철근 콘크리트 부재에서 균열은 구조적 요인 뿐만 아니라 재료적 인자에 의해서도 발생한다. 이러한 균열의 크기와 발생 위치를 파악하는 것은 매우 어렵다. 도로교설계기준(한계상태설계법)과 콘크리트구조기준(2012)에서는 균열을 제어하기 위해 직접균열제어 방법과 간접균열제어 방법을 제시하였다. 콘크리트구조기준 본문에서는 사용하중 하에서 철근 간격을 사용하여 간접적으로 균열을 제어한다. 이에 반해, 콘크리트구조기준 부록에서는 지속하중 하에서 균열폭을 통해 직접적으로 균열을 제어한다. 즉, 균열 제어를 위해 고려하는 하중 상태가 상이하다. 그러나 도로교설계기준에서는 사용하중조합에서 균열을 제어하고, 유효탄성계수를 사용하고 있다. 따라서 이 연구에서는 고정 하중과 활하중의 비율을 반영할 수 있는 유효탄성계수를 적용한 설계 균열폭으로부터 최대철근간격을 산정하였다. 그리고 변수 해석을 수행하여 합리적인 균열 검증 방법에 대하여 모색하였다. 해석 결과 콘크리트구조기준으로부터 유도된 철근 간격은 도로교설계기준으로부터 유도된 값보다 작아 보수적인 설계를 유도하였다. 또한, 이 연구에서 제시한 최대철근간격은 직접균열제어와 간접균열제어 사이의 차이를 제거하여 해석의 일관성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
철근 콘크리트 부재에서 균열은 구조적 요인 뿐만 아니라 재료적 인자에 의해서도 발생한다. 이러한 균열의 크기와 발생 위치를 파악하는 것은 매우 어렵다. 도로교설계기준(한계상태설계법)과 콘크리트구조기준(2012)에서는 균열을 제어하기 위해 직접균열제어 방법과 간접균열제어 방법을 제시하였다. 콘크리트구조기준 본문에서는 사용하중 하에서 철근 간격을 사용하여 간접적으로 균열을 제어한다. 이에 반해, 콘크리트구조기준 부록에서는 지속하중 하에서 균열폭을 통해 직접적으로 균열을 제어한다. 즉, 균열 제어를 위해 고려하는 하중 상태가 상이하다. 그러나 도로교설계기준에서는 사용하중조합에서 균열을 제어하고, 유효탄성계수를 사용하고 있다. 따라서 이 연구에서는 고정 하중과 활하중의 비율을 반영할 수 있는 유효탄성계수를 적용한 설계 균열폭으로부터 최대철근간격을 산정하였다. 그리고 변수 해석을 수행하여 합리적인 균열 검증 방법에 대하여 모색하였다. 해석 결과 콘크리트구조기준으로부터 유도된 철근 간격은 도로교설계기준으로부터 유도된 값보다 작아 보수적인 설계를 유도하였다. 또한, 이 연구에서 제시한 최대철근간격은 직접균열제어와 간접균열제어 사이의 차이를 제거하여 해석의 일관성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
Cracks in RC members occurred as a result of material and structural factors. The crack width and a crack location are very difficult to examine. A direct crack control method and indirect crack control method to control a crack are presented in the KHBDC (LSD) and KSCDC (2012). In the KSCDC text, c...
Cracks in RC members occurred as a result of material and structural factors. The crack width and a crack location are very difficult to examine. A direct crack control method and indirect crack control method to control a crack are presented in the KHBDC (LSD) and KSCDC (2012). In the KSCDC text, cracks are controlled by steel spacing indirectly under a service load. On the other hand, in the KSCDC appendix, cracks are controlled by a crack width directly under a sustained load. In particular, the loading state considered is different. On the other hand, cracks are controlled under a combination of service load and an effective elastic modulus is used in KHBDC. Therefore, in this study, an effective elastic modulus that can reflect the ratio of the sustained load and live load was applied, and a maximum steel spacing was calculated through a design crack width. A variable interpretation was carried out, and a rational crack control method was assessed. As a result, a steel spacing through the design crack width in the KSCDC was smaller than that from the design crack width in the KHBDC, which leads to a conservative design. In addition, the maximum steel spacing suggested in this study has a consistency eliminating the difference between direct crack control and indirect crack control.
