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하중저항계수 설계법 최소 휨철근 요구조건 2020-08-24 10:52:53.0│ 조회 6190 │ 만족도 80%

주요정보

리포트구분	기술리포트
컨텐츠구분	SOC
언어	영어
발행일	2019-09-27
출처	National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine 2019

□  하중저항계수 설계법  최소 휨철근 요구조건

 

하중저항계수법(LRFD) 최소 휨 철근 요구조건

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-요약문-

하중저항계수 설계법(LRFD)에 대한 최소 휨 철근 요구조건의 주요 목적은 구조부재가 충분한 강도와 연성을 갖도록 하여 휨 균열 한계상태에 도달할 때 충분한 경고나 하중의 재분배 없이 취성방식으로 파괴되지 않도록 하는 것입니다. 설계기준에서 최소철근 요구조건은 단면수준에서 휨 공칭모멘트 역량과 휨 균열모멘트 사이의 비율에 대한 최솟값을 보장함으로써 해결됩니다. 부재의 연성은 모든 휨 부재에 요구되는 바와 같이, 철근에서 순 인장 변형에 대한 최솟값을 요구함으로써 최소 철근 요구조건의 외 측 철근경계로 결정됩니다.

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불필요하게 많은 양의 최소철근을 사용하는 것은 비효율적이고 과다설계와 철근복잡을 초래할 수 있기 때문에 선호되지 않습니다. 또한 과도한 철근양은 압축제어형태에서 부재의 파괴를 야기할 수 있으며. 그로인해 최소 휨 철근 요구사항을 표준화하려는 목적을 무력화시킵니다. 경우에 따라서, 불필요하게 많은 양의 최소철근이 필요한 경우, 특히 결합되지 않은 세그먼트 부재의 경우 수렴성이 없는 반복적인 설계과정으로 이어질 수 있으므로 설계 요구조건을 충족할 수 없습니다. 따라서 NCHRP 프로젝트 12-94는 AASHTO LRFD 교량 설계기준, 8판 (AASHTO 2017)에서 현재 최소 휨 철근 요구조건을 확인하고 효과를 향상시키기 위해 제안되었습니다. 이전의 NCHRP 프로젝트 12–80과 달리 이번 연구에서는 현재 최소철근 요구조건보다 적은 양으로 설계된 교량 거더에 대해 여러 대규모 시험이 포함되었습니다.

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AASHTO LRFD 교량 설계 기준 (AASHTO 2017)의 최신판에서, 최소 휨 철근은 주로 파열계수 fr의 함수인 균열모멘트 Mcr에 의해 주로 결정됩니다. 일반적으로 fr은 6인치 깊이의 파열 보의 시험자료를 기반으로 했으며 일반적인 교량 거더 깊이의 영향을 반영하지는 않습니다. 파괴역학 이론과 대규모 콘크리트 빔에 대해 수행된 시험의 제한된 수내에서는 파열계수가 빔 깊이의 함수임을 제시합니다. fr을 계산할 때 깊이를 고려하면 Mcr을 보다 실제적으로 평가하여 보다 더 최소 휨 철근 요구조건을 낮출 수 있습니다.

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fr에 대해 부재 깊이의 영향에 대한 연구에서 Shioya et al. (1989)는 fr이 h-0.25에 비례한다고 보고했으며, 여기에서 h는 부재의 깊이입니다. Carpinteri와 Corrado (2011)는 fr이 h-0.15에 비례한다고 제안했습니다. 몇몇 연구자들은 파괴역학 이론(예를 들어, Hillerborg et al. 1976; Bosco et al. 1990; Hawkins and Hjorteset 1992; Bažant 1999; Ince et al. 2003)을 통해서 h의 함수로 fr을 표현하여 이 현상을 입증했습니다. 현재 AASHTO LRFD 교량 설계기준에서 fr은 부재의 높이에 독립으로 0.24 √fc '(ksi)로서 정의됩니다. 전 세계의 다른 설계기준에서 이 기준은 더 이상 유로코드 채택으로 인해 사용되지 않지만 부재 깊이 함수임을 포함하는 노르웨이 표준 (Norwegian Standards Association 2003)을 제외하고는 최소 √fc '의 함수로 최소 휨 철근 요구조건 방정식을 갖는 것이 일반적 관행으로 밝혀졌습니다.

