[논문]스터럽간격과 인장철근비에 따른 고강도 콘크리트 보의 파괴거동

박훈규; 안영기; 장일영; 최고일

doi:10.4334/jkci.2003.15.4.513

스터럽간격과 인장철근비에 따른 고강도 콘크리트 보의 파괴거동
Flexural-Shear Behavior of Beam Members according to the Spacing of Stirrups and Tension Steel Ratio 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.15 no.4, 2003년, pp.513 - 521

박훈규 ((재)한국건설품질연구원) , 안영기 ((재)한국건설품질연구원) , 장일영 (금오공과대학교) , 최고일 (한국도로공사)

초록
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기존의 많은 연구 결과에서 보부재에 대한 적절한 전단보강근 설치는 부재 휨 변형능력을 향상시키는 것으로 알려지고 있으나, 아직까지 이를 실용화하기 위한 연구는 미진한 실정이다. 본 연구에서는 스터럽간격과 인장철근비에 따른 휨-전단 상호 작용에 의한 하중-변위 거동을 분석하여 특히 취성이 강한 고강도 콘크리트를 이용한 보부재의 내력과 변형능력을 극대화하기 위한 방안을 마련할 목적으로 고강도 콘크리트 보에 대한 실험연구를 수행하였다. 압축강도 41MPa 및 61MPa의 콘크리트 강도를 갖는 총 15개의 보 시험체를 제작하였으며, 스터럽간격 0.25∼1.0d(유효높이)과 인장철근비 $0.55{\sim}0.7{\rho}_b$(균형철근비)를 주요 변수로 정하여 휨압축부를 포함한 전구간에 횡보강하였으며, 스터럽간격에 따른 각 시험체의 하중-처짐거동을 비교 분석하였다. 또한, 본 연구의 실험결과를 토대로 기존의 전단내력식에 대한 검토를 통하여 보부재의 하중-변위 거동과 변위 증가에 따른 전단내력감소 모델을 중첩하여 스터럽간격에 따른 휨-전단 파괴형식을 비교적 간편하게 추정하기에 적합한 전단내력식을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Existing tests results have shown that confining the concrete compression region with closed stirrups improves the ductility and load-carrying capacity of beams. However, only few researchers have attempted to utilize the beneficial effects of the presence of these stirrups in design. This paper presents the result of experimental studies on the load-deflection behavior and the strengthening effect of laterally confined structural high-strength concrete beam members in which confinement stirrups have been introduced into the compression regions. Fifteen tests were conducted on full-scale beam specimens having concrete compressive strength of 41 MPa and 61 MPa. Different spacing of stirrups(0.25∼1.0d) and amount of tension steel($0.55{\sim}0.7{\rho}_b$) as major variables were investigated. And also, this study present an appropriate shear equation for decision of ultimate failure modes of high-strength concrete beams according to stirrup spacing. The equation is based on interaction between shear strength and displacement ductility. Prediction of failure mode from presented method and comparison with test results are also presenteded

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한, 본 연구의 실험결과를 토대로 기존의 전단내력식에 대한 검토를 통하여 보부재의 하중-변위 거동과 변위증가에 따른 전단내력감소 모델을 중첩하여 스터럽간격에따른 휨-전단 파괴형식을 비교적 간편하게 추정하기에 적합한 전단내력식을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 철근 콘크리트 부재의 휨변위 산정을 위하여 실용적이며, 동시에 철근과 콘크리트의 부착특성을 직접적으로 고려 할 수 있는 휨모멘트一등가곡률 관계⑵를이용하였다. 고강도 콘크리트의 응력-변형률 거동은 Mander1"의 모델을, 철근 응력-변형률 거동은 Hsu등皿의모델을 이용하였다
이것은 휨구간내 횡보강근이 휨압축부에서 발생하는 콘크리트 팽창으로 인한 인장응력에 효과적으로 저항하기 때문이다. 이러한 연구를 배경으로 볼 때 적절한 스터럽보강은 부재의 전단파괴에서 휨파괴로 유도할 뿐만 아니라 변형능려 즉 연성을 향상시킬 수 있음을 의미한다 본 연구에서는 스터럽간격과 인장철근비에 따른 휨-전단 상호 작용에 의한 하중-변위 거동을 분석하여 특히 취성이 강한 고강도 콘크리트를 이용한 보부재의 내력과 변형능력을 극대화하기 위한 방안을 마련할 목적으로 전단 스팬 비 2.5와 4의 고강도 콘크리트 보에 대한 실험연구를 수행하였다.

