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문제 정의
- 비틀림을 받는 부재에 쓰이는 보강철근의 강도 제한을 직접 평가하기 위한 실험을 계획하였다. 실험체의 주요 변수는 비틀림보강철근량 및 배근 간격, 콘크리트 강도, 비틀림 보강철근의 강도로 하였다.
- 이 연구에서는 고강도 비틀림보강철근을 사용한 철근 콘크트 부재의 비틀림내력을 실험적으로 평가하였다. 실험에서는 보강철근의 항복강도를 340 MPa, 480 MPa, 667 MPa의 세 종류로 하였다.
- 이러한 상이점이 비틀림을 받는 부재의 보강철근 항복강도에 영향을 줄 수 있으며 전단과 다른 파괴를 일으킬 수 있다. 이 연구에서는 철근의 강도, 콘크리트의 강도, 비틀림보강철근량, 배근간격을 변수로 한 실험을 수행하여 500 MPa 보강철근 사용 시 보강철근이 항복하는지 여부를 중점적으로 평가하였다.
제안 방법
- 양쪽의 프레임 하부는 이동 지점을 설치하여 가력 하는 동안 종방향 변형으로 발생하는 힘을 제거하였다. 가력 방법은 단조 하중이며 초당 0.02 mm의 속도로 변위 제어 방식을 사용하여 가력 하였다. 하중-변형 곡선이 최대하중에 도달한 후 약 85%까지 감소할 때까지 가력을 진행하였다.
- 다음으로 균열 모멘트에 대하여 분석하였다. 실험 결과 균열 모멘트는 콘크리트 강도에 따라 42 MPa 콘크리트의 경우 25 kN · m 전후로 나타났으며, 70 MPa 콘크리트의 경우 40 kN · m 전후로 나타났다.
- 비틀림보강철근이 항복하지 않을 경우 콘크리트에 의한 취성적 파괴가 선행하고 보강철근의 항복강도(fy)를 사용하여 비틀림내력을 평가할 수 없다. 따라서 고강도 철근의 적용성을 평가하기 위한 실험 시 비틀림보강철근의 항복 여부 판단이 중요하며, 이를 측정하기 위하여 비틀림보강철근에 변형률게이지를 부착하였다.
- 비틀림보강철근의 변형률을 측정하기 위하여 옆면과 윗면에 각각 5개씩의 변형률게이지를 부착하였다. 철근의 배근 간격이 실험체마다 다양하므로 부착 위치에는 약간의 오차가 있었지만 게이지의 측정 간격을 약 250 mm 전후로 하여 모든 실험체의 유사한 위치에서 철근의 변형률을 측정할 수 있도록 계획하였다.
- 비틀림 보강철근은 D13 및 D16 철근을 사용하였으며 각 철근에 대한 설계 항복강도는 약 300 MPa, 약 400 MPa, 약 600 MPa의 3종류이다. 비틀림보강철근의 최대 항복강도를 667 MPa로 하여 현행 콘크리트구조설계기준의 고강도 비틀림보강철근의 적용성을 평가하였다. 철근은 종류별로 3가닥씩 철근에 대한 인장강도 시험을 수행하였으며 철근의 평균 항복강도와 항복 변형률을 Table 2에 표시하였다.
- 철골 보와 비틀림 팔의 절점 상태는 상하방향으로만 힘을 전달하도록 하기 위하여 볼 형태의 절점을 제작하여 설치하였다. 실험에서는 비틀림 팔의 길이가 700 mm가 되도록 프레임을 설계 하였으며, 프레임과 실험체의 슬립을 방지하기 위하여 윗면과 옆면에서 볼트를 체결하여 고정하였다. 양쪽의 프레임 하부는 이동 지점을 설치하여 가력 하는 동안 종방향 변형으로 발생하는 힘을 제거하였다.
- 실험에서는 비틀림보강철근에 부착한 변형률게이지를 이용하여 횡방향 및 종방향 비틀림보강철근의 변형률을 측정하였다. 이를 통하여 각 구간 및 위치별 비틀림보강철근의 항복 여부를 판단하였으며, 고강도 철근을 사용했을 때 철근이 항복하는지 여부를 중점적으로 분석하였다.
- 실험체의 횡방향 변형, 종방향 변형, 그리고 경사 변형을 측정하기 위하여 실험체의 옆면과 윗면에 각각 6개씩의 LVDT를 설치하였다. 또한 비틀림회전각을 계산할 수 있도록 실험 구간의 양 끝단에 총 4개의 LVDT를 설치하였다.
