현재 콘크리트설계기준에서는 전단보강철근의 항복강도를 제한하고 있다. 이 연구에서는 ACI318-08, EC2-02, CSA-04에서 제시하고 있는 전단설계기준을 이용한 계산값과 예제 실험체 데이터 값의 비교 분석을 통하여 각 기준의 전단보강철근 항복강도 제한의 상향조정에 대하여 판단해 보았다. 실험값과 계산값의 비교는 전단보강철근의 항복 강도를 제한하지 않았을 경우와 항복강도를 제한하였을 경우, 항복강도 및 철근비를 제한하였을 경우 세 가지로 나누어 분석하였다. 분석 결과는 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 경우가 가장 실험값을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 또한 항복강도를 기준으로 비교했을 때, 기준에서 제한하고 있는 항복강도 이상의 고강도에서도 실험값에 가까운 값을 예측함을 확인하였다. 따라서 기존의 전단설계수식에 고강도 전단보강철근의 강도를 적용하더라도 수식이 성립한다고 볼 수 있으며 기준상에서 제한하고 있는 항복강도를 상향조정하여도 적용상의 불리함이 없을 것으로 판단된다.
현재 콘크리트설계기준에서는 전단보강철근의 항복강도를 제한하고 있다. 이 연구에서는 ACI318-08, EC2-02, CSA-04에서 제시하고 있는 전단설계기준을 이용한 계산값과 예제 실험체 데이터 값의 비교 분석을 통하여 각 기준의 전단보강철근 항복강도 제한의 상향조정에 대하여 판단해 보았다. 실험값과 계산값의 비교는 전단보강철근의 항복 강도를 제한하지 않았을 경우와 항복강도를 제한하였을 경우, 항복강도 및 철근비를 제한하였을 경우 세 가지로 나누어 분석하였다. 분석 결과는 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 경우가 가장 실험값을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 또한 항복강도를 기준으로 비교했을 때, 기준에서 제한하고 있는 항복강도 이상의 고강도에서도 실험값에 가까운 값을 예측함을 확인하였다. 따라서 기존의 전단설계수식에 고강도 전단보강철근의 강도를 적용하더라도 수식이 성립한다고 볼 수 있으며 기준상에서 제한하고 있는 항복강도를 상향조정하여도 적용상의 불리함이 없을 것으로 판단된다.
The yield strength of shear reinforcement is restricted in the present design codes. In this study, the possibility of the yield strength increase in shear reinforcement is evaluated according to ACI318-08, EC2-02 and CSA-04 by comparing the experimental and calculated results. Three cases were used...
The yield strength of shear reinforcement is restricted in the present design codes. In this study, the possibility of the yield strength increase in shear reinforcement is evaluated according to ACI318-08, EC2-02 and CSA-04 by comparing the experimental and calculated results. Three cases were used to analyze the shear strength of the beam. One had no limitation in the yield strength of shear reinforcement, another had restriction on the yield strength of shear reinforcement, and the other had a restriction on the yield strength of shear reinforcement and the shear reinforcement ratio. The study results showed that the case with unlimited shear reinforcement yield strength predicted the test result better than other two cases. Even though the rebar yield strength higher than the strength required in present code was applied to existing shear design equation, the result was reasonable. Therefore, the design equation seemed to be appropriate even if the high-strength shear reinforcement is used in practice based on the existing shear design method.
The yield strength of shear reinforcement is restricted in the present design codes. In this study, the possibility of the yield strength increase in shear reinforcement is evaluated according to ACI318-08, EC2-02 and CSA-04 by comparing the experimental and calculated results. Three cases were used to analyze the shear strength of the beam. One had no limitation in the yield strength of shear reinforcement, another had restriction on the yield strength of shear reinforcement, and the other had a restriction on the yield strength of shear reinforcement and the shear reinforcement ratio. The study results showed that the case with unlimited shear reinforcement yield strength predicted the test result better than other two cases. Even though the rebar yield strength higher than the strength required in present code was applied to existing shear design equation, the result was reasonable. Therefore, the design equation seemed to be appropriate even if the high-strength shear reinforcement is used in practice based on the existing shear design method.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서 이 연구에서는 각 기준의 전단설계 수식에 고강도 전단보강철근의 항복강도를 적용했을 시에도 수식이 성립하는가에 대하여 평가하고, 고강도 전단보강철근의 실질적인 적용을 위한 각 기준의 항복강도 제한의 상향조정에 대하여 판단해보고자 한다.