Cracks in RC members occurred as a result of material and structural factors. The crack width and a crack location are very difficult to examine. A direct crack control method and indirect crack control method to control a crack are presented in the KHBDC (LSD) and KSCDC (2012). In the KSCDC text, cracks are controlled by steel spacing indirectly under a service load. On the other hand, in the KSCDC appendix, cracks are controlled by a crack width directly under a sustained load. In particular, the loading state considered is different. On the other hand, cracks are controlled under a combination of service load and an effective elastic modulus is used in KHBDC. Therefore, in this study, an effective elastic modulus that can reflect the ratio of the sustained load and live load was applied, and a maximum steel spacing was calculated through a design crack width. A variable interpretation was carried out, and a rational crack control method was assessed. As a result, a steel spacing through the design crack width in the KSCDC was smaller than that from the design crack width in the KHBDC, which leads to a conservative design. In addition, the maximum steel spacing suggested in this study has a consistency eliminating the difference between direct crack control and indirect crack control.
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문제 정의
따라서 이 연구에서는 콘크리트 유효탄성계수를 통해 지속하중과 활하중의 영향을 반영함으로써 콘크리트구조기준의 균열제어 방법에 대한 타당성을 검토하였다. 특히, 유효탄성계수를 반영한 설계균열폭으로부터 최대철근간격을 계산하고 이에 대한 변수 해석을 통해 합리적인 균열제어 방법에 대하여 연구하였다.
콘크리트구조기준에서는 철근 간격에 대하여 동일 평면에 평행한 철근 사이의 수평 순간격은 25 mm 이상 혹은 철근의 공칭지름 이상으로 규정하고 있고, 수평 최대간격은 450 mm 이하로 제시하고 있다[1]. 이 연구에서는 간접균열제어 인자로 사용되는 철근 간격에 영향을 미치는 변수에 대하여 해석적으로 검토하였다. 사용된 해석 변수로서 콘크리트 압축강도(fe)는 (30～80) MPa,철근 항복강도(fy)는 300, 400 및 500 MPa이고, 피복두께(ee)는 30, 40 및 50 mm이다.
이 연구에서는 콘크리트구조기준과 도로교설계기준에서 제시하고 있는 균열 제어 방법에 대하여 살펴보았다. 두 설계기준에서 제시하고 있는 설계균열폭으로부터 최대철근간격을 유도하였고 여러 변수에 대한 영향을 평가하였다.
따라서 이 연구에서는 콘크리트 유효탄성계수를 통해 지속하중과 활하중의 영향을 반영함으로써 콘크리트구조기준의 균열제어 방법에 대한 타당성을 검토하였다. 특히, 유효탄성계수를 반영한 설계균열폭으로부터 최대철근간격을 계산하고 이에 대한 변수 해석을 통해 합리적인 균열제어 방법에 대하여 연구하였다.
가설 설정
사용된 해석 변수로서 콘크리트 압축강도(fe)는 (30～80) MPa,철근 항복강도(fy)는 300, 400 및 500 MPa이고, 피복두께(ee)는 30, 40 및 50 mm이다. 그리고 철근비는 균형철근비(pb)의 50 %, 단면 폭(b)은 1 000 mm, 단면 높이(h)는 400 mm, 허용균열폭은 0.3 mm로 가정하였다. 사용한 철근은 D16, 크리프 계수는 2.
2로 가정하였다. 또한, 고정하중에 의한 비율(MD)은 주어진 철근비에 대한 공칭휨강도(Mn)에 대하여 (0～100) %로 가정하였다.
