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문제 정의
- 최소 비틀림 보강근비와 비틀림 보강근의 최대 간격에 대한 규정은 부재의 복부에 최초의 사인장균열이 발생할 때의 외력을 철근이 지지하지 못하게 되어 사인장균열이 발생 함과 동시에 부재가 파괴되는 것을 방지할 뿐만 아니라, 사인장균열이 최소한 한 개 이상의 비틀림 보강근을 관통하여 취성적으로 파괴되지 않고 균열폭이 사용성 한계 이상으로 커지는 것을 방지하기 위함이다. 또한, 최대 비틀림 보강근비에 대한 규정은 비틀림 보강근이 항복하기 이전에 콘크리트가 먼저 압축파괴하는 것을 방지할 목적으로 하고 있다. 즉, 비틀림 보강근비가 균형철근비보다 많은 경우, 비틀림 보강근이 항복하기 이전에 콘크리트가 압축파괴하여 부재는 취성적인 파괴를 일으킨다.
- 이와 같이 최대 비틀림 보강근비에 대한 평가식은 기준식마다 상이한 결과를 나타내고 있다. 이 연구에서는 9개 철근콘크리트 보의 비틀림 실험을 수행하여 비틀림 보강근량의 변화에 따라 달라지는 비틀림 강도의 변화를 연구하였다. 또한 102개의 기존 실험결과를 이용하여 기준식의 파괴모드에 대하여 비교·검토하였다.
- 이 연구에서는 총 9개의 철근콘크리트 보의 비틀림 실험을 수행하여 비틀림 보강근량의 변화에 따른 비틀림 강도 및 비틀림 파괴모드를 연구하였다. 또한 102개의 기존 실험 결과를 이용하여 기준식의 파괴모드에 대하여 검토하였다.
제안 방법
- 단면이 300 × 350 mm인 철근콘크리트 보를 Figs. 1과 2에서와 같이 순수비틀림을 받아 파괴되는 보 실험구역 (1,500 mm)과 비틀림모멘트를 전달하는 지점 근처의 하중 전달 구역 (750 mm)으로 나누어 계획하였다. 횡방향 비틀림 보강근은 D10과 D13 철근을 사용하여 철근의 단면 중심간 간격이 260 × 310 mm인 폐쇄형 비틀림 보강근 (스터럽)을 사용하였다.
- ACI에서 1971년에 채택한 비틀림 강도 평가식은 철근콘크리트 부재의 비틀림 내력을 콘크리트에 의한 비틀림 저항 Tc와 비틀림 보강근에 의한 비틀림 저항 Ts 의 합으로 평가하였다. 여기서 Tc는 PCA (Portland Cement Association)의 실험 결과1)에 근거하고 있으며, 비틀림 보강근에 의한 비틀림 저항 Ts는 45도 공간 트러스 이론 (space truss theory)과 유사한 경사 휨 이론 (skewbending theory)에 근거하여 유도하였다.
- 에 근거하여 1995년에 개정되었다. 개정된 비틀림 평가 식도 박판 튜브 이론 (thin walled theory)과 공간 트러스 이론에 근거하고 있지만, 콘크리트의 비틀림 저항을 배제 하였으며, 비틀림 균열각도를 부재축방향 (이하, 종방향) 및 부재축의 직각방향 (이하, 횡방향) 비틀림 보강근의 양에 의하여 구하였다. 또한, 전단흐름 경로로 둘러싸인 총 단면적은 해석에 의하여 결정하되, 해석을 하지 않을 경우 폐쇄스터럽의 중심선에 의하여 둘러싸인 면적의 0.
- 식 (4)에 의하면 T1 시리즈의 경우 비틀림 균열각도는 약 45도, T2 시리즈는약 37도이며, 각 시리즈에 해당하는 실험체를 각각 4개씩 제작하였다. 또 다른 실험변수인 비틀림 보강근량에 대해서는 콘크리트 압축강도에 대한 비틀림 보강근량의비가 약 10%~40%까지 변화하도록 실험체를 계획하였다.
- 이 연구에서는 총 9개의 철근콘크리트 보의 비틀림 실험을 수행하여 비틀림 보강근량의 변화에 따른 비틀림 강도 및 비틀림 파괴모드를 연구하였다. 또한 102개의 기존 실험 결과를 이용하여 기준식의 파괴모드에 대하여 검토하였다. 이 연구에서 얻은 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 또한 102개의 기존 실험결과를 이용하여 기준식의 파괴모드에 대하여 비교·검토하였다.
- 7배 이상 과소평가하였다. 반면에 콘크리트의 유효압축강도를 이용하는 EC2 기준은 비교적 정확하게 9개 실험체의 파괴모드를 예측하였다. 그 이유는 EC2 기준식이 다른 기준식에 비하여 입체 트러스 모델에 근거 하여 과대철근의 경계점을 정하였고, 비교적 간단한 유효압축강도식을 사용하여 비틀림 보강근의 양에 따라서 달라지는 콘크리트의 강도저감을 적절하게 평가하였기 때문으로 판단된다.
