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철근콘크리트 단순보의 유효 단면2차모멘트에 대한 모멘트 분포 형상의 영향 분석
Analysis on the Influence of Moment Distribution Shape on the Effective Moment of Inertia of Simply Supported Reinforced Concrete Beams 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.1, 2009년, pp.93 - 103  

박미영 (인하대학교 건축학부) ,  김상식 (인하대학교 건축학부) ,  이승배 (인하대학교 건축학부) ,  김창혁 (인하대학교 건축학부) ,  김강수 (서울시립대학교 건축학부)

초록
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철근콘크리트 휨 부재의 처짐 산정에는 일반적으로 유효 단면2차모멘트의 개념이 적용되고 있으며, 콘크리트 구조설계기준에서는 처짐의 간편한 계산을 위하여 Branson이 제안한 유효 단면2차모멘트를 부재의 전 경간에 동일하게 대표값으로 사용하고 있다. 그러나, 기준에서 제시된 유효 단면2차모멘트는 등분포하중을 전제로 제안되었으므로 다른 하중상태에서도 기준식의 정확성에 대해 검증할 필요가 있다. 따라서, 이 연구에서는 모멘트 분포 형상이 처짐 계산에 필요한 유효 단면2차모멘트에 미치는 영향을 실험적으로 검증하기 위해 콘크리트 강도와 지점에서부터 가력점까지의 거리를 주요변수로 하여 총 6개의 철근콘크리트 보 실험체를 제작하여 구조실험을 수행하고, 실험결과를 기준식 및 다른 연구자들이 제안한 식과 비교 분석하였다. 또한, 모멘트 분포형상을 고려할 수 있는 변분해석에 의한 처짐 산정 방법을 제안하였다. 실험 결과, 보의 유효 단면2차모멘트는 모멘트 분포 형상에 따라 다소 차이가 있었으나 기준식은 이를 반영하지 못한 것으로 나타났다. 이 연구에서 제안한 변분해석에 의한 처짐값과 실험값의 비율이 기준식에 비해 변동폭이 작게 나타났으며, 따라서, 모멘트 분포 형상의 영향을 고려한 부재의 처짐 산정에 유용한 방법이라고 판단된다. 그러나, 실험값과는 다소 차이가 있어 처짐 형상 함수의 개선을 통하여 이를 보완할 수 있는 추후 연구가 필요한 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The concept of the effective moment of inertia has been generally used for the deflection estimation of reinforced concrete flexural members. The KCI design code adopted Branson's equation for simple calculation of deflection, in which a representative value of the effective moment of inertia is use...

주제어

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문제 정의

  • 따라서 단면이 일정한 부재에서도 부재 길이방향의 모멘트 분포와 균열발생 정도에 따라 각 단면의 유효 단면2차모멘트는 변하게 된다. 그러나 4.5절에서 언급된 바와 같이 기준식이 모멘트 분포 형상에 따른 유효 단면2차모멘트의 차이를 반영하지 못하므로 이 연구에서는 유효 단면2차모멘트를 함수로 나타내고 변분해석에 의해 처짐을 산정하고자 한다.13) 
  • 따라서, 이 연구에서는 철근콘크리트 단순보를 대상으로 유효 단면2차모멘트에 대한 모멘트 분포 형상의 영향을 분석하기 위하여 콘크리트의 압축강도와 모멘트 분포 형상을 주요변수로 하여 구조 실험을 계획하였다. 실험 결과를 바탕으로 균열 단면2차모멘트와 처짐 계산에 필요한 유효 단면2차모멘트에 대한 국내 기준식 및 다른 연구자들의 제안식을 비교 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
콘크리트의 압축강도와 모멘트 분포 형상을 주요변수로 한 구조 실험을 수행한 결과는? 1) 모멘트 분포에 따른 유효 단면2차모멘트의 차이는 일반강도 실험체에서는 10% 이하로 비교적 작았으나, 고강도 실험체에서는 0.4 Mcr < Ma < 3 Mcr인 구간에서 중앙 집중 가력 실험체와 2점 가력 실험체가 20~30%의 차이를 보였다. 2) 콘크리트구조설계기준에 의한 유효 단면2차모멘트는 모멘트 분포 형상이 다른 세 종류의 실험체에 대하여 동일한 값으로 계산되어 기준식이 모멘트 분포 형상에 따른 유효 단면2차모멘트의 차이를 반영하지 못하고 있는 것으로 나타났다. 3) 콘크리트구조설계기준의 기준식을 사용하여 산정된 처짐값은 실험값과의 비율이 평균 0.903으로 비교적 정확하게 예측하였으나, 변동계수가 이 연구에서 비교 분석된 이론값들 중 가장 크게 나타났다. 이는 기준에 제시된 유효 단면2차모멘트가 모멘트 분포 형상에 따른 영향을 효과적으로 반영하고 있지 못한 것에 기인하는 것으로 판단된다. 4) 본 연구에서 제안한 유효 단면2차모멘트 함수를 이용한 변분해석에 의한 처짐 산정은 모멘트 분포에 따른 영향을 효과적으로 반영할 수 있다고 사료된다. 그러나 보다 정확한 처짐 예측을 위해서는 처짐 형상 함수의 개선을 위한 추후 연구를 요하며, 균열 단면2차모멘트 예측식의 수정 및 보완을 통하여서도 보다 효율적인 처짐 예측이 가능할 것으로 판단된다.
균열이 발생한 이후 철근콘크리트 보의 처짐은 무엇에 반비례하는가? 균열이 발생한 이후 철근콘크리트 보의 처짐은 휨강성에 반비례하며, 단면이 일정한 부재에서도 휨강성은 모멘트 분포와 균열발생 정도에 따라 변하게 된다. 콘크리트 구조설계기준에서는 처짐의 간편한 계산을 위하여 Branson1,2)이 제안한 유효 단면2차모멘트 Ie를 부재의 전경간에 동일하게 적용하고 있다.
실험에 사용된 콘크리트의 강도는 일반강도 실험체는 얼마인가? 이 실험에 사용된 콘크리트의 강도는 일반강도 실험체의 경우 24 MPa, 고강도 실험체의 경우 70 MPa로 계획하였으며, 재료 실험 결과는 Table 2에 나타내었다. 또한 실험체 제작에 사용된 SD 400 재질의 D22 철근의 응력-변형률 곡선은 Fig.
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참고문헌 (13)

