복합하중을 받는 철근콘크리트 보의 비틀림 거동

국문 초록 (Abstract)

실제 구조물에는 다양한 하중이 동시에 작용하며, 대부분의 부재는 휨, 전단 및 비틀림이 모두 작용한다. 현행 기준에서는 비틀림과 휨에 대한 설계를 한 뒤, 이것들을 합산하여 비틀림 내력을 산정한다. 이처럼 복합하중을 받는 철근콘크리트 부재의 설계 방법이 명확하지 않고, 비틀림 내력 산정에는 철근의 기여분만 고려된다는 한계점이 있다. 철근콘크리트 부재의 최종파괴는 콘크리트에 의해 결정되기 때문에 부재의 내력을 정확하게 평가하기 위해서는 콘크리트의 기여분을 고려해야 한다. 또한, 철근콘크리트 부재는 충분한 연성능력을 갖도록 설계된다. 충분한 연성능력을 갖는 부재에서는 휨모멘트 재분배가 일어나며 부재의 내력은 달라지게 된다. 따라서 복합하중을 받는 부재에서는 힘의 재분배가 일어날 수 있기 때문에 부재의 각 방향에서의 비틀림 거동을 각각 평가하는 연구가 필요하다.
콘크리트의 기여분을 고려하여 철근콘크리트 부재의 비틀림 내력을 평가하기 위해 기존에 실험이 진행된 순수비틀림을 받는 20개의 철근콘크리트 보에 측정된 콘크리트 변형률을 사용하였다. 부재의 비틀림 내력은 힘의 평형방정식으로 유도한 비틀림 평가식에 4가지의 유효압축강도를 반영하여 평가하였다. 현행 비틀림내력평가식으로 계산된 비틀림 내력의 평균은 1.10이며, Hsu가 제안한 유효압축강도를 사용할 경우 평균 1.08로 비교적 정확히 예측하는 것으로 나타났다.
복합하중을 받는 부재의 비틀림 거동 평가를 위해서 14개의 휨-전단-비틀림을 받는 철근콘크리트 보 실험을 수행하였다. 주요변수는 부재에 작용시키는 전단력 및 휨모멘트의 크기, 상하철근비였다. 실험을 통하여 변수에 따른 하중간의 상관관계와 부재의 파괴모드를 분석하였고 기존 연구와의 비교를 통해 복합하중을 받는 부재의 비틀림 거동을 평가하였다.
실험 결과 복합하중을 받는 철근콘크리트 부재의 비틀림 내력은 순수비틀림을 받는 부재의 비틀림 내력과 비슷하게 나타났다. 철근의 변형률 분석을 통해 힘의 재분배가 발생하는 것을 확인하였다. 추가적인 분석을 위해 기존 연구자들의 실험 데이터를 사용하였다. 분석 결과, 힘의 재분배는 철근량에 영향을 받으며, 기존 데이터에서는 최대철근량 이상 배근한 실험체가 다수였기 때문에 힘이 재분배되지 않고 파괴가 일어났다고 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In actual structures, various loads are simultaneously applied, and most of the members are subjected to bending moment, shear, and torsion. In current design code, after designing the torsion and bending moment, these are summed to calculate the torsional strength. The design method of reinforced concrete members subjected to combined loading is not clear, and there is a limitation that only the contribution of reinforcing bars is considered in the calculation of torsional strength. Since the final failure of a reinforced concrete member is determined by concrete, the contribution of concrete must be considered in order to accurately evaluate the strength of the member. RC members are designed to have sufficient ductility capacity. In members with sufficient ductility capacity, the bending moment redistribution occurs and the strength of the member varies. Therefore, since force redistribution may occur in a member subjected to a combined loading, a study is needed to evaluate the torsional behavior in each direction of the member.
To evaluate the torsional strength of reinforced concrete members considering the contribution of concrete, the concrete strain measured in 20 reinforced concrete beams subjected to pure torsion was used. The torsional strength of the member was evaluated by reflecting the four effective compressive strengths in the torsion evaluation equation derived by the force equilibrium equation. The average of the torsional strength calculated by the existing torsional strength evaluation equation is 1.10, and when the effective compressive strength proposed by Hsu is used, the average is 1.08, which is a relatively accurate prediction.
