< PreviousMagazine of the Korea Concrete Institute 28 될 가능성이 있다. <그림 1>은 우리 기준과 미국 기준 에 따른 가장 짧은 갈고리철근 정착길이를 비교한 그래 프로, ACI 318-19에서 대구경철근의 정착길이가 크게 증가하였다. 단, 우리 기준에서는 700 MPa 철근을 사 용할 수 없으나, 가상으로 비교하였다. 2.3 확대머리철근 정착길이 콘크리트구조 학회기준(KCI 2017)에서는 국내외 연 구 결과(Chun et al. 2017, Shao et al. 2016)를 바탕으 로 확대머리철근 정착길이 설계식을 적용 부위에 따라 2가지 식으로 세분화하였다. 확대머리철근은 갈고리철 근과 마찬가지로 단부 지압과 직선구간의 부착으로 정 착성능이 발현되기 때문에 단부 지압과 부착을 구분하 는 2개 항으로 구성하는 것이 실제 거동에 적합하지만, 기존의 정착길이 설계식의 기본형태를 유지하여 실무 적용의 효율성을 높이고자 하였다. ACI 318-19 개정에서 확대머리 철근 정착길이 설계 식에도 큰 변화가 있었다. 갈고리철근 정착길이 설계 식과 동일한 형태로 개정되었지만, 횡보강철근 계수 가 평행 횡보강철근계수 로 대체되고 상수가 갈고리 철근의 0.73배로 작아졌다. 갈고리철근에서는 정착되 는 갈고리철근과 나란한 방향으로 배치된 횡보강철근 뿐 아니라 직각방향으로 배치된 횡보강철근도 모두 고 려되지만, 확대머리철근에서는 정착되는 확대머리철근 과 나란한 방향으로 배치된 횡보강철근만 유효하다. 갈 고리철근에 비해 확대머리철근의 측면파열파괴는 정착 판 주변에서 국부적으로 발생하기 때문에 유효한 횡보 강철근이 제한적이다. 그 외 영향계수는 동일하며, 특 히 정착길이가 철근지름의 1.5제곱에 비례한다. <그림 2>는 우리 기준과 미국 기준에 따른 가장 짧은 확대머 리철근 정착길이를 비교한 그래프이다. 갈고리철근과 마찬가지로 ACI 318-19에서 대구경철근의 정착길이 가 크게 증가하였다. 단, 우리 기준에서는 700 MPa 철 근을 사용할 수 없으나, 가상으로 비교하였다. 3. 고강도 철근의 최신 정착연구 3.1 직선 정착 SD700 철근을 대상으로 이음길이, 콘크리트강도, 피 복두께, 횡방향 철근 유무를 변수로 직선 정착길이 연 특집 3 | SPECIAL ARTICLES (a) fy = 400 MPa (b) fy = 700 MPa 그림 1. 갈고리철근 정착길이 비교 (a) fy = 400 MPa (b) fy = 700 MPa 그림 2. 확대머리철근 정착길이 비교제 32권 1호 2020. 01 29 구를 수행하였다. 현행 기준의 직선 정착길이 설계식의 배경이 되는 실험들과 동일한 방법으로 단순보의 순수 휨을 받는 2점 가력 구간 내에 겹침이음을 두고 <그림 3>의 보 실험을 하였다. 이음구간에 쪼갬균열이 발생하며 파괴되는데, 횡구 속철근이 없는 경우 매우 취성적이며 피복콘크리트의 탈락뿐 아니라 실험체 전체의 파괴가 발생되었다. 횡구 속철근을 배근하면 피복콘크리트만 탈락하며 내력이 저하되었다. 횡구속철근이 없고 가 2.5 미만이면 콘크리트구 조 학회기준(KCI 2017)이 안전측이 아니며, 횡구속철 근이 배치되면 현행 기준의 안전율 1.25와 유사한 안전 율을 확보하는 것으로 나타났다. 따라서 2012년 우리 기준에 도입된 SD600 철근의 와 제한이 SD700 철 근에도 그대로 유효한 것으로 판단된다. 3.2 갈고리철근 정착 <그림 4(a)>는 갈고리철근 정착 실험 가력장치도이 고 <그림 4(b)>는 대표적인 측면파열파괴 사진이다. 갈 고리 주변 측면피복이 탈락하면서 연쇄적으로 정착길 (b) 비횡구속 실험체 파괴 양상 (c) 횡구속 실험체 파괴 양상 (a) 직선 겹침이음 실험 (d) KCI 2017과 실험결과 비교 그림 3. 