- 실험에서는 비틀림보강철근에 부착한 변형률게이지를 이용하여 횡방향 및 종방향 비틀림보강철근의 변형률을 측정하였다. 이를 통하여 각 구간 및 위치별 비틀림보강철근의 항복 여부를 판단하였으며, 고강도 철근을 사용했을 때 철근이 항복하는지 여부를 중점적으로 분석하였다.
- 철근의 배근 간격이 실험체마다 다양하므로 부착 위치에는 약간의 오차가 있었지만 게이지의 측정 간격을 약 250 mm 전후로 하여 모든 실험체의 유사한 위치에서 철근의 변형률을 측정할 수 있도록 계획하였다. 종방향 비틀림 보강철근의 변형률을 측정하기 위하여 모든 종방향 철근에 변형률 게이지를 각각 2개씩 부착하였다. 종방향 비틀림보강철근에는 실험체의 중앙에서 양쪽으로 각각 100 mm씩 떨어진 곳에 변형률 게이지를 부착하였다.
- 종방향 비틀림보강철근은 횡방향 보강철근의 양과 비교하여 입체트러스모델에 의하여 계산할 때 균열의 각도가 45° 전후가 되도록 계획하였다.
- 중앙 점에서 가해진 하중은 양 단부로 균등하게 나누어지며 비틀림 팔을 통하여 비틀림모멘트가 실험체에 작용할 수 있도록 하였다. 철골 보와 비틀림 팔의 절점 상태는 상하방향으로만 힘을 전달하도록 하기 위하여 볼 형태의 절점을 제작하여 설치하였다. 실험에서는 비틀림 팔의 길이가 700 mm가 되도록 프레임을 설계 하였으며, 프레임과 실험체의 슬립을 방지하기 위하여 윗면과 옆면에서 볼트를 체결하여 고정하였다.
- 5에 나타내었다. 철골 프레임으로 제작한 비틀림 팔(torsion arm)을 양 단부에 설치하고, 그 위에 철골 보를 올려 만능시험기(UTM)로 중앙부에서 1점 가력 하였다. 중앙 점에서 가해진 하중은 양 단부로 균등하게 나누어지며 비틀림 팔을 통하여 비틀림모멘트가 실험체에 작용할 수 있도록 하였다.
- 비틀림보강철근의 변형률을 측정하기 위하여 옆면과 윗면에 각각 5개씩의 변형률게이지를 부착하였다. 철근의 배근 간격이 실험체마다 다양하므로 부착 위치에는 약간의 오차가 있었지만 게이지의 측정 간격을 약 250 mm 전후로 하여 모든 실험체의 유사한 위치에서 철근의 변형률을 측정할 수 있도록 계획하였다. 종방향 비틀림 보강철근의 변형률을 측정하기 위하여 모든 종방향 철근에 변형률 게이지를 각각 2개씩 부착하였다.
- 02 mm의 속도로 변위 제어 방식을 사용하여 가력 하였다. 하중-변형 곡선이 최대하중에 도달한 후 약 85%까지 감소할 때까지 가력을 진행하였다. Fig.
- 한편, 비틀림보강철근에 변형률게이지를 부착한 후에 부재가 최대 하중에 도달하였을 때의 게이지 값을 사용하여 비틀림강도(Tfs)를 계산하였다. Fig.
대상 데이터
- 실험체의 횡방향 변형, 종방향 변형, 그리고 경사 변형을 측정하기 위하여 실험체의 옆면과 윗면에 각각 6개씩의 LVDT를 설치하였다. 또한 비틀림회전각을 계산할 수 있도록 실험 구간의 양 끝단에 총 4개의 LVDT를 설치하였다. LVDT의 설치 위치는 Fig.
- 철근은 뽑힘 파괴 방지를 위해 양 단부를 180° 표준 갈고리로 가공하였다. 보의 총 길이는 3000 mm로 계획하였다. 보의 중앙부 1500 mm 구간이 실험구간이며 양단부의 750 mm 구간은 비틀림 모멘트를 전달하기 위한 구간이다.
- 비틀림 보강철근은 D13 및 D16 철근을 사용하였으며 각 철근에 대한 설계 항복강도는 약 300 MPa, 약 400 MPa, 약 600 MPa의 3종류이다. 비틀림보강철근의 최대 항복강도를 667 MPa로 하여 현행 콘크리트구조설계기준의 고강도 비틀림보강철근의 적용성을 평가하였다.