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NCHRP 12–80의 권장사항을 기반으로 AASHTO LRFD 교량 설계기준의 최소철근 결정은 1.33 Mu (여기에서 Mu는 하중 조합에서 얻은 극한모멘트 요구량) 또는 여러 계수(즉 휨 균열 변동계수 (γ1), 프리스트레스 변동계수 (γ2) 및 기준 최소 항복강도 대 극한 인장강도의 비율)를 고려한 함수인 Mcr 방정식 중 더 큰 값에 기반 합니다. 그러나 Mcr 방정식은 부재 깊이의 영향에 기인하지 않습니다. 또한, 다른 설계기준들로 계산된 최소철근이 상당히 다양하다는 것을 발견했으며, 이는 최소철근을 계산하는 보다 신뢰할 수 있는 접근방식이 요구된다는 것을 제시합니다.

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따라서 이 연구 프로젝트의 목표는 LRFD 설계철학에 따라 AASHTO LRFD 교량 설계기준에서 최소 휨 철근에 관한 현재 요구조건을 검토하는 것이었고 그 효과를 개선하는데 있습니다. 이 프로젝트에서 다음과 같은 성과가 완성되었습니다.:

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1. 전 세계적으로 관련기준, 기술문헌 및 저자 / 산업경험에 대한 평론;

2. 선정된 철근보강, 프리텐션, 비 접합 포스트-텐션 세그먼트 및 접합 포스트-텐션 세그먼트 콘크리트 거더의 대규모 또는 전체 시험물 대부분이 현재 최소철근 요구 조건보다 적은 양의 철근으로 설계되었습니다.

3. 최소철근으로 거더의 거동을 보다 깊이 있게 평가할 수 있는 분석모델의 개발 및 검증;

4. AASHTO LRFD 교량 설계기준에 대해 제시된 개정에 대한 기준 및 해설용어의 권고사항 개발;

5. 제안된 개정사항의 잠재적인 경제적 영향의 정량화 및 일부 대표적인 설계사례로 제시된 개정안의 표출.

과소 철근콘크리트 보 (즉, 비교적 작은 보강)에 대한 과거의 시험은 균열모멘트에 도달한 후 충분한 강도가 있는 한(즉, 보 균열 후 하중 저항능력이 떨어지지 않음) 부재가 어느 정도 연성 능력을 가진다고 제시하고 있습니다. 이러한 시험은 일반적으로 변위제어체제하에서 수행되었습니다. 이 접근법은 수용 가능하지만 변위제어시험은 완전한 최소철근이 제공되지 않은 경우 갑작스런 파괴를 유발하지 않는다는 점을 알아야합니다. 대신, 이 테스트는 음(-)의 균열 후 강성에 따라 빔이 서서히 파괴 하도록 합니다. 이 하중체계는 휨 균열의 발생으로 인한 동적 효과를 뜻하지는 않습니다.

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이 프로젝트의 일부로 9개의 대규모 거더 시험이 수행되었습니다. 모든 경우에서, 이들 중 일부는 현재 요구되는 최소철근보다 작게 설계되었지만, 시험결과는 콘크리트 거더가 균열한계상태를 넘어 충분한 강도와 연성역량을 가지고 있음을 확인해주었습니다. 이것은 또한 현재 요구되는 최소철근보다 적은수준으로 적절한 수준의 안전이 보장될 수 있음을 보여주었습니다. 시험 거더의 거동은 일반적인 보 휨 이론을 따랐지만, 과소철근 비 접착 포스트텐션 세그먼트 콘크리트 거더에 대해 균열 발생 후 휨 메커니즘 대신 힌지 메커니즘에 의해 반응이 탁월하고 집중균열이 형성되는 것에 주목하는 것이 중요합니다. 이 힌지는 압축영역의 중심에 대략적으로 위치합니다. 분석모델의 검증은 실험결과와 잘 일치함을 보여주었습니다. 시험관찰 및 결과를 기반으로 AASHTO LRFD 교량설계기준에서 현재 최소 휨 철근 요구조건을 개정하기위한 권장사항이 설정되었습니다. 이러한 권장사항에는 Mcr 계산에서 부재의 깊이를 고려하고 현재 강도감소계수(φ)를 결정하는데 사용되는 순 인장 변형률과 유사한 순 인장 변형율(εt)의 함수인 극한모멘트 증폭계수 α를 도입하는 것이 포함됩니다. 상수 1.33은 더 이상 사용되지 않음을 의미하며, 따라서 압축통제체제의 부재는 이중부담을 받지 않음을 의미합니다. 검증된 분석모델은 콘크리트부재에 대해 제안된 최소철근을 제공함으로써 강도 및 연성역량측면에서 만족스러운 성능이 부재 깊이에 따라 여전히 균일하게 달성될 수 있음을 나타내주었습니다.