제안 방법

보 양단에 힌지를 설치하여 지지한 후 보 중앙부에 1점 재하 하였다. 가력방식은 예상되는 파괴하중의 1/3까지는 일정하게 하중을 증가시키는 하중조절방식, 이후부터는 시험체 중앙부에 설치된 LVDT의 처짐을 관찰하면서 변위조절방식으로 가력하였다. 하중이 재하되는 동안 보의 중앙부와 좌우 20 cm에 각 3개의 LVDT를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다.
모든 실험은 구조실험용 가력프레임을 이용하여 실시하였으며 하중은 1MN용량의 로드셀(load cell)을 이용하여 측정하였다. 보 양단에 힌지를 설치하여 지지한 후 보 중앙부에 1점 재하 하였다.
압축강도는 40, 60MPa을 목표로 하였으며, 콘크리트배합은 Table 1과 같다 보부재 제원은 단면높이 26 cm (유효높이 d=21cm), 폭 14cm, 인장철근비(q)는 균형 철근비(4诚의 53 및 71 %로 계획하였으며, 보 전 구간에 스터럽 간격(s)을 ACI규정)의 50~200%정도인 5, 7, 10, 15, 20 cm (0.25〜L(0로 달리하여 배근하였다. 철근은 D10을스터럽으로 사용하였으며 스터럽 위치고정을 위하여 직경 6mm의 이형철선을 압축부에 설치하였다.
철근 콘크리트 부재의 파괴형식은 다양하게 분류할 수 있으나, 본 연구에서는 크게 휨(휨-인장 또는 휨-압축) 에의한 파괴와 전단(휨-전단압축, 휨-전단인장, 휨-사인장) 에 의한 파괴로 구분하였으며, 전단보강근이 없는 시험체에서 보이는 휨균열 이전의 사인장 균열에 의한 과도한 취성파괴는 제외하였다. 철근 콘크리트 부재의 하중-변위 관계로부터 부재 파괴형식을 결정하는 방법을 Fig.
철근의 탄성계수는 응력-변형률 곡선에서 탄성 한계점과 원점에 대한 접선강성으로 산정하였다. 측정된 콘크리트 강도는 각 시험체의 목표 압축강도별로 3개씩 제작하여 평균값으로 정하였으며, 측정된 압축강도는 보정계수 097를 곱하여 표준공시체0>15Ox3OOmm)에 대한 값으로 환산하였다
가력방식은 예상되는 파괴하중의 1/3까지는 일정하게 하중을 증가시키는 하중조절방식, 이후부터는 시험체 중앙부에 설치된 LVDT의 처짐을 관찰하면서 변위조절방식으로 가력하였다. 하중이 재하되는 동안 보의 중앙부와 좌우 20 cm에 각 3개의 LVDT를 설치하여 보의 처짐을 측정하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 부재의 파괴형식을 결정하기 위해 부재의 변형에 따른 전단내력 감소를 표현한 New-RC₉), Priestley모델'"과 대표적으로 적용되거나 비교 대상으로 인용되는“)ACI-318, Zutty 및 大野 . 荒HI의 전단강도 추정 식을 이용하여 실험치와 비교 .
25〜L(0로 달리하여 배근하였다. 철근은 D10을스터럽으로 사용하였으며 스터럽 위치고정을 위하여 직경 6mm의 이형철선을 압축부에 설치하였다. 폐쇄스더럽은 90°표준갈고리로 제작하였다.