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2.1 재료 실험
실험에서는 배합강도 42 MPa과 70 MPa 두 가지 종류의 콘크리트를 사용하였다. 콘크리트 공시체는 KS F2403 기준을 따라 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형으로 제작하였으며 강도별로 3개씩 28일 압축강도 시험을 수행하였다.
- 이 연구에서는 고강도 비틀림보강철근을 사용한 철근 콘크트 부재의 비틀림내력을 실험적으로 평가하였다. 실험에서는 보강철근의 항복강도를 340 MPa, 480 MPa, 667 MPa의 세 종류로 하였다. 실험에 의한 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 실험체의 주요 변수는 비틀림보강철근량 및 배근 간격, 콘크리트 강도, 비틀림 보강철근의 강도로 하였다. 실험을 위해 계획된 실험체는 총 12개로, 두 가지 그룹으로 나누어 계획하였다. 모든 실험체에 대한 상세를 Table 3에 나타내었다.
- 비틀림을 받는 부재에 쓰이는 보강철근의 강도 제한을 직접 평가하기 위한 실험을 계획하였다. 실험체의 주요 변수는 비틀림보강철근량 및 배근 간격, 콘크리트 강도, 비틀림 보강철근의 강도로 하였다. 실험을 위해 계획된 실험체는 총 12개로, 두 가지 그룹으로 나누어 계획하였다.
- 실험에서는 배합강도 42 MPa과 70 MPa 두 가지 종류의 콘크리트를 사용하였다. 콘크리트 공시체는 KS F2403 기준을 따라 지름 100 mm, 높이 200 mm의 원통형으로 제작하였으며 강도별로 3개씩 28일 압축강도 시험을 수행하였다. 콘크리트 압축강도 시험 결과를 Table 1에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 비틀림보강철근의 항복강도가 400 MPa이하인 경우에는 콘크리트의 압축강도와 무관하게 한 곳 이상에서 비틀림보강철근이 항복강도에 도달하여 비틀림인장파괴를 나타내었다.
- 1) 전단 또는 비틀림보강철근의 항복 유도 : 전단 또는 비틀림보강철근의 항복강도가 증가하면 보강철근에 의한 전단 또는 비틀림저항력이 커지게 되어 보강 철근이 항복하기 이전에 콘크리트에 의한 압축파괴가 선행될 수 있다. 이 경우에는 전단 또는 비틀림 보강철근이 항복하지 않으므로 소성설계에 기본을 둔 현행 전단보강철근 내력평가식에서 보강철근의 항복강도를 사용할 수 없다.
- 2) 비틀림보강철근의 항복강도가 480 MPa인 경우에는 콘크리트의 압축강도에 따라서 비틀림보강철근이 항복하는 경우와 항복하지 않는 경우로 나누어 졌다.
- 2) 사인장균열의 폭 제어: 고강도 보강철근을 사용할 경우에 항복변형률이 증가하여 사인장균열의 폭이 증가할 수 있다. 또한 부재의 내력은 콘크리트에 의한 저항력과 보강철근에 의한 저항력으로 구분할 수 있으며 콘크리트에 의한 저항분이 일정한 상태에서 보강철근 만에 의한 저항 성분이 증가할 경우에 사인장균열의 폭이 증가할 우려가 있다.
- 3) 비틀림보강철근의 항복강도가 667 MPa인 경우에는 콘크리트의 압축강도와 무관하게 모든 비틀림보강철근이 항복강도에 도달하지 않았다.
- EC2-02기준에서는 입체트러스모델에 근거하여 콘크리트 대각선 압축대의 내력을 이용하여 최대철근량을 계산하지만, ACI318- 11기준은 실험 및 경험에 근거한 최대철근량 제한 식을 사용하고 있다. 계획한 실험체의 철근량은 EC2-02기준 및 CSA-04기준13)의 최대철근량 제한에 모두 만족하게 제작되었다.
- )을 계산할 경우에 비틀림보강철근의 간격을 일정하게 하고 항복강도를 다르게 한 그룹인 T1 그룹의 실험체의 경우에는 고강도철근을 사용하여 철근량을 증가시킬수록 설계 비틀림강도는 증가해야 한다. 그러나 실험 결과에서는 비틀림강도(Texp)가 증가하지 않고, 거의 일정하다는 것을 알 수 있다. 또한, 철근의 배근 간격을 조절하여 철근량을 거의 일정하게 유지시킨 T2그룹의 경우에는 Texp과 Teq에 차이가 나타나 계산값(Teq )보다 실험값(Texp)의 비틀림강도가 낮았다.
