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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.3 pp.1-6
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.3.001

Experimental Study of Torsional Behavior of RC Beam on Stirrup Spacing and Concrete Strength

Min-Ho Kwon
1, Hyun-Su Seo2, Jeong-Hee Lim3, Jin-Sup Kim
4
1Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
2Ph. D., Department of Civil Engineering, University of Texas at Arlington, Arlington, Texas, USA
3Ph. D., Candidate, Department of Civil Engineering, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
4Assistant Professor, Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, Jinju-si, South Korea
Corresponding author: Kim, Jinsup Department of Civil Engineering, ERI, Gyeongsang National University, 501 Jinju-Daero, Jinju, 52828, South Korea. +82-55-772-1791, +82-55-772-1799, jinsup.kim@gnu.ac.kr
July 3, 2017 July 28, 2017 July 30, 2017

Abstract

Experimental evaluation of torsional behavior, which is possible behavior of seismic beams of RC structures, was carried out. Concrete strength and stirrup spacing were set as experimental variables to investigate the torsional strength of RC beams. Based on the experimental results, the torsional strength of RC beams was compared and analyzed. From the experimental results, the concrete strength was caused a difference of about 30% in the torsional strength of the maximum torque of the RC beam specimen, and the stirrup spacing was found to be about 2.8 times and 5 times that of the peak torque. Therefore, this study will be an important study to understand the effect of both concrete strength and stirrup spacing for the torsional strength or torsional behavior of RC beams.


철근 콘크리트 보의 콘크리트강도 및 스트럽 간격에 따른 비틀림 거동에 대한 실험연구

권 민호
1, 서 현수2, 임 정희3, 김 진섭
4
1경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 교수
2텍사스 주립대학교 알링턴 캠퍼스, 박사 후 연구원
3경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 박사수료
4경상대학교 토목공학과, 공학연구원, 조교수

초록


    Ministry of Science, ICT and Future Planning
    NRF- 2017R1C1B5016990

    1.서 론

    미국, 유럽 그리고 일본에서는 큰 지진을 경험하면서 성능 설계 개념이 설계기준에 포함되기 시작했고 최 근에는 유럽 지역의 여러 나라에서도 성능 설계 개념 을 설계 기준에 포함하였다. 이와 같은 국제적인 동 향에 따라서 국내에서도 이에 대한 설계 규정의 개정 이 이루어질 전망이다. 구조물에 지진이 작용하는 방 향에 따라 비선형 전단 및 비틀림 거동이 상대적으로 중요한 설계 요소로 부각된다(Kwon et al., 2013; Deifalla and Ghobarah, 2014). 그러나 구조물의 보에 발생하는 비틀림 거동에 대한 연구자의 관심은 많이 부족한 실정이며, 향후 수요에 부응하기 위한 충분한 연구가 이루어 져야할 분야이다(Mitchell and Collins, 1974; Chalioris, 2006; Shiu et al., 2007; Lopesa, 2009; Tap et al., 2015; Charan et al., 2016).

    구조물의 고층화, 대형화 및 장지간화에 따른 고강 도 콘크리트 사용의 뚜렷한 증가는 고강도 콘크리트 구조물에 적용을 위한 다양한 설계기술에 대한 연구가 요구된다(Lim et al., 2015). 고강도 콘크리트에 대한 해석적 모델을 구축하고 비선형 비틀림 거동까지 예측 가능한 모델을 구조물 해석에 적용한다면 좀 더 효율 적인 철근 콘크리트 구조물 설계와 성능 증진이 이루 어질 것으로 생각된다(Kwon et al., 2016). 하지만, 고 강도 철근 콘크리트 구조물의 역학적 거동을 예측할 수 있는 해석기술 개발을 위한 충분한 실험적 연구는 아직까지는 많이 부족한 현실이다(Kim et al., 2015).

    본 연구에서는 철근 콘크리트 구조물을 구성하고 있는 보의 비틀림 거동에 대한 실험적 평가를 수행하 고자 하였다. 현재, 고강도 콘크리트가 건설 분야에서 활용성이 증가하고 있다. 고강도 콘크리트가 적용된 보의 비틀림 거동을 평가하고, 나아가 고강도 콘크리 트가 적용된 구조물의 비선형 비틀림 거동까지 예측 가능한 구조물해석기술 해석기술 개발을 위한 연구기 초가료로 활용하고자 한다. 실험연구를 통하여 콘크리 트강도에 따른 비틀림 강도와, 스트럽의 간격에 따른 비틀림 강도를 비교분석 하였다.

    2.RC보의 비틀림 실험 설계

    2.1.RC 보 시험체 설계

    비틀림 일반콘크리트와 고강도 콘크리트와의 성능 비 교를 위해 설계기준강도 20MPa과 40MPa의 콘크리 트 시편을 계획하였다. 재령 28일의 압축강도시험결 과는 Table 1과 같다. 설계강도가 20MPa인 콘크리트 (C20)와 40MPa인 콘크리트(C40)의 재령28일 압축강 도는 각각 21.6MPa와 41.2MPa로 측정되었다.

