철근콘크리트 인장부재의 균열 산정식 평가

Abstract

본 연구의 목적은 국내 콘크리트구조설계기준 부록에 새롭게 포함된 CEB-FIP Model Code 1990(MC-90) 균열폭 산정식을 콘크리트 강도를 변수로 하여 평가하는 것과 이를 통해 최종적으로 콘크리트 강도를 고려한 MC-90 수정 균열폭 산정식을 제안하는 것을 목적으로 한다. 평가 도구로 부착응력-미끌림 관계를 적용하여 구축한 균열요소모델과 기존 연구자들의 실험결과로부터 얻은 균열폭을 사용하였으며 기존 실험결과와 비교 평가함으로 검증하였다. 평가대상인 MC-90의 균열폭 산정식의 중요변수는 인장증강효과와 평균부착응력이며 이들을 균열요소모델 해석결과와 비교함으로 강도에 따라 개선된 인장증강효과와 평균부착응력을 산정하였다. 콘크리트 강도를 고려한 MC-90 균열폭식을 제안하기 위해서 강도에 따라 산정한 인장증강효과와 평균부착응력을 통하여 각각 평균변형률과 평균균열간격을 산출하였고 최종적으로 수정된 균열폭 값을 기존의 실험 균열폭값과 비교하고 개선정도를 평가하였다. 따라서 본 연구에서는 먼저 국내외 기존 균열 실험데이터를 수집하고 그 데이터를 일반강도, 중간강도, 고강도로 분류하였다. 균열요소모델은 MC-90과 Kreller의 부착-미끌림관계를 사용하여 2개의 모델 중 실험결과와 더 적합한 결과를 보인 Kreller 균열요소모델을 사용하였다. 균열진행단계에서 조기파괴가 발생하는 균열형성단계를 제외한 안정화단계(안정화초기, 사용하중, 항복하중)만을 국한하여 연구를 진행하였다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 철근콘크리트 인장부재의 균열이론, 제 3장은 균열요소 모델링, 제 4장은 군열거동의 분석, 제 5장은 MC-90 균열폭 수정식 제안 및 평가, 제 6장은 결론으로 기술하였으며, 각 장의 내용을 요약하면 다음과 같다.

제 1장에서는 연구의 배경 및 목적과 그에 따른 연구내용 및 범위를 명시하여 연구의 방향을 제시하였다. 제 2장에서는 전반적인 철근콘크리트 인장부재의 균열이론과 각 규준에서 제시하는 균열폭 제안식을 기술하였다. 제 3장에서는 균열 미분요소를 모델링하였고, 철근과 콘크리트 사이 부착응력과 슬립 사이의 관계에 대하여 기술하였다. 이를 통해 본 연구에서 개발한 균열요소모델의 내부거동 및 결과의 차이점을 분석한다. 제 4장에서는 균열요소모델과 MC-90, ACI Manual 2008 (이하 ACI)의 균열폭 산정식의 균열폭값을 실제 실험 균열폭 값과 비교하고 분석한다. 제 5장에서는 균열요소모델을 통해서 산정한 평균부착응력과 인장증강효과를 통해서 기존 MC-90 균열폭식에 대입하여 수정된 평균변형률과 평균균열간격을 산정하고 이를 통해서 콘크리트 강도와 균열단계에 따른 균열폭식을 제안하였다. 최종적으로 산정된 균열폭값을 실험 균열폭값과 비교하고 분석한다. 제 6장에서는 시뮬레이션 분석결과와 MC-90의 수정식 분석을 제시하였고, 이러한 결과를 통해 향후 연구방향에 대하여 제시하였다.

본 연구내용의 결론을 제시하면 아래와 같다.

1) 균열요소모델은 균열이 발생하는 면부터 요소내부까지 부착슬립 관계에 따른 균열거동 즉 균열요소내부의 철근응력, 콘크리트응력, 철근변형률, 콘크리트 변형률, 부착응력, 균열면에서의 미끌림변화 등 균열발생 초기부터 종료까지 전 과정에 대한 거동을 예측할 수 있다. 이를 통하여 균열거동에 연관된 다양한 변수에 대한 해석이 가능하다.

2) 국내외의 균열폭 실험값과 각각의 모델 및 기준식을 통한 분석결과, 균열형성단계에서는 응력집중, 초기균열에 의해 콘크리트의 조기파괴에 의해 균열요소모델과 기존식 모두 큰 오차를 보였으나 균열안정화 단계에서 Kreller 균열요소모델에 의한 균열폭은 실험결과와 거의 일치 하였고 표준편차 또한 다른 산정식과 균열요소모델에 비해 미소하였다.

3) 인장증강효과(): Kreller 균열요소모델을 사용하여 구한 인장증강효과는 안정화단계에서 평균적으로 일반강도 0.28, 중간강도 0.23, 고강도 0.19로 MC-90 산정식이 제시한 와는 큰 차이를 나타내고 있다.

4) 평균부착응력(): 인장증강효과와 동일하게 Kreller 균열요소모델을 사용하여 구한 평균부착응력은 안정화단계에서 평균적으로 일반강도 , 중간강도 고강도 로 MC-90 산정식이 제시한 과는 모두 차이를 나타내고 있다.

5) 평균변형률() 수정값: 기존 MC-90 산정식과 수정된 인장증강효과를 사용하여 구한 평균변형률 모두 실제 평균변형률과 20%이내의 오차를 보였으나 미소하게나마 수정된 MC-90 산정식의 평균변형률의 오차가 안정화단계 전체에서 일반강도 5.3%, 중간강도 5.3%, 고강도 12.0%로 감소하였다.

6) 평균균열간격() 수정값: 기존 MC-90 산정식과 수정된 평균부착응력을 사용하여 구한 평균균열간격의 오차는 안정화단계 전체에서 일반강도 30.6%, 중간강도 59.3%, 고강도 73.0%로 강도에 증가에 따라 크게 감소하였다.

7) MC-90 수정 균열폭값(): 기존 MC-90 균열폭 산정식과 수정된 평균변형률과 평균균열간격을 사용하여 구한 균열폭의 오차는 안정화단계 전체에서 일반강도 17.3%, 중간강도 35.3%, 고강도 38.3%로 강도에 증가에 따라 감소하였다. 이를 통해서 MC-90 수정 균열폭식이 콘크리트 강도변화에 따라 적합한 결과를 보임을 확인하였다.

8) 본 논문에서 사용된 실험데이터의 경우 자기수축이 포함되어 있는 실험데이터이므로 실제 콘크리트 비수축 상태의 인장증강효과와 평균부착응력의 산정이 필요하다. 이를 위해 가장 적합한 균열산정 결과를 나타낸 Kreller 균열요소모델에 콘크리트의 수축효과를 적용하여 이를 산정하였다.