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문제 정의
- 일반적인 등분포하중을 받는 단순지지 된 콘크리트 보를 고려해보자. [Fig.
- 개발된 비정형 구조 부재의 성능을 검증하고자 기존 형상의 철근 콘크리트 부재와의 비교 예를 통해 초고강도 콘크리트를 적용한 비정형 부재와의 평가 검증을 수행하였다. 해석적 결과의 비교 및 분석을 통하여 콘크리트 계의 비정형 공간 트러스 요소의 효율적 설계 및 향후 실용화를 위한 비정형 콘크리트 구조 설계 및 상세 기술의 도입적 연구로 응용하고자 한다.
제안 방법
- 건축용 구조 부재를 대상으로 합리적인 비정형 부재 단면 및 형상안을 고려하여, 휨보다는 전단 거동에 지배적인 영향을 받는 경우에 한정하여 트러스 메커니즘의 원리를 이용한 콘크리트 부재의 스트럿-타이 해석법에 기준하여 비정형 트러스 형상안의 개발을 시도하였다. 개발된 비정형 구조 부재의 성능을 검증하고자 기존 형상의 철근 콘크리트 부재와의 비교 예를 통해 초고강도 콘크리트를 적용한 비정형 부재와의 평가 검증을 수행하였다. 해석적 결과의 비교 및 분석을 통하여 콘크리트 계의 비정형 공간 트러스 요소의 효율적 설계 및 향후 실용화를 위한 비정형 콘크리트 구조 설계 및 상세 기술의 도입적 연구로 응용하고자 한다.
- , 비정형 초고강도 콘크리트 공간 트러스 구조 요소의 제안 및 설계 기술에 대한 기초 연구를 시도하였다. 건축용 구조 부재를 대상으로 합리적인 비정형 부재 단면 및 형상안을 고려하여, 휨보다는 전단 거동에 지배적인 영향을 받는 경우에 한정하여 트러스 메커니즘의 원리를 이용한 콘크리트 부재의 스트럿-타이 해석법에 기준하여 비정형 트러스 형상안의 개발을 시도하였다. 개발된 비정형 구조 부재의 성능을 검증하고자 기존 형상의 철근 콘크리트 부재와의 비교 예를 통해 초고강도 콘크리트를 적용한 비정형 부재와의 평가 검증을 수행하였다.
- 보통 콘크리트 적용된 보의 예를 통해 비정형 형상을 고려한 초고강도 콘크리트의 적용에 따른 스트럿-타이 해석법에 의한 스트럿 형상 최적화를 통해 초고강도 콘크리트를 적용한 비정형 공간 트러스 구조의 설계를 시도하였다. 기존 철근 콘크리트 보에서 제시될 수 없는 초고강도 콘크리트 스트럿의 유효폭 최소화 설계를 통해 트러스 구조화 함으로서 경량화 및 슬림화 된 초고강도 콘크리트 트러스 부재로 설계가 가능하도록 하였다. 추정된 트러스 단면이 지나치게 작을 경우 철근을 통한 강도 확보를 위해 초고강도 콘크리트의 최소 면적을 확보하도록 한다.
- 더불어 단면 하연의 인장측은 인장응력을 부담하는 철근의 배치 이외에 초고강도 콘크리트의 높은 인장강도 및 고인성 인장변형률 특성을 활용하여 상연에 비해 상대적으로 최소화 된 하단부 폭과 면적을 갖도록 고려할 수 있다. 따라서 단면의 하부 폭은 상부 폭보다 상대적으로 좁게 하고, 구조 요소의 디자인에서 역동성을 갖도록 하기 위해 직선 요소를 탈피하여 곡선적 건축미를 갖도록 중앙 단면의 기본 구상을 [Fig. 5]와 같이 디자인하였다.
- 보통 콘크리트 적용된 보의 예를 통해 비정형 형상을 고려한 초고강도 콘크리트의 적용에 따른 스트럿-타이 해석법에 의한 스트럿 형상 최적화를 통해 초고강도 콘크리트를 적용한 비정형 공간 트러스 구조의 설계를 시도하였다. 기존 철근 콘크리트 보에서 제시될 수 없는 초고강도 콘크리트 스트럿의 유효폭 최소화 설계를 통해 트러스 구조화 함으로서 경량화 및 슬림화 된 초고강도 콘크리트 트러스 부재로 설계가 가능하도록 하였다.
