은 기준입니다.
    활동방지벽이나 횡방향 앵커 설치: 활동 안정성 부족 시 사용하는 적절한 보강 방법입니다.
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10. 직사각형 단철근 콘크리트 보에 정(+) 모멘트가 작용하고 전 단면이 탄성범위에 있을 때, 철근을 포함한 비균열 환산단면의 압축연단에서 중립축까지의 거리는? (단, b=단면폭, h=단면높이, As=철근면적, d=유효깊이, n=철근과 콘크리트의 탄성계수 비이다)

(정답률: 25%)
  • 비균열 환산단면에서 중립축의 위치는 단면의 도심을 구하는 원리와 같습니다. 콘크리트 단면과 철근의 환산 단면적($$(n-1)A_s$$)에 대한 모멘트 합이 0이 되는 지점을 계산합니다.
    $$\frac{bh^2}{2} + (n-1)A_s d$$ 는 압축연단 기준 단면의 1차 모멘트 합이며, 이를 전체 환산 단면적 $$bh + (n-1)A_s$$ 로 나누어 중립축 거리 $\text{img src='https://cbtbank.kr/images/cw/cw20230408/cw20230408m10b4.gif'}$를 도출합니다.
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11. 철근콘크리트 휨부재에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?

  1. 부재가 휨을 받을 때 휨인장응력을 받는 부분에 인장철근을 배치한다.
  2. 휨압축응력을 받는 부분에 철근을 배치할 수도 있다.
  3. 하향 수직하중을 받는 캔틸레버보의 경우 인장철근은 단면 상부에 배치한다.
  4. 압축철근을 배치하면 크리프와 건조수축 변형이 증가한다.
(정답률: 67%)
  • 철근콘크리트 휨부재에서 압축철근을 배치하면 콘크리트의 압축 부담을 줄여주어 크리프와 건조수축으로 인한 장기 변형을 억제하는 효과가 있습니다.

    오답 노트

    압축철근 배치 시 변형 증가 $\rightarrow$ 변형 감소
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12. 그림과 같은 프리스트레스트 콘크리트 단순보의 지간 중앙에서 프리스트레스 힘 P=3,000kN에 의한 상향력의 크기[kN]는? (단, 이고, 자중과 프리스트레스 손실은 무시한다)

  1. 18
  2. 45
  3. 90
  4. 180
(정답률: 50%)
  • 프리스트레스트 콘크리트 보에서 텐던의 곡선 형태에 의해 발생하는 상향력은 텐던의 곡률과 프리스트레스 힘의 곱으로 계산합니다. 지간 중앙에서의 상향력 $W$는 다음과 같습니다.
    ① [기본 공식] $W = \frac{4 P e}{L}$
    ② [숫자 대입] $W = \frac{4 \times 3000 \times 0.3}{20}$
    ③ [최종 결과] $W = 180$
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13. 보통중량콘크리트에 설치된 인장력을 받는 직경이 25mm인 이형 철근의 기본정착길이[mm]는? (단, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=36MPa, 철근의 설계기준항복강도 fy=400MPa, KDS 14 20 52 : 2021을 따른다)

  1. 1,000
  2. 1,200
  3. 1,400
  4. 1,600
(정답률: 86%)
  • 인장 철근의 기본정착길이는 철근의 항복강도, 콘크리트의 압축강도 및 철근 직경을 고려하여 산정합니다.
    ① [기본 공식] $l_{b} = \frac{f_{y}}{1.1 \times \sqrt{f_{ck}}} \times 10 \times d_{b}$
    ② [숫자 대입] $l_{b} = \frac{400}{1.1 \times \sqrt{36}} \times 10 \times 25$
    ③ [최종 결과] $l_{b} = 1010.1$
    계산 결과 약 $1,000 \text{ mm}$가 도출됩니다.
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14. 프리스트레스트 콘크리트 보의 양단 정착부에서 각각 4.5mm의 활동이 발생하였을 경우, 프리스트레스 손실량[MPa]은? (단, 보의 길이=18m, 강선의 탄성계수=200GPa, 초기 프리스트레스=1,500MPa이고, 강재와 쉬스관의 마찰은 고려하지 않는다)

