철근 콘크리트 부재의 횡방향 구속 효과와 강도 증가 메커니즘

이번 시간에는 횡방향으로 구속된 콘크리트의 강도 및 변형률 특성에 대해 알아 보도록 하겠습니다.

1. 횡방향으로 구속된 콘크리트의 예

횡방향으로 구속된 콘크리트는 구조 부재 내에서 횡방향 철근(후프띠철근, 나선철근, 횡방향 보강근 등)에 의해 둘러싸여 압축력을 받을 때 내부적으로 구속된 상태의 콘크리트를 의미합니다. 대표적인 예는 다음과 같습니다.

 

1-1. 기둥부재

• 철근콘크리트 기둥에서 후프띠철근이나 나선철근을 배치하여 심부 콘크리트(Core Concrete)를 구속함.
• 횡구속 철근(confining steel)이 배치된 기둥에 외력에 의한 소성변형이 발생하여 피복 콘크리트가 탈락된 후 횡구속 철근이 기둥 단면의 심부를 횡방향으로 압축하는 경우
• 내진설계에서 연성 거동을 확보하기 위해 필수적임.

 

1-2. 교각 및 중력식 댐

• 교량 구조물의 원형 또는 직사각형 교각에서 나선철근 또는 띠철근을 배치하여 내진 성능을 향상시킴.
• 댐 내부 콘크리트가 외부 압력에 의해 구속될 수 있음.

 

2. 횡방향 구속이 콘크리트의 강도 및 변형률에 미치는 영향

콘크리트는 압축하중을 받을 때 종방향 변형과 함께 횡방향 팽창이 발생하는데, 이때 횡방향 철근이 콘크리트의 횡방향 팽창을 억제하면 추가적인 구속 압력이 작용하여 콘크리트의 거동이 변화하게 됩니다.

 

2-1. 강도의 변화

• 구속이 없는 콘크리트(1축상태)에 비해 압축강도가 증가함.
• 횡구속 압력이 증가할수록 콘크리트의 최대 강도가 상승.

$$ f_{ck,con} = f_{ck} + k_{m} f_{con}$$

여기서,

$f_{ck,con}$ : 횡방향 구속에 의해 증가된 콘크리트 강도

$ f_{con}$ : 횡방향 구속압력

 $k_{m}$ : 계수

 

2-2. 변형률의 변화

• 최대 강도에 도달할 때까지의 변형률이 증가하여 연성이 향상됨.
• 일반적인 콘크리트의 극한 변형률($\varepsilon _{cu}$)은 약 0.003 정도이지만, 구속된 콘크리트에서는 횡방향 구속 정도에 따라서 0.004~0.008 이상 증가 가능.

$$\varepsilon _{cu,con} = \varepsilon _{cu} + \frac{0.2f_{con}}{f_{ck}}$$

여기서,

$\varepsilon _{cu,con}$ : 횡방향 구속에 의해 증가된 극한 변형률

 

3. 횡구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계 (국내 설계기준)

3-1. KDS 14 20 20 (콘크리트 구조설계기준)

• 횡방향 구속에 따른 콘크리트의 극한 강도를 고려할 수 있도록 규정.
• KDS에서는 구속 효과를 반영하여 설계 시 적용 가능한 변형률 증가 및 연성 증가를 인정.

 

3-2. KCI 콘크리트 설계기준

• 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계를 기존 연구 기반의 실험식으로 제안.
• 일반적으로 Mander et al.(1988)의 모델을 기반으로 한 경험식이 사용됨.

 

4. 원형 후프띠철근, 나선철근 사용 시 횡방향 압력 산정

원형후프 띠철근은 개개의 횡방향 철근이 기계적 연결장치나 용접으로 연결되어 완전한 원형 형태로 심부를 감싸는 것이며, 나선철근은 하나의 횡방향 철근이 나선모양으로 연속적으로 심부를 감싸는 것이다.

$$ f_{c2} = \frac{1}{2} \rho _{s} f_{yh} {\left ( 1-\frac{s}{d_{c}} \right )}$$

여기서,

$f_{c2}$ : 횡방향 압력

$\rho_{s}$ : 콘크리트 심부체적에 대한 횡구속 철근의 체적비

$f_{yh}$ : 횡구속 철근의 설계기준항복강도(MPa)

$s$ : 횡구속 철근의 간격(mm)

$d_{c}$ : 횡구속 철근 외측표면을 기준으로 한 콘크리트 심부의 단면치수(mm)

 

5. 횡방향 철근에 의한 심부구속 효과

5-1. 심부구속과 연성 향상

• 심부구속된 콘크리트는 횡방향 구속 효과로 인해 연성이 크게 향상됨.
• 일반적인 기둥보다 더 높은 변형 성능을 가짐.

 

5-2. 내진설계에서의 중요성

• 내진설계(seismic design)에서는 기둥의 연성을 증가시키기 위해 충분한 횡방향 철근을 배치해야 함.
• 설계기준에서는 구속 콘크리트의 연성 증가 효과를 반영하여 최소 횡방향 철근비를 제시함.

 

6. 결 론

횡방향으로 구속된 콘크리트는 횡방향 철근에 의해 압축강도가 증가하고 연성이 향상됩니다. 국내 설계기준에서는 이러한 구속 효과를 반영하여 횡방향 철근 배치 기준을 명시하고 있으며, 특히 내진설계에서는 충분한 횡방향 구속을 확보하는 것이 중요합니다. 기둥의 횡방향 철근 배치는 구조물의 안전성과 연성 향상에 기여하며, 원형 또는 나선형 철근 배치에 따라 구속 압력 산정 방식이 달라질 수 있습니다. 이상으로 이번시간에는 횡방향 구속에 의한 콘크리트 강도 및 변형률 특성에 대하여 알아 보았습니다.

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