[논문]철근의 배근 위치가 다른 철근콘크리트 부재의 거동 분석

이정윤; 김지현

doi:10.4334/jkci.2007.19.6.685

문제 정의

이 연구에서는 철근의 배근 위치에 따라서 달라지는핀칭 효과를 구명하고 이를 이용하여 배근에 따라서 달라지는 부재의 연성을 예측하였다.
반복하중을 받는 콘크리트 및 철근의 응력과 변형률 곡선에 대한 상세한 내용은 [참고문헌 5]를 참고하기 바란다. 본 논문에서는 해석 부재의 경계조건 및 부재의 형상을 최대한 단순화하여 철근의 배근 방향과 주응력 방향과의 각도의 차이가 부재의 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하고자 함을 목적으로 하고 있으며, 일반 부재 (벽체, 보 등)의 전체 거동을 예측하고자 함이 아니다. 제안 해석법을 일반 부재에 적용하기 위해서는 각각의 부재의 경계조건 및 복합 응력을 정확하게 해석에 적용하여야 할 것으로 판단된다.
이 연구에서는 철근의 배근 각도에 따라서 달라지는핀칭 효과를 명확히 구명하기 위하여 부재에 사용된 재료의 응력과 변형률 관계를 조사하였다. Fig.
본 연구에서는 철근 배근 위치에 따른 핀칭 효과를 구명하고 이를 이용하여 배근에 따라서 달라지는 부재의 연성을 예측하였다. 단조하중을 받는 요소의 연성과 반복하중을 받는 요소의 연성을 유사한 실험체에 대하여 각각 평가하였다.

가설 설정

철근은, 방향과 /방향에 배근 되어 있으며 콘크리트 판 요소의 주응력 방향은 1 과 2방향이다. 변형률의 적합 조건을 이용한 트러스 모델에서는 외력에 의한 주압축 응력 각도가 균열 각도 a 와 일치한다고 가정한다. Fig.

제안 방법

이 연구에서는 기존 연구자가 제안한 변형률의 적합 조건을 이용한 트러스 모델에 반복하중을 받는 경우의 재료의 구성 법칙을 이용하여 부재의 거동을 예측하였다. Fig.
이 연구에서는 2장의 변형률 적합 조건을 이용한 트러스 모델을 이용하여 단조하중을 받는 세 요소의 응력-변형률 관계를 해석적으로 계산하였다. 해석에서는 철근의 배근 각도를 0° (콘크리트 주응력 방향=철근 배근 방향) 에서부터 90°로 변화시키며 각각의 각도에서의 부재의 최대 전단력 및 최대 전단력에 상응하는 전단변형률을 계산하였다.
관계를 해석적으로 계산하였다. 해석에서는 철근의 배근 각도를 0° (콘크리트 주응력 방향=철근 배근 방향) 에서부터 90°로 변화시키며 각각의 각도에서의 부재의 최대 전단력 및 최대 전단력에 상응하는 전단변형률을 계산하였다.
5°, 4^로 구분한 4개의 실험체명과 변수를 표시하고 있다. 해석에서는 이들 4개의 실험 체외에도 각도를 0.001 radian으로 증분하면서 각도의 변화에 따라서 달라지는 부재의 거동을 예측하였다. Fig.
전단강도 및 전단변형률의 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45°로부터 약 25° 전후에서는 증가 비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있다. 이와 같은 현상을 보다 명확히 구명하기 위하여 이 연구에서는 각각 0°, 10°, 22.5°, 4^로 철근이 배근된 부재의 거동을 비교 . 분석하였다.
단조하중을 받는 경우와 함께 반복하중이 작용할 경우의 부재의 거동을 해석적으로 계산하여 부재의 핀칭 효과와 연성 능력을 평가하였다. 해석에 사용된 실험체의 변수는 Table 1과 같이 철근 방향과 주응력 방향과의 차이이며, 해석에서는 철근이 주응력 방향과 0°, 10°, 22.
5는 S00, S10, S23, S45 실험체의 전단 응력-변형률 곡선을 나타낸다. 해석에서는 철근 방향과 주응력 방향과의 차이가 45°인 실험체 S45를 기준으로 철근이 항복할 때의 전단변형률 (莎)을 2茶 3为 4莎로 증가시켜 부재의 응력 및 변형률 상태를 해석하였다. Fig.
이와 같이 연성의 차이가 발생하는 이유를 구명하기 위해 SOO, S45 실험체의 콘크리트의 거동을 비교.분석하였다.
예측하였다. 단조하중을 받는 요소의 연성과 반복하중을 받는 요소의 연성을 유사한 실험체에 대하여 각각 평가하였다.
4배 크게 나타났다. 이와 같은 차이가 발생하는 이유를 보다 명확히 구명하기 위하여 SOO, S10, S23, S45 실험체 각각의 철근의 거동을 비교 . 분석하였다.