- 본 연구에서는 80~200MPa 정도의 초고강도 압축강도, 8~20MPa 정도의 인장강도, 그리고 1~5%정도의 균열 후 고연성 인장변형률 능력을 갖는 초고강도 콘크리트의 역학 및 성형 성능을 활용4),5), 비정형 초고강도 콘크리트 공간 트러스 구조 요소의 제안 및 설계 기술에 대한 기초 연구를 시도하였다. 건축용 구조 부재를 대상으로 합리적인 비정형 부재 단면 및 형상안을 고려하여, 휨보다는 전단 거동에 지배적인 영향을 받는 경우에 한정하여 트러스 메커니즘의 원리를 이용한 콘크리트 부재의 스트럿-타이 해석법에 기준하여 비정형 트러스 형상안의 개발을 시도하였다.
- 앞 장에서 소개된 부재 단면 및 길이 방향의 응력 분포 개념, 스트럿-타이 해석법, 건축미를 고려한 비정형 디자인 개념, 그리고 초고강도 콘크리트의 재료적 특성을 반영하여 새로운 비정형 트러스의 구조적 디자인을 시도하였다. 스트럿-타이 모델과 초고강도 콘크리트의 압축 스트럿 매커니즘의 효과9)를 극대화하여 스트럿의 유효 폭 및 기타 요소들을 고려하였다. [Fig.
- 압축 측에서 초고강도 증진에 따른 소정의 안정성 확보를 위해 강도저감계수를 적용하였다. 압축강도 특성값 ∅c 및 인장강도 특성값 ∅t은 각각 0.
- 앞 장에서 소개된 부재 단면 및 길이 방향의 응력 분포 개념, 스트럿-타이 해석법, 건축미를 고려한 비정형 디자인 개념, 그리고 초고강도 콘크리트의 재료적 특성을 반영하여 새로운 비정형 트러스의 구조적 디자인을 시도하였다. 스트럿-타이 모델과 초고강도 콘크리트의 압축 스트럿 매커니즘의 효과9)를 극대화하여 스트럿의 유효 폭 및 기타 요소들을 고려하였다.
- 앞 절의 솔리드형 단면을 갖는 UHPC1 보에서 진전하여 스트럿-타이 개념에 의한 비정형 트러스로 구조 디자인을 수행, 철근 및 초고강도 콘크리트로 설계된 비정형 트러스 보에 대한 디자인 예를 제시하였다. [Fig.
- 기준 예제 RC1의 설계휨강도는 UHPC1보다 약 79% 낮은 값으로 산정되었으며, 단면이 작은 UHPC2보다 약 44% 높은 휨강도로 산정되었다. 전단강도는 전단철근의 사용 유무 모두에 대해 비교하였다. 전단철근을 고려하지 않은 경우 UHPC1 보의 설계 전단강도는 6,614kN으로 RC1보다 약 7배, 그리고 UHPC2보다 약 2.
- 중앙 단면 형상의 기본 구상을 기준으로 부재 길이 방향으로의 휨 및 전단력 분포에 따른 길이 방향의 형상 디자인을 구현하였다. 부재의 지점과 중앙부의 높이가 전체적으로 동일한 경우 또는 휨모멘트의 영향이 크고 압축응력분포가 큰 중앙에서는 단면2차모멘트를 극대화시키고, 지점부에서는 전단력의 영향을 고려하여 지점과 중앙부의 높이가 길이 방향에 따라 곡선적으로 변화되도록 [Fig.
- 초고강도 콘크리트 적용 부재 단면에 대한 설계 휨강도 추정을 제시하였다. 앞 절의 초고강도 콘크리트의 고강도 압축 및 인장에서의 응력-변형률 관계 및 인장철근을 고려할 경우 비정형 부재 단면의 휨 응력 및 평형관계를 [Fig.
- 초고강도 콘크리트의 활용으로 구조 부재의 기능적 구조 성능뿐만 아니라 콘크리트가 갖는 조형미의 특징을 가질 수 있어 곡선적인 비정형의 건축미를 갖는 콘크리트로 설계 시공된 비정형 트러스 구조의 디자인을 제시, 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 기존 철근 콘크리트 보에서 제시될 수 없는 초고강도 콘크리트 스트럿의 유효폭 최소화 설계를 통해 트러스 구조화 함으로서 경량화 및 슬림화 된 초고강도 콘크리트 트러스 부재로 설계가 가능하도록 하였다. 추정된 트러스 단면이 지나치게 작을 경우 철근을 통한 강도 확보를 위해 초고강도 콘크리트의 최소 면적을 확보하도록 한다. 제시된 초고강도 콘크리트의 트러스 구조는 성형성 및 유동성의 장점으로 인해 곡선적인 비정형 미를 갖는 노출 콘크리트의 대공간 트러스 구조로의 활용이 가능할 것이다.
