[논문]철근콘크리트 부재의 전단강도 산정모델

이득행; 한선진; 김강수

doi:10.11112/jksmi.2020.24.5.1

철근콘크리트 부재의 전단강도 산정모델
Shear Strength Estimation Model for Reinforced Concrete Members 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.5, 2020년, pp.1 - 8

이득행 (충북대학교 건축공학과) , 한선진 (서울시립대학교 건축학부) , 김강수 (서울시립대학교 건축학부)

초록
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이 연구에서는 철근콘크리트 부재의 전단파괴가 휨-전단 메커니즘에 지배된다는 가정을 바탕으로 인장측과 압축측에 대한 2개의 전단요구곡선들과 이에 대응되는 잠재전단강도곡선들을 각각 도출하였으며, 이를 기반으로 전단강도 산정모델을 제안하였다. 제안모델에서는 철근과 콘크리트의 부착거동을 고려하여 휨균열폭과 철근의 국부응력증가분을 산정하였다. 또한, 휨균열로부터 발전되는 지배전단균열의 생성과 균열진전거동을 이론적으로 모사하기 위하여 균열집중계수를 도입하였으며, 이를 통해 단면높이가 큰 철근콘크리트 부재에서 관측되는 크기효과를 반영하였다. 또한, 기존의 해석모델과는 다르게 전단철근과 콘크리트의 전단기여분 사이의 상호작용을 고려할 수 있는 새로운 형태의 수식을 개발하였다. 제안모델의 검증을 위하여 방대한 전단실험체들을 기존문헌으로부터 수집하였으며, 이를 통해 해석모델을 검증한 결과는 제안모델이 실험체들의 재료, 크기 및 철근의 부착특성에 관계없이 실험결과를 정확하게 평가할 수 있음을 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents a shear strength estimation model, in which the shear failure of a reinforced concrete (RC) member is assumed to be governed by the flexure-shear mechanism. Two shear demand curves and corresponding potential capacity curves for cracked tension and uncracked compression zones are derived, for which the bond mechanism developed between reinforcing bars and surrounding concrete is considered in flexural analysis. The shear crack concentration factor is also addressed to consider the so-called size effect induced in large RC members. In addition,unlike exising methods, a new formulation was addressed to consider the interaction between the shear contributions of concrete and stirrup. To verify the proposed method, an extensive shear database was established, and it appeared that the proposed method can capture the shear strengths of the collected test specimens regardless of their material properties, geometrical features, presence of stirrups, and bond characteristics.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1 Bond mechanism-based flexural behavior estimation model
그림 Fig. 2 Constitutive model of materials
그림 Fig. 3 Test results reported by Lee et al. (2020)
그림 Fig. 4 Inter-relation approach for contribution of shear reinforcement
그림 Fig. 5 Verification of proposed model

AI 본문요약
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가설 설정

(2006), and Choi et al.(2007a, b)은 휨손상을 경험한 중립축하 부의 균열된 콘크리트 웹의 전단저항(즉, 골재의 맞물림 작용)은 무시할 수 있을 정도로 작다고 가정하였다. 또한, 철근콘크리트 부재의 전단저항 메커니즘들의 기여분을 단순히 누가하는 연구들도 있었다.
여기서, _는 균열면을 가로지르는 전단 철근의 개수로써 _cot_으로 산정할 수 있으며, 는중립축의 깊이, _는 전단철근의 간격이다. Fig. 4에 나타낸 것과 같이, DPCM에서는 전단철근이 균열이 발생된 인장 측에서만 전단저항을 제공하는 것으로 가정하였다. 따라서, 압축 측의 요구전단력(_{})은
전단균열에서의 변형집중현상, 즉 균열폭의 집중현상을 바탕으로 이 연구에서는 일정한 간격을 갖는 전단균열 부근에 분 포된 휨균열들의 변형이 전단균열에 집중된다고 가정하였다. 이러한 균열폭의 집중현상은 휨균열간격( )과 전단균열간 격( )의 상대적 비율인 균열집중계수(crack concentration factor, )를 도입함으로써 정량화 시킬수 있으며, 으 로 산정할 수 있다.
, 2017). 휨모멘트가 작용하는 콘크리트 단면에 발생되는 인장응력이 콘크리트의 인장강도 보다 크게 되면 휨균열이 발생되며, 이때 휨 균열은 압축응력이 작용하고 있는 중립축 상부로는 발전하지 못한다고 가정할 수 있다. MCFT(Vecchio and Collins, 1986) 및 교란응력장모델(distrubded stress field model, DSFM) (Vecchio, 2000)에 따르면, 균열이 발생된 인장측에서 균열 면사 이의 콘크리트에 발생되는 응력분포와 균열면에서의 응력분포는 평형을 이뤄야 하므로