직선 겹침이음 실험결과 (b) D35 갈고리철근 측면파열파괴 (a) D35 갈고리철근 가력장치도 (c) 실험값과 설계기준의 비교 그림 4. 갈고리철근 실험결과Magazine of the Korea Concrete Institute 30 이 구간의 피복콘크리트가 탈락하여 파괴되었다. 실험 방법은 현행기준의 갈고리철근 정착길이 설계식의 배 경이 되는 Marques and Jirsa(1975) 연구와 동일하다. 실험변수는 철근지름, 묻힘깊이, 측면피복두께, 횡보강 철근량으로 선정하였다. 콘크리트구조 학회기준 (KCI 2017)과 비교하면 <그림 4(c)>와 같이 지름과 발현강도 에 따른 특별한 편향이 나타나지 않았다. [실험값]/[설 계값] 비율의 평균이 1.24로 현행 기준의 안전율 1.25와 유사하다. 2012년 개정에 추가된 SD600 철근에 대한 횡보강철근의 영향계수 0.8 미적용이 SD700 철근에도 필요한 것으로 나타났다. 3.3 확대머리철근 정착 확대머리철근은 갈고리철근 대체로 정착강도 평가방 법은 갈고리철근과 동일하다. <그림 5(a)>는 대표적인 측면파열파괴 모습으로 <그림 4(b)>에 비하여 측면파 열영역이 정착판 주변으로 국한되는 것을 알 수 있다. 실험변수는 철근지름, 묻힘깊이, 측면피복두께, 횡보강 철근량으로 선정하였으며, 특히 2열 배근된 실험체도 포함하여 실제 상황을 모사하였다. 콘크리트구조 학회 기준(KCI 2017)과 비교하면 <그림 5(b)>와 같다. 모든 실험체가 설계값보다 높은 강도가 발현되었지만, [실험 값]/[설계값] 비율의 평균이 1.17로 현행 기준의 안전율 1.25보다 낮다. 따라서 SD700 확대머리철근에 대해서 는 현행기준의 보완이 필요하다. 4. 맺음말 건설산업의 부가가치 향상을 위해 건설재료 특히 철 근의 고강도화가 요구되고, 나라별 기준의 경쟁력 향상 을 위해 철근 설계강도가 높아지고 있다. 철근정착과 이음은 고강도 철근의 실용화를 위한 가장 기본적인 요 구 성능이며, 건설 현장 철근공사의 대부분을 차지하는 중요한 공정이다. 철근의 설계강도가 높아질수록 극한 상태에서 철근과 콘크리트 사이의 과도한 상대 변위로 부착강도를 상실하는 구간이 발생하므로, 설계기준항 복강도에 비례하여 정착길이/이음길이를 증가시켜도 철근의 설계기준항복강도가 발현되지 못할 수 있다. 따 라서 철근강도의 증가보다 더 길어진 정착길이와 이음 길이가 필요하거나 피복두께, 철근 간격, 횡보강철근의 제한이 필요하다. 고강도 철근과 더불어 콘크리트 강도 도 높아지면 부재 단면치수는 최적화되어 철근공사가 더욱 어려워진다. 실용적이며 합리적인 설계식 개발을 위해 다양한 변수와 상황에 대한 폭넓은 연구를 바탕으 로, 연구자와 실무 기술자의 지혜를 모아야 한다. 담당 편집위원 : 이정윤(성균관대학교) jungyoon@skku.edu 2. 한국콘크리트학회, “휨-압축철근을 위한 Ultra-Bar (SD600) 및 스터럽과 타이 철근을 위한 Ultra-Bar (SD500 및 SD600)의 적용성 연구”, 2010, pp. 219- 288 3. 한국콘크리트학회, “콘크리트구조기준해설”, 기문당, 2012, pp. 599 4. 한국콘크리트학회, “콘크리트구조 학회기준”, 기문당, 2017, pp. 656 5. ACI Committee 318, “Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-14) and Commentary,” ACI, Farmington Hills, Mich, USA, 참고문헌 특집 3 | SPECIAL ARTICLES (a) 2열 배근된 D 35 확대머리철근 측면파열파괴 (b) KCI 2017과 실험결과 비교 그림 5. 