데이터처리

Zutty 및 大野 . 荒HI의 전단강도 추정 식을 이용하여 실험치와 비교 . 검토하였다.
원점에 대한 접선강성으로 산정하였다. 측정된 콘크리트 강도는 각 시험체의 목표 압축강도별로 3개씩 제작하여 평균값으로 정하였으며, 측정된 압축강도는 보정계수 097를 곱하여 표준공시체0>15Ox3OOmm)에 대한 값으로 환산하였다

이론/모형

고강도 콘크리트의 응력-변형률 거동은 Mander1"의 모델을, 철근 응력-변형률 거동은 Hsu등皿의모델을 이용하였다

성능/효과

또한 Fig. 6(a)의 비교에서 기존의 연 구결과 7)에서 나타난 것과 같이 aci 전단설계 방법이 매우 안전측임을 확인 할 수 있다.
Fig.6(a)의 전단보강근 량에 따라 측정된 최대 모멘트값의 비교에서, 전단철근비의 증가(여기에서는 스터럽 간격의 감소)에 따른 모멘트비가 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 그러나 AM爵"g의 증가 정도는 Qu/伽g=l 이후 크게 둔화됨을 알 수 있다 반면에 Fig.
1) 철근 콘크리트 보부재에 대해 적절히 횡보 강함으로써 부재 변형능력향상을 기대할 수 있으며, 인장철근량을현행 설계규준인 °„逐 =0.75 %이상으로 보강함으로써 고강도 콘크리트 보부재의 급격한 파괴방지와 휨 능력을 향상시킬 수 있음이 확인되었다
2) 본 연구의 실험결과에서는 전단보강된 고강도 콘크리트 보부재에서 스터럽보강에 의한 처짐연성확보를 위한 스터럽 간격은 0.泌이하가 적절한 제한r치인 것으로 나타났다.
3) 고강도 콘크리트 보부재 전단 및 휨 파괴형식 판정을 위해 적용 가능한 전단강도식은 New-RC식이 적합한 것으로 나타났다.
4GF5, 4GF7, 4GF10부재는 적절한 전단보강으로 인하여 휨파괴 또는 휨균열이후 어느 정도의 연성을 보이며 전단 압축 파괴되는 양상을 보였으며, 4GF15, 4 GF20 부재는 휨 균열 이후 급격히 전단파괴되는 양상을 보였다. 부재의 균열 및 파괴양상은 Fig.
Fig. 5의 비교에서는 실제 지진하중에 대한 평가는 불가능하나, 적절한 간격 (0.W)으로 보강된 4GF10(D)과 4GF10U의 경우에 있어서 휨강도는 U형 스더럽을 배근한 4GF10U부재가 口형을 배근한 4GF10부재에 비해 6.4% 정도 크게 나타났으나, U형 배근 시험체는 최대 하중 이후 강성저하가 급격히 감소하는 것으로 나타났다.
이러한 경향으로 볼 때 ACI 전단보강근량 산정방식은 고강도 콘크리트 q보부재의 전단강도에 대해서는 충분히안전적인 설계가 될 것으로 보이는 반면, 부재의 변형능력이 전혀 고려되어 있지 않아 연성확보를 위한 설계방식으로서는 적용이 불가능할 것으로 판단된다. 따라서 인장 철근비와 전단보강근량의 상관관계를 고려한 휨강도와 연성 산정방식이 제시되어야 할 것으로 보인다.
4(a)에서 주목할 만한 것은 4GF15와 4GF10(B)부재의 거동 차이이다. 인장철근량의제한 값인 0.75内에 가까운 인장철근비를 가진 4GF10(B) 부재의 거동이 과소보강된 4GF15부재(©=0.5 内)와 비교하여 인장철근량 증가에 따른 변형능력 감소 없이 내력이 증가함을 알 수 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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상세보기
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張一泳 'RC部材の荷重-變恒關係關すみ解析的硏究',東北大學校博士論文, 1991
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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