제안 방법

부재의 전단강도는 원칙적으로 부재의 전 길이에 걸쳐서 검토해야 하지만, 편의상 휨모멘트가 큰 하중점에서 유효깊이()만큼 떨어진 단면과 전단력이 큰 단부 지지점으로부터 유효깊이()만큼 떨어진 단면 위치에서 검토하였다. 균열 각은 휨모멘트가 작고 전단력이 큰 단순보의 지점 부근(즉,  )에서는 45^o, 휨모멘트가 큰 단순보의 하중점 부근 과연 속보의 내부지점 부근(즉, _ )에서는 Reine ck(1991) 이제 시한 60^o를 적용하였다.
여기서, 는 부재의 유효깊이( )이며, 여러 층의 철근(skin reinforcement)이 배치된 경우에는 길이방 향철근 사이의 거리로 취할 수 있다. 이 연구에서 제안된 DPCM에서는 균열집중계수를 통해 크기효과(size effect)를 해석에 반영하였다
이 연구에서는 2개의 전단저항 메커니즘, 즉 인장측의 전단 저항과 압축측의 전단저항을 고려하여 철근콘크리트 부재의 전단 강도를 산정하는 해석모델을 제안하였다. 제안모델에서는 철근과 콘크리트 사이의 부착메커니즘을 고려한 휨 해석을 통하여 철근의 국부응력증가분과 휨균열폭을 산정하였으며, 콘크리트부재의 크기효과에 대한 고려를 위하여 전단균열집중계수를 도입하였다.
이 연구에서는 기존 연구들과 다르게, 특정 단면에 작용하는 전단력을 균열된 인장측에서 국부적으로 증가되는 철근의 응력에 의하여 유발되는 요구 골재맞물림력과 비손상된 압축 측에서 저항 되어야 하는 요구전단력으로 구분한 이 중 잠재강도 개념을 도입하였으며, 작용하중의 크기에 따라 변화하는 각각의 요구전단력에 대응되는 잠재전단 강도(파괴기준)를 정의하였다. 이와 더불어 단면의 높이가 큰 콘크리트 부재에서 나타나는 크기효과(size effect)를 설명하기 위하여 균열집중계수를 도입하였다.
주어진 최외단 압축측 콘크리트 변형률(_)에 대하여 중립축 깊이()를 가정하면, 인장철근의 변형률(_)과 압축철근의 변형률(′) 은 베르누이(Bernoulli)의 평면유지법칙을 적용하여 산정할 수 있다. 이를 기반으로, 압축측 콘크리트의 힘(_), 인장철근의 힘(_) 및 압축철근의 힘(_)을 계산할 수 있고, 힘의 평형을 만족하는 중립축깊이()가 결정될 때까지 반복계산을 수행한다. 여기서, 콘크리트의 재료구성모델은 Fig.
이와 더불어 단면의 높이가 큰 콘크리트 부재에서 나타나는 크기효과(size effect)를 설명하기 위하여 균열집중계수를 도입하였다. 제안모델에서는 두 개의 전단 요구 곡선 중 먼저 잠재 전단강도에 도달하는 전단저항 메커니즘에 의하여 부재의 파괴모드가 결정된다.
이와 더불어 단면의 높이가 큰 콘크리트 부재에서 나타나는 크기효과(size effect)를 설명하기 위하여 균열집중계수를 도입하였다. 제안모델에서는 두 개의 전단 요구 곡선 중 먼저 잠재 전단강도에 도달하는 전단저항 메커니즘에 의하여 부재의 파괴모드가 결정된다. 또한, 제안모델은 전단 철근이 배치된 철근콘크리트 부재의 전단거동과 전단 철근이 배치되지 않은 부재의 전단거동 차이를 이론적으로 설명할 수 있다.
제안모델에서는 철근과 콘크리트 사이의 부착메커니즘을 고려한 휨 해석을 통하여 철근의 국부응력증가분과 휨균열폭을 산정하였으며, 콘크리트부재의 크기효과에 대한 고려를 위하여 전단균열집중계수를 도입하였다. 제안모델은 전단강도에 영향을 미치는 주요 변수들의 영향을 고려하였으며, 특히 인장철근의 부착 특성 및 피복두께의 영향도 반영할 수 있다.
으로 산정할 수 있다. 제안모델에서는 한 개의 전단저항 메커니즘(즉, 인장측 또는 비손상 압축측 콘크리트 측 메커니즘) 이 전단력(_)에 저항하는 것이 아니라, 2개의 메커니즘이 모두 전단저항을 제공한다.
4는 DPCM의 해석개념을 정리하여 나타낸 것이다. 제안모델은 외부전단력(_)을 압축측과 인장측의 전단 요구량으로 각각 나누고(_{}와 _{}), 각각에 대응되는 강도곡선 (와 )과 만나는 점들 중에서 최소값을 전단 강도로 결정한다. 제안모델과 기존 해석모델의 가장 큰 차이점은 제안모델에서는 인장측에서의 요구전단력(_{})이 인장측 잠재전단강도()를 초과하면, 압축측의 잠재전단강도 ()가 아무리 여유 있게 남아 있더라도 부재가 더 이상 외력에 저항할 수 없는 것으로 간주된다.