각 기준의 전단설계기준에서는 전단보강철근의 항복 유도, 사인장균열의 폭 제어, 경제성 등의 이유로 전단보강철근의 항복강도를 제한하고 있으나 제한값은 모두 다르게 규정하고 있다. 이 연구에서는 전단보강철근 항복강도를 주요 변수로 하는 131개의 철근콘크리트 보 실험의 데이터를 이용하여 ACI318-08,3) EC2-02,4) CSA-045) 기준에서 규정하고 있는 전단보강철근 항복강도 제한에 대하여 평가하였다. 또한 전단설계기준에 고강도 전단철근의 항복강도를 적용하였을 시에도 신뢰할만한 결과를 예측할 수 있는지에 대하여 분석하였다.
가설 설정
또한 CSA-04에 의한 전단강도 계산 시 필요한 단면 중앙에서의 축방향 변형률 εx는 예제 실험체 상세만으로는 구할 수 없어 0.001과 0.002 두 가지로 가정하여 계산하였고, 두 경우의 결과 차이가 크지 않아 εx가 0.001을 적용한 값을 기준으로 분석하였다.
제안 방법
3) 계산 결과를 전단보강철근의 항복강도에 따라 비교하였을 때에, 기준에서 제한하고 있는 강도(Table 1) 이상의 고강도에서도 신뢰할만한 강도를 예측하였다.
이 연구에서는 전단보강철근 항복강도를 주요 변수로 하는 131개의 철근콘크리트 보 실험의 데이터를 이용하여 ACI318-08,3) EC2-02,4) CSA-045) 기준에서 규정하고 있는 전단보강철근 항복강도 제한에 대하여 평가하였다. 또한 전단설계기준에 고강도 전단철근의 항복강도를 적용하였을 시에도 신뢰할만한 결과를 예측할 수 있는지에 대하여 분석하였다.
앞서 서술한 ACI318-083), EC2-024), CSA-045)기준의 전단설계식을 바탕으로 예제 실험체의 전단강도를 계산하여 실제 실험값과 비교 분석하였다.
예제 실험체 중 전단보강철근이 항복하기 이전에 콘크리트에 의한 압축파괴를 한 실험체의 실험값과 전단설계 제한을 두지 않았을 경우의 계산값을 분석해 보았다. Fig.
예제 실험체의 상세는 Table 3과 같다. 예제 실험체의 전단강도를 각 기준별로 계산하였고, 전단보강철근이 항복한 실험체의 경우 전단보강철근의 항복강도 및 철근비를 제한하지 않은 경우와 전단보강철근 항복강도를 제한한 경우, 전단보강철근의 항복강도 및 철근비를 제한한 경우 세 가지로 나누어 분석하였다.
전단보강철근의 항복강도 및 철근비 제한을 두지 않고 각 기준의 전단설계식을 바탕으로 예제 실험체의 전단강도를 계산하였다.
전단보강철근의 항복강도를 Table 1과 같이 제한하고 각 기준의 전단설계식을 바탕으로 예제 실험체의 전단강도를 계산하였다. Table 4를 통하여 평균값을 살펴보면 Vtest/Vaci는 1.
전단보강철근의 항복강도와 철근비를 Table 1, 2와 같이 제한하고 각 기준의 전단설계식을 바탕으로 예제실험체의 전단강도를 계산하였다.
8 MPa이다. 주요 변수는 전단보강철근의 항복강도와 철근비이며 전단보강철근이 항복한 실험체와 항복하지 않은 실험체를 나누어 분석하였다.
대상 데이터
예제 실험체는 전단보강철근을 사용한 철근콘크리트 보 131개7-9)로, 시험체 단면은 180×400 mm, 200×400 mm, 250×450 mm, 150×300 mm 등이며 전단보강철근의 항복강도 fwy는 232.4~1453.9 MPa, 콘크리트의 압축강도 fck는 13.8~111.8 MPa이다.