    전단 스트럽의 간격에 따른 영향을 평가하기 위하 여 스트럽의 간격을 150mm와 300mm의 두 가지 경 우를 고려하였다(ACI, 2011). 스트럽 간격 300mm 는 설계기준의 최대 간격을 초과하는 간격으로, 콘크리트 의 강도에 따른 보의 비틀림 강도를 검토하기 위하여 설정하였다. 콘크리트 강도 2종과 스트럽의 간격 2종 을 고려하여 총 4가지 실험 변수로 구성하였으며, 각 실험 변수별 시험체는 3개씩 제작 하였다. RC 보 시 험체의 구성은 Table 2와 같다.

    RC 보 시험체의 단면은 가로와 세로의 길이가 같 은 정방형의 300mm×300mm으로 설계하였고, 시편의 길이는 3,000mm로 계획하였다. 길이방향의 주철근은 D16 철근으로 설계하였으며, 스트럽은 D10철근으로 설계하였다. 시험체의 상세 도면은 Fig. 1과 같다.

    2.2.실험방법

    보의 비틀림 시험을 위한 실험설계는 Fig. 2와 같다. Fig. 2(a)에서 시험체의 회전을 위한 부분은 회전반경 550mm의 곡면 따라서 회전한다. 곡면의 원심축과 시험 체 단면 중심이 일치 하게 설치하였다(Narayanan and Toorani-Goloosalar, 1979; Mansur and Paramasivam, 1985; Gunneswara and Rama Seshu, 2003, 2006; Kim et al., 2015).

    하중 가력부와 회전중심사이의 거리는 630mm로 설 정하였다. 모든 시험체는 동일한 하중재하속도 10mm/min의 변위 하중으로 실험하였다.

    비틀림 모멘트와 비틀림 각의 관계를 파악하기 위 하여, 변위계를 양단 지점부로부터 200mm의 지점에 각각 2개씩 총 4개를 설치하였다. 각 지점의 변위계 는 보 시험체의 폭방향으로 200mm간격으로 설치하 였으며, 길이방향의 간격은 2,000mm가 되도록 설치 하였다. 이 4개의 지점 변위와 길이방향의 측점 간격 (2,000mm)을 이용하여 보의 비틀림 하중에 대한 비 틀림 각을 산정하였다(Peng and Wong, 2011).

    3.RC보의 비틀림 실험 결과

    콘크리트 강도와 스트럽의 간격에 따른 RC 보 시험 체의 비틀림 강도를 평가하기 위하여 보 시험체를 제 작하여 비틀림 강도를 측정하였다. Fig. 3은 시험체의 비틀림토크-비틀림각의 상관 관계를 나타내고 있다. 그래프를 통하여 각 실험변수별 세 시험체간의 거동 형태 및 초기 강도, 최대강도의 위치 등을 비교할 수 있다. 각 실험변수에서의 실험결과는 거의 비슷하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서, 각 변수별 대표 값인 평균을 사용하여 콘크리트 강도와 스트럽의 간 격에 따른 보의 비틀림 강도를 비교하였다. 초기 균 열 발생시의 토크와 비틀림 각, 최대토크일 때의 토 크와 비틀림 각의 결과를 Table 3에 정리 하였다.

    4.결과 분석

    콘크리트의 강도가 철근콘크리트 보의 비틀림 강도에 미치는 영향을 검토하기 위하여, 스트럽의 간격이 같 은 시편들로 분류하여 Fig. 4와 같은 그래프를 작성 하였다. 콘크리트 강도가 클수록 비틀림 강도도 큰 것을 알 수 있다. 실험 결과의 평균값을 사용하여, 콘 크리트 강도의 영향을 분석하였다. Table 4는 콘크리 트의 강도에 따른 보의 비틀림 강도를 비교하고 있다. 실험체는 사용된 콘크리트가 고강도 일수록 높은 비 틀림 강도를 발휘 하는 것을 알 수 있다.

    스트럽 간격이 150mm 인 경우(Fig. 4(a)), C20 콘 크리트를 사용하였을 때 평균 최대 토크가 12.61kN⋅m, C40 콘크리트를 사용 하였을 때는 16.03kN⋅m로 C40계열의 실험체가 C20 계열의 실험체 보다 1.27배 높은 비틀림 강도를 발휘하는 것을 알 수 있다. 또한 초기 균열 발생했을 때의 값을 비교 하였을 때는 1.10배로 10%의 차이를 나타내고 있다. 반면 콘크리 트의 초기균열 관측 시와 최대 토크 관측 시 비틀림 각의의 경우, C40 계열의 시험체가 C20 계열의 시험 체와 비교하여 균열은 일찍 발생하나, 최대 토크는 늦게 발생하고 있는 것으로 나타났다.

    스트럽 간격이 300mm 인 경우(Fig. 4(b)), C20 콘 크리트를 사용하였을 때 평균 최대 토크가 10.44kN⋅m, C40 콘크리트를 사용하였을 때는 13.56kN⋅m로 C40 계열의 실험체가 C20 계열의 실험체 보다 1.30배 높 은 비틀림 강도를 발휘하는 것을 알 수 있다. 또한 초기 균열 발생했을 때의 값을 비교 하였을 때는 1.09배로 약 10%의 오차를 나타내고 있다. 반면 콘크 리트의 초기균열 관측 시와 최대 토크 관측 시 비틀 림 각의의 경우, C40 계열의 시험체가 C20 계열의 시험체와 비교하여 균열과 최대 토크가 일찍 발생하 고 있는 것으로 나타났다.