3 mm로 가정하였다. 사용한 철근은 D16, 크리프 계수는 2.2로 가정하였다. 또한, 고정하중에 의한 비율(MD)은 주어진 철근비에 대한 공칭휨강도(Mn)에 대하여 (0～100) %로 가정하였다.
앞서 살펴 보았 듯이 콘크리트구조기준과 도로교설계기준에서는 균열간격과 평균변형률의 차의 곱으로 균열폭을 산정한다는 점에서 동일하나, 평균변형률의 차를 구하는 방법에서 차이가 있다. 즉, 콘크리트구조기준에서는 인장증강효과를 2차식으로 가정하였고, 도로교설계기준에서는 인장증강효과를 1차식[8]으로 가정하였다[7].
제안 방법
1) 콘크리트구조기준에 따른 균열 검증시 본문에서는 사용하중 하의 최대철근간격을 사용하지만, 부록에서는 지속하중 하의 균열폭을 사용한다. 따라서 균열 검증 및 해석에 사용하는 하중에 차이가 있어 검증 결과에 차이가 발생할 수 있다.
이 연구에서는 콘크리트구조기준과 도로교설계기준에서 제시하고 있는 균열 제어 방법에 대하여 살펴보았다. 두 설계기준에서 제시하고 있는 설계균열폭으로부터 최대철근간격을 유도하였고 여러 변수에 대한 영향을 평가하였다. 특히, 고정하중의 영향을 반영하기 위하여 유효탄성계수비를 적용하였다.
두 설계기준에서 제시하고 있는 설계균열폭으로부터 최대철근간격을 유도하였고 여러 변수에 대한 영향을 평가하였다. 특히, 고정하중의 영향을 반영하기 위하여 유효탄성계수비를 적용하였다. 이 연구의 해석 결과를 토대로 한 연구 내용을 요약하면 다음과 같다.
5 %인 경우, 고정하중 비율이 약 80 % 이상일때 설계균열폭으로부터 환산된 철근 간격은 24 mm 이하의 값이 되어 실제 시공이 어려워질 수 있는 것으로 나타났다. 피복두께에 따른 철근 간격 역시 다른 변수의 영향에서와 마찬가지로 콘크리트구조기준의 설계균열폭으로부터 유도한 값이 도로교설계기준으로부터 유도한값에 비해 작아 보수적인 설계를 유도하였다.
대상 데이터
이 연구에서는 간접균열제어 인자로 사용되는 철근 간격에 영향을 미치는 변수에 대하여 해석적으로 검토하였다. 사용된 해석 변수로서 콘크리트 압축강도(fe)는 (30～80) MPa,철근 항복강도(fy)는 300, 400 및 500 MPa이고, 피복두께(ee)는 30, 40 및 50 mm이다. 그리고 철근비는 균형철근비(pb)의 50 %, 단면 폭(b)은 1 000 mm, 단면 높이(h)는 400 mm, 허용균열폭은 0.
성능/효과
2) 고정하중 비율을 반영할 수 있는 유효탄성계수비를 적용한 설계균열폭으로부터 유도된 철근 간격을 사용함으로써 직접균열제어와 간접균열제어 사이의 일관성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
3) 고정하중 비율이 증가하고, 콘크리트 압축강도가 감소하고, 철근 응력이 증가하며, 피복두께가 증가함에 따라 최대철근간격은 감소하였다.
4) 모든 해석 대상의 고정하중 비율에서 콘크리트구조기준에 의해 유도된 철근 간격은 도로교설계기준에 의해 유도된 철근 간격에 비하여 동등하거나 작아 보수적인 설계를 유도하였다.