  1. 50
  2. 100
  3. 150
  4. 200
(정답률: 44%)
  • 정착부의 활동으로 인한 프리스트레스 손실량은 강선의 탄성 변형률과 탄성계수를 이용하여 계산합니다.
    ① [기본 공식] $\Delta f = \frac{2 \times \Delta L \times E}{L}$
    ② [숫자 대입] $\Delta f = \frac{2 \times 4.5 \times 10^{-3} \times 200 \times 10^{3}}{18}$
    ③ [최종 결과] $\Delta f = 100$
    따라서 손실량은 $100 \text{ MPa}$ 입니다.
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15. 프리스트레스하지 않는 부재의 현장치기 철근콘크리트 부재의 최소 피복두께에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, KDS 14 20 50 : 2022를 따른다)

  1. 피복두께는 콘크리트 표면으로부터 철근 중심까지의 최단거리이다.
  2. 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트의 피복두께는 75mm 이상 확보하여야 한다.
  3. 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트의 피복두께는 D19 이상의 철근에서 50mm, D16 이하의 철근에서는 40mm 이상 확보하여야 한다.
  4. 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트(슬래브, 벽체, 장선)는 D35 초과하는 철근에서 40mm, D35 이하의 철근에서는 20mm 이상 확보하여야 한다.
(정답률: 72%)
  • 피복두께의 정의는 콘크리트 표면에서 철근의 표면(가장 바깥쪽)까지의 최단거리를 의미합니다. 철근 중심까지의 거리가 아니므로 해당 설명은 틀렸습니다.
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16. 그림과 같이 콘크리트 직사각형 보 단면의 도심에 프리스트레스 강재를 배치하여 긴장력 750kN을 도입하였다. 하향 수직하중에 의해 콘크리트 단면 하단에 인장응력이 발생하지 않는 최대휨모멘트 크기[kNㆍm]는? (단, 폭 300mm, 높이 500mm, 총 프리스트레스 손실은 20%이고, 자중은 무시한다)

  1. 50
  2. 60
  3. 70
  4. 80
(정답률: 57%)
  • 단면 하단에 인장응력이 발생하지 않으려면, 하중으로 인한 인장응력이 프리스트레스에 의한 압축응력보다 작거나 같아야 합니다. 프리스트레스 손실을 반영한 유효 긴장력을 적용하여 최대 휨모멘트를 구합니다.
    ① [기본 공식] $\frac{P_{eff}}{A} = \frac{M}{Z} = \frac{M}{\frac{b h^2}{6}}$
    ② [숫자 대입] $\frac{750000 \times (1 - 0.2)}{300 \times 500} = \frac{M}{\frac{300 \times 500^2}{6}}$
    ③ [최종 결과] $M = 50 \text{ kN}\cdot\text{m}$
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17. 계수전단력 Vu=75kN이 작용하는 직사각형 단면의 철근콘크리트 휨부재에서 전단철근을 배근하지 않아도 되는 단면의 최소 유효깊이[mm]는? (단, 보통중량 콘크리트를 사용하였고, 단면폭 b=400mm, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=25MPa이며, KDS 14 20 22 : 2022를 따른다)

  1. 400
  2. 500
  3. 600
  4. 700
(정답률: 80%)
  • 전단철근을 배근하지 않아도 되는 조건은 콘크리트의 설계전단강도 $V_c$가 계수전단력 $V_u$의 절반($0.5 V_u$)보다 크거나 같을 때입니다. 보통중량 콘크리트의 전단강도 공식을 사용하여 최소 유효깊이 $d$를 산출합니다.
    ① [기본 공식] $V_c = 0.17 \lambda \sqrt{f_{ck}} b d \ge 0.5 V_u$
    ② [숫자 대입] $0.17 \times 1 \times \sqrt{25} \times 400 \times d \ge 0.5 \times 75000$
    ③ [최종 결과] $d \ge 555.56 \text{ mm} \rightarrow 600 \text{ mm}$
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18. 직사각형 단면의 철근콘크리트 휨부재에서 부재축에 직각인 U형 전단철근을 간격 200mm로 배치하였다. 전단력과 휨모멘트만 받고 있는 경우, 직사각형보의 공칭전단강도 크기[kN]는? (단, 보통중량 콘크리트를 사용하였고, 단면폭 400mm, 단면 유효깊이 600mm, 콘크리트의 설계기준압축강도 fck=36MPa, 전단철근의 설계기준항복강도 fyt=400MPa, 전단철근 한가닥의 공칭단면적=100mm2이며, KDS 14 20 22 : 2022를 따른다)