확대머리철근 실험결과제 32권 1호 2020. 01 31 2014, pp. 519 6. ACI Committee 318, “Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) and Commentary,” ACI, Farmington Hills, Mich, USA, 2019, pp. 623 7. Chun, Sung-Chul, Choi, Chang-Sik, and Jung, Hyung-Suk, “Side-Face Blowout Failure of Large- Diameter High-Strength Headed Bars in Beam- Column Joints,” ACI Structural Journal, Vol. 114, No. 1, Jan.-Feb., 2017, pp.161-172. 8. Marques, J. L. G. and Jirsa, J. O., “A Study of Hooked Bar Anchorages in Beam-Column Joints,” ACI Structural Journal 72(5). 1975, pp. 198-209. 9. Shao, Yun, Darwin, David, O’Reilly, Matthew, Lequesne, Remy, Ghimire, Krishna, Hano and Muna, “Anchorage of Conventional and High- Strength Headed Reinforcing Bars,” SM Report No. 117, The University of Kansas Center for Research, INC, 2016, pp. 334. 최창식 교수는 한양대학교 건축공 학과에서 반복하중을 받는 철근콘크리 트 저형 전단벽의 이력거동에 관한 연 구로 1991년 박사학위를 취득하였다. 이후 캐나다 Univ. of Ottawa, 미국 UIUC 및 일본 동경대학에서 Visiting Scholar를 경험하였으며, 2005년부 터 한양대학교 건축공학부 교수로 재직 하고 있다. 1992년 건축구조기술사를 취득하였으며, 주요 관심 연구 분야는 정착 등 원전 관련 고강도 콘크리트구 조 및 내진설계, 합성구조 및 고성능합 성재료(FRC, UHPC) 개발 및 적용, PC 및 PSC의 개발 및 적용 등이며, 우리 학 회 콘크리트구조기준개정위원회 위원, 연구담당 부회장, 그리고 15기 회장을 역임하였다. ccs5530@hanyang.ac.kr 이재훈 교수는 Univ ersity of Wisconsin Madison에서 철근콘크리 트 장주설계를 주제로 박사학위를 취 득하였고, 삼성건설 근무를 거쳐 1994 년부터 영남대학교 교수로 재직하고 있 다. 토목구조기술사, 미국 PE이며, 주 관심 연구 분야는 고강도 철근콘크리 트구조, 내진설계, 프리캐스트 RC 및 PSC, FRP 합성구조 및 강 합성구조이 다. 우리 학회 콘크리트구조기준 개정 위원회 위원장을 역임하였으며, 현재 우리 학회 회장을 맡고 있다. jhl79@ynu.ac.kr 천성철 교수는 서울대학교 건축학 과에서 철근 기계적 정착의 스트럿-타 이 모델에 관한 연구로 박사학위를 취 득하였다. 대우건설 기술연구원에서 14년간 근무하였으며, 2014년부터 인 천대학교 도시건축학부 교수로 재직하 고 있다. 주 연구 분야는 철근을 비롯한 보강재의 이음과 정착, 앵커, 리모델링 구조 보강, 접합부 거동이다. 