[논문]철근콘크리트 휨부재의 최소철근비에 대한 고찰

최승원

doi:10.11112/jksmi.2017.21.6.035

[국내논문] 철근콘크리트 휨부재의 최소철근비에 대한 고찰
An Examination of the Minimum Reinforcement Ratio for Reinforced Concrete Flexural Members 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.21 no.6, 2017년, pp.35 - 43

최승원 (조선이공대학교)

초록
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철근콘크리트 휨부재의 최소철근비는 부재의 취성 파괴를 방지하기 중요한 설계 인자이다. 콘크리트구조기준과 도로교설계기준에서 사용되는 최소철근비는 단면의 유효 깊이 및 모멘트 팔길이에 대한 가정을 통해 산정되었다. 따라서 이 연구에서는 재료 모델과 힘의 평형 관계를 통해 합리적으로 최소철근비를 산정할 수 있는 방법을 제안하였다. 연구 결과 도로교설계기준의 포물-사각형 곡선을 통해 산정된 최소 철근비는 현재 설계 기준에 의한 최소철근비의 약 52~80% 수준으로 산정되어 경제적인 설계가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 재료 모델을 통한 최소철근량이 배치된 부재의 연성 능력은 현재 설계 기준에 의한 값의 약 89% 수준으로 평가되었으나, 부재의 연성도는 7 이상으로 충분한 연성능력을 보였다. 따라서 제안된 포물-사각형 곡선을 통한 최소철근비는 휨부재 설계의 이론적 합리성 뿐만 아니라 안전성 및 경제성을 확보할 수 있는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

The minimum reinforcement ratio is an important design factor to prevent a brittle failure in RC flexural members. A minimum reinforcement ratio is presented by assuming an effective depth of cross-section and moment arm lever in CDC and KHBDC. In this study, it suggests that a rational method for minimum reinforcement ratio is calculated by material model and force equilibrium. As results, a minimum reinforcement ratio using a p-r curve in KHBDC is evaluated about 52~80% of recent design code's value and it induces an economical design. And also, a ductility capacity in case of placing this minimum reinforcement amount is evaluated about 89% of recent design code's value, but ductility in a member is 7 or more, so it has a sufficient ductility capacity. Therefore, it is judged that a minimum reinforcement ratio using p-r curve has a theoretical rationality, safety and economy in a flexural member design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 이 연구에서는 CDC, KHBDC 및 EC2에서 제시하고 있는 최소철근비에 대한 내용을 고찰하였다. 그리고 KHBDC에서 제시하고 있는 재료 모델을 바탕으로 산정된 최소철근비에 대하여 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 피복두께의 영향을 살펴보았다.
그리고 KHBDC에서 제시하고 있는 재료 모델을 바탕으로 산정된 최소철근비에 대하여 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 피복두께의 영향을 살펴보았다. 또한, 최소철근량이 배치된 휨부재의 연성도 평가를 통하여 부재의 안전성을 평가함으로써 합리적인 최소철근비 산정 방법에 대한 방안을 연구하였다.
이 연구에서는 각 설계 기준에서 제시하고 있는 최소철근비 규정에 대하여 고찰하고 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 피복 두께 비율에 대한 영향을 살펴보았다. 이를 통해 합리적인 최소철근비 산정 방법에 대하여 분석하였다.
그러나 합리적인 재료 모델이 있는 경우 재료 모델과 힘의 평형 관계를 통해 이론적으로 최소철근비를 산정하면 이러한 추가적인 가정은 불필요하므로 피복 두께 등 재료 및 단면의 영향을 충분히 고려할 수 있다. 이러한 점에서 CDC 및 KHBDC에서 제시하고 있는 등가직사각형 응력블록 및 p-r곡선을 사용하여 최소철근비를 산정할 수 있는 것으로 판단되고, 이 연구에서는 다음과 같이 경제성 및 안전성을 확보할 수 있는 최소철근비 결정에 대한 방안을 제안하였다.