5) 콘크리트구조기준과 도로교설계기준에서 제시하고 있는 철근 간격은 두 설계기준의 설계균열폭으로부터 유도된 철근 간격에 비하여 고정하중 비율이 약 70 % 이하인 경우 작게 산정되었다. 도로교설계기준에서 제시하는 철근 간격은 두 설계기준에 의한 유도값에 비해 작은 보수적인 철근 간격을 나타내었다.
표와 그림에서 볼 수 있듯이 현재 콘크리트구조기준에 의한 철근 간격은 습윤환경에서 195 mm로서 사용하중을 사용하여 계산되므로 고정하중의 비율에 관계없이 철근 응력이 변하지 않아 동일한 철근 간격으로 계산된다. 그러나 콘크리트구조기준과 도로교설계기준의 설계균열폭을 통해 유도된 철근 간격은 유효탄성계수를 통해 고정하중 비율의 영향이 반영되어 철근 응력이 지속적으로 변하고, 이에 따라 고정하중 비율이 증가함에 따라 철근 간격은 점차 작아지는 것으로 나타났다. 콘크리트구조기준의 설계균열폭을 통해 산정된 철근 간격은 고정하중 비율이 70 % 이하인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값에 비해 약 1.
철근 항복강도가 400 MPa인 경우 사용하중 단계에서 철근 응력은 약 270 MPa이다. 그리고 유효탄성계수를 반영하여계산된 철근 응력이 270 MPa인 경우는 고정하중 비율이 약 (60～70) %인 것으로 나타났다. 이때 유도된 식으로부터 계산된 철근 간격은 (246～450) mm로서 현재 콘크리트구조기준에 의한 값인 195 mm 보다 큰 철근간격으로 나타났다.
이때, fe = 30MPa, fy = 400 MPa이고, ce = 40mm이다. 그림에서 볼 수 있듯이 도로교설계기준에서 제시하는 최대 철근 간격은 가장 보수적이었고, 이 값은 유효탄성계수비를 적용하여 현재 콘크리트구조기준의 철근 간격(식 (2))을 통해 계산된 철근 간격과 가장 유사한 값으로 나타났다.
그러나 현재 콘크리트구조기준에 의한 철근 간격은 이러한 콘크리트 압축강도의 영향을 반영하지 못하였다. 동일 조건에서 콘크리트구조기준의 설계균열폭을 통한 철근 간격은 도로교설계기준에 의해 유도된 철근 간격의 약 (53～58) % 수준으로 보수적인 설계를 유도하고 있는 것으로 나타났다. 그리고 fc < 70 MPa인 경우 현재 콘크리트구조기준의 철근 간격은 콘크리트구조기준의 설계균열폭에 의한 철근 간격의 약 (43～79) % 수준으로 작게 산정되었고 도로교설계기준의 설계균열폭으로부터 산정된 철근 간격 보다도 작아 가장 보수적인 균열제어를 유도하고 있음을 알 수 있다.
이때, fe = 30MPa이고 ce = 40mm이다. 모든 해석 상태에서 철근 항복강도가 증가함에 따라철근 간격은 감소하였다. 특히, fy = 300 MPa인 경우 설계균열폭을 통해 산정된 철근 간격은 대부분의 고정하중 비율에서 최대 철근 간격의 한계값인 450 mm로 나타났다.
3 배 크게 산정되었고, 고정하중 비율이 80 % 이상인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값의 약 (27～67) % 수준으로 보수적인 결과를 나타냈다. 이에 반해 도로교설계기준의 설계균열폭을 통해 산정된 철근 간격은 고정하중 비율이 80 % 이하인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값에 비해 약 1.2～2.3배 크게 산정되었고, 고정하중이 90 % 이상인 경우에는 현재 콘크리트구조기준의 약 (52～62) % 수준으로 보수적인 결과를 나타냈다. 철근 항복강도가 400 MPa인 경우 사용하중 단계에서 철근 응력은 약 270 MPa이다.