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제안된 권장사항을 구현하면 콘크리트부재를 보다 효율적인 휨 설계가 되게 유도할 수 있습니다. 특히, 더 깊은 부재의 경우 규정된 최소철근양은 보다 더 줄어듭니다. 이것은 최소철근으로 설계된 부재에 연계되는 비용을 더 절감되게 할 것입니다. 설계과정은 압축제어체제에서 부재는 과도한 철근을 요구하지 않기 때문에 더욱 합리적이 될 것 입니다. 제안된 권장사항은 AASHTO LRFD 설계기준에 따라 설계된 모든 콘크리트 부재에 대해 보다 균일하고 항구적인 안전수준을 이끌어올 것입니다.

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1. 개요

콘크리트 휨 부재의 최소 휨 철근 요구조건을 연구하기 위해 NCHRP (National Corporative Highway Research Program) 프로젝트 12-94에서 분석 및 실험프로그램이 사용되었습니다. 이 보고서는 해당 프로젝트의 범위, 목적 및 결과를 자료화한 것입니다. AASHTO LRFD 교량설계기준, 8판 (AASHTO 2017)에서 현재 최소 휨 철근 요구조건을 수정하기 위한 일련의 권장사항 및 몇몇 설계사례도 제공됩니다.

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2. 최소 철근 요구조건에 대해 알고 있는 사항

이 장에서는 철학적 및 역사적 배경, 최소철근 요구조건에 영향을 미치는 인자 및 최소철근으로 설계된 구조부재의 거동을 포함하여 최소철근 요구사항에 대한 현재의 지식상태를 보여줍니다.

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3. 실험 및 분석조사

이 장에서는 이 프로젝트에 대해 완료된 실험 및 분석조사의 요약을 제시합니다. 총 9개의 보가 시험 되었는데, 2개의 철근콘크리트, 3개의 프리텐션콘크리트, 3개의 비 부착 포스트텐션 세그먼트콘크리트 및 1개의 부착포스트텐션 세그먼트콘크리트입니다. 이 장의 뒷부분에서 자세히 설명하듯이 철근콘크리트 및 프리텐션 빔은 충분한 크기의 구체였으며 포스트텐션 빔은 1/2 및 1/3 크기로 충분한 크기인 빔임을 나타냈습니다. 모든 빔 유형에 대해 분석모델의 실험결과가 유효한 것으로 전개되었습니다. 또한, 변수연구는 실험으로부터 결과물을 많이 확장하도록 완료되었습니다.

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4. 설계기준 향상

여기에 기술된 연구의 실험 및 분석조사에 기초하여, AASHTO LRFD 교량 설계기준, 제 8 판 (AASHTO 2017)에 대한 수정, 최소 휨 철근기준의 수정이 제안되었습니다. 이 장에서는 현재 조항을 검토하고 변경 또는 업데이트를 제안하는데 사용되는 방법론에 대해 설명합니다. 광범위한 업데이트가 분석 및 실험적 조사를 기반으로 새로운 방법이론으로 기준을 완전히 교체하는 것부터 기존기준을 재교정하는 것에 이르기까지 검토되었습니다. 대체기준의 고려는 NCHRP 웹 전용문서 149 : 권장 LRFD 최소 휨 철근 요구조건 (Holombo and Tadros 2010)에서 고려되지 않은 방법이론으로 제한되었습니다.

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5. 결론

5.1 소개

이 보고서는 NCHRP 프로젝트 12-94에서 완료된 연구를 요약했으며, 기존 최소 철근 요구조건을 검토하는데 중점을 두었습니다. 이 노력에는 미국 내외부의 실무 상태조사, 9가지 대규모 시험수행, 보완분석 작업완료 및 현재 AASHTO 조항의 적절한 개정 등이 포함되었습니다. 이 연구를 바탕으로 다음 문단에 제시된 결론이 도출되었습니다.

