보 부재의 휨 거동에 대해서 : 인장파괴의 유도가 중요!

안녕하세요 오늘은 보 부재의 휨 거동에 대해서 알아보는 글을 작성하려고 합니다, 보 부재는 전형적으로 휨 모멘트에 대해서 저항하는 부재입니다. 그렇기 때문에 휨해석 및 설계를 정확히 알고 있는 것이 중요합니다! 보의 휨 모멘트에 대한 파괴 메커니즘은 취성적이냐 또는 연성적이냐에 따라서 나눌 수 있을 것입니다.

 

그렇다면 이제부터 보 부재의 휨 거동에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

[휨 파괴의 종류]

보의 휨 거동은 일반적인 중력하중에서 단순보 부재의 하부는 인장력을 받으며 보의 상부는 압축력을 받습니다. 그리고 압축력은 철근과 콘크리트 모두 저항할 수 있으며 인장력은 콘크리트의 인장균열이 발생하기 전까지 콘크리트와 철근이 모두 인장력에 저항하지만 인장균열이 발생한 후 부터는 거의 모든 인장력은 철근이 저항합니다. 실제로 콘크리트 재료는 인장강도가 매우 낮기 때문에 휨 부재의 콘크리트의 인장균열은 무조건 발생한다고 생각해도 될 것 같습니다. 여기서 설계자는 중요하게 생각할 것이 바로 철근비 입니다. 철근비에 따라서 취성파괴가 될지 연성파괴가 될지 결정되기 때문입니다. 그렇다면 이제 철근비에 따른 파괴모드 어떻게 변화하는지 그 종류에 대해서 알아봅시다!

 

-최소철근파괴(minimum flexural reinforcement failure)

최소철근파괴는 철근비가 건축구조기준에서 제한는 최소철근비 이하일 경우라고 생각할 수 있습니다. 이 경우는 보 부재의 단면에 비해 철근량이 매우 적게 배근되어 있으므로 철근량이 매우 적은 상태라고 볼 수 있습니다. 인장균열이 발생하기 전에는 콘크리트와 철근이 모두 인장력에 저항하지만 인장균열이 발생한 후에는 콘크리트는 인장에 저항하지 않고 철근이 모든 인장력을 부담합니다. 하지만 철근량이 매우 적으므로 급격한 인장항복이 발생하고 부재가 취성적으로 붕괴되는 메커니즘을 보입니다. 그렇기 떄문에 최소철근비 이하로 배근된 부재는 매우 적절하지 못하다고 볼 수 있습니다.

 

-인장파괴(tension failure)

인장파괴는 철근비가 균형철근비보다 적은 경우이며(물론 최소철근비 보다는 커야함) 철근이 항복한 이후 압축연단 콘크리트의 변형률이 극한변형률에 도달하는 이상적인 파괴메커니즘입니다. 보 부재의 휨 모멘트에 대해서 철근의 항복이 선행해야 부재가 연성거동을 하게되고 철근의 항복이 점진적으로 진행되면서 콘크리트의 압축연단이 극한변형률에 도달하는 시점이 옵니다. 이렇게 된다면 부재의 급격한 파괴를 방지할 수 있습니다.

 

-균형파괴(balanced failure)

철근비가 균형철근비와 같은 경우를 말하며 이 경우는 철근이 항복하는 동시에 콘크리트 압축연단의 변형률이 극한변형률에 도달하는 경우입니다. 이 역시 취성적인 거동으로 급격한 부재의 붕괴를 일으켜 적절하지 못한 설계라고 볼 수 있습니다.

 

-압축파괴(compression failure)

철근비가 균형철근비 이상으로 되어 철근이 항복이 일어나기전에 콘크리트 압축연단에서 변형률이 극한변형률이 되어 취성적으로 파괴되는 메커니즘입니다. 이러한 경우에는 철근 배근이 매우 많이 되어 철근의 기능을 제대로 하지 못하는 역설적인 상황으로 과유불급이라고 할 수 있습니다. 이러한 압축파괴를 방지하기 위해서 건축구조기준에서는 최대철근비를 정의하고 설계를 제한하고 있습니다.

 

 

위와 같이 휨파괴의 종류를 알아보면서 설계자는 당연히 인장파괴가 되도록 유도하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있습니다. 이러한 설계가 적절하게 이루어지도록 휨 설계에서는 응력-변형률관계를 이용하여 세가지의 단면으로 구분할 수 있습니다. 압축지배단면, 변화구간단면, 인장지배단면으로 구분할 수 있습니다.

 

[단면의 구분]

 

-압축지배단면

주인장철근량이 많이 배근되어 철근이 항복하지 이전에 압축연단 콘크리트의 극한변형률에 도달하는 취성적인 거동이 나타나는 단면입니다.

 

-변화구간단면

주인장철근이 균형철근비보다 적게 배근되어 있어서 인장파괴가 일어나기는 하지만 철근의 변형이 충분히 일어나지 않은 단면이라고 볼 수 있습니다. 인장파괴가 일어난다고 하더라도 철근의 항복 후 얼마나 많은 변형이 일어난 다음 콘크리트의 변형률이 극한 변형률에 도달하는지가 중요합니다, 그러므로 인장파괴가 일어나지만 변화구간단면은 철근의 휨 변형이 충분하지 못한 구간이라고 보면 이해하기 쉬울 것이라고 생각됩니다. 변화구간단면을 정의하는 방법은 주인장철근의 변형률이 항복변형률 이상이고 max(0.005, 2.5*철근의 항복변형률)미만인 구간의 단면입니다.

 

-인장지배단면

인장지배단면은 주인장철근이 균형파괴시의 철근보다 적게 배근되어 철근이 항복한 이후 max(0.005 , 2.5*철근의 항복변형률)이상의 변형률에 도달할때 콘크리트의 압축연단 변형률이 극한변형률에 도달하여 적절한 연성능력을 확보한 단면을 말합니다.

 

그렇다면 설계할때 어떤 단면으로 설계하는게 좋을까요? 당연히 인장지배단면일 경우가 가장 좋습니다. 하지만 변화구간단면도 인장파괴가 일어나는 단면이기는 하지만 그 연성능력이 매우 적기 때문에 변화구간단면일 경우 철근의 변형률이 max(0.004, 2*철근의 항복변형률)이상일 경우만 설계를 할 수 있도록 건축구조기준에서 허용하고 있습니다.

 

오늘은 보 부재의 휨 거동에 대해서 알아보았습니다. 휨파괴의 종류와 설계에 적절한 단면을 어떻게 확인하는지를 알아보았는데 제가 학부 저학년떄는 이러한 개념이 있는게 많이 신기해 했던 경험이 있었습니다..ㅎㅎ 단순히 철근을 많이 배근하면 좋은줄 알았지만 꼭 그렇지 않고 연성능력이 잘 발현되는 단면으로 설계하는게 중요하다는 것을 꼭 기억하셨으면 좋겠습니다. 오늘도 글을 읽어 주셔서 감사합니다!