1. 서    론

지진이 구조물에 작용하는 방향에 따라 비선형 전단 및 비틀림거동이 상대적으로 중요한 설계요소로 부각되는데(Kwon et al. 2013) 미국, 유럽 그리고 일본에서는 큰 지진을 경험하면서 성능 설계 개념이 설계기준에 포함되기 시작했고 최근에는 유럽 지역의 여러 나라에서도 성능 설계 개념을 설계 기준에 포함하였다. 이와 같은 국제적인 동향에 따라 국내에서도 이에 대한 설계 규정의 개정이 이루어질 전망이다. 현재 곡선형 교량이나 편심하중을 받는 상자형 교량 등과 같이 비틀림 거동이 지배적인 구조물의 사용 증가로 부재 설계시 비틀림 효과를 고려할 필요성이 증가하고 있으나 보에 발생하는 비틀림 거동에 대한 연구자들의 관심이 많이 부족한 실정이므로, 향후 수요에 부응하기 위한 충분한 연구가 필요하다(Chalioris 2006; Chiu et al. 2007; Lopesa and Bernardo 2009). 또한 도시에 인구가 집중됨으로 인해 공간 활용을 위한 구조물의 고층화 및 대형화, 장지간화가 증가함에 따라 구조물의 자중을 감소시키기 위하여 고강도 재료의 개발 및 적용에 대한 관심이 꾸준히 증가되고 있다. 이에 철근콘크리트 구조물에 대한 고강도 재료의 적용을 위한 다양한 연구가 요구된다(Lim et al. 2015). 고강도 철근 및 콘크리트에 대한 현장적용에 앞서, 고강도 철근 및 콘크리트의 실험 및 이론적 연구를 위한 재료에 대한 해석적 모델의 구축이 필요하다. 고강도 재료의 비선형 거동까지 포함된 모델을 구조물 해석에 적용한다면 성능 개선 및 설계의 효율이 증진 될 것으로 생각된다(Kwon et al. 2016). 철근콘크리트 부재에 일반강도 철근을 사용한 비틀림 실험은 Kim et al.(2015), McMullen and Rangan(1978), Hwu(1968) 외 여러 연구들이 많이 수행되었지만, 고강도 철근을 적용한 구조물의 역학적 거동을 예측을 위해 필요한 실험적 연구는 상대적으로 부족한 실정이다.

이에 본 연구에서는 고강도 철근의 활용성을 재고하기 위하여, 고강도 철근 스터럽의 사용유무에 따른 철근 콘크리트 보의 비틀림 거동에 대한 실험적 평가를 수행하고자 하였다. 고강도 철근의 개발 요구와 현장에서의 적용성을 높이기 위하여, 고강도 철근의 적용성 평가에 대한 연구가 필요하다. 실험을 통하여 고강도 철근 스터럽이 적용된 보의 비틀림 거동을 평가하고, 실험 결과를 바탕으로 고강도 철근의 적용이 요구되는 구조물의 비선형 비틀림 거동까지 예측 가능한 구조물 해석기술 개발을 위한 연구기초 자료로 활용하고자 한다.

2. RC 보의 비틀림 실험

2.1 RC 보 시험체

고강도 철근 스터럽을 사용한 철근콘크리트 보의 비틀림 거동 및 비틀림 강도를 평가하기 위하여 총 12개의 시험체를 제작하였다. 시험체 제작에 사용된 콘크리트의 재령 28일 압축강도 테스트 결과 21.6 MPa의 압축강도를 나타내었다. 고강도 철근 스터럽의 비틀림 강도에 대한 영향을 평가하기 위하여, 항복강도가 400 MPa인 스터럽을 사용한 시험체 6개와 항복강도가 500 MPa인 스터럽을 사용한 시험체 6개를 제작하였다. 사용된 철근은 KS B 0801(금속재료인장시험편 규정)에 준하는 시편을 제작하고 KS B 0802의 금속재료 인장시험방법에 따라 시험을 실시하여 재료 물성치를 검토하였다. 재료시험결과는 Table 1과 같다. F400으로 명명된 SD400 철근의 항복강도는 약 421 MPa, 인장강도는 약 560 MPa로 측정되었다. 또한 초기 탄성계수는 168,622 MPa로 계산되었다. F500으로 명명된 SD500 철근은 항복강도 약 546 MPa, 인장강도 약 755 MPa로 측정되었으며 초기 탄성계수는 194,051 MPa로 계산되었다. F500 철근이 F400 철근과 비교하여 항복강도 및 최대강도가 20 %이상 큰 것을 알 수 있다.