우리 학회 구조설계기준위원회, 표준시방서위원 회, 정착이음위원회 위원으로 활동하 고 있다. scchun@inu.ac.kr특집 4 | SPECIAL ARTICLES 고강도 철근이 RC 부재 내충격 성능에 미치는 영향 Effect of High Strength Reinforcing Steel on Impact Resistance of RC Members 유용재 Yong Jae Yu 서울대학교 건설환경종합연구소 박사 후 연구원 김충현 Chunghyeon Kim 서울대학교 건설환경종합연구소 연구원 조재열 Jae-Yeol Cho 서울대학교 건설환경공학부 교수 Magazine of the Korea Concrete Institute 32 1. 머리말 최근 자연재해로 인한 사고뿐만 아니라 테러의 발생이 증가함에 따라 충격하중으로 인한 구조물의 사고 위험성은 높 아졌으며 특히 우리나라는 세계에서 유일한 분단국가로써 그 위험성이 상당히 높다. 또한, 기술의 발전으로 인해 초장 대 교량, 초고층 빌딩, 대형 원전 구조물 등 구조물들이 대형화 · 고층화 · 장대화되었기 때문에 충격하중으로 인한 사고 발생 시 매우 심각한 인명 및 재산 피해가 예상된다. 따라서 충격하중에 대한 사회기반시설의 안전성을 확보하는 것이 우리나라에서도 중요한 사회적 쟁점이 되었다. 충격하중은 매우 짧은 시간에 큰 크기의 하중이 전달되기 때문에 구조물에 매우 빠른 변형이 발생하며 이는 정적 하 중으로 인한 구조물의 거동과는 매우 다르다. 특히 빠른 하중 속도로 인한 국부손상은 구조물에 심각한 피해를 일으키 며 이에 대한 구조물의 충분한 저항성능을 확보하는 것이 매우 중요하다. 이를 위해 국부손상 정도를 산정하기 위한 평 가식들이 실험을 통해 제안되었다. 하지만 이러한 평가식들은 철근콘크리트 (RC, Reinforced Concrete) 부재에 대한 충 돌실험결과를 기반으로 제안되었음에도 대부분 철근의 영향을 고려하지 않고 있으며 철근이 부재의 내충격성능에 미 치는 영향을 규명하기 위한 연구도 현재 매우 부족하다. 또한, 최근 들어 고강도 철근이 개발되고 설계기준에도 반영되 고 있는 실정을 고려할 때 내충격 설계에서도 고강도 철근의 적용성 검증이 필요하며 이를 위해 서울대학교 극한성능실 험센터에서는 RC부재의 미사일 충돌실험 및 해석 연구를 수행하고 그 결과를 바탕으로 고강도 철근이 RC부재의 내충 격성능에 미치는 영향에 대해 분석했다. 이 기사에서는 수행한 실험 및 해석 연구에 대한 개요와 결과를 수록하고 연구 결과를 기반으로 고강도 철근 적용이 부재의 내충격성능에 미치는 영향과 설계 시 고려해야 할 주요 사항들을 간략히 소개하고자 한다. 2. 개요 충격하중은 구조물에 매우 큰 하중이 짧은 시간 동안 작용하여 매우 높은 변형률 속도를 발생시키기 때문에 충격하 중을 받는 구조물은 정적하중에서와는 다른 거동 특성을 보이게 된다. 특히, 충격하중으로 인해 구조물 내에 발생한 응 력파가 구조물 전체로 전파되기 이전 하중재하점 주변의 국부적인 영역에 대해 조기파괴를 일으키며 이러한 국부손상 은 <그림 1>과 같이 세 종류의 파괴모드가 존재한다. 국부손상은 일반적으로 구조물 전체를 붕괴시키지는 않기 때문에 제 32권 1호 2020. 01 33 구조물 안전성에 대한 설계에서는 고려하지 않지만, 원 전 구조물이나 LNG 저장소와 같은 특정 구조물의 경우 국부손상에 따른 내부시설의 손상이 발생할 수 있어 설 계 시 충격하중과 국부손상에 대한 고려가 반드시 요구 된다. 특히, 미국의 9.11 테러와 같은 사건 이후로 ACI 349-13, DOE-STD-3014-2006, NEI 07-13 등의 설 계기준 및 보고서에서는 항공기 충돌을 설계에 고려하 여 국부손상량을 산정하기 위해 개발된 실험식들을 활 용하여 내충격설계를 하도록 권장하고 있다. 