철근콘크리트 보의 횡방향변형에 관한 실험적 연구 = Experimental Study on Transverse Deformation of Reinforced Concrete Beams

국문 초록 (Abstract)

스터럽의 거동은 철근콘크리트 보의 전단강도에 영향을 주는 주요 인자 중에 하나이고 콘크리트구조기준과 도로교설계기준을 비롯한 대부분의 현행 설계기준의 설계전단강도는 기본적으로 스터럽의 항복을 기준으로 산정되도록 되어 있다. 따라서 하중 증가에 따른 스터럽의 거동 변화와 특성을 파악하게 된다면 복잡한 철근콘크리트 부재의 전단파괴 현상을 보다 더 잘 이해할 수 있다.
이 논문은 실험을 통해 철근콘크리트 보의 횡방향변형을 측정하여 횡방향변형 특성을 이해하고 이를 통해 스터럽의 거동을 파악하여 전단거동 및 전단파괴에 대한 이해를 높이기 위한 것이다. 스터럽에 게이지를 부착하여 스터럽 변형률을 측정하던 기존의 실험 방법이 아닌 특별히 제작한 지그와 균열게이지를 이용하여 복부전단요소의 평균횡방향변형률을 측정하였다. 이를 위하여 콘크리트 압축강도(), 전단경간-깊이비(), 주철근비() 및 스터럽비()를 실험변수로 한 총 24개의 시험체를 제작하고 파괴실험을 실시하였다.
시험체의 앞, 뒷면에 각각 균열게이지를 설치하여 횡방향변형을 측정하여 시공오차 및 뒤틀림의 영향을 확인하였고 콘크리트 압축대에서의 횡방향변형 발생여부와 받침점으로 갈수록 압축력의 합력선이 감소하는 현상을 확인하기 위하여 받침점으로부터 떨어진 위치에 표점거리가 서로 다른 균열게이지를 설치하여 횡방향변형을 측정하였다. 측정된 두 게이지의 횡방향변형이 차이가 없다는 사실을 통해 콘크리트 경사압축대에서 횡방향변형이 발생하지 않고, 받침점에 가까워질수록 압축력의 합력선이 감소함을 확인하였다. 따라서 압축력의 합력선이 감소하는 현상, 즉 아치현상을 반영할 수 있는 모델 개발의 필요성을 인식하였다.
전단균열하중 이후에 횡방향변형이 측정되기 시작하였고, 낮은 하중단계에서는 횡방향변형의 증가폭이 작았으나 하중단계가 높아짐에 따라 동일한 하중증가에 대해 훨씬 큰 폭으로 횡방향변형이 증가하였다. 이러한 현상은 전단경간 중앙에서 현저하게 나타나 횡방향변형의 지간분포는 전단경간 중앙에서 최대를 나타내고 구속효과로 인해 하중점과 받침점으로 갈수록 감소하는 종모양을 나타내었다. 즉 횡방향변형에 대한 위험단면은 전단경강 중앙이 되고 전단경간 중앙의 횡방향변형을 효과적으로 제어한다면 전단강도의 증가를 기대할 수 있으므로 이에 대한 추가적인 연구가 필요하다. 대부분의 시험체가 최대하중의 70~80%의 하중단계에서 전단경간 중앙의 스터럽이 항복하였고 나머지 20~30%의 하중이 증가하여 최대하중에 이르는 동안 스터럽 항복변형률의 2배 이상에 해당하는 횡방향변형률이 발생하였다. 즉 변형률의 관점에서 보면 스터럽이 항복한 후의 횡방향변형이 전체 거동을 지배하므로 소성 변형구간에 대한 연구를 통해 보다 정확한 파괴모드와 강도를 예측할 수 있음을 확인하였다.
또한 전단파괴 또는 휨-전단파괴 한 시험체를 MCFT(수정압축장이론)과 LSD(한계상태설계법)를 이용하여 해석하고 그 결과를 실험에 의한 하중-횡방향변형률 관계와 비교하였다. 분석결과에 따르면 LSD가 MCFT에 비해 파괴모드는 비교적 잘 예측하였지만 소성변형단계에서 균열 경사각 감소에 대한 하중의 증가율이 MCFT보다 LSD에서 더 크게 나타났다. 따라서 LSD에 의해 설계를 할 때 경사각 선정에 보다 더 주의를 기울여야 한다. 또한 콘크리트 압축강도가 증가하면 실험에 의한 횡방향변형률은 감소하였지만 MCFT와 LSD에 의한 값은 오히려 증가하는 경향을 나타냈다. 전단경간-깊이비에 대하여는 전단경간-깊이비가 증가함에 따라 실험과 MCFT에 의해서는 횡방향변형률이 증가하였지만 LSD는 감소하였다. 그리고 주철근비 및 스터럽비가 증가하면 실험, MCFT 및 LSD 모두 횡방향변형률이 감소하는 경향을 나타냈지만 감소율에서 큰 차이를 나타냈다. 즉, 두 이론 모두 적절한 경사각의 선정을 통해 유효한 범위 내에서 강도의 예측은 가능하였으나 횡방향변형률에 대한 전단인자들의 영향은 적절히 반영하고 있지 못하였다.
본 논문에서 수행한 실험을 통해 스터럽 항복을 기준으로 강도를 예측하고 있는 기존 설계기준 및 해석모델을 적용함에 있어 경사각 선정의 중요성을 확인하였고 기존의 모델들이 횡방향변형 특성을 제대로 반영하고 있지 못하다는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 방법 5
• 제 2 장 문 헌 연 구 7
• 2.1 전단설계의 발전방향 7
• 2.2 전통적인 전단설계방법 11
• 2.3 트러스모델 13
• 2.3.1 고전트러스모델 13
• 2.3.2 변각트러스모델 15
• 2.3.3 스트럿-타이 모델 16
• 2.3.4 이산트러스 이상화 19
• 2.4 수정압축장이론과 연화트러스모델 22
• 2.4.1 압축장이론 22
• 2.4.2 수정압축장이론과 연화트러스모델 28
• 2.5 경사압축현재를 갖는 트러스모델 37
• 2.5.1 기본 개념과 과정 37
• 2.5.1.1 기본 개념 유도 37
• 2.5.1.2 경사현재를 갖는 분산트러스 이상화 40
• 2.5.1.3 단순화된 압축력 궤적 42
• 2.5.2 정식화 44
• 2.5.2.1 복부전단요소의 평형조건 44
• 2.5.2.2 복부전단요소의 변형적합조건 46
• 2.5.2.1 단면에서의 변형적합조건 48
• 제 3 장 횡방향변형 측정실험 55
• 3.1 실험개요 55
• 3.2 실험변수 56
• 3.3 실험재료 58
• 3.4 실험체 제작 60
• 3.5 실험방법 및 측정장치 65
• 제 4 장 실험결과 및 분석 67
• 4.1 하중-처짐 관계 및 파괴모드 67
• 4.2 횡방향변형 83
• 4.2.1 횡방향변형에 대한 시공오차의 영향 83
• 4.2.2 콘크리트 경사압축대의 횡방향변형 85
• 4.2.3 평균횡방향변형 및 횡방향변형률 90
• 4.2.4 횡방향변형률의 지간분포 90
• 4.2.5 소성 횡방향변형률 및 여유 전단력 95
• 제 5 장 MCFT와 LSD의 횡방향변형 검토 99
• 5.1 MCFT(수정압축장 이론) 및 LSD(한계상태설계법) 99
• 5.2 MCFT 및 LSD 적용 101
• 5.2.1 MCFT 및 LSD 적용 101
• 5.2.2 MCFT 및 LSD 해석결과 104
• 5.2.2.1 파괴모드 및 경사 균열각 104
• 5.2.2.2 강도 및 횡방향변형률 114
• 제 6 장 결론 및 향후 연구과제 118
• 참 고 문 헌 121
• 영문초록 126
• 부 록

