스트럿 타이 모델 - 철근 콘크리트 구조 설계

본문내용

들의 영향을 받는 모든 형태의 절점영역의 강도를 합리적이며 일관성 있게 검토할 수 있는 방법을 제안하였는데, 이 방법은 무근콘크리트의 절점영역을 비선형 유한요소법으로 해석하고 콘크리트의 파괴기준을 고려하여 절점영역에서의 파괴메카니즘 발생여부를 검토하는 것이다. 유한요소해석 시 절점영역 내부에 위치한 철근이 절점영역의 강도 및 거동에 미치는 영향은 철근에 작용하는 힘을 절점영역의 유한요소모델에 수동적인 외부하중으로 작용시켜 고려한다.
이 방법에서는 스트럿과 타이 응력장의 교차에 의해 결정되는 절점영역을 평면 콘크리트 부재의 경우 평면응력 문제로 간주하여 해석하였다. 절점영역의 형상이 결정된 후 절점영역을 유한요소해석을 위하여 모델링한다. 절점영역의 경계면에는 스트럿, 콘크리트 타이, 그리고 하중판 혹은 지지판의 집중하중을 경계면의 유한요소 절점하중(식 2.11, 그림 2.16(a))으로 나누고, 이 하중의 수평 및 수직 방향의 분력을 다시 유한요소 절점에 작용시킨다.
여기서, 이다. 스트럿의 단면력 P의 크기는 평면 트러스 구조의 선형 또는 비선형 유한요소해석에 따라 전체 또는 증분하중이 될 수 있다.
철근타이 및 철근스트럿의 단면력은 배근상태와 정착길이를 고려하여 철근의 위치에 작용시킨다. 다음의 그림 2.16(b)는 그림 2.14의 절점영역에 작용되는 하중을 보여주고 있다. ACI 318-02 (2002)의 식 (12-1)에 의해 결정된 인장철근의 정착길이는 그림 2.16(a)에서 보는 바와 같이 인장력이 작용하는 방향의 경계면에서부터 산정한다. 철근타이의 정착길이가 절점영역내에 있을 경우는 그림 2.16(a)와 같이 철근타이의 단면력을 정착길이에 걸쳐 등분포시킨다. 철근의 정착길이가 절점영역을 벗어날 경우는 철근타이의 단면력을 산정된 정착길이에 걸쳐서 등분하고 절점영역내의 정착길이에서는 그 위치에 등분된 힘을 작용시키고, 절점영역을 벗어난 정착길이에 분포된 힘은 인장력이 작용하는 반대방향의 경계면에 집중하중으로 작용시킨다. 철근스트럿의 단면력은 철근타이의 경우와 유사하게 철근스트럿의 경계면에서 압축철근의 정착길이에 걸쳐 등분포시킨다. 이때 압축철근의 정착길이는 절점영역내에 위치하는 것을 원칙으로 한다.
절점영역의 무근콘크리트 비선형해석을 위한 유한요소모델의 경계조건으로는 절점영역에서 주응력의 흐름이 전체 콘크리트 부재에서의 절점영역에 해당되는 영역의 주응력 흐름과 유사하고 절점영역에서 강체회전이 발생되지 않도록 스트럿과 타이의 중심선이 교차하는 곳의 주변 유한요소 절점에 수직과 수평의 롤러를 사용한다. 또한 수직 혹은 수평으로 위치한 스트럿 혹은 타이을 포함하는 부재들에 의해 형성된 절점영역의 경우 이들 스트럿 혹은 타이의 경계면에 수직 혹은 수평의 롤러와 절점영역을 형성하는 부재들의 중심선이 만나는 곳에 힌지를 부과할 수 있다.