 (2)

Table 1 Material properties of rebar

또한 스터럽 간격의 영향을 평가하기 위하여, 약 두 배의 차이가 있는 150 mm와 300 mm로 스터럽 간격을 설정하였다. 스터럽 간격 300 mm는 설계기준의 최대 간격을 초과하는 간격으로 스터럽 강도의 영향을 확대하여 비틀림 강도에 대한 영향을 검토하기 위함이다. 항복강도가 다른 두 종류의 스터럽과 스터럽의 간격 두 가지 경우를 고려하여 총 4가지 시험체 집단으로 시험체를 구성하였으며, 각 시험체 집단별로 세 개의 시험체를 제작하였다. 각 시험체의 설계 균열 비틀림 모멘트(T_cr)와 설계 최대 비틀림 모멘트(T_u)는 식 (1), (2)에 따라 각각 계산하였다(Korea Concrete Institute 2012; Ame-rican Concrete Institute 2014). 본 연구에서 사용된 철근 콘크리트 보 시험체의 구성은 Table 2와 같다.

 (1)

Table 2 RC beam specimen design

철근 콘크리트 보 시험체는 총길이 3,000 mm이고, 단면은 300 mm × 300 mm의 정방형으로 설계하였다. 길이방향의 주철근은 항복강도 400 MPa의 직경 16 mm인 철근으로 설계하였으며, 스터럽은 직경이 10 mm인 철근으로 설계하였다. 스터럽게 부착한 트럽의 간격에 따른 시험체의 상세 도면은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

Dimension of RC beam specimens (unit=mm)

2.2 비틀림 실험 설계

철근 콘크리트 보의 비틀림 강도를 평가하기 위하여 기존연구자들의 실험 설계를 참고하여 Fig. 2와 같이 실험을 설계하였다(Rao and Seshu 2006: Kim et al. 2015). 보 시험체의 한쪽 끝단은 힌지로 두어 길이방향으로만 움직일 수 있도록 하였고, 다른 쪽은 반경 550 mm의 곡면을 따라서 회전하게 설계하였다. 회전시 시험체에 비틀림 외 전단이나 휨이 작용하지 않도록 회전곡면의 중심을 보 시험체의 회전축의 중심과 일치되도록 설계하였다. 가력장치에 의한 회전력의 중심과 시험체의 회전 중심간 거리는 630 mm로 설계하였고 변위제어방식으로 속도는 1 mm/min로 하중을 재하하였다.

Fig. 2

Pure torsion test setup (unit=mm)

비틀림 모멘트(토크)와 비틀림 각의 관계를 파악하기 위하여, 식 (3)을 이용하여 비틀림 각을 구하였다. 식 (3)의 L_2i, L_2j, L_3i, L_3j는 Fig. 2(b)와 같이 설치한 변위계를 통하여 측정하였다. L₂와 L₃지점의 길이방향 간격이 2,000 mm가 되도록 변위계를 설치하였고, L₂와 L₃지점에 폭 방향으로 각각 2개씩 총 4개를 설치하였다(Peng and Wong 2011). 보 시험체의 폭 방향으로 200 mm간격으로 설치하였다.

 (3)

3. RC 보의 비틀림 실험 결과

3.1 토크-비틀림 각

철근 스터럽 강도 및 간격에 따른 철근 콘크리트 보 시험체의 비틀림 실험을 수행을 통하여 비틀림 강도를 측정하였다. Fig. 3은 시험체의 비틀림토크-비틀림각의 상관관계를 나타내고 있다. 초기 균열시의 비틀림 토크는 실험 중 육안으로 확인되는 균열발생시의 토크로 산정하였다. 그래프를 통하여 각 실험변수별 세 시험체간의 거동형태 및 초기 강도, 최대강도의 위치 등을 비교분석할 수 있다. 그래프에서 각 실험변수에 따른 보 시험체의 비틀림 거동은 거의 비슷하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 따라서 각 변수별 대푯값인 평균을 사용하여 철근의 강도와 스터럽의 간격에 따른 철근콘크리트 보의 비틀림 강도를 비교하였다. 비교를 위하여 초기 균열 발생 시의 토크와 비틀림 각, 최대토크일 때의 토크와 비틀림 각의 결과를 조사하여 Table 3과 같이 정리하였다.