가설 설정

4) 등가직사각형 응력블록은 극한상태에서 휨강도 산정에만 사용되는 모델이다. 이에 반해, p-r 곡선은 단면의 휨강도 뿐만 아니라, 처짐 및 균열폭 등의 산정에도 사용될 수 있다.
그러나 이 연구에서는 해석적인 연성도 평가를 수행하므로 300 MPa의 항복강도에 대한 해석을 추가로 수행하였다. 그리고 철근의 한계 변형률은 KHBDC에서 제시하고 있는 2.5%로 가정하였다. 또한, 사용한계상태 및 극한한계상태의 최소철근비를 모두 제시하고 있는 KHBDC와 EC2에 의한 최소철근비는 극한한계상태에서의 철근비로 결정하였다.

제안 방법

단면 폭×유효 깊이는 320×250 mm, 순경간은 2,600 mm이며, 실험에 사용된 콘크리트 압축강도는 60 MPa, 철근의 항복강도는 400 및 500 MPa이다. 그러나 이 연구에서는 해석적인 연성도 평가를 수행하므로 300 MPa의 항복강도에 대한 해석을 추가로 수행하였다. 그리고 철근의 한계 변형률은 KHBDC에서 제시하고 있는 2.
따라서 이 연구에서는 CDC, KHBDC 및 EC2에서 제시하고 있는 최소철근비에 대한 내용을 고찰하였다. 그리고 KHBDC에서 제시하고 있는 재료 모델을 바탕으로 산정된 최소철근비에 대하여 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 피복두께의 영향을 살펴보았다. 또한, 최소철근량이 배치된 휨부재의 연성도 평가를 통하여 부재의 안전성을 평가함으로써 합리적인 최소철근비 산정 방법에 대한 방안을 연구하였다.
5%로 가정하였다. 또한, 사용한계상태 및 극한한계상태의 최소철근비를 모두 제시하고 있는 KHBDC와 EC2에 의한 최소철근비는 극한한계상태에서의 철근비로 결정하였다.
이 장에서는 2장에서와 같은 방법으로 계산된 최소철근량이 배치된 휨부재의 연성도를 평가하여 휨부재의 안전성을 평가하였다. 해석에 사용된 단면은 최소철근량을 배치한 철근콘크리트 휨부재의 휨실험에 대한 단면으로 Fig.
또한, Table 4에서는 각 재료 물성에 대한 최소철근비의 해석값과 실험에 사용된 최소철근비를 나타내었고, 변위연성도 결과를 나타내었다. 이때, 변위연성도에 대한 실험값이 있는 철근 항복응력이 400, 500 MPa인 경우에 대해서는 실험에 사용된 최소철근비를 반영하여 변위연성도를 해석적으로 산정하였다. 즉, CDC와 EC2에 의한 변위연성도 산정에서 사용된 최소철근비는 해석에 의한 최소철근비가 아닌 실험에 사용된 최소철근비이다.
이 연구에서는 각 설계 기준에서 제시하고 있는 최소철근비 규정에 대하여 고찰하고 콘크리트 압축강도, 철근 항복강도 및 피복 두께 비율에 대한 영향을 살펴보았다. 이를 통해 합리적인 최소철근비 산정 방법에 대하여 분석하였다. 이 연구를 통해 도출된 결과를 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

단면 폭×유효 깊이는 320×250 mm, 순경간은 2,600 mm이며, 실험에 사용된 콘크리트 압축강도는 60 MPa, 철근의 항복강도는 400 및 500 MPa이다.
이 장에서는 2장에서와 같은 방법으로 계산된 최소철근량이 배치된 휨부재의 연성도를 평가하여 휨부재의 안전성을 평가하였다. 해석에 사용된 단면은 최소철근량을 배치한 철근콘크리트 휨부재의 휨실험에 대한 단면으로 Fig. 8과 같다(Park et al., 2014). 단면 폭×유효 깊이는 320×250 mm, 순경간은 2,600 mm이며, 실험에 사용된 콘크리트 압축강도는 60 MPa, 철근의 항복강도는 400 및 500 MPa이다.
이 장에서는 앞서 설명한 각 설계 기준에 따른 최소철근비의 각종 변수들에 대한 해석을 통해 각 인자들의 영향을 살펴보았다. 해석을 위한 변수로서 콘크리트 압축강도는 30~90 MPa, 철근 항복강도는 300, 400 및 500 MPa 그리고 피복 두께 비율 d/h는 0.8 및 0.9이다.