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5.2 미국 및 국제 실무상태 검토

명시된 최소철근의 미국 및 국제 실무상태를 검토한 결과 다음과 같은 결론이 도출되었습니다.:

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1. 기준과 표준에 의해 요구되는 최소철근은 전 세계적으로 다양합니다. 이런 요구사항 중 일부에는 최소철근 요구기준을 결정하는데 있어 깊이를 변수로 포함하는 반면 다른 요구조건에는 이런 요구조건을 포함하지 않습니다.

2. 파괴역학 이론에 기초하여, 연구원들은 휨 균열강도 (fr)는 독립적인 재료특성이 아니라, 단위면적당 파괴에너지, 콘크리트 탄성계수 및 파괴계수에 의존하는 특성길이의 함수라고 제안했습니다. 이는 휨 부재의 파괴계수 깊이가 증가함에 따라 감소할 것임을 의미합니다. 문헌에 보고된 대규모 시험은 이 개념을 뒷받침하는 것으로 보입니다.

3. 휨 부재가 기준 및 표준에 의해 요구되는 것보다 적은 종 방향 철근으로 설계될 때, 이들은 여전히 ​​균열한계 상태를 넘어가는 적절한 안전여유를 나타냅니다.

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5.3 실험 조사

실험 작업에는 2개의 철근콘크리트 거더, 3개의 프리텐션 거더, 3개의 비 접착 포스트텐션 세그먼트 거더, 1 개의 접착 포스트 텐션 세그먼트 거더 시험이 포함되었습니다. 그것들은 현재 AASHTO 기준에 따라 필요한 최소철근보다 작게 설계되었습니다. 예비분석 작업에서 현재 AASHTO 요구조건이 과도하다고 제안했기 때문에 이 방법이 사용되었습니다. 그러나 제공되는 최소철근의 실제 양은 측정된 재료 특성과 관련하여 56%내지 130%로 다양 하였다. 결과의 시험관찰 및 분석에서 도출된 결론은 다음과 같습니다.:

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1. 철근 콘크리트 부재는 최소강도 비 2.33 및 최대 순 인장변형률 10.5 mε로 적절한 연성을 나타냈습니다. 두 시험 거더 모두 압축으로 파괴했습니다. 이 파괴 모드는 실제 환경에서는 전개될 가능성이 없는 스팬중앙에 집중하중을 적용하여 조사되었습니다. 이 결과물은 실제적인 초과강도와 변위역량이 더 클 것이라는 것을 함축하고 있습니다. 더욱이, 임계단면 주위의 집중된 균열영역에서 종 방향 철근의 일부 저 부착은 연강철근에 대한 필요성을 줄이고 변위 역량을 증가시키는 것으로 생각되었습니다.

2. 3개의 프리텐션콘크리트 부재 모두가 충분한 연성 및 초과 강도모멘트 비를 생성했으며 시험 중 안전성에 대한 염려는 없었습니다. 측정된 강도초과모멘트 비는 1.8이상이고, 균열한계상태에 대한 변위 연성은 20을 초과했습니다. 측정된 최대변위는 임계단면 영역에서 단거리에 걸친 시험동안 진행된 저 부착 스트랜드로 인해 생각보다 상당히 더 크게 나타났습니다.

3. 비 부착 포스트텐션 세그먼트부재 3개 빔 중 2개는 AASHTO에서 설정한 최소철근 요구조건보다 작게 설계되었지만 다른 하나는 현재 기준 요구조건보다 더 많이 설계되었습니다. 3개의 빔 모두가 휨 균열 형성 후 음(-)의 강성으로 반응을 나타내지 않고 만족스럽게 작용 하였습니다. UNB1 거더는 하중 제어 하에서 예비역량이 제한적이었으나, 정착부에서의 스트랜드의 파괴에 의해 그 거더의 파괴가 좌우되었습니다. UNB1 거더를 포함하는 두개의 시험 체는 깊이가 3피트였으며, 초과강도 모멘트 비는 약 1.1이었습니다. 4.5피트 깊이 빔의 해당 값은 1.6입니다. 모멘트 비의 증가에 대한 한 가지 이유는 파괴 계수가 낮아지고 부재가 더 빨리 균열가게 하는 부재 깊이의 증가에 있었습니다. 따라서 설계 과정에서 이 현상을 인식하면 설계계산에서 보다 현실적인 모멘트 비를 달성하는데 도움이 됩니다. 또한, 세그먼트 빔은 초기에 휨 거동을 경험했으며, 힌지 메커니즘은 결국 휨 균열의 형성에 따른 응답을 지배했습니다. 힌지 메커니즘의 시작은 변위가 증가함으로서 얻어지는 하중저항의 감소와 관련이 있었습니다. 힌지 메커니즘의 형성을 입증하는 것은 비 부착 포스트 텐션 보의 응답을 예측하는데 필수적이라는 것이 밝혀졌습니다.