  1. ACI Committee 435, Deflection of Reinforced Concrete Flexural Members, 435.2R-66, American Concrete Institute, 1984, pp. 638-661. 

  2. Branson, D. E., Instantaneous and Time-Dependent Deflections of Simple and Continuous Reinforced Concrete Beams, HPR Report No. 7, Part 1, Alabama-Highway Department/U.S. Breau of Public Roads, 1963/1965, pp. 1-78. 

  3. 한국콘크리트학회, 콘크리트구조설계기준 해설, 2007, pp. 73-79. 

  4. Fikry, A. M. and Thomas, C., “Development of a Model for the Effective Moment of Inertia of One-Way Reinforced Concrete Elements,”ACI Structural Journal, Vol. 95, No. 4, 1998, pp. 444-455. 

  5. Akmaluddin and Thomas C., “Experimental Verification of Effective Moment of Inertia Used in the Calculation of Reinforced Concrete Beam Deflection,”International Civil Engineering Conference, 2006, pp. 89-98. 

  6. Ghali, C., “Deflection of Reinforced Concrete Members: A Critical Review,”ACI Journal, Proceedings, Vol. 90, No. 4, 1993, pp. 364-373. 

  7. Grossman, J. S., “Simplified Computations for Effective Moment of Inertia and Minimum Thickness to Avoid Deflection Computations,”ACI Journal, Proceedings, Vol. 78, No. 6, 1981, pp. 423-439. 

  8. Rangan, B. V., “Control of Beam Deflections by Allowable Span-Depth Ratios,”ACI Journal, Proceedings, Vol. 79, No. 5, 1982. pp. 372~377. 

  9. Al-Zaid, R. Z., Al-Shaikh A. H., and Abu-Hussein M. M., “Effect of Loading Type on the Effective Moment of Inertia of Reinforced Concrete Beams,”ACI Structural Journal, Vol. 88, No. 2, 1991, pp. 184-190. 

  10. Al-Shaikh, A. H. and Al-Zaid R. Z., “Effect of Reinforcement Ratio on the Effective Moment of Inertia of Reinforced Concrete Beams,”ACI Structural Journal, Vol. 90, No. 2, 1993, pp. 144-149. 

  11. Rashid, M. A. and Mansur, M. A., “Reinforced High-Strength Concrete Beams in Flexure,”ACI Structural Journal, Vol. 102, No. 3, 2005, pp. 462~471. 

  12. 장수연, 철근콘크리트 보의 균열 및 처짐 거동 특성에 대한 실험적 고찰, 석사학위논문, 인하대학교, 2007, pp. 24-51. 

  13. 김상식, 변분 구조 해석, 인하대학교 출판부, 2004, pp. 87-135. 

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