스트럿-타이 모델은 세 가지 기본 요소로 이루어집니다 — 압축을 받는 콘크리트 스트럿, 인장을 받는 철근 타이, 그리고 이들이 만나 힘의 방향이 바뀌는 절점영역입니다. 스트럿과 타이는 트러스의 1차원 부재이고, 절점은 트러스의 핀 절점에 해당합니다. 이어지는 세부 절에서 각 요소를 차례로 — 먼저 무엇인지, 그다음 그 강도를 어떻게 검토하는지 — 살펴봅니다.
STM의 구성 요소
스트럿
스트럿은 콘크리트의 압축 응력장을 이상화한 압축 부재입니다. 응력장의 모양에 따라 세 가지로 나뉩니다: 집중하중이나 지점에서 부채꼴로 퍼지는 부채꼴형(fan), 폭이 부풀며 옆으로 퍼지는 병형(bottle), 평행하고 균일한 프리즘형(prism). 병형은 옆으로 퍼지면서 축에 수직인 횡인장을 만들어, 이를 견딜 균열제어 철근이 없으면 갈라질 수 있습니다.
쓸 수 있는 강도는 fck보다 낮고, 그 형상과 그것을 가로지르는 것에 좌우됩니다. 설계기준은 이를 유효압축강도로 표현합니다 — ACI 형식으로 fce = 0.85 · βs · βc · fck — βs는 스트럿의 조건, βc는 구속을 반영합니다. 비균열 응력장의 프리즘형은 계수를 온전히 갖지만, 병형은 균열제어 철근이 가로지르지 않는 한 감소되고, 인장 구역을 지나는 스트럿은 더 감소됩니다.
- 세 형상 — 부채꼴(하중·지점에서 발산) · 병형(부풀며 횡인장 → 균열제어 철근 필요) · 프리즘(균일)
- βs: 프리즘형 ≥ 병 모양(철근 보강) > 병 모양(무보강) > 인장구역 스트럿 — 기준 표 적용
- AStrutTie는 선택 기준(ACI 318·AASHTO LRFD·Eurocode 2)별 스트럿의 유효강도를 정확히 적용하고 사용 계수를 계산서에 남깁니다
타이
타이는 인장을 전달하는 부재로, 보통 철근(때로는 프리스트레싱 강선)으로 저항합니다. 철근은 힘의 작용선을 중심으로 대칭이 되게 배치하고, 타이 전 길이에 걸쳐 연장하며, 절점에서 확실히 정착해야 합니다. 타이가 극한하중에서 막 항복하도록 철근량을 정하면, 콘크리트 압괴 전에 항복이 일어나 연성 파괴가 보장됩니다.
타이는 최대 응력점에서 철근이 설계 항복강도에 도달한다는 가정으로 설계하며, 콘크리트의 인장강도는 일반적으로 무시합니다. 관건은 강도 자체보다 정착입니다 — 철근이 절점 안이나 그 너머에서 부착으로 힘을 온전히 발현해야 하며, 이것이 타이 설계의 핵심입니다.
- 철근을 대칭 배치 · 전 길이 연장 · 절점에서 정착
- 극한하중에서 항복하도록 산정 → 연성 파괴 · 콘크리트 인장은 무시
- 정착이 관건 — 철근이 절점 안 또는 그 너머에서 힘을 온전히 발현
절점영역
절점은 스트럿·타이·하중/반력이 만나 힘의 방향이 바뀌는 곳이고, 절점영역은 그 힘들을 되돌리는 유한한 콘크리트 부피입니다 — 트러스의 핀 절점에 해당합니다. 절점은 두 가지로 나뉩니다: 집중된 응력장이 모이는 집중 절점(singular)과, 넓은 응력장이 타이로 이어지는 분산 절점(smeared). 집중 절점은 힘 전달이 급격하고 응력 집중이 커서 설계검토 시 더 중요합니다. 절점의 중요성은 둘입니다 — 안전한 힘 전달을 위한 응력 제어, 그리고 철근 정착과 지압판 치수의 결정.
절점에 물리는 힘 — 압축 스트럿은 C, 타이는 T — 으로 분류하며, 타이가 많이 연결될수록 강도계수 βn이 낮아집니다(CCC 1.0 · CCT 0.8 · CTT 0.6). 타이가 절점을 관통해 정착되며 그 부착 균열이 콘크리트를 연화시키기 때문입니다. 계수만큼 기하도 중요합니다: 정수압 절점은 각 힘에 수직으로 면을 그어 면응력을 균등하게 하고, 확장 절점영역은 겹치는 콘크리트를 끌어와 유효 면적을 키웁니다. AStrutTie는 모든 절점면의 지압을 검토하고 지배 면을 계산서에 남기므로, 임계 절점이 하나의 전역 합·부 뒤에 숨지 않습니다.
- 두 종류 — 집중 절점(응력 집중, 설계검토 시 더 중요) · 분산 절점(타이로 분산)
- CCC(전부 압축) βn=1.0 · CCT(타이 1) βn=0.8 · CTT(타이 2+) βn=0.6 — ACI 318
- 정수압 절점: 각 힘에 수직인 면 · 확장 절점: 더 큰 유효 지압면적 · 절점별 면 지압 검토