성능/효과
1) 예제 실험체를 통하여 얻은 전단강도와 각 기준의 전단설계식을 이용하여 계산한 전단강도를 비교하였을 때, 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 경우의 값이 가장 실험값을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 특히, 현재 ACI 318-08에서 제한하고 있는 전단보강철근의 항복강도 420 MPa은 지나치게 안전값으로 평가되었다.
1) 전단보강철근의 항복 유도: 전단보강철근의 항복강도가 증가하면 전단보강철근의 전단저항력이 커지게 되어 전단보강철근이 항복하기 이전에 콘크리트에 의한 압축파괴가 선행될 수 있다. 이 경우에는 전단보강철근이 항복하지 않으므로 소성설계에 기본을 둔 현행 전단보강철근 내력평가식에서 전단보강철근의 항복강도를 사용할 수 없다.
2) 사인장균열의 폭 제어: 고강도 전단보강철근을 사용할 경우에 항복변형률이 증가하여 사인장균열의 폭이 증가할 수 있다. 또한 전단내력은 콘크리트에 의한 저항력과 전단보강철근에 의한 저항력으로 구분할 수 있으며 콘크리트에 의한 저항분이 일정한 상태에서 전단보강철근만에 의한 저항 성분이 증가할 경우에 사인장균열의 폭이 증가할 우려가 있다.
2) 전단보강철근의 항복강도 및 철근비를 제한하였을 경우는 실제보다 전단강도를 과소평가하는 것으로 나타났다. 따라서 전단보강철근의 항복강도의 제한은 철근의 항복강도와 최대철근비를 동시에 고려하여 평가하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
4) EC2-02와 CSA-04기준의 경우 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 때에 전단강도를 다소 과대평가하는 경향을 보였다. 따라서 실질적인 기준 상향의 적용을 위해서는 강도저감계수와 같은 계수의 조정과 함께 실험적 검증이 필요할 것으로 판단된다.
1의 그래프를 통하여도 알 수 있다. ACI318-08과 CSA04, EC2-02의 그래프 모두 y축의 1에 집중되어 분포되어 있음을 확인할 수 있으며, 이는 계산값이 실험값을 잘 예측하고 있다는 것을 말해준다. 다만, ρwfwy값이 작아질 경우에 Vtest/Vanalysis값이 증가하는 것은 철근의 인장경화 효과에 의한 결과로 판단된다.
Fig. 4를 살펴보면, 전체적으로 1에 미치지 못하는 결과를 나타내며, ACI318-08과 CSA-04기준은 ρwfwy가 증가할수록 Vtest/Vanalysis의 값이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
2) 전단보강철근의 항복강도 및 철근비를 제한하였을 경우는 실제보다 전단강도를 과소평가하는 것으로 나타났다. 따라서 전단보강철근의 항복강도의 제한은 철근의 항복강도와 최대철근비를 동시에 고려하여 평가하는 것이 바람직한 것으로 나타났다.
또한 실험체 설치가 잘못된 1개의 실험체를 제외한 17개의 실험체 중 16개의 실험체가 전단보강철근이 항복한 이후에 부재가 최대 내력에 도달하였고, 전단보강철근의 양(ρwfwy)이 증가함에 따라서 전단내력이 거의 선형적으로 증가함을 보여주었다.
또한 전단설계의 제한을 하지 않았을 경우, 현재 기준에서 제한하고 있는 강도 이상의 고강도에서도 Vtest/Vanalysis가 1에 가까운 값을 나타내 고 있으며 이는 계산값이 실험값을 비교적 정확히 예측하고 있음을 보여준다. 또한 전단보강철근의 항복강도 및 철근비를 제한하였을 경우는 전단강도를 실제보다 과소평가하고 있음을 확인할 수 있다.
실험값에서 계산값을 나눈 Vtest/Vanalysis의 평균값을 살펴보면 Vtest/Veu와 Vtest/Vcsa는 각각 1.11과 1.19로 실험값과 약 11%와 19%의 차이를, Vtest/Vaci는 1.37로 실험값과 37% 가량 차이를 보였다. 평균값만을 살펴보면 EC2-02가 가장 1에 가까운 수치를 나타냈지만, 변동계수는 ACI 318-08이 0.