In order to evaluate the torsional behavior of a member subjected to a combined loading, an experiment was performed on 14 reinforced concrete beams subjected to bending-shear-torsion. The main variables were the amount of shear force and bending moment applied to the member, and the top and bottom rebar ratio. Through the experiment, the correlation between the loads according to the variables and the failure mode of the member were analyzed. The torsional behavior of members subjected to combined loading was evaluated through comparison with previous studies.
As a result of the experiment, the torsional strength of the reinforced concrete member subjected to the combined loading was similar to that of the member subjected to pure torsion. It was confirmed that force redistribution occurred through strain analysis of the reinforcing bar. Existing researchers' experimental data were used for further analysis. As a result of the analysis, the redistribution of force was affected by the amount of reinforcement. In the existing data, it is judged that the failure occurred without redistributing the force because there were a large number of specimens with more than the maximum reinforcement.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 연구목적 3
• 1.3 논문의 구성 5
• 제 2 장 기존 연구 6
• 2.1 비틀림모멘트에 대한 연구동향 6
• 2.1.1 박판튜브이론 8
• 2.1.2 입체트러스모델 9
• 2.1.3 트러스 메커니즘 10
• 2.2 복합하중을 받는 철근콘크리트 부재의 비틀림 메커니즘 12
• 2.2.1 복합하중을 받는 보의 파괴모드 13
• 2.2.2 휨-비틀림을 받는 부재 14
• 2.2.3 휨-전단-비틀림을 받는 부재 18
• 2.3 현행 비틀림 설계기준 25
• 2.3.1 KCI-17 및 ACI 318-19 25
• 2.3.2 EC2-04 27
• 2.3.3 CSA-14 28
• 2.3.4 JSCE-07 29
• 제 3 장 복합하중을 받는 철근콘크리트 보 실험 30
• 3.1 실험 개요 30
• 3.2 실험체 상세 31
• 3.3 실험 장치 37
• 3.3.1 실험체 설치 37
• 3.3.2 재하 장치 37
• 3.3.3 볼 베어링 지점 38
• 3.4 실험체 제작 39
• 3.4.1 콘크리트 39
• 3.4.2 철근 40
• 3.4.3 제작 과정 41
• 3.5 측정 방법 42
• 3.5.1 비틀림회전각 42
• 3.5.2 철근 및 콘크리트 변형률 43
• 제 4 장 실험 결과 46
• 4.1 순수비틀림 실험체 46
• 4.1.1 A1 및 B1 실험체 47
• 4.1.2 C1 실험체 49
• 4.2 복합하중 실험체 51
• 4.2.1 Group A 및 Group B 51
• 4.2.2 Group C 58
• 4.3 실험 결과 62
• 4.3.1 균열 및 최대비틀림모멘트 62
• 4.3.2 휨과 전단에 따른 비틀림내력 63
• 4.4 실험 결과 분석 64
• 4.4.1 균열 및 최대비틀림모멘트 64
• 4.4.2 비틀림 파괴모드 66
• 제 5 장 콘크리트 변형률을 이용한 비틀림강도 예측 82
• 5.1 서론 82
• 5.1.1 연구배경 82
• 5.1.2 연구목적 83
• 5.2 콘크리트 변형률을 이용한 비틀림평가식 84
• 5.3 순수비틀림을 받는 철근콘크리트 보 실험 89
• 5.3.1 실험체 상세 89
• 5.3.2 실험 장치 92
• 5.3.3 측정 방법 93
• 5.4 실험 결과 94
• 5.4.1 비틀림모멘트-비틀림회전각 관계 94
• 5.4.2 실험 결과 및 분석 95
• 5.4.3 복부콘크리트의 변형률 분포 98
• 5.4.4 철근의 항복 여부 및 파괴모드 103
• 5.5 실험 분석 104
• 5.5.1 비틀림모멘트-비틀림회전각 관계 예측 104
• 5.5.2 비틀림강도 예측 108
• 5.6 소결 110
• 제 6 장 복합하중을 받는 부재의 힘의 재분배 112
• 6.1 서론 112
• 6.2 힘의 재분배 115
• 6.3 힘의 재분배 검증 122
• 6.3.1 최대철근량 122
• 6.3.2 하중간의 상관관계곡선 124
• 제 7 장 결론 125
• 참고문헌 129
• Abstract 134