대상 데이터

Mansour 등, 은 균열 수직 방향의 변형률이 상이한 철근콘크리트 패널 실험에 근거하여 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 모델을 제안하였다. 모델은 7단계의 압축응력-변형률 곡선과 6단계의 인장응력-변형률 곡선으로 구성되어 있다.
연성 능력을 평가하였다. 해석에 사용된 실험체의 변수는 Table 1과 같이 철근 방향과 주응력 방향과의 차이이며, 해석에서는 철근이 주응력 방향과 0°, 10°, 22.5°, 45°로 배근된 4개의 부재를 해석하였다. 각 부재의 재료 특성은 Table 1과 동일하지만 철근비는 Pi= /?, =。17인 부재를 해석하였다.
5°, 45°로 배근된 4개의 부재를 해석하였다. 각 부재의 재료 특성은 Table 1과 동일하지만 철근비는 Pi= /?, =。17인 부재를 해석하였다.

이론/모형

근년 Mansour 등"은 철근콘크리트 패널 실험에 근거하여 반복하중을 받는 철근과 콘크리트의 응력-변형률 관계를 제안하였다. 이 연구에서는 Mansour 등»이 제안한 반복하중을 받는 재료의 응력-변형률 곡선에 Zhu 등°이제안한 확장계수비를 적용하였다. Zhu는 철근콘크리트 요소 실험을 통하여 하중의 변화에 따라서 달라지는 확장계수 비를 계측하였고, 이에 대한 모델을 다음과 같이 제안하였다.