- 현대 건축에서 철근 콘크리트 부재는 전형적인 직사각형 단면 형상으로 설계되는데, 앞에서 소개된 초고강도 콘크리트는 강도 및 취성의 개선으로 프리캐스트화 할 경우 구조 부재를 곡선 또는 비정형 형상으로 설계 및 제작하는데 유리한 장점이 있다. 휨 및 전단을 받는 부재 길이 방향 및 단면에서의 힘의 흐름과 건축적 미적 효과를 살려 기존 직사각형 형상을 탈피한 곡선 및 비정형성을 갖는 구조 요소로 디자인을 시도하였다.
대상 데이터
- [Fig. 10]과 같이, 적용 예에 고려된 부재는 중앙부 단면의 상부폭 700mm, 하부폭 200mm, 단면 높이 1,400mm 곡선형의 비정형 단면을 갖고 있다. 부재의 순지간은 12m로서 단순지간이다.
- 보다 이상의 조건을 만족한다. 보강 철근과 연결되는 삼각형 모양의 콘크리트 절점 영역으로 구성되어 있다. Tie를 둘러싸는 삼각형 콘크리트 폭은 유효폭wt이라고 하며, ① 인장철근이 1열 배치되는 경우 철근 Tie의 wt은 타이 철근 도심에서 콘크리트 표면까지 거리의 2배 ② 다열 철근이 배치되는 경우 절점 영역의 응력을 정수압 상태로 고려할 경우 철근 Tie의 유효폭 상한값은 식 (18)에 의해 추정된다.
- [Table 2]에서 솔리드형 비정형 보의 예에 대한 제원을 나열하였다. 사용된 초고강도 콘크리트의 설계기준강도는 180MPa이다. RC01은 30MPa의 보통 콘크리트를 사용한 직사각형의 등단면 철근 콘크리트 보, UHPC1은 비정형 초고강도 콘크리트 적용 보, 그리고 UHPC2는 비정형 초고강도 콘크리트 적용 보인데, 앞의 비정형 보와 달리 단면 규격을 변경하여 단면의 상부폭은 600mm, 하부폭은 200mm, 높이는 800mm를 고려한 경우이다.
- 스트럿-타이 형상의 지점부 높이는 500mm, 중앙부의 높이는 800mm로 선정되었다. 스트럿-타이 모델링 된 사재는 압축재인 하우트러스 형태로 선정되었다. 스트럿-타이 해석으로 산정된 각 스트럿 및 타이의 부재력은 [Fig.
- 5kN인 경우로 고려, 스트럿-타이 모델에 의해 최적화 된 형상은 길이 방향으로 지점부에서의 단면 높이가 최소화 되고 중앙부에서 단면의 높이가 최대화 되는 비정형 스트럿-타이 구조로 형성되도록 하였다. 스트럿-타이 형상의 지점부 높이는 500mm, 중앙부의 높이는 800mm로 선정되었다. 스트럿-타이 모델링 된 사재는 압축재인 하우트러스 형태로 선정되었다.
성능/효과
- 기준 예제 RC1의 설계휨강도는 UHPC1보다 약 79% 낮은 값으로 산정되었으며, 단면이 작은 UHPC2보다 약 44% 높은 휨강도로 산정되었다. 전단강도는 전단철근의 사용 유무 모두에 대해 비교하였다.
- 보통 콘크리트와 달리 초고강도 콘크리트의 높은 압축강도와 인장강도 및 균열 이후의 고연성 인장 변형률 거동으로 인해 기존 직사각형 등단면의 철근 콘크리트 부재에서 보다 경량화 및 슬림화된 비정형의 부재 설계를 통해서도 높은 설계 휨강도 및 전단강도를 발휘할 수 있었다.
- 12]와 같이 제시하였다. 본 설계 결과는 초고강도 콘크리트로 제작 가능한 비정형 형상의 특징과 더불어 솔리드형 콘크리트 부재의 불필요한 요소를 제거하여 전체 중량을 줄인 경량화 및 슬림화가 가능한 콘크리트 적용 트러스 구조로 제시되었다.
- 솔리드형 최적화된 비정형 초고강도 콘크리트 적용 보는 기존의 직사각형 등단면의 철근 콘크리트 보에 비해 높은 휨강도로 부재의 비정형화 및 슬림화에 유리하고, 초고강도 콘크리트에 혼입된 강섬유의 전단기여분이 우수하여, 전단철근을 최소화 할 수 있는 설계 결과를 보여주었다.
후속연구
- 추정된 트러스 단면이 지나치게 작을 경우 철근을 통한 강도 확보를 위해 초고강도 콘크리트의 최소 면적을 확보하도록 한다. 제시된 초고강도 콘크리트의 트러스 구조는 성형성 및 유동성의 장점으로 인해 곡선적인 비정형 미를 갖는 노출 콘크리트의 대공간 트러스 구조로의 활용이 가능할 것이다.
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