2축 응력 상태의 콘크리트 강도

이번 시간에는 2축 응력 상태의 콘크리트 강도특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 2축 응력상태의 정의

2축 응력 상태(biaxial stress state)는 구조물 내에서 두 개의 서로 다른 방향으로 응력이 작용하는 상태를 의미한다. 즉 직각인 x,y,z 방향의 세 주응력 중의 하나가 0이면 2축응력 상태가 된다. 이는 콘크리트 부재에서 자주 발생하며, 구조물의 안전성 평가 및 설계에서 중요한 요소로 작용한다. 2축 응력 상태는 단순한 1축 응력 상태보다 복잡한 응력 분포를 가지며, 콘크리트의 거동에 중요한 영향을 미친다. 2축 응력상태는 판(Plate)이나 쉘(shell)부재가 면내(in plane)에서 2개의 축방향으로 응력을 받는 경우를 2축응력 상태에 있다고 할수 있다.

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2. 2축 응력상태의 특징

2축 응력 상태에서 콘크리트의 거동은 단순한 1축 응력 상태와 크게 다르다. 주요 특징은 다음과 같다.

• 압축 강도의 변화 : 2축 응력 상태에서는 압축 강도가 1축 압축 강도보다 커질 수 있다(압축-압축인경우). 이는 콘크리트 내부의 균열 진행이 제한되기 때문.
• 균열 발생 방향 : 응력의 조합에 따라 균열 발생 패턴이 다르며, 특히 압축-인장 응력 상태에서는 인장 방향으로 균열이 집중.
• 변형률 거동의 복잡성 : 2축 응력 상태에서는 변형률이 비등방적으로 작용하며, 단순한 탄성 거동으로 해석하기 어렵다.

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3. 2축 압축-압축 상태의 압축 강도

2축 압축-압축 상태는 콘크리트가 두 방향에서 동시에 압축 응력을 받는 경우를 의미한다. 실험적 연구에 따르면, 2축 압축 상태에서 콘크리트의 압축 강도는 1축 압축 강도보다 최대 30% 까지 증가할 수 있다. 이는 측방 압축 응력이 균열 진행을 방해하고 내부 균열의 성장 속도를 감소시키기 때문이다.

 

2축 압축-압축 상태에서의 강도 (콘크리트교 설계기준,한계상태설계법)

$$ f_{c2,max} = f_{ck}\frac{1+3.8(f_{1}/f_{2})}{[1+(f_{1}/f_{2})]^{2}} $$

여기서,

$f_{c2,max}$ : 유효압축강도

$f_{1}$ : 수평방향 압축응력

$f_{2}$ : 수직방향 압축응력 (f1과 직교) 

$f_{ck}$ : 1축 압축강도

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4. 2축 압축-인장 상태의 압축 강도

2축 응력 상태 중 압축-인장 응력 상태는 한 방향에서는 압축 응력이, 다른 방향에서는 인장 응력이 작용하는 경우를 의미한다. 이는 철근 콘크리트 부재에서 자주 발생하는 응력 상태이며, 구조물의 설계 및 해석에서 중요한 요소로 작용한다.

 

4.1 압축 강도의 감소

압축-인장 상태에서는 인장 응력의 존재로 인해 콘크리트의 압축 강도가 감소하는 경향을 보인다. 이는 인장 응력이 콘크리트 내부 균열을 촉진하고, 콘크리트를 연화시키기 때문이다. 콘크리트교 설계기준에서는 다음과 같이 제시하고 있다.

1) 콘크리트 내부의 철근이 항복하기 전인 탄성상태

$$ f_{c2,max}= [0.85-\frac{f_{s}}{f_{y}}(0.85-\nu )]f_{ck}$$

여기서,

$f_{s}$ : 철근의 작용응력 (MPa)

$\nu$ : 압축강도 유효계수 ($\nu = 0.6(1-f_{ck}/250)$) 

 

2) 콘크리트 내부의 철근이 모두 항복할때

$$f_{c2,max} = \nu f_{ck} = 0.6(1-\frac{f_{ck}}{250})f_{ck}$$

 

4.2 국내 설계기준 (콘크리트교 설계기준)

콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)에서는 2축 응력 상태를 고려한 설계법을 제시하며, 특히 비탄성 거동을 반영한 응력-변형률 관계 및 콘크리트의 인장연화(Tensile Softening) 효과를 고려하는 보정식을 도입하고 있다. 이를 통해 압축-인장 조합 상태에서의 강도 저감을 보다 정밀하게 평가할 수 있도록 규정하고 있다.

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5. 결 론

2축 응력 상태에서의 콘크리트 강도는 응력 조합에 따라 크게 달라집니다. 2축 압축-압축 상태에서는 강도가 증가하는 경향을 보이며, 이는 측방 압축 응력이 균열을 억제하는 효과 때문입니다. 반면, 2축 압축-인장 상태에서는 인장 응력의 영향으로 인해 압축 강도가 감소합니다. 국내 설계기준(KDS 14 20 10) 및 콘크리트교 설계기준에서는 이러한 효과를 반영하여 보정계수를 적용하고 있으며, 구조물 설계 시 반드시 고려해야 하는 요소 중 하나입니다. 따라서 실무에서는 2축 응력 상태를 적절히 고려하여 구조물의 내구성과 안전성을 확보해야 합니다. 이번 시간에는 콘크리트의 2축응력 상태에서 압축강도의 특성에 대해 알아보았습니다.

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