이론/모형

로 표현된다. 이 연구에서는 변위를 산정하기 위해 KHBDC에서 제시하고 있는 p-r곡선과 변위 산정 방법을 사용하였다. 즉, 식 (10)을 통해 평균 유효곡률(1/r)_c을 산정하고, 식 (11)으로 변위를 산정하였다.

성능/효과

1) 극한한계상태에서 최소철근비는 철근 강도와 피복 두께 비율에 관계없이 fck ≤ 60MPa인 경우에는 p-r곡선을 사용한 경우의 최소철근비가 가장 작은 것으로 나타났다.
2) 극한한계상태에서 CDC 및 KHBDC와 EC2에서는 피복 두께의 영향을 반영하지 못하지만, KHBDC의 p-r 곡선 및 CDC의 등가직사각형 응력블록을 통해 최소철근비를 산정할 경우에는 이에 대한 영향도 고려할 수 있는 것으로 나타났다.
3) p-r곡선을 사용한 최소철근비는 CDC 및 KHBDC에 의한 최소철근비의 약 52~80% 수준이고, 연성 능력은 약 89% 수준으로 산정되었다. 그러나 p-r곡선을 통한 최소철근비가 배치된 휨단면의 연성도는 약 7.
6배 크게 산정되었다. KHBDC에 의한 해석 결과를 살펴보면 d/h = 0.8일 경우, p-r곡선을 사용한 값은 현 설계 기준 값의 약 67~80% 수준으로 나타났고, d/h = 0.9인 경우에는 p-r곡선을 사용할 때 현 설계 기준 값의 약 52~62% 수준으로 나타났다. 즉, 재료 모델을 사용한 최소철근비는 현 설계 기준에 의한 값에 비해 작게 산정되고, 이에 따라 철근량이 감소되어 경제적인 설계가 가능한 것으로 나타났다.
3) p-r곡선을 사용한 최소철근비는 CDC 및 KHBDC에 의한 최소철근비의 약 52~80% 수준이고, 연성 능력은 약 89% 수준으로 산정되었다. 그러나 p-r곡선을 통한 최소철근비가 배치된 휨단면의 연성도는 약 7.6 이상으로 충분한 연성 능력을 가지고 있는 것으로 나타났다.
025에 도달함으로써 발생하는 것으로 나타났다. 그리고 해석에 의한 최소철근비가 반영된 변위연성도를 살펴볼 때, 그 크기는 KHBDC와 CDC에 의한 값이 가장 크고 p-r곡선을 사용한 경우 변위연성도가 가장 작게 나타났다. 즉, p-r곡선을 사용한 변위연성도는 KHBDC의 변위연성도의 약 89 % 수준으로 나 타났다.
단면 해석 결과 부재의 파괴는 콘크리트 압축파괴가 아닌 철근의 파단 즉, 철근의 변형률이 먼저 한계 변형률인 0.025에 도달함으로써 발생하는 것으로 나타났다. 그리고 해석에 의한 최소철근비가 반영된 변위연성도를 살펴볼 때, 그 크기는 KHBDC와 CDC에 의한 값이 가장 크고 p-r곡선을 사용한 경우 변위연성도가 가장 작게 나타났다.
현재 CDC 및 KHBDC의 최소철근량은 모멘트 팔길이 및 피복 두께를 고정된 값으로 가정하여 유도된 식인데 반해, 등가직사각형 응력블록 및 p-r곡선과 같은 재료 모델을 사용할 경우에는 이러한 가정이 불필요하므로 최소철근비에 대한 각 인자의 영향을 충분히 반영할 수 있는 것으로 판단된다. 또한, f_y = 300MPa과 f_y = 400 MPa인 경우, 현재 CDC 기준식과 등가직사각형 응력블 록에 의한 값을 비교하면, 재료 모델을 사용한 최소철근비는 현 설계 기준에 의한 값의 각각 약 77%와 61% 수준으로 감소되었다.
즉, 철근콘크리트 휨부재의 최소철근량은 균열휨모멘트와 설계휨강도 M_d가 동일하게 되는 철근량이라는 이론적인 접근이 가능하고, 설계휨강도와 균열휨모멘트를 적절하게 산정하면 최소철근비 역시 합리적으로 산정할 수 있다. 이러한 점을 고려할 때, 한계상태설계법에 기반한 KHBDC에서는 콘크리트 및 철근의 재료 모델을 제시하고 있으므로, 이러한 재료 모델을 바탕으로 한 힘의 평형 관계로부터 설계휨강도를 산정하고, 이 설계휨강도가 균열휨모멘트와 동일하게 되는 철근량을 최소철근량으로 규정할 수 있을 것으로 판단된다.
12ln(1+(f_ck + 8)/10)이다. 이상에서 살펴본 바와 같이 사용한계상태에서 휨부재의 최소철근량은 KHBDC와 EC2에서 동일한 방법으로 산정하도록 하고 있으나, 세부적으로 콘크리트 인장강도를 산정하는 방법에 차이가 있어 필연적으로 두 기준 사이의 최소철근량에는 차이가 발생함을 알 수 있다.
그리고 해석에 의한 최소철근비가 반영된 변위연성도를 살펴볼 때, 그 크기는 KHBDC와 CDC에 의한 값이 가장 크고 p-r곡선을 사용한 경우 변위연성도가 가장 작게 나타났다. 즉, p-r곡선을 사용한 변위연성도는 KHBDC의 변위연성도의 약 89 % 수준으로 나 타났다. 그러나 변위연성도는 전체해석 대상에서 7.