- 비틀림 파괴모드에 대한 추가적인 검증을 위하여, 이 논문에서는 ACI 318-05, EC2 및 JSCE-02 기준식의 파괴모드를 PCA, 토론토대학교 및 캘거리대학교 등에서 수행된 총 102개의 실험 결과와 비교하였다.1,3,9-11) 모든 실험체는 순수비틀림을 받았으며, 콘크리트압축강도는 14~109.
- 따라서 웨브콘크리트가 파괴되는 경우에는 실제 값을 과대평가할 수 있다. 실험 결과는 비틀림 보강근이 항복하는 경우 (underreinforced)와 항복하지 않고 웨브콘크리트가 파괴되는 경우 (over-reinforced)로 구분하였다.
- 실험체의 가력면 상부에 H-형강을 이용하여 실험체 양단에 설치된 비틀림모멘트 팔길이가 700 mm인 2개의 프레임에 균등하게 비틀림모멘트가 전달되게 하였다. 실험체의 양 측면에 4개의 LVDT를 설치하여 비틀림모멘트 회전각을 측정하였다. 또한, 비틀림 위험단면에서 발생하는 종방향, 횡방향의 평균변형률과 전단변형률을 측정하기 위하여 실험체 측면에 5개의 LVDT 를 설치하였다 (Fig.
- 종방향 비틀림 보강근으로는 D13, D16 및 D19 철근을 사용하였다. 실험체의 지점 근처에서 비틀림모멘트를 보 부분으로 전달하는 하중 전달 구간 (750 mm)에는 횡방향 비틀림 보강근을 실험부분보다 많은 50 mm 간격으로 배근하여 하중 전달 부위에서 비틀림 파괴가 발생하지 않도록 설계하였다 (Fig. 1 참조).
- 실험에서 측정한 횡방향과 종방향 평균변형률을 Table 2에 나타내었다. 양방향의 평균변형률은 실험체 측면에 설치된 LVDT로 측정하였다. 횡방향과 종방향에 보강근이 균일하게 배근된 T1 시리즈 실험체의 경우에는 두 방향의 평균변형률이 거의 유사하였다.
- 2). 횡방향 및 종방향 비틀림 보강 근의 변형률은 5 mm 길이의 변형률게이지를 각각 부착 하여 측정하였다. 모든 데이터는 초당 2번 수집하였으며 하중은 최대 강도의 85% 이하로 떨어질 때까지 가력하였다.
대상 데이터
- 순수비틀림을 받는 철근콘크리트 보의 비틀림 파괴모드를 검토하기 위하여, 비틀림 각도와 비틀림 보강근의 양을 변수로 하는 총 9개 철근콘크리트 보 실험체를 제작하였다. 이들 실험체 중에서 T0 실험체는 실험 결과의 비교를 위하여 계획한 것으로 비틀림 보강근이 배근되지 않았다.
- 실험에서는 종방향과 횡방향 비틀림 보강근의 양이 거의 동일한 T1 시리즈와 종방향 비틀림 보강근량이 횡방향 비틀림 보강근량 보다 약 1.8배 더 많은 T2 시리즈로 구분하여 실험체를 제작하였다. 식 (4)에 의하면 T1 시리즈의 경우 비틀림 균열각도는 약 45도, T2 시리즈는약 37도이며, 각 시리즈에 해당하는 실험체를 각각 4개씩 제작하였다.
- 횡방향 비틀림 보강근은 D10과 D13 철근을 사용하여 철근의 단면 중심간 간격이 260 × 310 mm인 폐쇄형 비틀림 보강근 (스터럽)을 사용하였다. 종방향 비틀림 보강근으로는 D13, D16 및 D19 철근을 사용하였다. 실험체의 지점 근처에서 비틀림모멘트를 보 부분으로 전달하는 하중 전달 구간 (750 mm)에는 횡방향 비틀림 보강근을 실험부분보다 많은 50 mm 간격으로 배근하여 하중 전달 부위에서 비틀림 파괴가 발생하지 않도록 설계하였다 (Fig.
- 6배이었다. 총 102개 실험체 중에서 71개 실험 체는 양방향의 비틀림 보강근이 항복한 이후 콘크리트가 압축파괴 하였으며, 나머지 31개 실험체는 한 방향 이상의 비틀림 보강근이 항복하기 이전에 콘크리트가 압축파괴 하였다.
- 횡방향 비틀림 보강근은 D10과 D13 철근을 사용하여 철근의 단면 중심간 간격이 260 × 310 mm인 폐쇄형 비틀림 보강근 (스터럽)을 사용하였다.