참고문헌 (Reference)

1 민창식, "철근콘크리트공학", 구미서관, 구미서관, pp.479-512, 2009

2 김진근, 최완철, 정란, 오병환, "콘크리트구조설계", 명지대학교 출판부, 동화기술, pp.148-196, 2013

3 김 우, "콘크리트구조 한계상태설계", 동화기술, pp.282-309, 2014

4 김대중, "철근콘크리트보에서의 아취현상에 대한 연구", 전남대학교 대학 원 토목공학과 박사학위논문, pp.164, 1995

5 이창신, "“트러스모델에 기반한 RC 부재의 전단저항 성분력 평가”", 전남대 학교 대학원 토목공학과 박사학위논문, pp.124, 2007

6 이창신, 정제평, "“전단변형적합조건에 기반한 철근콘크리트 부 재의 전단 해석 모델,”", 한국콘크리트학회, 콘크리트학회 논문집, 18권, 3호, pp. 379-388, 2006

7 김민중, "“철근콘크리트 부재의 직접전단 해석에 대한 2축응력장 이론의 적용”", 전남대학교 대학원, 전남대학교 대학원 토목공학과 박사학위논문, pp.137, 2012

8 신근옥, "“전단보강철근이 없는 RC보의 수직변형률 평가를 통한 전단강도 산정”", 전남대학교 대학원 토목공학과 석사학위논문, pp.64, 2006

9 정제평, "“휨과 전단이 작용하는 RC 부재의 해석을 위한 비-베르누이-적 합트러스 모델링 기법 연구”", 전남대학교 대학원 토목공학과 박사학위논문, pp.180, 2004