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고강도 재료를 사용한 철근콘크리트 보 단면의 곡률연성지수 예측
Predictions of Curvature Ductility Factor of Reinforced Concrete Beam Sections Used High Strength Concrete and Steel 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.33 no.2, 2013년, pp.483 - 493  

이형준 (한밭대학교 건설환경공학과)

초록
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콘크리트 구조물의 대형화에 따라 고강도를 갖는 재료가 최근에 많이 사용되고 있는 추세이다. 고강도 재료의 사용은 역학적 성질 또는 내구성에 있어서는 장점이 있으나 구조물의 연성 거동에는 불리한 것으로 알려져 있다. 철근콘크리트 부재는 강도뿐만 아니라 적절한 연성이 확보되도록 설계가 되어야 하기 때문에 철근콘크리트 보의 연성을 적절하게 평가할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 고강도 재료를 사용한 철근콘크리트 보부재의 곡률연성지수의 예측식을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 고강도 콘크리트 및 철근을 사용한 직사각형 단면 RC 보의 모멘트-곡률 관계를 해석적 방법으로 계산하여 다양한 철근 배치 조건하에서 콘크리트 및 철근의 강도가 부재의 휨거동 및 곡률연성지수에 미치는 영향을 분석하였고, 단철근 및 복철근 보에 모두 적용할 수 있는 극한상태에서의 압축철근의 응력을 고려한 새로운 곡률연성지수 예측식을 도출하였다. 제안한 곡률연성지수 예측식은 기존의 식과 비교분석하였으며, 단철근 및 복철근 보에서 예측식에 의해 계산된 곡률연성지수는 수치해석에 의해 얻은 곡률연성지수 값을 오차 범위 9% 내에서 예측하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The high strength materials have been more widely used in a large reinforced concrete structures. It is known that the use of high strength material in RC structures give the benefits of the mechanical and durable properties, but the ductility decreases with an increase in the strength of the materi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 고강도 재료를 사용한 철근콘크리트 부재의 연성지수에 영향을 미치는 각 요소들에 대해 해석적 방법으로 매개변수 해석을 수행하고, 수치해석 결과를 바탕으로 회귀분석을 수행하여 단철근 보 및 복철근 보에 함께 적용할 수 있는 보다 합리적인 곡률연성지수 예측식을 제시하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 고강도 재료를 사용한 철근콘크리트 보의 휨거동 및 곡률연성지수 특성을 분석하고, 다중회귀분석을 수행하여 합리적인 곡률연성지수 예측식을 제시하고자 하였다. 이를 위하여 콘크리트 압축강도가 30∼100MPa, 철근의 항복강도가 300∼600MPa이고, 인장철근비가 균형 철근비의 10∼100%, 압축철근비가 인장철근비의 0∼100%인 RC 보 단면에 대해 모멘트-곡률 관계와 연성지수를 해석적으로 계산하여 RC 보의 휨거동 및 곡률연성지수에 각 재료의 강도가 미치는 영향을 분석하였고, 재료의 강도와 극한상태에서 압축철근의 응력을 고려한 철근변수를 이용하여 단철근 및 복철근 보에 함께 적용할 수 있는 곡률연성지수 예측식을 도출하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
  • 지금까지는 제안된 곡률연성지수 예측식은 단철근 보와 복철근 보에 대해서 서로 다른 형태로 제안되었으나, 극한상태에서의 압축철근의 응력을 철근변수에 고려하면 단철근 보와 복철근 보에 모두 적용이 가능하고 각 변수와의 상관관계가 우수한 곡률연성지수 예측식을 도출할 수 있다. 이와 같은 결과를 토대로 본 연구에서는 극한상태에서 압축철근의 응력을 고려하여 모든 철근콘크리트 보에 적용이 가능한 새로운 곡률연성지수 예측식을 도출하였다.

