초고강도 철근콘크리트 보의 휨성능 평가

Abstract

일반적으로 고강도 콘크리트는 압축부재로 사용될 때 콘크리트의 장점을 더욱 극대화하여 안전하고 경제적인 재료로 사용될 수 있으나, 단점으로는 콘크리트 강도가 높을수록 재료역학적 특성이 달라질 뿐 아니라 더욱 취성적인 재료가 되어 이에 대한 보완조치가 없으면 부재의 연성이 확보되지 않아 휨부재로 사용할 경우에는 안전성이 저하될 수 있고, 사용성(균열, 처짐 등)을 고려하여 일정한 크기 이상의 단면을 확보하여야 하는 문제로 기둥에는 고강도 콘크리트를 사용하더라도 보와 같은 휨부재에는 보통강도의 콘크리트를 사용하는 것이 일반적인 설계방법이었다. 그러나 압축부재에 사용하는 콘크리트의 강도가 점차 초고강도화되는 반면 휨부재의 강도가 증가하지 않는다면 기둥과 보의 상대적인 강성차이에 의한 구조물의 안전성도 염려될 수 있다. 따라서 압축부재의 강도가 증가함에 따른 휨부재의 압축강도도 증가시켜 상대강성의 확보뿐만 아니라 최근 국내․ 외적으로 요구하고 있는 구조물의 내구성 증대에도 효율적으로 사용될 수 있을 것이다.

2007년도에 새롭게 개정된 기준이 콘크리트 압축강도 150MPa인 초고강도콘크리트 휨부재에도 적용가능한지를 판단하고자 한다. 또한 휨을 받는 콘크리트 보의 경우에 단면에 발생하는 압축응력 분포는 콘크리트 공시체 실험을 통한 응력-변형률 곡선의 모양과 비슷한 포물선 응력 분포를 나타내는데 현재 ACI와 국내 규준에서는 이를 사각형 모양으로 단순화시켜 휨강도를 계산하고 있다. 그러나 초고강도 콘크리트에서는 일반강도와는 달리 응력-변형률 곡선이 최대응력까지 거의 선형적인 모양인 삼각형 형태를 갖게 되어 초고강도 콘크리트 보에서 사각형 응력 블럭을 가정한 휨강도 계산이 타당한 가를 고찰할 필요가 있다. 본 연구에서는 이상과 같이 초고강도 콘크리트 보의 적절한 연성과 휨거동을 확보하기 위한 최대인장철근비의 검토와 압축응력 분포에 대한 실험 연구를 통해 초고강도 콘크리트 보의 휨성능을 평가하고자 한다.

철근콘크리트 부재의 휨 연성 거동에 영향을 미치는 요소로서는 콘크리트의 압축강도, 인장 철근비 및 전당 보강근의 간격 등이 있으나 이 중 보의 휨 거동에 가장 큰 영향 미치는 인장 철근비()를 주요변수로 삼아 = 0.45 , 0.55 , 0.625 , 0.714 , 0.75 의 5개 실험체로 계획하였다. 실험체의 단면 크기는 220×250mm, 길이는 3,200mm 이며 모든 실험체는 순수 휨응력 발생 구간을 유도하기 위하여 2점 재하 하도록 계획하였으며, 실험체를 3등분하여 중앙부에는 콘크리트 압축응력블럭 평가를 위해 압축철근과 전단 보강근을 배근하지 않고 인장 철근만 배근한 단근보로 계획하였다.

본 논문은 총 5장으로 구성되어 있으며, 각 장별 주요 내용은 다음과 같다. 제 1 장 : 연구배경 및 목적, 연구범위 및 방법 제 2 장 : 기존 연구 고찰 제 3 장 : 휨성능 평가 구조실험 제 4 장 : 실험결과 제 5 장 : 결론

이상과 같은 연구결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 모든 실험체는 최대하중이후 급격한 하중의 저하와 함께 압축콘크리트가 취성파괴 되 는 양상을 나타내었으나 인장철근비가 낮을수록 압괴현상은 적게 발생하였으며, 균열의 발생개수도 적고 균열폭도 적게 나타났다. 2. 최대하중까지는 거의 선형적인 탄성거동을 보이나 최대하중 이후 갑작스런 압축콘크리트의 취성파괴가 나타나 초고강도 콘크리트를 사용한 휨설계시 이를 방지하기 위한 고려가 필요함을 알 수 있다. 3. 콘크리트 압축강도가 증가할수록 변형률 곡선이 거의 선형적인 분포를 나타내므로 부재단면상의 압축응력 분포는 거의 삼각형에 가까운 형태를 나타낼 것으로 판단된다. 4. 인장철근비가 0.45에서 0.75로 증가함에 따라 연성지수는 감소하였으며, 150Mpa 초고강도 콘크리트 휨부재에서 구조물의 안전을 위한 최소한의 연성을 확보하기 위한 최대 인장철근비는 0.55~ 0.625 범위로 나타났다.