고강도 콘크리트 보의 탄성계수에 따른 단기 처짐에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

고강도 콘크리트는 단면을 감소시킬 수 있고 이에 따라 자중이 감소되며 또한 강도의 발현이 빠르기 때문에 공기가 단축되는 등의 많은 장점이 있다. 이러한 고강도 콘크리트는 압축부재에는 많이 사용되지만 휨부재에는 적용이 많지 않으며 이는 고강도 콘크리트를 휨부재에 적용하였을 때 압축부재에 적용했을 때보다 콘크리트의 강도 증가에 따른 구조적인 이점이 적으며 단면의 감소에 따른 사용성 저하 우려가 있기 때문이기도 하다.
특히 처짐 측면에서는 구조물의 대형화, 고강도 재료의 사용 증가, 단면 축소 등에 따라 처짐이 증가하기 때문에 사용성 측면에서 처짐의 제한은 매우 중요하다. 이러한 처짐에 영향을 주는 인자로는 콘크리트의 탄성계수, 콘크리트의 인장강도, 인장강화효과 등이 있으며 이러한 요소들이 복합적으로 작용하여 처짐에 영향을 미치며 이로 인하여 정확한 처짐을 계산하는 것에는 많은 어려움이 따른다.
콘크리트구조설계기준에서 채택한 Branson(1963)이 제시한 처짐 산정식에 의하여 처짐을 계산하게 되면 철근콘크리트 구조물의 실제 처짐보다 과소평가된다고 알려져 있다. 또한 콘크리트 부재의 처짐 산정식이 부재내의 최대모멘트의 함수이므로 고강도 콘크리트의 부착특성이 고려되어 있지 않다.
이에 반해 Eurocode 2와 CEB-FIP MC90에서는 부재의 처짐을 곡률을 적분하여 처짐을 계산하고 있다. 이러한 방법은 평균부착응력 개념을 도입한 평균변형률을 이용하여 곡률을 산정하기 때문에 중립축의 변화나 지간에 따른 강성의 변화를 반영하기 때문에 실제 구조물의 처짐을 효과적으로 표현하고 있다. 하지만, Eurocode 2에서도 콘크리트 강도에 따른 변화를 고려하고 있지 않고 있다.
또한 철근콘크리트 휨부재의 처짐을 산정할 때에는 콘크리트의 탄성계수가 큰 영향을 미친다. 휨부재의 처짐 산정에서 탄성계수는 단순히 탄성처짐식 및 곡률 산정식의 인자일 뿐만이 아니라, 철근콘크리트의 환산단면을 사용한 단면2차모멘트의 산정에도 영향을 미치기 때문에 처짐 거동은 탄성계수의 변화에 정비례하는 거동을 보이지 않는다.
먼저 본 연구에서는 콘크리트구조설계기준과 Eurocode 2의 처짐 기준에 대한 연구와 비교를 통해 두 설계기준간의 차이를 확인하였다. 또한 각 설계기준의 처짐을 콘크리트의 강도를 변수로 휨 실험을 수행한 Lambotte & Taerwe (1990)의 실험결과와 비교 분석하였다.
또한 40-80MPa 범위의 고강도 콘크리트에 대한 탄성계수 실험을 통해 정확한 탄성계수를 산정하고 회귀분석을 통해 탄성계수식을 제안하였다. 탄성계수 제안식을 각 설계기준 및 기존 연구의 탄성계수 산정식과 비교하였다. 그리고 탄성계수 제안식을 각 설계기준의 처짐식에 적용하여 처짐값 및 휨강성의 변화를 살펴보고 실제 실험값과 비교하여 보다 정확한 처짐 거동을 표현해보았다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

High strength concrete has many strong point such as decreasing section, reducing weight and appear high strength fastly. But high strength concrete do not used in flexural beams because of serveiceability. In terms of serveiceability, limiting deflection is very important. Modulus of elasticity in concrete, concrete strength effect deflection.
