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아치작용을 고려한 PSC보의 복부전단거동
Shear Behavior of Web Element in PSC Beams Incorporated with Arch Action 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.35 no.1, 2015년, pp.85 - 92  

정제평 (호남대학교 토목환경공학과) ,  신근옥 (전남대학교 토목공학과) ,  김우 (호남대학교 토목환경공학과)

초록
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횡방향 철근이 없는 RC와 PSC 보에서 축방향 인장력전단강도를 감소시키고, 축압축력은 전단저항력을 증가시킨다는 것은 잘 알려진 사실이다. 그러나 축력이 전단에 얼마만큼 영향을 미치고, 전단 저항성능에 어떠한 영향을 주는가에 대한 이해가 부족한 현실이다. 횡방향 보강철근이 없는 부재가 큰 압축력과 전단력을 받으면 첫 번째 경사균열이 일어나면서 그대로 취성파괴가 발생하기 때문에 상당히 보수적 관점을 유지하고 있다. 이런 배경에서 ACI의 복부전단강도는 경사균열각 ${\theta}$$45^{\circ}$로 하는 트러스모델을 사용하여 스터럽의 수직력과 축력효과를 반영하고 있다. 본 연구는 파괴역학을 근간으로 한 비선형 유한요소해석 프로그램 ATENA-2D (Cervenka, 2000)를 사용하여 철근콘크리트 보의 축력작용에 따른 검증을 수행한 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

It is well known that axial tension decreases the shear strength of RC & PSC beams without transverse reinforcement, and axial compression increases the shear resistance. What is perhaps not very well understood is how much the shear resistance capacity is influenced by axial load. RC beams without ...

주제어

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문제 정의

  • 축력이 작용하는 PSC부재는 일반적으로 전단강도가 증가한다고 알려져 있으나 역학적 개념을 근거로 접근한 이론 개발이 부족한 실정이며, Collins의 MCFT (Vecchio and Collins, 1986)를 이용한 적용이 가능하지만 보작용(beam action)과 아치작용에 의한 전단성분을 정확히 구분하기 힘들다는 점이 있다(Park and Paulay 1975; Niwa, 1997; Marti, 1985). 따라서 본 연구에서는 PSC부재를 상현재 요소와 복부전단요소 그리고 하현재 요소로 분해한 요소이산화 개념을 통해 내력재분배를 유도하고, 휨과 전단에 의한 영향을 명확히 구분하고자 한다. 본 연구에서 사용한 Jeong and Kim (2011; 2014)의 요소이산화 접근법(경사진 상현재, 복부전단 요소, 하현재)은 복부균열이 발생하는 프리스트레스트 콘크리트부재의 비선형 전단변형 해석에 훨씬 유용할 것으로 판단된다.
  • PSC부재의 텐던에 작용하는 프리스트레싱 압축력은 PSC부재의 복부에 강한 압축응력을 유발하고 전단균열각과 스터럽력, 주철 근력의 내력에 변화를 주며 아치작용과 보작용의 전단저항 기구를 변화시키지만 현재 ACI 설계기준은 이를 반영하지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 정확하다고 인정받고 있는 파괴역학 프로그램(ATENA 2000)을 이용하여 PSC 복부에 축력(인장, 압축)을 작용시켜 내력변화(주철근력, 스터럽력, 균열각, 전단강도)를 분석하고 현행 콘크리트구조설계기준의 문제점을 파악하고자 한다.
  • ASCE-ACI Committee에서는 최근에 전단과 비틀림에 관한 연구들을 보고서를 통해 잘 정리하였으나, PSC부재와 같이 축력을 받는 복부전단요소에 대한 논리적 설명은 포함되어 있지 않고 있다(ASCE-ACI Committee 445&462, 1973; 1998). 본 연구는 PSC부재에서 복부전단요소의 거동을 내력 재분배에 기반하여 논리적으로 설명할 수 있는 전단모델개발을 위한 기초 연구이다. 축력이 작용하는 PSC부재는 일반적으로 전단강도가 증가한다고 알려져 있으나 역학적 개념을 근거로 접근한 이론 개발이 부족한 실정이며, Collins의 MCFT (Vecchio and Collins, 1986)를 이용한 적용이 가능하지만 보작용(beam action)과 아치작용에 의한 전단성분을 정확히 구분하기 힘들다는 점이 있다(Park and Paulay 1975; Niwa, 1997; Marti, 1985).