성능/효과

제안된 철근의 응력-변형률관계에서는 콘크리트에 묻혀있는 철근의 평균응력-평균변형률의 개념이 적용되었고, 균열수직 방향에서의 콘크리트 변형률에 의한 강도 연화 효과가 고려되었다. 또한, 이 연구에서는 균열이 발생한 콘크리트에 압축력이 작용할 경우 콘크리트의 압축강도 및 변형률은 1축 압축응력을 받는 콘크리트 공 시체의 압축강도 및 변형률과 큰 차이를 나타내며, 이와 같은 현상을 연화 효과에 의한 콘크리트의 압축강도 및 변형률의 변화라 한다.
1) S00과 S10 실험체의 경우 철근이 주응력 방향에 가까운 쪽에 배근됨으로써 양 방향 철근이 각각 인장과 압축을 저항하였다. 따라서 압축력은 콘크리트와 철근이 함께 부담하게 되므로 콘크리트가 저항하는 압축응력 伍)은 Fig.
2) 적합 조건을 이용한 트러스 모델에서 부재는 철근이 항복한 이후에 콘크리트의 압축응력 伍)이 유효 압축강도 (戚k)에 도달할 때 파괴된다. Fig.
1) 단조하중을 받는 실험체의 전단강도 및 최대 변형률은 철근의 배근각도가 콘크리트의 주응력 방향에 가까워짐에 따라서 증가함을 알 수 있었다. 또한 전단 강도 및 전단변형률의 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45°로부터 약 25° 전후에서는 증가 비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있었다.
5°로배근된 실험체 S10와 S23은 실험체 S00과 S45의 중간 정도의 에너지소산 성능과 핀칭 효과를 나타내었다. 실험체의 변형 능력은 전단변형률 印)이 0.016에 도달하였을 때 실험체 S45의 전단응력은 감소하기 시작하였지만, 실험체 SOO, S10, S23은 전단변형률이 0.016에 도달하였을 때도 전단내력을 그대로 유지하였다. Fig.
즉, 실험체 SOO, S10, S23은 콘크리트가 부담하는 힘이 상대적으로 작고 철근이 부담하는 힘이 크지만 핀칭 효과가 나타나는 S45는 콘크리트가 부담하는 힘이 크고 철근이 부담하는 힘이 작았다. 따라서 핀칭 효과는 철근의 배근 방향에 따라서 달라지며 특히 콘크리트가 부담하는 힘은 크고 철근이 부담하는 힘이 적어질수록 크게 나타남을 알 수 있었다.
철근의 배근 각도에 따른 연성능력을 명확히 구명하기 위해 실험체 S00과 실험체 S45의 연성 능력을 비교해보면 콘크리트 주응력 방향과 철근의 배근 방향이 일치한 S00 실험체의 경우 철근이 주응력 방향과 45°로 배근 된 S45 실험체 보다 큰 연성 능력을 나타냄을 알 수 있었다. 이와 같이 연성의 차이가 발생하는 이유를 구명하기 위해 SOO, S45 실험체의 콘크리트의 거동을 비교.
이를 통하여 콘크리트 주응력 방향과 철근의 배근 방향이 가까울수록 콘크리트가 부담하는 압축응력이 작아져 유효압축강도에 늦게 도달하여 연성이 증가하는 것을 알 수 있었다.
철근의 배근각도가 콘크리트의 주응력 방향에 가까워짐에 따라서 증가함을 알 수 있었다. 또한 전단 강도 및 전단변형률의 증가하는 비율은 각도에 따라서 선형적으로 증가하거나 감소하는 것이 아니라 45°로부터 약 25° 전후에서는 증가 비율이 매우 작지만 그 이후에는 증가 비율이 급속하게 커짐을 알 수 있었다.
2) 반복하중을 받는 실험체의 경우 콘크리트 주응력 방향과 철근이 이루는 각도가 작을수록, 즉 실험체 S45에서 실험체 S00으로 갈수록, 이력곡선의 핀칭효과가 줄어들고 에너지소산 성능이 커지며 연성이 커지는 것을 알 수 있었다. 철근콘크리트 부재의 핀칭 효과는 철근의 저항력과 밀접한 관계가 있어 45° 배근과 같이 콘크리트가 부담하는 힘이 크고 철근이 부담하는 힘이 적어질수록 크게 나타남을 알 수 있었다.
것을 알 수 있었다. 철근콘크리트 부재의 핀칭 효과는 철근의 저항력과 밀접한 관계가 있어 45° 배근과 같이 콘크리트가 부담하는 힘이 크고 철근이 부담하는 힘이 적어질수록 크게 나타남을 알 수 있었다. 또한 부재의 연성은 0° 배근과 같이 콘크리트가 부담하는 하중이 적어 유효압축강도에 늦게 도달할수록 커짐을 알 수 있었다.
철근콘크리트 부재의 핀칭 효과는 철근의 저항력과 밀접한 관계가 있어 45° 배근과 같이 콘크리트가 부담하는 힘이 크고 철근이 부담하는 힘이 적어질수록 크게 나타남을 알 수 있었다. 또한 부재의 연성은 0° 배근과 같이 콘크리트가 부담하는 하중이 적어 유효압축강도에 늦게 도달할수록 커짐을 알 수 있었다.

후속연구

본 논문에서는 해석 부재의 경계조건 및 부재의 형상을 최대한 단순화하여 철근의 배근 방향과 주응력 방향과의 각도의 차이가 부재의 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 파악하고자 함을 목적으로 하고 있으며, 일반 부재 (벽체, 보 등)의 전체 거동을 예측하고자 함이 아니다. 제안 해석법을 일반 부재에 적용하기 위해서는 각각의 부재의 경계조건 및 복합 응력을 정확하게 해석에 적용하여야 할 것으로 판단된다.
검증이 이루어지지 않았다. 따라서 추후의 연구로써 배근 각도가 다양한 부재와 해석 결과에 대한 실험적 검증이 필요할 것으로 판단된다.

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