KCI deflection formula underestimates real deflection and it does not consider high strength concrete. In Eurocode 2 and CEB-FIP MC90 code, deflection is calculated by integration but it also does not consider high strength concrete.
Modulus of elasticity in concrete influences deflection of reinforced concrete beams.
In this research, it has compared with KCI and Eurocode 2 deflection formula. And these KCI and Eurocode 2 deflection formula has compared with flexural experiment performed by Lambotte & Taerwe(1990).
Also, modulus of elasticity in concrete experiment has performed between 40-80MPa to make modulus of elasticity formula. And this formula was compared with KCI, ACI and Eurocode 2 formula. Also, this formula was applied to deflecion formula.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 현황 3
• 1.2.1 국외 연구 동향 3
• 1.2.2 국내 연구 동향 4
• 1.3 연구 목적과 내용 5
• 제2장 고강도 콘크리트 7
• 2.1 고강도 콘크리트의 사용 7
• 2.2 고강도 콘크리트의 정의 8
• 2.3 고강도 콘크리트의 이점과 용도 11
• 2.4 고강도 콘크리트의 토목구조물 적용 현황 12
• 제3장 설계 기준의 처짐 산정 15
• 3.1 콘크리트 구조설계기준(2007)의 처짐 기준 15
• 3.1.1 부재의 최소두께를 제한하는 방법 15
• 3.1.2 처짐을 계산하는 방법 16
• 3.2 Eurocode 2의 처짐 기준 18
• 3.2.1 Span/depth 비를 제한하는 방법 18
• 3.2.2 처짐을 직접 계산하는 방법 20
• 제4장 철근 콘크리트 보의 해석 24
• 4.1 기본 가정 24
• 4.2 휨 상태의 보의 곡률 24
• 4.3 휨모멘트와 곡률의 이론 해석 27
• 제5장 설계기준의 처짐 산정과 실험 처짐값의 비교 31
• 5.1 기본 가정 31
• 5.2 설계기준과 실험 처짐값의 비교 33
• 제6장 처짐과 탄성계수의 관계 37
• 6.1 탄성계수 변화에 따른 처짐 인자 37
• 6.2 비균열 단면의 단면2차모멘트 38
• 6.3 균열 단면의 단면2차모멘트 39
• 6.4 콘크리트구조설계기준과 탄성계수 변화 41
• 6.5 Eurocode 2 설계기준과 탄성계수 변화 41
• 제7장 탄성계수의 산정 43
• 7.1 고강도 콘크리트의 탄성계수 43
• 7.2 설계기준의 탄성계수 산정식 43
• 7.2.1 콘크리트구조설계기준(KCI) 2007의 탄성계수 산정 43
• 7.2.2 콘크리트구조설계기준(KCI) 2003의 탄성계수 산정 44
• 7.2.3 Eurocode 2의 탄성계수 산정 45
• 7.2.4 ACI 318의 탄성계수 산정 45
• 7.2.5 ACI 363의 탄성계수 산정 46
• 7.2.6 각국 설계기준에 따른 탄성계수 비교 46
• 7.2.7 기존 연구와 탄성계수 비교 48
• 7.3 실험에 의한 탄성계수 산정 50
• 7.3.1 탄성계수 실험 50
• 7.3.2 탄성계수 실험 재료 50
• 7.3.3 탄성계수 실험 방법 51
• 7.3.4 탄성계수 실험 결과 53
• 7.3.5 타 연구의 탄성계수 실험 결과와 비교 54
• 7.3.6 설계기준과 탄성계수 실험 결과 비교 55
• 제8장 탄성계수에 따른 처짐 58
• 8.1 탄성계수를 적용한 KCI의 처짐 58
• 8.2 탄성계수를 적용한 Eurocode 2의 처짐 61
• 8.3 탄성계수 적용시 KCI의 휨강성 변화 63
• 8.4 탄성계수 적용시 Eurocode 2의 휨강성 변화 64
• 8.5 탄성계수를 적용한 처짐식과 실험결과의 비교 65
• 제9장 결론 74
• 참고문헌 76
• ABSTRACT 80