하지만, 최근 600MPa급 이상의 고강도 철근이 개발 됨에 따라 일반적인 하중에 대한 설계기준들은 이에 발 맞추어 고강도 철근의 사용을 허용하고 있으나 내충격 설계에 활용되고 있는 국부손상 평가식들은 철근의 영 향을 반영하지 않고 있다. 또한, 철근이 국부손상에 미치 는 영향에 대한 연구도 현재 매우 부족한 실정임을 고려 할 때 내충격설계에 대한 고강도 철근의 적용성 여부를 평가하기 위한 연구가 매우 필요하다. 이를 위해 본 연 구진은 충격하중에 특히 민감한 원전 구조물의 RC벽체 를 모사하여 SD400 및 SD600 철근을 각각 적용한 RC 패널에 대해 미사일 충돌실험 및 해석 연구를 수행하고 연구결과로부터 고강도 철근이 부재의 충격 거동에 미 치는 영향과 메커니즘과 내충격설계에 고강도 철근 적 용 시 고려해야 할 사항들에 관해 확인했다. 3. RC 부재에 대한 미사일 충돌실험 연구 3.1 RC 패널 시험체 및 미사일 RC패널 시험체의 폭과 높이는 각각 2.1 m이며 그 외 치수들은 SD400 철근을 사용한 시험체의 경우 신고리 원 전 3호기의 APR 1400모델의 두께에 대하여 1:2.4의 비율 로 축소 모사하여 <표 1>과 같이 설계하였다. SD600 철근 을 사용한 시험체는 <표 1>과 같이 SD400 시험체에 대하 여 철근직경은 동일하게 유지하고 철근간격을 넓혀 철근 비와 철근의 항복강도를 곱한 값( )이 비슷하게 유지되 도록 설계하였다. 미사일은 Boeing 757 turbo engine shaft 를 패널 시험체와 동일한 비율로 축소하여 직경 85 mm, 길이 980 mm로 설계하였고 SS275 강재를 사용해서 제작 (a) RC 패널 (b) 강체 미사일 그림 2. 미사일 충돌실험 시험체 및 미사일 (a) 관입(b) 배면파쇄(c) 관통 그림 1. 부재의 국부손상 파괴모드 표 1. 패널 RC제원 구분 Shin-Kori NPP 3 SD400SD600-S 재료 강도 , MPa4249.449.4 , MPa400484623 치수 두께, m1.20.50.5 철근직경D57D25D25 철근간격, mm305130180 , MPa3.024.223.92Magazine of the Korea Concrete Institute 34 하였다. 제작된 시험체 및 미사일은 <그림 2>와 같으며 미사일의 충돌속도는 항공기 충돌상황을 모사하기 위해 100 ~ 200 m/s의 범위로 설정했다. 충돌실험은 압축된 공기로 미사일을 가속해 시험체에 충돌시키는 가스건 방식의 서울대학교 극한성능실험센터의 중속가스건을 활용해 수행하였다<그림 3>. 3.2 실험 결과 및 분석 실험 결과는 <그림 4>와 같이 150 m/s의 동일한 충돌 속도에 대하여 SD400 철근을 배근한 시험체의 경우 배 면 파쇄의 국부손상이 발생했지만, SD600 철근을 배근 한 시험체의 경우에는 관통의 국부손상이 발생했다. 즉, 고강도의 철근을 사용했음에도 불구하고 국부손상이 더 크게 발생하는 결과가 관측되었다. 따라서, 실험결과로부터 비슷한 수준의 값에 대하 여 철근강도는 RC패널의 내충격성능에 미치는 영향이 크지 않으며 국부손상 발생량의 차이는 철근간격의 영 향에 의한 것으로 추측하였으며 이를 구체적으로 분석 하기 위해 유한요소해석연구를 추가로 수행하였다. 4. RC 부재에 대한 미사일 충돌해석 연구 4.1 해석 개요 RC 벽체 부재의 미사일 충돌해석은 LS-DYNA 프 로그램을 활용했으며 실험과 동일하게 모델링했다. 이 때, RC패널의 철근은 빔 요소로 모델링했고, 미사일이 충돌하는 중앙 콘크리트 부는 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)요소, 나머지 콘크리트 주변부는 8절점 솔리드 요소를 사용하여 모델링했다<그림 5>. 