데이터처리
- ACI 318-05, EC2 및 JSCE-02 기준에서 계산한 비틀림 모멘트와 총 102개 철근콘크리트 보의 비틀림 실험 결과를 Fig. 6에서 비교하였다. 기준들은 모두 입체 트러스 모델에 근거하여 다음 식으로부터 비틀림 모멘트를 계산하고 있다.
성능/효과
- 1) 이 연구에서 수행된 9개 실험체는 모두 양방향 비틀림 보강근이 항복하여 파괴하였지만, ACI 318-05및 JSCE-02 기준은 최대 보강근량을 약 1.7배 이상 과소평가하였다. 반면에 콘크리트의 유효압축강도를 이용하는 EC2 기준은 비교적 정확하게 9개 실험체의 파괴모드를 예측하였다.
- 2) 비틀림 균열각도가 약 37도인 T2 시리즈 실험체의 비틀림 내력은 전체 비틀림 보강근의 양이 동일하면서 균열각도가 약 45도인 T1 시리즈 실험체의 비틀림 내력보다 작았다.
- 3) 비틀림 보강근이 항복한 후에 파괴하는 71개 기존 실험 결과와 비교한 결과, 비틀림 보강근이 상대적으로 적은 경우 [(ρtfty+ ρl fly) /fck < 0.3]에 ACI 318-05, EC2 및 JSCE-02 기준식은 실제 비틀림모멘트를 과소평가하였다.
- 이는 이들 기준 식에서 비틀림 보강근의 인장 증강 효과 (tension stiffening effect)와 콘크리트의 인장강도를 무시하고 있기 때문으로 판단되지만, 이에 대해서는 좀 더 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.3)실제 철근콘크리트 보가 비틀림을 받을 경우, 비틀림 보강근의 양이 적으면 비틀림모멘트에 대한 콘크리트 인장강도의 영향이 상대적으로 증가하여 최대 모멘트에 도달하였을 때의 비틀림 보강근의 응력은항복응력을 초과하게 된다.
- 4) ACI 318-05 및 JSCE-02 기준식은 (ρt fty+ ρl fly) / fck = 0.3을 전후로 하여 비틀림 파괴모드를 정확하게 예측하지 못하였다.
- 5) 비틀림 파괴모드 예측은 콘크리트의 유효압축강도에 따라서 많이 달라질 것으로 판단된다. EC2 기준에서 사용하고 있는 유효압축강도 평가식은 콘크리트의 주인장변형률을 간접적으로 평가하고 있으므로 주인장변형률의 영향을 직접적으로 고려하고 있는 다양한 유효압축강도 평가식을 이용하여 비틀림 파괴모드를 평가할 필요가 있다.
- 3을 전후로 하여 비틀림 파괴모드를 정확하게 예측하지 못하였다. 그러나 입체 트러스 모델에 근거하여 제안된 EC2 기준식은 실제 비틀림 파괴 모드를 다른 기준식에 비하여 정확하게 예측하였다.
- 모든 실험체는 양방향 비틀림 보강근이 항복한 이후에 파괴하였다. 비틀림 균열은 실험체의 4면에 일정한 기울기로 발생하였으며 비틀림 보강 철근이 적은 실험체일수록 취성적으로 파괴하였다.
- 3). 비틀림 균열의 수는 비틀림 보강근량이 증가함에 따라서 증가하였지만, 비틀림 균열의 폭은 보강근량이 증가함에 따라서 감소하였다.
- 8 MPa이었다. 비틀림 보강근의 최대 항복강도는 672 MPa 이었으며, 종방향과 횡방향 비틀림 보강근의 차이는 1~6.6배이었다. 총 102개 실험체 중에서 71개 실험 체는 양방향의 비틀림 보강근이 항복한 이후 콘크리트가 압축파괴 하였으며, 나머지 31개 실험체는 한 방향 이상의 비틀림 보강근이 항복하기 이전에 콘크리트가 압축파괴 하였다.
- 5(b)). 실험체는 모두 양방향 철근이 항복하여 파괴하였으나, ACI 318-05 및 JSCE-02는 최대 보강근량을 각각 3.49 MPa과 3.12 MPa로 규정하여 실험 결과와 약 1.7배 이상의 차이를 나타내었다.
후속연구
- 3], ACI 318-05, EC2 및 JSCE-02 기준식은 실제 비틀림모멘트를 과소평가하고 있다. 이는 이들 기준 식에서 비틀림 보강근의 인장 증강 효과 (tension stiffening effect)와 콘크리트의 인장강도를 무시하고 있기 때문으로 판단되지만, 이에 대해서는 좀 더 많은 연구가 필요할 것으로 사료된다.3)실제 철근콘크리트 보가 비틀림을 받을 경우, 비틀림 보강근의 양이 적으면 비틀림모멘트에 대한 콘크리트 인장강도의 영향이 상대적으로 증가하여 최대 모멘트에 도달하였을 때의 비틀림 보강근의 응력은항복응력을 초과하게 된다.
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