32로 32%의 오차율을 보였다. 전단보강철근 항복강도를 제한하지 않았을 경우와 비교하면, 오차율이 전체적으로 30% 가량 증가한 것을 알 수 있다. 변동계수는 변화가 없거나 근소한 차이로 증가한 것을 확인할 수 있으며 이는 1을 기준으로 한 변동계수 값이 아닌 전체적인 그래프 상에서의 변동계수이기 때문인 것으로 판단된다.
29로 나머지 두 경우보다 다소 높은 값으로 나타났다. 전체적인 수치만을 보았을 때 세 가지 기준 모두 Vtest/Vanalysis값이 1에서 크게 벗어나지 않아 계산값이 실험값을 잘 예측한다고 볼 수 있다.
1) 예제 실험체를 통하여 얻은 전단강도와 각 기준의 전단설계식을 이용하여 계산한 전단강도를 비교하였을 때, 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 경우의 값이 가장 실험값을 잘 예측하는 것으로 나타났다. 특히, 현재 ACI 318-08에서 제한하고 있는 전단보강철근의 항복강도 420 MPa은 지나치게 안전값으로 평가되었다.
37로 실험값과 37% 가량 차이를 보였다. 평균값만을 살펴보면 EC2-02가 가장 1에 가까운 수치를 나타냈지만, 변동계수는 ACI 318-08이 0.21로 가장 낮은 값을 보였고 EC2-02의 경우 0.29로 나머지 두 경우보다 다소 높은 값으로 나타났다. 전체적인 수치만을 보았을 때 세 가지 기준 모두 Vtest/Vanalysis값이 1에서 크게 벗어나지 않아 계산값이 실험값을 잘 예측한다고 볼 수 있다.
후속연구
4) EC2-02와 CSA-04기준의 경우 전단보강철근의 항복강도를 제한하지 않았을 때에 전단강도를 다소 과대평가하는 경향을 보였다. 따라서 실질적인 기준 상향의 적용을 위해서는 강도저감계수와 같은 계수의 조정과 함께 실험적 검증이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도 철근의 실질적인 적용에 대한 필요성이 증가하고 있는 이유는 무엇인가?
최근 초고층 건물 및 장대교량, 원자력 구조물 등과 같은 대형 구조물에 대한 건설이 증가함에 따라 구조재료의 고강도화에 대한 관심이 늘어나고 있다. 이와 동시에 원자재의 부족 및 이로 인한 가격 상승으로 고강도 철근의 실질적인 적용에 대한 필요성이 증가하고 있다.
고강도 철근을 사용할 경우 장점은 무엇인가?
고강도 철근을 사용할 경우 철근의 물량 감소로 인하여 구조물이 경량화되고 경제적인 시공이 가능하며, 조밀한 배근을 방지하여 콘크리트 타설이 원활하게 이루어질 수 있다. 그러나 각 기준에서는 전단보강철근의 항복강도를 다음과 같은 세 가지 이유에 근거하여 제한하고 있다.
소성트러스 모델에 기초한 전단설계 기준식에 따라 전단보강철근의 항복강도를 제한하는 이유는 무엇인가?
3) 경제성: 현재 우리나라에서는 45도 트러스 모델에 기초한 전단설계 기준식을 사용하고 있으나, 유럽 등 다른 나라에서는 소성트러스 모델에 기초한 전단설계 기준식을 제안하고 있다. 이에 따르면 전단보강철근의 항복강도가 증가할 때 전단저항능력은 비례적으로 증가하지 않으며, 이러한 이유로 경제성을 고려해 전단보강철근의 항복강도를 제한하고 있다.2)
참고문헌 (9)
Choi, I. J., "Structural Behavior of Reinforced Concrete Beams Using High Strength Shear Reinforcement," Master's Thesis, Sungkyunkwan University, 2010, pp. 8-9.
Lee, J. Y., Choi, I. J., and Kang, J. E., "Evaluation of the Maximum Yield Strength of Steel Stirrups and Shear Behavior of RC Beams," Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 22, No. 5, 2010, pp. 711-718. (doi: http://dx.doi.org/10.4334/JKCI.2010.22.5.711)
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.