가설 설정

  • 철근콘크리트 보 단면의 모멘트-곡률 관계는 휨강도를 계산할 때 적용하는 기본가정을 적용한 후 평형조건, 적합조건 및 재료의 응력-변형률 관계를 이용하여 해석적으로 계산할 수 있다(Park and Paulay, 1975). 단면은 하중을 받기 전・후에 평면상태를 유지하고, 철근과 콘크리트의 응력-변형률 관계를 알고 있는 상태이며, 콘크리트의 인장응력은 균열이 발생한 이후에는 무시하는 것으로 가정한다. Figure 3은 모멘트를 받고 있는 철근콘크리트 직사각형 보 단면의 변형률 및 응력 분포를 나타내고 있다.
  • 이와 같은 콘크리트의 응력-변형률 관계를 이용하여 콘크리트의 압축강도에 따라 나타내면 Figure 1(b)와 같다. 인장응력상태에서의 콘크리트의 응력-변형률 관계는 인장응력이 인장강도에 도달할 때까지는 탄성계수를 기울기로 하는 직선의 관계, 균열발생 이후에는 무시하는 것으로 가정하였다.
  • 철근의 응력-변형률 관계는 대해 완전 탄-소성 거동을 하는 것으로 가정하여 Figure 2와 같은 응력-변형률 관계곡선을 이용하였으며, 탄성계수(Es)는 200GPa을 사용하였다.
  • 콘크리트 응력-변형률 관계곡선의 상승곡선부분은 널리 적용되고 있는 Hognestad가 제시한 식 (4)와 같은 곡선으로 가정하였고, 최대 응력 이후 하강곡선과 최대 응력점에서의 변형률(εco)은 콘크리트 압축강도 범위 20∼130MPa에서 실제 거동을 잘 묘사하는 것으로 알려진 Attard와 Setunge(1996)가 제시한 식 (5)로 모델링 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
고강도 재료 사용 시 RC 휨부재의 연성을 정확하게 평가하는 것이 필요한 이유는 무엇인가? 최근 대형의 철근콘크리트 구조물이 건설됨에 따라 고강도 재료의 사용이 늘어나고 있는 추세이며, 철근의 경우 종전에는 항복강도가 400MPa 이하인 것을 주로 사용하였으나, 최근에는 유럽의 설계기준을 비롯하여 국내 콘크리트구조설계기준, 미국의 ACI 등에서는 항복강도가 550∼600MPa인 고강도 철근을 사용할 수 있도록 하고 있다(EC2, 2004; ACI, 2008; KCI, 2008). 일반적으로 고강도 재료를 사용하면 부재의 연성이 감소하는 것으로 알려져 있기에 고강도 재료를 사용한 RC 휨부재의 연성을 정확하게 평가하는 것이 필요하다.
철근콘크리트 부재의 연성에 영향을 주는 요인은 무엇인가? 특히, 지지하중을 받는 경우에는 보나 기둥부재는 충분한 연성이 확보되어 급격한 저항력의 감소가 없이 변형을 허용하는 소성힌지(plastic hinge)가 형성되도록 설계하고 있다. 철근콘크리트 부재의 연성은 재료의 강도를 비롯하여 철근의 배근량 및 배치 상태, 횡방향 구속도 등 여러 가지 요인에 의해 영향을 받는다. 최근 대형의 철근콘크리트 구조물이 건설됨에 따라 고강도 재료의 사용이 늘어나고 있는 추세이며, 철근의 경우 종전에는 항복강도가 400MPa 이하인 것을 주로 사용하였으나, 최근에는 유럽의 설계기준을 비롯하여 국내 콘크리트구조설계기준, 미국의 ACI 등에서는 항복강도가 550∼600MPa인 고강도 철근을 사용할 수 있도록 하고 있다(EC2, 2004; ACI, 2008; KCI, 2008).
콘크리트 구조물에 고강도를 갖는 재료를 사용하는 것의 장단점은 무엇인가? 콘크리트 구조물의 대형화에 따라 고강도를 갖는 재료가 최근에 많이 사용되고 있는 추세이다. 고강도 재료의 사용은 역학적 성질 또는 내구성에 있어서는 장점이 있으나 구조물의 연성 거동에는 불리한 것으로 알려져 있다. 철근콘크리트 부재는 강도뿐만 아니라 적절한 연성이 확보되도록 설계가 되어야 하기 때문에 철근콘크리트 보의 연성을 적절하게 평가할 수 있어야 한다.
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참고문헌 (14)

  1. American Concrete Institute (ACI) (2008), Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318M-08) and Commentary, Farmington Hills, Detroit, USA. 473pp. 

  2. Arslan, G., and Cihanli, E. (2010), "Curvature Ductility Prediction of Reinforced High-Strength Concrete Beam Sections", Journal of Civil Engineering and Management, Vol. 16, No. 4, pp. 462-470. 

  3. Attard, M.M., and Setunge, S. (1996), "The Stress-Strain Relationship of Confined and Unconfined Concrete", ACI Materials Journal, ACI. Vol. 93, No. 5, pp. 432-444. 

  4. Bai, Z.Z., and Au, F.T.K. (2011), "Flexural Ductility Design of High-Strength Concrete Beams", The Structural Design of Tall Special Buildings, http://dx.doi.org/10.1002/tal.714. 

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  6. Ho, J.C.M., Kwan, A.K.H., and Pam, H.J. (2003), "Theoretical Analysis of Post-Peak Behavior of Normal and High Strength Concrete Beams", The Structural Design of Tall Special Buildings, pp.109-125, http://dx.doi.org /10.1002/tal.216. 

  7. Hong, G.-H. (2011), "Flexural Performance Evaluation of Reinforced Concrete Beams with High-Strength Concrete and Reinforcing Bars", Journal of Architectural Institute of Korea, Architectural Institute of Korea, Vol. 27, No. 6, pp. 49-56 (in Korean). 

  8. Jang, I.Y., Park, H.G., Kim, S.S., Kim, J.H., and Kim. Y.G. (2008), "On the Ductility of High-Strength Concrete Beams", International Journal of Concrete Structures and Materials, Korea Concrete Institute, Vol. 2, No. 2, pp. 115-122. 

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  10. Pam, H.J., Kwan, A.K.H., and Islam, M.S. (2001a), "Flexural Strength and Ductility of Reinforced Normal-and High-Strength Concrete Beams", Proceedings of the ICE-Structures and Buildings, Vol. 146, No. 4, pp. 381-389. 

  11. Pam, H.J., Kwan, A.K.H., and Ho, J.C.M. (2001b), "Post-Peak Behavior and Flexural Ductility of Doubly Reinforced High- Strength Concrete Beams", Structural Engineering and Mechanics, Vol. 12, No. 5, pp. 459-74. 

  12. Park, R., and Paulay, T. (1975), Reinforced Concrete Structures. Wiely, New York, 769pp. 

  13. Pendyala, R., Mendis, P., and Patnaikuni, I. (1996), "Full-Range Behavior of High-Strength Concrete Members: Comparison of Ductility Parameters of High and Normal-Strength Concrete Members", ACI Structural Journal, ACI. Vol. 93, No. 1, pp. 30-35. 

  14. Rashid, M.A., and Mansur, M.A. (2005), "Reinforced High-Strength Concrete Beams in Flexure", ACI Structural Journal, ACI, Vol. 102, No. 3, pp. 462-471. 

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