콘크리트는 CSCM concrete(MAT159) 재료모델을 사용했으며 철근은 실제 응력-변형률 곡선을 모사하 여 Linear piecewise 모델을 적용했다. 또한, 콘크리트와 그림 5. 미사일 충돌해석 모델링 형상 그림 3. 중속충돌실험시설(서울대학교 극한성능실험센터) (a) SD400 시험체 (b) SD600 시험체 그림 4. 충돌속도 150 m/s에 대한 실험 결과 특집 4 | SPECIAL ARTICLES제 32권 1호 2020. 01 35 철근의 변형률 속도에 의한 Rate effect를 반영하기 위 해 동적증가계수(Dynamic increase factor, DIF)를 적용 했다. 그리고 충돌속도에 따른 국부손상량의 변화를 자 세히 확인하기 위해 100 ~ 200 m/s의 충돌속도 범위에 대하여 10 m/s 간격으로 해석을 수행했다. 또한, 국부 손상에 대한 철근직경의 영향을 추가로 확인하기 위해 SD600-D 시험체를 추가로 설계하여 해석에 사용했다. 이 시험체는 철근간격은 SD400 철근을 사용한 시험체 와 동일하게 유지하고 철근직경을 D25에서 D22로 변경 해 다른 시험체들과 비슷한 값을 유사하게 설계했다. 4.2 해석결과 및 분석 해석결과 <그림 6>과 같이 모든 시험체에서 충돌속도 가 증가할수록 미사일의 관입깊이가 증가하여 국부손상 이 점점 심해지는 양상이 관측되었다. 그리고 SD400 시 험체와 철근간격은 동일하지만, 직경이 다른 SD600-D 시험체는 관입깊이에 따른 국부손상량이 서로 유사한 양 상이 나타났지만, 철근간격이 다른 SD600-S 시험체는 동일한 충돌속도에서 관입깊이가 다 른 두 시험체에 비해 더 크게 발생하 는 경향을 확인했다. 이를 통해 고강 도 철근을 적용한 경우 철근직경 및 철근강도는 국부손상에 큰 영향을 미 치지 못하고, 철근 간격은 실험에서와 마찬가지로 국부손상에 영향을 미치 기 때문에 철근 간격이 넓어진 SD600 철근을 적용한 경우 국부손상이 더 심 하게 발생한다는 것을 해석적으로 확 인하였다. 이러한 현상은 <그림 7>과 같이 철근망에 갇힌 콘크리 트 파편들이 미사일 운동에 대해 추가로 저항하는 작용 에 의한 것이다. 발사체가 충돌하면서 시험체에 배면 파 쇄 및 관통이 발생하는 경우에는 많은 양의 콘크리트 파 편들이 발생하게 되고 이 파편들은 철근망에 의해 갇히게 된다. 그리고 발사체가 콘크리트 파편을 밀어내면서 콘 크리트 파편들이 철근에 힘을 전달하게 되고 이로 인해 추가적인 저항력이 발생한다. 따라서 철근 간격이 넓은 SD600-S 시험체의 경우 SD400 시험체보다 상대적으로 적은 콘크리트 파편들이 갇히게 되고 따라서 더 작은 내 충격성능이 발현된 것이다. 이 현상은 해석에서의 미사일 속도 이력을 분석한 결과 에서도 동일하게 관측된다. 미사일 속도 이력은 <그림 8> 과 같이 3개의 구간으로 나누어진다. 첫 번째 구간은 발사 체가 시험체에 관입 되면서 콘크리트가 관입에 저항하는 구간으로 발사체의 속도가 급격히 감소하는 것을 확인할 수 있다. 두 번째 구간은 콘크리트가 발사체의 충돌로 인 해 발생한 충격하중에 의해 파쇄되어 저항성능을 상실하 는 구간으로 발사체의 속도가 일정하게 유지된다. 마지막 구간에서는 철근망에 갇힌 콘크리트 파편들이 발사체의 운동에 추가로 저항하는 구간으로 추가적인 저항력이 발 그림 8. 시간에 따른 미사일의 속도변화 그림 6. 충돌속도에 따른 관통깊이 (a) SD600-S 시험체(a) SD400 시험체 그림 7. 미사일 충돌실험에서 철근망에 갇힌 콘크리트 파편 형상Magazine of the Korea Concrete Institute 36 현되기 때문에 발사체의 속도가 다시 감소한다. 