Fig. 3

Torque-twist angle relation

Table 3 Torsional test results of RC beam specimen

균열모멘트의 경우 모든 시험체의 설계모멘트가 10.46 kN/m으로 모두 같다. 실험결과 네 가지 실험군의 평균 균열모멘트가 설계모멘트와 거의 비슷한 값을 나타내고 있다. 설계식에서는 최대 비틀림 모멘트 계산 시, 스터럽 철근의 개수와 철근강도가 변수로 고려되고 있다. 따라서, 각 실험군의 설계 최대 비틀림 모멘트는 모두 다르게 나타난다. 최대 비틀림 모멘트의 실험결과와 설계값을 비교한 결과를 Table 4에 정리 하였다. 비교결과 스터럽의 최대간격 이상인 실험체군(s = 300)이 설계식과 거의 비슷한 값을 나타내고 있으나, 스터럽 간격이 기준을 만족하는 실험군(s = 150)에서는 83 %와 65 %의 비틀림 강도를 나타내고 있다. 실험결과에서의 결과값은 스터럽 철근의 강도와 스터럽의 간격에 따라 의미있는 경향이 나타나고 있지만, 설계값과의 비교결과는 다소 차이가 있다.

Table 4 Comparison results of ultimate torsional strength

3.2 균열 패턴

철근콘크리트 보 시험체의 면 기호는 Fig. 4와 같다. 철근콘크리트 보 시험체의 실험 위치를 기준으로 동면(East Face)과 서면(West Face)을 결정하였으며, 시편의 상하를 상면(Top Face)과 하면(Bottom Face)으로 명명하였다. Figs. 5, 6은 각 철근콘크리트 시험체 동면의 최종단계 균열 사진과 발생된 균열을 바탕으로 그려진 철근 콘크리트 보 시험체의 균열분포 그림이다. 균열의 발생위치는 좌‧우측단의 경계부근에서 많이 발생한 것으로 나타났다. 초기균열이 발생하면, 초기 균열발생위치에서 균열이 확장 및 확대되는 것을 알 수 있었다. 이는 균열이 발생할 경우 균열이 발생한 부근에 응력감소가 발생하고, 비틀림이 증가함에 따라 응력이 감소된 초기균열 부근에 응력이 더욱 집중됨으로써 균열 또한 집중된 것으로 보인다. 스터럽 간격이 300 mm인 시험체에서 45° 균열이 나타났는데 스터럽 간격이 넓어 스터럽이 실제 비틀림 거동에 기여를 하지 못한 것으로 보인다.

Fig. 4

Surface name of RC beam specimen

Fig. 5

Crack pattern (F400 series)

Fig. 6

Crack pattern (F500 series)

4. 실험 결과 분석

4.1 철근 강도에 따른 비틀림 강도

스터럽의 간격이 같은 시편들로 분류하여 Fig. 7과 같은 그래프를 작성하였다. 실험 결과의 평균값을 사용하여 비틀림 강도에 대한 철근 강도의 영향을 분석하였다. Table 5는 철근 강도에 따른 보의 비틀림 강도를 비교하고 있다. 스터럽 간격이 150 mm인 시험체에서, 철근의 항복강도가 400 MPa인 시험체에 비하여 항복강도가 500 MPa인 시험체의 비틀림강도가 약 2 % 감소하였고, 스터럽 간격이 300 mm인 시험체는 항복강도 400 Mpa인 시험체에 비하여 500 MPa인 시험체의 비틀림 강도가 약 1 % 증가하였으나, 그 증감폭은 크지않는 것으로 나타났다. 콘크리트구조기준(Korea Concrete Institute 2012)에 의하면 동일한 스터럽 간격에서, 철근의 항복강도가 증가함에 따라 비틀림강도가 증가해야하나, 동일한 스터럽 간격에서 철근의 강도가 크더라도 비틀림 강도는 유사함을 통해(Yoon et al. 2014), 철근의 강도는 보의 비틀림 강도에 크게 영향이 없는 것으로 판단된다.

