철근콘크리트 인장부재의 균열거동 예측모델 평가

Abstract

여러 가지 조건에 따라 건축물의 수명은 달라진다. 현재 우리나라 철근 콘크리트 조 건축물의 수명은 짧게는 10～20년 일반의 경우 40～50년 정도로 인식되고 있으며 최근 자원 및 에너지 절감 등의 환경적 필요성에 의해 건축물의 장수명화가 요구되고 있다. 이러한 장수명의 건축물에서 콘크리트 균열에 의한 철근의 부식은 구조물의 사용성 및 안전성 측면에서 고려되어야 할 중요사항 이다. 균열은 콘크리트의 비선형거동, 불연속성 및 부재 내 철근 주변에 존재하는 이차균열(secondary crack)과 같은 불확실한 요소1)에 의해 그 크기를 정확하게 산정하기 어려우나, 철근콘크리트 구조물의 사용성 평가에 중요한 항목으로서 사용하중 상태에서의 균열거동에 대하여 예측할 수 있어야 한다. 균열폭에 대하여 세계 각국은 구조물의 환경조건에 따라 0.1mm-0.4mm의 허용치를 규정2)하고 있으나, 이 같은 규준에서 철근 부식에 대한 고려는 이루어지고 있지 않다. 그러므로 균열폭과 인장증강효과 및 부재 내 응력변화 등에 의한 균열거동을 예측할 필요가 있다고 판단된다. 따라서 본 연구에서는 먼저 국내외 기존 실험데이터를 수집하고 그 데이터를 일반강도, 고강도, 초고강도로 분류한다. MC-90과 Kreller의 부착 미끌림을 기초로 step-by step integration을 통해 균열거동을 예측하기 위한 전산해석모델을 제안한다. 마지막으로 데이터의 재원을 이용하여 전산모델과 MC-90, ACI의 균열폭 계산식의 해석 및 계산결과를 얻고 실험데이터를 통하여 분석 및 검증을 한다. 본 논문의 주요한 평가요소는 MC90의 균열폭, 인장증강효과, 평균부착응력이다. 본 논문은 총 6장으로 구성되어 있으며, 제 1장은 서론, 제 2장은 철근콘크리트 인장부재의 균열이론, 제 3장은 균열요소 모델링, 제 4장은 균열요소모델의 분석, 제 5장은 군열거동의 분석, 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 모델을 기술하였다. 제 3장에서는 균열 미분요소를 모델링하였고, 철근과 콘크리트 사이 부착응력과 슬립 사이의 관계에 대하여 기술하였다. 제 4장에서는 본 연구에서 개발한 균열요소부착모델의 내부거동 및 결과의 차이점을 분석한다. 제 5장에서는 전산모델과 MC-90, ACI의 균열폭 계산식의 해석 및 계산결과를 얻고 실험데이터를 통하여 분석 및 검증을 한다. 제 6장에서는 시뮬레이션 분석결과를 제시하였고, 이러한 결과를 통해 향후 이루어져야할 연구방향에 대하여 제시하였다. 본 연구내용의 결론을 제시하면 아래와 같다. 1) 두 개의 요소모델을 제안하였다. MC90 예측식과 ACI 예측식등과 함께 균열거동을 분석했으며, 요소모델은 균열이 발생하는 면부터 요소내부까지 부착응력-미끌림 관계에 따른 균열거동 즉, 부재내부 모든 위치의 철근응력, 콘크리트응력, 철근변형률, 콘크리트 변형률, 부착응력, 균열면에서의 미끌림변화 등, 균열이 시작되는 종료까지 전 과정에 대한 거동을 예측할 수 있다. 2) 국내외 실험값과 각각의 모델 및 예측식을 통한 분석결과 Kreller 모델이 실험데이터와 가장 근접하여 현저하게 실제 거동과 유사하였다. 특히 실제 건축물의 사용하중단계에서 실제값과 흡사한 결과이며 앞으로의 연구의 필요성과 발전가능성을 보여준다. 3) 균열폭 : Kreller 모델이 일반강도 콘크리트와 균열발생단계에서도 양호한 결과를 보였고 특히 안정화 단계에서는 미소한 표준편차로 실험값과 거의 일치한다. 4) 인장증강효과 : MC90 예측식에서 제안하는 일정한 상수 값이 아니며 하중에 따라 선형으로 감소하는 방정식이 타당하다. 콘크리트 강도가 커질수록 인장증가 효과 감소함을 확인했다. 5) 평균부착응력 : 수집한 데이터의 평균 비로만 검토해 보았을 경우, 기존의 1.8fctm보다 1.7fctm이 적합하며 이를 새로운 평균부착응력으로 제안한다.; A structure life is different with a various condition. Currently, it is common knowledge that a life of the reinforced concrete structure in our country is from ten to twenty year short and from forty to fifty year generally. Recently, a long-term life of the structure is demanded by a environmental necessity such as a reduction on use of resources and energy. In case of the long-term life structure, it must be took into account for steel corrosion by a concrete crack in usability and safety of the structure. Because of the uncertain factors like concrete nonlinear behavior and discontinuity as well as a secondary crack in member, the estimate of a crack dimension is difficult but it is the important matter on an usability assessment of the reinforce concrete structure. Consequently, it should be predicted that a crack behavior under service load. In respect of a crack width, from 0.1mm to 0.4mm of the crack allowance value is ruled by the various countries of the world with circumstance condition of the structure. Therefore, this study will first collect experiment data on existing home and abroad. And I divide concrete as general strength, high-strength, ultra-high-strength category. Two numerical model to predict crack behavior will be suggested and it is base on Kreller, MC-90 Bond-slip relation. And that model use step-by step integration method. Last we analysis and verification of calculate results. According to this course, it predicts and evaluate the crack behavior of a tensile member at the reinforced concrete such as crack width, tension stiffening effect and the average bond stress. This paper is divided into six chapters; Chapter1, Introduction; Chapter 2, Crack theory of reinforce concrete tensile member; Chapter 3, Modeling of crack element; Chapter 4, Crack Model analysis; Chapter 5, Analysis of crack behavior; Chapter 6, Conclusion. The following summarized the content of each chapter. Chapter 1 describes the background, purpose, content, and the limits of the research. Chapter 2 presents crack theory of a tensile member on the reinforce concrete and a crack width model by each regulation. Chapter 3 introduces to modeling of the crack differential element and relation of between bond stress and slip. Chapter 4 compare numerical model that Kreller bond model and MC-90 bond model. Chapter 5 analysis and verification of calculate results that two numerical model and predict equation. Chapter 6 suggests the next assignment through results of this study. T he following present the conclusions of this paper. 1) Two numerical model is suggested. Crack behavior is analysis with predict equation of MC90, ACI. And that model can be predict all crack behavior as steel stress, concrete stress, steel strain, concrete strain, bond stress and slip at crack section. 2) At result, Kreller Bond Model similar crack behavior of experiment data. In particular, it is similar service load stage at real building. Research shows the necessity and possibility of future development. 3) Crack width : Kreller Bond Model is good at all stage. And it approach at experiment result. 4) Tension stiffness effect : It is not constant. And that is linear equation changed by load and concrete strength. 5) The average bond stress : It is suggested 1.7f_(ctm) as the average ratio value.