9인 경우에는 p-r곡선을 사용할 때 현 설계 기준 값의 약 52~62% 수준으로 나타났다. 즉, 재료 모델을 사용한 최소철근비는 현 설계 기준에 의한 값에 비해 작게 산정되고, 이에 따라 철근량이 감소되어 경제적인 설계가 가능한 것으로 나타났다.
이러한 철근의 실제 강도와 설계 강도 사이의 차이는 실제 및 설계 최소철근량의 차이를 발생시킨다. 즉, 최소철근량은 철근의 항복강도에 반비례하므로 설계시 철근량은 실제 철근 강도를 반영한 철근량에 비해 약 17~23%의 철근량이 더 배치되어 안전측이 됨을 알 수 있다.
또한, 앞선 해석 결과에서와 같이 p-r곡선을 통해 산정된 최소철근비(식 (9))가 배근된 휨부재는 충분한 연성 능력을 가지고 철근비 역시 감소될 수 있다는 점에서 경제적인 설계가 가능한 것으로 판단된다. 즉, 해석의 일관성과 경제성 및 안전성을 모두 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
앞 절에서 살펴본 바와 같이 각 설계 기준 및 재료 모델을 사용한 최소철근비가 배치된 휨부재는 모두 기본적으로 휨강도를 만족하고 동시에 충분한 연성 능력을 확보하고 있음을 알 수 있다. 특히, p-r곡선을 사용하여 산정된 최소철근량이 배치된 휨부재의 경우 충분한 연성 능력을 보유하고, 최소철근량은 현 설계 기준에서 제시한 값에 비해 약 52~80% 수준으로 감소되는 것으로 나타났다. 현재 설계 기준에 의한 최소철근비는 근본적으로는 휨강도와 균열휨모멘트가 동일하게 되는 철근비이지만, 모멘트 팔길이 및 단면 크기 등에 대한 가정이 필요하다.
이에 반해, p-r 곡선은 단면의 휨강도 뿐만 아니라, 처짐 및 균열폭 등의 산정에도 사용될 수 있다. 특히, p-r곡선을 통하여 설계휨강도를 산정하고 이 값이 균열휨모멘트와 동일하게 되는 철근비를 최소철근비 결정함으로써 이론적 합리성과 설계의 안전성 및 경제성을 동시에 만족할 수 있는 것으로 나타났다.
, 2014)되고 있고, 내진 설계를 위한 최소 연성도가 5라는 점에서 최소철근비로 배치된 휨부재 역시 연성 능력이 충분하다는 것을 알 수 있다. 특히, 현재 설계기준의 최소철근비로 배치된 부재 뿐만 아니라 등가직사각형 응력블록 및 p-r곡선을 사용하여 산정된 최소철근비로 배치된 부재 역시 충분한 연성능력을 보이는 것으로 나타났다.
이때, f_y = 300MPa 이다. 해석 결과 CDC의 경우 d/h = 0.8 및 d/h = 0.9일 때 현 설계 기준에 의한 값이 재료 모델을 사용한 값에 비해 각각 약 1.3배 그리고 약 1.6배 크게 산정되었다. KHBDC에 의한 해석 결과를 살펴보면 d/h = 0.
8일 때 철근 항복강도에 따른 최소철근비를 나타내었다. 해석 결과 콘크리트 압축강도가 증가함에 따라 최소철근비는 증가하였다. 이는 최소철근비는 콘크리트 인장강도에 비례하고, 콘크리트 인장강도는 다시 압축강도에 비례하기 때문이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소량의 철근이 배치된 휨부재에서 취성파괴 방지를 위한 해결방법은?	이는 휨부재 내에 배치되는 철근량을 조절함으로써 가능한데, 소량의 철근이 배치된 휨부재에서는 휨균열이 발생함과 동시에 철근이 항복하면서 파괴되는 취성 파괴가 발생할 수 있다. 따라서 철근콘크리트 휨부재 설계시에는 이러한 취성 파괴를 방지하기 위한 최소철근량 이상의 철근을 배치함으로써 연성 파괴를 유도하여야 한다. 이에 각 설계 기준에서는 압축 철근의 유무와 관계없이 최소철근비에 대한 규정을 두고 있다.
	소량의 철근이 배치된 휨부재에서 발생할 수 있는 것은?	근본적으로 철근콘크리트 휨부재는 철근의 항복을 전제로 하여 연성 거동을 하도록 설계된다. 이는 휨부재 내에 배치되는 철근량을 조절함으로써 가능한데, 소량의 철근이 배치된 휨부재에서는 휨균열이 발생함과 동시에 철근이 항복하면서 파괴되는 취성 파괴가 발생할 수 있다. 따라서 철근콘크리트 휨부재 설계시에는 이러한 취성 파괴를 방지하기 위한 최소철근량 이상의 철근을 배치함으로써 연성 파괴를 유도하여야 한다.
	프리스트레스트 콘크리트에 일반적으로 사용되는 것은?	이러한 점에서 건설 재료의 고성능화 특히, 고강도화는 급속 시공을 가능하게 하고 이로써 경제성을 향상시킬 수 있다는 점에서 중요하다. 일반적으로 프리스트레스트 콘크리트에는 고강도 콘크리트 및 철근이 사용되고, 최근 일반 철근콘크리트 구조물에도 고강도 콘크리트 및 철근의 사용이 증가하고 있다. 이러한 고강도 재료를 부재 설계에 사용할 경우 단면을 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 철근량 역시 감소시킬 수 있다.