절점영역의 강도는 무근콘크리트 절점영역의 비선형 유한요소해석을 수행하여 절점영역 내부의 파괴메카니즘의 발생여부를 검토하여 판단한다. 그림 2.17은 절점영역의 파괴메카니즘을 보여주고 있는 것으로, 그림 2.17(a)는 절점영역의 한 경계면을 따라 발생한 콘크리트 파쇄에 의한 절점영역의 파괴를 나타내고 있으며, 그림 2.17(b)는 절점영역의 한 경계면에서 다른 경계면까지의 균열진전에 의한 파괴를 나타내고 있다. 이때 콘크리트의 파쇄 및 균열의 발생기준은 서로 다른 2차원 응력의 조합으로 구성된 콘크리트의 2차원 파괴포락선으로부터 결정한다.
(a) 일반적인 경우
그림 2.16 절점영역의 유한요소 절점에 부과되는 하중
(b) 특수한 경우
그림 2.16 - 계속 -
(a) 파쇄 (b) 균열
그림 2.17 절점영역에서의 파괴메카니즘
2.3.3 철근의 배근
기하학적 적합성 조건의 검토단계로부터 철근의 양을 결정한 후 스트럿-타이 모델의 타이 단면력이 타이의 위치에서 정착 및 전달되도록 하는 것은 매우 중요하다. 콘크리트 부재의 설계를 위해 선정된 스트럿-타이 모델에서는 타이가 적절히 정착되었다고 간주한다. 적절한 정착은 충분한 정착길이를 두거나 정착판 혹은 훅 등을 사용한 기계적 정착에 의해 가능하다. 정착형태의 선택은 정착이 필요한 곳에서의 응력상태, 부재치수, 철근종류, 그리고 실제적인 사용성에 의해 결정되어진다.
축방향 철근의 정착은 일반적으로 직선철근의 연장, 표준 훅 또는 기계적 정착장치에 의해 이루어진다. 보 이론과는 다르게 트러스 모델은 그림 2.18(a)에서와 같이 언제나 단순지지 철근콘크리트 보의 지점부에서 인장응력이 생길 수도 있다. 만약 부재의 치수가 정착에 필요한 충분한 길이를 가질 수 없다면 그림 2.18(b)에서와 같이 기계적인 정착, 즉 정착판이나 표준 훅 등을 사용해야 한다. 충분한 정착길이를 제공한다는 것은 철근을 둘러싸고 있는 콘크리트에 심한 균열이 발생해서는 안 된다는 조건이 전제되어야한다. 그러므로 철근을 절단하는 위치는 인장영역으로부터 떨어져 있어야 한다. 전 부재를 통한 트러스 인장재의 단면력 변화는 적절한 철근의 절단과 이음을 가능하게 한다.
(a) 트러스 하현재의 인장력
(b) 철근배근
그림 2.18 종방향 철근의 배근상세
철근콘크리트 보에서의 스터럽 배치는 특별한 주의가 요구된다. 스터럽은 경사진 스트럿의 수직성분과의 균형을 맞추는 역할을 한다. 경사진 스트럿은 트러스 연결부에서만 평형상태가 되므로 스터럽은 전체높이에 걸쳐서 항복응력을 발휘할 수 있어야 한다. 트러스 구조형태에서의 스터럽은 인장영역과 압축영역 모두에서 정착을 필요로 하는 일정한 힘을 수반하게 된다. 다시 말해서 잠재적 파괴균열이 반드시 스터럽의 중간높이 부분을 통과한다고 볼 수 없기 때문에 스터럽은 전체높이에 걸쳐서 배치되어야 한다. 그림 2.19는 스터럽에 발생하는 인장력을 절점영역을 지나 정착판으로 정착시킨 이상적인 스터럽의 정착부를 보여주고 있다. 실제의 스터럽은 직선철근, 표준 훅, 그리고 정착판에 의하여 이루어질 수 있으나, 직선철근 및 정착판에 의한 정착은 각각 콘크리트에서의 철근의 피복 두께 및 실용성의 문제로 인하여 일반적으로 사용되지 않는다.
그림 2.19 배근상세 시 고려될 스트럿-타이 시스템의 구성요소

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