철근콘크리트 보 - 인장 지배 단면과 압축지배 단면의 규정

안녕하세요. 윈트입니다.

오늘은 인장, 압축지배 단면의 규정에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

인장 지배 단면과 압축지배 단면의 규정

(Code Definitions of Tension-controlled and Compression-controlled Sections)

 

앞에서 철근콘크리트 보 단면의 휨 거동은 연성(곡률-연성비, curvature ductility ratio(CDR))을 이용하여 설명하였다. 지진하중이나 큰 변형이 작용할 때 철근콘크리트 부재의 곡물인 성비가 Φn/Φy>4 이상인 것이 적당한 것으로 인식되고 있다.

2003년과 이전에 발행된 기준에서는 균형 파괴 단면으로부터 구한 균형철근비 ρb = Asb/bd의 0.75배 이하를 최대 철근비로 규정하여 부재의 연성 거동(ductile behavior)을 확보하였다. 그러나 2007년 이후 발행된 구조기준에서는 공칭강도(nominal strength)에서 최 외단 인장 철근 층(extreme layer of tension steel)의 순인장변형률(net tensile strain)의 크기에 따라 단면을 압축지배 단면(compression-controlled section), 변화구간 단면(transition region), 인장 지배 단면(tension-controlled section)으로 구분하도록 제시하였다. 따라서 단면의 연성 거동을 간접적으로 균형철근비를 이용하여 최대 철근비로 제한하던 것을 2007년 이후 발행된 구조기준에서는 직접적으로 단면의 인장 철근의 변형률에 대한 제한으로 변경한 것이다. 단면의 연성은 일반적으로 곡률(curvature)로 표시하지만, 변위나 회전으로 표현할 수도 있으므로 2007년 이후 발행된 구조기준의 순 인장 변형률 εt로 단면의 연성 거동을 규정할 수 있을 것이다.

2003년과 이전의 기준에서 적용하던 최대 철근비를 0.75배 균형철근비로 제한하던 규정은 단 철근 직사각형 단면 보에는 간단하게 적용할 수 있는 반면에 압축철근이 배치된 복철근 보나, 플랜지가 붙은 T형 단면에서는 복잡하게 된다. 더군다나 일반 철근과 프리스트레싱 긴장재가 동시에 배치되는 보에서는 최대 철근비에 관한 규정이 더욱더 복잡하게 된다. 그러나 최외단 인정 철근 층의 순인장변형률 εt로 단면의 인장거동을 규정하게 되면 εt는 단순한 변형률 분포도로부터 구할 수 있으므로 보강철근의 배치나 단면의 형상이 아무리 복잡하더라도 문제가 없게 된다.

휨에 대한 강도설계식(∅Mn ≥ Mu)에서는 강도감소계수(strength reduction factor)로 구조기준 3.3.3(ACI 9.3.2)에서는 보 단면이 어떻게 거동하느냐에 따라 다른 값을 규정하고 있다. 철근콘크리트 구조물은 일체로 시공되기 때문에 대부분 보나 1방향 슬래브는 연속된 바닥시스템 일부로 배치되게 된다. 만약에 연성 거동을 하는 보에 예기치 않게 과한 하중이 작용하게 되면 철근의 항복이 시작된다고 해도 부재가 연성을 가지면서 소성 힌지(plastic hinge)가 발생하여 하중을 다른 부분에 재분배하여 갑작스러운 붕괴파괴가 일어나는 것을 방지하고 붕괴과정을 지연시켜서 안전 등급을 증가시킬 수 있도록 한다. 따라서 구조기준에서는 연성 거동을 하는 보(즉, 인장 지배 단면)에 대해서는 상대적으로 높은 강도감소계수를 규정하여 안전율이 낮아지는 것을 허용하고, 인장 철근 단면적이 증가하여 연성이 감소(즉, 압축지배 단면)하게 되면 낮은 강도감소계수를 규정하여 안전율이 높아지도록 하고 있다?!