    스트럽의 간격과 보의 비틀림 강도의 상관 관계를 검토하기 위하여, 콘크리트 강도가 같은 시험체들로 분류하여 Fig. 5와 같은 그래프를 작성하였다. 각 실 험 변수 별 초기 항복발생 위치 및 강도가 거의 일치 하는 것을 알 수 있다. 스트럽의 간격이 좁을수록 비 틀림 강도가 크게 발생함을 알 수 있고, 스트럽의 간 격이 작을수록 최대토크가 늦게 발생됨을 알 수 있다. Table 5는 스트럽의 간격이 보의 비틀림 강도에 미치 는 영향을 분석하기 위하여 콘크리트 강도별 실험 결 과를 분석하고 있다.

    C20 콘크리트를 사용한 시험체에서(Fig. 5(a)), 스 트럽 간격이 150mm인 경우 스트럽 간격이 300mm인 경우와 비교하여 평균 최대 토크가 약 1.21배 크게 발생하였다. 또한 초기 균열 발생 시의 비틀림 강도 는 약 1.07배로 나타났다. 강도의 크기보다 눈에 띄는 차이는 비틀림 각도이다. 스트럽 간격이 150mm인 경 우의 비틀림 각도는 스트럽 간격이 300mm인 경우와 비교하여 최대토크 시는 약 2.89배 크게 나타나고 있 다. 초기 균열도 약 1.55배로 나타나고 있다.

    C40 콘크리트를 사용한 시험체에서도 이러한 경 향은 두드러지게 나타나고 있다. C40 콘크리트를 사 용한 시험체에서, 스트럽 간격이 150mm인 경우 최대 토크는 스트럽 간격이 300mm인 경우와 비교하여 약 1.18배 증가하고, 초기 균열 시의 최대 토크는 거의 같다. 최대 토크 시 비틀림 각의 경우 스트럽 간격이 150mm인 경우는 스트럽 간격이 300mm인 경우에 비 교해 약 6.42배 크게 발생하고 있다.

    5.결 론

    본 연구에서는 철근 콘크리트 구조물을 구성하고 있 는 보의 비틀림 거동에 대한 실험적 평가를 수행하고 자 하였다. 고강도 콘크리트가 적용된 보의 비틀림 거동을 실험적으로 평가하고 향후 고강도 콘크리트가 적용된 철근 콘크리트 구조물의 비선형 비틀림 거동 까지 예측 가능한 구조물 해석기술 개발을 위한 기초 자료를 제공하고자 한다. 철근 콘크리트 보 구조물의 비틀림 강도 실험연구를 위하여, 콘크리트강도와 스트 럽 간격을 실험 변수로 설정하였으며, 실험 결과를 바탕으로 보의 비틀림 강도를 비교 분석하였다. 실험 결과 콘크리트의 강도는 철근 콘크리트 구조물의 최 대 비틀림 강도에 영향이 있는 것으로 판단된다. 콘 크리트 강도가 2배 차이가 나지만 최대 비틀림 강도 는 약 30% 차이가 발생하였다. 스트럽의 간격도 최 대 토크에 영향이 있는 것으로 판단되며, 두 배 차이 의 간격으로 최대 비틀림 강도는 약 20%의 차이가 발생하였다. 또한, 비틀림 각의 경우 최대 비틀림 강 도 발생 시 약 2.89배와 약 6.43배의 차이가 발생하였 다. 그러므로, 콘크리트의 강도와 스트럽의 간격은 보 의 비틀림 강도에 영향이 있으며, 특히 스트럽의 간 격은 보의 비틀림 각을 증가 시켜 연성거동이 증가하 는 것으로 판단된다.

    따라서, 본 연구는 철근콘크리트 보의 비틀림 거 동 시 콘크리트 강도와 스트럽의 간격이 비틀림 강도 에 미치는 영향을 이해하기 위한 효과적인 연구자료 가 될 것으로 기대되며, 향후 고강도 콘크리트가 적 용된 철근 콘크리트 구조물의 비선형 비틀림 거동 예 측을 위한 구조물 해석기술 개발을 위한 중요한 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 성과는 2017년도 정부(미래창조과학부)의 재원으 로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(NRF- 2017R1C1B5016990).

    Figure

    KOSACS-8-1_F1.gif
    RC beam specimen
    KOSACS-8-1_F2.gif
    Test setup(unit=mm)
    KOSACS-8-1_F3.gif
    Torsional test results (Torque-Twist angle)
    KOSACS-8-1_F4.gif
    Comparison results by concrete strength
    KOSACS-8-1_F5.gif
    Comparison results by stirrup spacing

    Table

    Material properties of concrete
    RC beam specimen
    Torsional test results
    Comparison results by concrete strength
    Comparison results by stirrup spacing

    Reference

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