그러나 콘크리트구조기준과 도로교설계기준의 설계균열폭을 통해 유도된 철근 간격은 유효탄성계수를 통해 고정하중 비율의 영향이 반영되어 철근 응력이 지속적으로 변하고, 이에 따라 고정하중 비율이 증가함에 따라 철근 간격은 점차 작아지는 것으로 나타났다. 콘크리트구조기준의 설계균열폭을 통해 산정된 철근 간격은 고정하중 비율이 70 % 이하인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값에 비해 약 1.3～2.3 배 크게 산정되었고, 고정하중 비율이 80 % 이상인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값의 약 (27～67) % 수준으로 보수적인 결과를 나타냈다. 이에 반해 도로교설계기준의 설계균열폭을 통해 산정된 철근 간격은 고정하중 비율이 80 % 이하인 경우에는 현재 콘크리트구조기준에 의한 값에 비해 약 1.
후속연구
즉, 콘크리트구조기준이나 도로교설계기준의 설계균열폭으로부터 철근 간격을 유도하고(식 (11), 식 (12)), 고정하중에 의한 영향을 반영하기 위해 유효탄성계수비 Ece를 적용하는 것이다. 이러한 방법을 통해 직접균열제어와 간접균열제어 사이의 해석 결과에 대한 모순을 제거하고 장기하중에 대한 영향을 충분히 고려할 수 있어 해석의일관성과 합리성을 확보할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 구조물에 발생하는 균열은 무엇인가?
철근콘크리트 구조물에 발생하는 균열은 구조적 및 재료적으로 발생하는 것으로 필수불가결한 현상이다. 이러한 균열은 여러 가지 인자의 영향을 받으므로 그 크기와 발생 위치를 정확하게 파악하기 힘들다.
직접균열제어 방식의 단점은?
콘크리트구조기준 부록에서는 지속하중 하에서 균열간격과 평균변형률 차이의 곱으로 이루어진 이론적인 설계균열폭이 허용균열폭이내가 되도록 하는 직접균열제어 방법을 제시하고 있다. 이러한 직접균열제어 방식은 균열폭을 산정하여 실제 구조물에 발생할 수 있는 균열을 제어한다는 점에서 간접균열제어 방법보다 정확하나, 균열폭을 산정하는데 많은 변수가 존재하여 그 해석이 다소 복잡하다는 단점이 있다. 콘크리트구조기준의 본문과 부록에서는 이와같이 각각 간접균열제어 방식과 직접균열제어 방식을 제시하고 있지만, 두 균열제어 방식에서 사용하는 하중 상태가 다르므로 실제 두 방법을 통해 균열을 검증할 경우해석 결과의 차이가 발생할 수 있다.
참고문헌 (8)
Korea Concrete Institute, Korea Structural Concrete Design Code 2012, pp. 84-85, 102, 299-302, 2012.
Korean Institute of Bridge and Structural Engineers, Korea Highway Bridge Design Code (Limit State Design), pp. 5-121-5-130, 2015.
Comite de Normalisation(CEN), Eurocode 2-Design of Concrete Structures, 122-131, 2002.
W. Kim, Limit State Design of Concrete Structures, pp. 426-440, DongHwa Technology Publishing, 2015.
S. W. Choi, "A Study of Crack Control with an Effective Modulus of Elastic in RC Members : Focused on Bar Diameter", Journal of Chosun College of Science & Technology, vol. 52, no. 1, pp. 33-38, 2017.
S. W. Choi, W. Kim, "Crack Control in Reinforced Concrete Flexural Members", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 23, no. 4, pp. 471-478, 2011. DOI: https://doi.org/10.4334/JKCI.2011.23.4.471
S. W. Choi, W. Kim, "Indirect Crack Controling Method Affected by Variation of Material Characteristics in Reinforced Concrete Flexural Members", Journal of the Korea Concrete Institute, vol. 23, no. 1, pp. 87-98, 2011. DOI: https://doi.org/10.4334/JKCI.2011.23.1.087
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