- 이러한 검증은 보강철근의 항복 유도뿐만 아니라 사인장 균열 폭 제어, 경제성 측면에서도 전단과 독립적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 끝으로 이 연구에서 실험한 철근콘크리트부재의 최대비틀림철근량은 유럽기준과 캐나다기준에서 요구하는 최대량을 모두 만족하고 있다. 다만, 일부 부재는 ACI기준보다 철근량보다 큰 경우가 있으며, 이 경우에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 한편 2012년에 비틀림보강철근의 항복강도를 전단보강철근의 항복강도와 동일하게 상승시킨 이유는 전단과 비틀림이 유사한 메커니즘에서 파괴되기 때문으로 판단된다. 두 가지 종류의 부재력은 사인장균열을 유발시키고, 이로 인하여 보강철근이 항복하거나, 복부 콘크리트가 압축파괴하여 내력에 도달하므로 전단보강철근의 항복강도제한과 유사한 관점에서 비틀림보강철근의 항복강도 제한도 500 MPa로 상승시켰다.
- 실험 결과 균열 모멘트는 콘크리트 강도에 따라 42 MPa 콘크리트의 경우 25 kN · m 전후로 나타났으며, 70 MPa 콘크리트의 경우 40 kN · m 전후로 나타났다.
- 그러나 항복강도 667 MPa의 고강도철근을 사용한 실험체의 경우 모든 실험체에서 비틀림보강철근은 항복변형률에 도달하지 않았다. 이 결과를 보았을 때, 고강도 비틀림보강철근을 사용한 경우 철근이 항복하기 전에 콘크리트 압축대에서 파괴가 일어날 가능성이 있음을 확인할 수 있다. 특히 콘크리트구조기준1)에서 규정하는 500 MPa보다 낮은 항복강도를 사용한 실험체의 일부에서도 비틀림보강철근이 항복강도에 도달하지 않았으며, 철근의 강도가 클수록 철근이 항복하지 않을 가능성이 크다는 것을 알 수 있다.
- 이 결과를 보았을 때, 고강도 비틀림보강철근을 사용한 경우 철근이 항복하기 전에 콘크리트 압축대에서 파괴가 일어날 가능성이 있음을 확인할 수 있다. 특히 콘크리트구조기준1)에서 규정하는 500 MPa보다 낮은 항복강도를 사용한 실험체의 일부에서도 비틀림보강철근이 항복강도에 도달하지 않았으며, 철근의 강도가 클수록 철근이 항복하지 않을 가능성이 크다는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 끝으로 이 연구에서 실험한 철근콘크리트부재의 최대비틀림철근량은 유럽기준과 캐나다기준에서 요구하는 최대량을 모두 만족하고 있다. 다만, 일부 부재는 ACI기준보다 철근량보다 큰 경우가 있으며, 이 경우에 대해서는 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 전단에 대해서는 여러 실험 결과에서 스터럽의 항복강도를 500 MPa로 상승시켜도 파괴모드, 균열의 폭 등과 관련하여 안정적임을 보여주고 있지만, 비틀림보강철근의 항복강도 상승에 대해서는 보다 많은 실험 또는 해석에 의한 검증이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 검증은 보강철근의 항복 유도뿐만 아니라 사인장 균열 폭 제어, 경제성 측면에서도 전단과 독립적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 끝으로 이 연구에서 실험한 철근콘크리트부재의 최대비틀림철근량은 유럽기준과 캐나다기준에서 요구하는 최대량을 모두 만족하고 있다.
- 콘크리트구조기준에서는 2012년에 비틀림보강철근의 항복강도를 전단보강철근의 항복강도와 동일하게 400 MPa 에서 500 MPa로 상승시켰다. 전단에 대해서는 여러 실험 결과에서 스터럽의 항복강도를 500 MPa로 상승시켜도 파괴모드, 균열의 폭 등과 관련하여 안정적임을 보여주고 있지만, 비틀림보강철근의 항복강도 상승에 대해서는 보다 많은 실험 또는 해석에 의한 검증이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 검증은 보강철근의 항복 유도뿐만 아니라 사인장 균열 폭 제어, 경제성 측면에서도 전단과 독립적인 연구가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
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