가설 설정

  • 이렇게 재분배된 축력과 기존 축력들은, Fig. 2(b)와 같이, 단면의 축력과 모멘트 평형조건을 모두 만족하는 상태가 된다. 이러한 상태의 단면력을 다시 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
프리스트레스트 콘크리트 부재 사용 증가의 이유는? 최근 경제성이 높고 시공이 편리한 이유로 복부 폭이 얇은 프리스트레스트 콘크리트 부재의 사용이 증가하고 있다. 특히 2015년 한계상태설계법 적용이 의무화되면서 큰 압축력을 받는 PSC부재의 복부전단 설계의 비중이 높아지고 있다.
축력의 주된 영향으로 사인장 균열강도는 어떻게 변화되나? 축력의 주된 영향은 부재의 사인장 균열강도를 변화시키는 것이다. 축력이 작용하면 사인장균열에서의 주응력 크기와 방향이 변하기 때문에 사인장균열하중이 현저하게 달라지고, 이로 인해 축압축력은 균열하중을 증가시키는 반면에 축인장력은 균열하중을 감소시킨다. ACI 설계기준에서는 이러한 축력효과를 다음의 식을 통해 반영하고 있다(ACI Committee 318, 2011).
축력이 작용하는 PSC부재에 대한 일반적인 설명은? 본 연구는 PSC부재에서 복부전단요소의 거동을 내력 재분배에 기반하여 논리적으로 설명할 수 있는 전단모델개발을 위한 기초 연구이다. 축력이 작용하는 PSC부재는 일반적으로 전단강도가 증가한다고 알려져 있으나 역학적 개념을 근거로 접근한 이론 개발이 부족한 실정이며, Collins의 MCFT (Vecchio and Collins, 1986)를 이용한 적용이 가능하지만 보작용(beam action)과 아치작용에 의한 전단성분을 정확히 구분하기 힘들다는 점이 있다(Park and Paulay 1975; Niwa, 1997; Marti, 1985). 따라서 본 연구에서는 PSC부재를 상현재 요소와 복부전단요소 그리고 하현재 요소로 분해한 요소이산화 개념을 통해 내력재분배를 유도하고, 휨과 전단에 의한 영향을 명확히 구분하고자 한다.
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참고문헌 (20)

  1. ACI Committee 318 (2011). Building code requirement for reinforced concrete and commentary (318R-01), ACI, Detroit, M.I., 391., pp. 120-150. 

  2. ASCE-ACI Committee 426 (1973). "The shear strength of reinforced concrete members." Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 99, No. 6, pp. 1091-1187. 

  3. ASCE-ACI Committee 445 (1998). "Recent approaches to shear design of structural concrete." Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 124, No. 5, pp. 1375-1417. 

  4. Cervenka, V. (2000). ATENA program documentation, Cervenka Consulting, pp. 10-120. 

  5. Comite Euro International Du Beton (CEB/FIP) (2010). "CEB-FIP model code for concrete structures." Bulletin d'Information, No. 124/125, pp. 437. 

  6. Commission of the European Communities (1991). Eurocode No. 2: Design of Concrete Structures, Part 1: General rules and Rules for Buildings, ENV 1992-1-1, pp. 253. 

  7. Gupta, P. R., and Collins, M. P. (2001). "Evaluation of shear design procedures for reinforced concrete members under axial compression." ACI Structural Journal, Vol. 98, No. 4, pp. 537-547. 

  8. Hsu, T. T. C. (1993). Unified theory of reinforced concrete, CRC Press, Boca Raton, Fla, pp. 193-256. 

  9. Jeong, J.-P. and Kim, W. (2014). "Shear resistant mechanism into base components : Beam Action and Arch Action in Shear-Critical RC Members." International Journal of Concrete Structures and Materials, Vol. 8, No. 1, pp. 1-14. 

  10. Kim, W. and Jeong, J.-P. (2011a). "Decoupling of arch action in shear-critical reinforced concrete beam." ACI Structural Journal, Vol. 108, No. 4, pp. 395-404. 

  11. Kim, W. and Jeong, J.-P. (2011b). "Non-bernoulli-compatibility truss model for RC member subjected to combined action of flexure and shear, Part I-Its derivation of theoretical concept." KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 15, No. 1, pp. 101-108. 

  12. Kim, W. and Jeong, J.-P. (2011c). "Non-bernoulli-compatibility truss model for RC member subjected to combined action of flexure and shear, Part II-Its practical solution." KSCE Journal of Civil Engineering, Vol. 15, No. 1, pp. 109-117. 

  13. Kotsovos, G. M. and Kotsovos, M. D. (2013). "Effect of axial compression on shear capacity of linear RC members without transverse reinforcement." Magagine of Concrete Research, Vol. 65, No. 21, pp. 1360-1375. 

  14. Lorentsen, M. (1965). "Theory for the combined action of bending moment and shear in reinforced concrete and prestressed concrete beams." ACI Journal, Vol. 62, No. 4, pp. 403-419. 

  15. Marti, P. (1985). "Basic tools of reinforced concrete beam design." ACI Journal, Vol. 82, No. 1, pp. 46-56. 

  16. Niwa, J. (1997). "Lattice model with concrete tension members for shear resisting mechanism of concrete beams." CEB Bulletin d'Information, No. 237, pp. 159-170. 

  17. Park, R. and Paulay, T. (1975). Reinforced concrete structures, Wiley, N. Y., pp. 201-256. 

  18. Ramirez, J. A. and Breen, J. A. (1991). "Evaluation of a modified truss model approach for beams in shear." ACI Structural Journal, Vol. 88, No. 5, pp. 562-571. 

  19. Vecchio, F. J. and Collins, M. P. (1986). "The modified compression field theory for reinforced concrete elements subjected to shear." ACI Structural Journal, Vol. 83, No. 2, pp. 219-231. 

  20. Xie, L., Bentz, E. C. and Collins, M. P. (2011). "Influence of axial stress on shear response of reinforced concrete elements." ACI Structural Journal, Vol. 108, No. 6, pp. 745-754. 

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