이론/모형

(1969) 및 Xie et al.(2011)의 연구에 기반하여 비 균열 압축측의 잠재압축강도(_{})를 정의하였다. 휨모멘트에 의해 발생된 압축응력이 작용하는 압축측의 전단강도 는
2(a)에 나타낸 비선형모델을 적용하였고(Collins and Mitchell, 1991), 길이 방향 철근은 Fig. 2(b)에 나타낸 변형률경화모델을 사용하였다(Lee et al., 2016). 위와 같은 방법을 통하여 단면의 휨 거동을 산정할 수 있으며, 각 하중단계별로 균열면에서 철근의 응력(max)과 국부응력증가분(_)을 결정할 수 있다.
해석모델의 핵심요소인 부착-미끌림(bond-slip) 관계는 Fig. 2(c)에 나타낸 CEB-FIP model code(Comite Euro-International du Beton, 1991) 모델을 사용하였으며, 여기서 최대 부착강도 (max)는 이형철근과 원형철근에 대하여 각각 ′과 ′을 적용하였고_,여기서 _′는 콘크리트 압축강도이다. 균열면에서 철근과 콘크리트 사이의 미끌림(slip, _)은 철근과 콘크리트의 신장량 차이(__)로 산정할 수 있다.
균열 각은 휨모멘트가 작고 전단력이 큰 단순보의 지점 부근(즉,  )에서는 45^o, 휨모멘트가 큰 단순보의 하중점 부근 과연 속보의 내부지점 부근(즉, _ )에서는 Reine ck(1991) 이제 시한 60^o를 적용하였다. 여기서 _는 단면에 작용하는 휨모멘트의 크기이다.
으로 산정할 수 있다. 여기서, _은 콘크리트 휨인 장강 도로써 현행설계기준(ACI Committee 318, 2019)에 근거하여 ′를 적용하였다_.이를 바탕으로 인장철근위치에서 휨균열폭()은
앞서 설명된 바와 같이 DPCM에서는 인장측의 전단요구곡 선과 강도곡선 및 압축측의 전단요구곡선과 강도곡선을 각각 결정해야 한다. 인장측의 전단강도곡선(  )은 Vecchio and Collins(1986)가 제안한 골재맞물림 강도모델을 사용하여 다음과 같이 정의하였다.

성능/효과

, 2017). 검증결과, 제안모델은 수집된 실험체들의 전단강도를 부재의 유효깊이와 전단 철근의 유무에 관계없이 상당히 우수한 정확도로 평가하는 것으로 나타났다.
제안모델은 전단강도에 영향을 미치는 주요 변수들의 영향을 고려하였으며, 특히 인장철근의 부착 특성 및 피복두께의 영향도 반영할 수 있다. 기존에 수행된 전단실험 결과를 이용하여 제안모델을 검증한 결과, 제안모델은 수집된 실험체들의 전단강도를 상당히 우수한 정확도로 평가하였다.
제안모델은 외부전단력(_)을 압축측과 인장측의 전단 요구량으로 각각 나누고(_{}와 _{}), 각각에 대응되는 강도곡선 (와 )과 만나는 점들 중에서 최소값을 전단 강도로 결정한다. 제안모델과 기존 해석모델의 가장 큰 차이점은 제안모델에서는 인장측에서의 요구전단력(_{})이 인장측 잠재전단강도()를 초과하면, 압축측의 잠재전단강도 ()가 아무리 여유 있게 남아 있더라도 부재가 더 이상 외력에 저항할 수 없는 것으로 간주된다. 반대의 경우도 마찬가지이다.
제안모델에서는 철근과 콘크리트 사이의 부착메커니즘을 고려한 휨 해석을 통하여 철근의 국부응력증가분과 휨균열폭을 산정하였으며, 콘크리트부재의 크기효과에 대한 고려를 위하여 전단균열집중계수를 도입하였다. 제안모델은 전단강도에 영향을 미치는 주요 변수들의 영향을 고려하였으며, 특히 인장철근의 부착 특성 및 피복두께의 영향도 반영할 수 있다. 기존에 수행된 전단실험 결과를 이용하여 제안모델을 검증한 결과, 제안모델은 수집된 실험체들의 전단강도를 상당히 우수한 정확도로 평가하였다.

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저자의 다른 논문 :

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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