  1. 240
  2. 360
  3. 480
  4. 600
(정답률: 47%)
  • 공칭전단강도는 콘크리트가 부담하는 전단강도($V_{c}$)와 전단철근이 부담하는 전단강도($V_{s}$)의 합으로 산정합니다.
    ① [기본 공식] $V_{n} = V_{c} + V_{s} = 0.17 \lambda \sqrt{f_{ck}} b_{w} d + \frac{A_{v} f_{yt} d}{s}$
    ② [숫자 대입] $V_{n} = (0.17 \times 1 \times \sqrt{36} \times 400 \times 600) + \frac{200 \times 400 \times 600}{200}$
    ③ [최종 결과] $V_{n} = 244,800 + 240,000 = 484,800 \text{ N} \approx 480 \text{ kN}$
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19. 조밀단면 2축대칭 H형강 보가 강축에 대해 휨하중을 받고 있다. 보의 비지지길이가 2.5m일 때, 공칭휨강도 크기[kNㆍm]는? (단, 강재는 SM275가 사용되었으며, 항복강도 Fy=275MPa, 인장강도 Fu=410MPa, 소성한계 비지지길이=3m, 탄성단면계수=900cm3, 소성단면계수=1,000cm3, KDS 14 31 10 : 2017을 따른다)

  1. 247
  2. 275
  3. 369
  4. 410
(정답률: 40%)
  • 보의 비지지길이($2.5\text{m}$)가 소성한계 비지지길이($3\text{m}$)보다 짧으므로, 횡비틀림좌굴이 발생하지 않는 소성휨강도 상태입니다. 이때 공칭휨강도는 소성단면계수를 사용하여 산정합니다.
    ① [기본 공식] $M_{n} = F_{y} Z$
    ② [숫자 대입] $M_{n} = 275 \times 1,000 \times 10^{-3}$
    ③ [최종 결과] $M_{n} = 275$
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20. 비틀림에 대한 비지지길이가 횡좌굴에 대한 비지지길이보다 짧은 경우, 균일압축을 받는 비세장판 강구조 압축부재의 휨좌굴에 대한 공칭압축강도 Pn 산정방법에 대한 설명으로 옳지 않은 것은? (단, Fcr=좌굴응력, Ag=부재의 총단면적, Fe=탄성좌굴응력, Fy=강재의 항복강도, E=강재의 탄성계수, K=유효좌굴길이계수, L=부재의 횡좌굴에 대한 비지지길이, r=좌굴축에 대한 단면2차반경이고, KDS 14 31 10 : 2017을 따른다)

  1. 공칭압축강도 Pn은 휨좌굴에 대한 한계상태에 기초하여 Pn=FcrAg를 이용하여 산정한다.
  2. 탄성 압축부재의 좌굴응력 Fcr=0.877Fe를 이용하여 산정한다.
  3. 비탄성 압축부재의 좌굴응력 Fcr=0.658Fe를 이용하여 산정한다.
  4. 탄성좌굴응력 는 탄성좌굴해석을 통하여 구한다.
(정답률: 45%)
  • 비세장판 강구조 압축부재의 좌굴응력 산정 시, 비탄성 압축부재의 좌굴응력 $F_{cr}$은 $0.658F_{e}$가 아니라 다른 기준 식을 적용해야 합니다.

    오답 노트

    탄성 압축부재: $F_{cr} = 0.877F_{e}$ 적용 (옳음)
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