4. 하나의 부착 세그먼트 포스트 텐션 거더를 시험하였고, 그 거동은 비 부착 세그먼트 포스트텐션 거더 보다 프리텐션 보의 거동과 더 비슷하였습니다. 이는 세그먼트 보에서 관찰된 집중균열보다는 분산된 균열을 경험했기 때문입니다. 이 거더의 모멘트비와 연성은 프리텐션 보의 모멘트비와 연성과 비슷했습니다.

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5. 시험은 횡단면이 너무 높을 수 있는 6-in × 6-in의 파괴 보의 표준계수에 기초하여 파괴계수 값이 확립되었음을 확인하였습니다. 시험 체의 깊이가 변할 때, 파괴계수는 전체 부재 깊이에 의존하는 것으로 보였으며, 이는 파괴계수에 대해 보다 정확한 평가가 평가 되고나서 반영되어야할 것입니다.

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5.4 분석 연구

분석모델은 시험 체의 반응을 평가하는데 사용되었고, 다음에 시험체의 측정된 응답을 사용하여 모델을 개선하는데 사용되었습니다. 개선된 모델은 제안된 AASHTO LRFD 최소철근 요구조건을 기반으로 변수 연구를 수행하는데 사용되었습니다. 이 연구로부터 도출된 결론은 다음과 같습니다.:

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1. 사용된 소프트웨어의 한계 내에서, 분석모델은 측정된 특성이 사용될 때 시험 체의 관찰된 응답을 만족스럽게 계산해주었습니다.

2. 측정된 응답과 계산된 응답사이의 불일치는 (a) 철근보강의 저 부착 거동을 정확하게 모델링하지 않았기 때문이며, (b) 콘크리트의 비선형 거동으로 인해 발생하는 수렴문제 및 (c) 힌지 메커니즘의 형성을 고려하지 않고 비 접착 포스트 텐션을 갖는 세그먼트 빔의 전체 응답에 대한 휨 거동으로 가정하는데 기인하였습니다.

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제안된 AASHTO 기준에 기초한 완성된 변수연구는 철근콘크리트와 프리텐션 거더가 적절한 모멘트 비인 각각 약 1.75와 1.64의 일정한 모멘트 비를 보여주었습니다. 1.06 내지 1.44 범위에서 큰 모멘트 비 변화가 비 부착 포스트텐션 거더에서 관찰되었습니다. 더 낮은 모멘트 비는 예상대로 더 얕은 빔 깊이 및 더 작은 스팬 대 깊이 비에서 얻어졌습니다. 분석에서는 강선과 편향기 사이의 마찰을 고려하지 않았으므로 실제 초과강도모멘트 비가 증가 할 것입니다.

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5.5 AASHTO 기준에 대한 권장되는 변경사항

현재 AASHTO 기준은 완료된 작업을 기초로 평가되었습니다. 상세설계사례 뿐 아니라 다양한 설계단면을 포함하는 또 다른 변수연구가 기준에 관해 제안된 변경사항을 바탕으로 완료되었습니다. 이러한 노력의 결과로 다음과 같은 결론이 도출되었습니다.:

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1. 파괴계수에 대한 깊이의 영향은 모멘트 비의 보다 현실적인 평가를 제공하고 비용절감을 가져 오기 때문에 설계방정식에 포함되어야할 것입니다.

2. 압축제어부재의 경우, 최소철근 요구조건은 감소된 저항계수를 사용해야하는 것에 더하여 설계에도 불이익을 줌으로 수정해야합니다.

3.이 보고서에 제시된 완성된 연구에 기초하여 AASHTO에 제안된 방법에서, 다른 보 유형들이 꾸준한 초과모멘트 비율을 생성하므로 경제적 이익을 얻기 위해 최소철근 수량감소를 요구하게 되었습니다.

4. 완성된 설계사례는 제안된 변경사항과 잠재적인 경제적 이익의 적합성을 확인해주었습니다.

<원문제목> LRFD Minimum Flexural Reinforcement Requirements <원문출처> National Academy of Sciences(TRANSPORTATION RESEARCH BOARD)

 

<휨파괴 시험 >

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