Fig. 7

Comparison by rebar strength

Table 5는 스터럽 간격에 따른 실험결과를 정리한 것으로 스터럽 간격 150 mm인 시험체는 균열시 비틀림 강도에 비해 최대 비틀림 강도가 약 1.24배 증가하였으나 300 mm인 시험체는 유사하게 나타났다. 이는 스터럽 간격이 넓어 스터럽의 영향이 작기 때문인 것으로 보인다. 스터럽 간격이 150 mm인 시험체의 균열시 비틀림 강도와 최대 비틀림 강도는 유사하게 측정되어, 스터럽 강도에 크게 영향이 없는 것으로 사료된다.

Table 5 Comparison results by rebar strength

4.2 스터럽 간격에 따른 비틀림 강도

스터럽 철근의 강도가 같은 시편들로 분류하여 Fig. 8와 같은 그래프를 작성하였다. 실험 결과의 평균값을 사용하여 비틀림 강도에 대한 스터럽 간격의 영향을 분석하였다. Table 6은 스터럽 간격에 따른 보의 비틀림 강도를 비교하고 있다. 철근의 항복강도가 400 MPa인 시험체 중, 스터럽 간격이 150 mm인 시험체에 비하여 300 mm인 시험체의 비틀림 모멘트가 약 17 %정도 감소하는 것으로 나타났고, 항복강도가 500 MPa인 시험체에서는 스터럽 간격이 150 mm인 시험체에 비해 300 mm인 시험체의 비틀림 모멘트가 약 15 %정도 감소하는 것으로 측정되었다. 최대 비틀림 모멘트가 발생할 때의 비틀림 각은 동일한 철근에서 스터럽 간격 150 mm인 시험체 대비 300 mm인 시험체가 평균 약 60 % 감소하는 것으로 나타났다. 이는 변위하중이 증가함에 따라 스터럽 간격이 클수록 조기에 파단이 발생하기 때문인 것으로 사료된다.

스터럽 간격이 두 배로 커지더라도 비틀림 모멘트는 평균 약 16 % 감소하고, 비틀림 각은 약 50 % 이상 감소하는 것을 확인하였다.

Fig. 8

Comparison by spacing

Table 6 Comparison results by stirrup spacing

5. 결    론

본 연구에서는 철근 콘크리트 보의 비틀림 거동에 대한 실험적 평가를 수행하고자 하였다. 철근콘크리트 보의 비틀림 거동을 실험적으로 평가하고 스터럽의 강도와 스터럽의 간격에 따른 영향을 검토하였다. 콘크리트구조기준(Korea Concrete Institute 2012)에 의하면 철근의 항복강도가 증가함에 따라 비틀림 강도가 증가해야하나 스터럽 철근의 강도가 크더라도 비틀림 강도는 거의 같게 발생하여, 철근의 강도는 보의 비틀림 강도에 크게 영향이 없는 것으로 판단된다. 균열시 비틀림 강도에 비해 최대 비틀림 강도가 스터럽 간격이 150 mm인 시험체는 약 1.24배 증가하였으나 300 mm인 시험체는 유사하게 나타났다. 스터럽 간격이 300 mm인 시험체는 스터럽 간격이 넓어 스터럽이 실제 비틀림 거동에 기여를 하지 못한 것으로 사료된다. 스터럽 간격이 150 mm인 시험체의 균열시 비틀림 강도와 최대 비틀림강도는 스터럽 강도에 크게 영향이 없는 것으로 보인다. 스터럽의 간격은 실험에서 두 배의 차이로 간격이 다르더라도 최대 비틀림 모멘트는 약 16 %정도 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 다만, 스터럽의 간격이 클수록 비틀림 각은 약 50 % 이상 감소하는 것으로 나타났다. 스터럽 간격이 조밀할수록 파단이 지연되는데 이는 스터럽 간격에 조밀할수록 비틀림 거동시 유효 스터럽 개수의 증가로 보의 연성거동이 증가하는 것으로 판단된다. 따라서, 본 연구는 철근콘크리트 보의 비틀림 거동특성을 이해하는데 스터럽의 강도와 간격이 비틀림 강도에 미치는 영향을 이해할 수 있는 중요한 연구 자료로 판단된다.