참고문헌 (7)

European Committee for Standardization (2002), Eurocode 2-Design of Concrete Structures, 120-121, 153.
Kim, C. S. and Park, H. G. (2010), Longitudinal Reinforcement Ratio for Performance-based Design of Reinforced Concrete Columns, Journal of the Korea Concrete Institute, 22(2), 187-197(in Korean).

원문보기 상세보기
Kim, W. (2015), Limit State Design of Concrete Structures, Dongwha publication, 265-266(in Korean).
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2012), Concrete Design Code, 101-102(in Korean).
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2012), Korea Highway Bridge Design Code(Limit state design), Korea, 5-12, 5-44, 5-72, 5-77, 5-78, 5-110(in Korean).
Paik, I. Y., Shim, C. S., Chung, Y. S., and Sang, H. J. (2011), Statistical Properties of Material Strength of Concrete, Re-Bar and Strand Used in Domestic Construction Site, Journal of the Korea Concrete Institute, 23(4), 421-430(in Korean).

원문보기 상세보기
Park, S. J., Kang, T. S., and Moon, D. Y. (2014), A Study on the Flexural Minimum Reinforcement for Prevention of Brittle Failure Specified in KCI and EN Codes, Journal of the Korea Concrete Institute, 26(2), 211-218(in Korean).

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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