미사일 충돌실험 및 해석연구 결과를 토대로 철근강도 및 직경은 RC패널 부재의 국부손상에 대한 내충격성능에 큰 영향을 미치지 못하고, 철근의 배근간격이 내충격성능 에 큰 영향을 준다는 것을 확인했다. 특히, 철근의 배근 간 격이 넓어질수록 외부로 유실되는 콘크리트 파편이 많아 짐에 따라 콘크리트 파편의 추가저항력이 감소하여 국부 손상에 대한 부재의 저항성능이 감소한다는 것을 확인하 였다. 즉, RC부재에 고강도 철근을 적용할 시 단순히 강 도의 증가분만을 고려해서 배근 간격을 넓혀 설계하게 되 면 오히려 부재의 내충격성능이 감소하는 경우가 발생할 수 있다. 따라서 내충격 설계를 할 경우 고강도 철근을 적 용할 때에는 철근간격에 대한 내충격성능의 검토가 필요 할 것으로 판단된다. 4. 맺음말 충격하중을 고려하는 내충격 설계는 국가안보뿐만 아 니라 개인, 사회의 생명과 재산을 보호하기 위해 매우 필 수적인 연구 분야이다. 이를 위해 본 연구진들은 지속해 서 구조물에 널리 사용되는 RC부재에 대한 여러 충돌실 험 및 해석 연구 등을 수행하여 충격 거동의 메커니즘과 내충격성능을 관측 및 평가하고 있다. 특히, 고강도 철근 의 적용 시 RC부재의 충격 거동 메커니즘의 변화를 분석 하여 단순히 배근의 효율성만을 고려하여 배근 간격을 넓 히는 것은 내충격설계 측면에서 지양해야 한다는 사실을 연구를 통해 확인했다. 하지만 이 연구에서 다룬 주제 외 에도 구조물의 충격 거동을 명확히 이해하기 위해 수행되 어야 할 연구들이 많은 상황이며 이에 대해 앞으로 다양 한 연구의 수행을 통해 구조물의 내충격설계기법을 완성 해나가야 할 것이다. 이를 위해서는 여러 연구진의 활발 히 협업과 관련 업계에서의 적극적인 참여가 필요하다. 담당 편집위원 : 이정윤(성균관대학교) jungyoon@skku.edu 1. ACI Committee 349, “Code Requirements for Nuclear Safety-Related Concrete Structures & Commentary,” ACI 349-13, 2014. 참고문헌 2. U.S. Department of Energy, “Accident Analysis for Aircraft Crash into Hazardous Facilities,” DOE- STD-3014-2006, 2006. 3. U.S. Nuclear Energy Institute, “Methodology for Performing Aircraft Impact Assessments for New Plat Designs,” NEI 07-13, Revision 8P, 2011. 4. Q.M. Li, S.R. Reid, H.M. Wen, A.R. Telford, “Local Impact Effects of Hard Missiles on Concrete Targets,” International Journal of Impact Engineering Vol.32, 2005. 5. Q. Fang, H. Wu, “Concrete Structures Under Projectile Impact,” Springer, 2017. 6. ACI Committee 370, “Report for the Design of Concrete Structures for Blast Effects,” 2014. 7. G.R. Cowper, P.S. Symonds, “Strain-hardening and Strain-rate Effects in the Impact Loading of Cantilever Beams,” Brown University, 1957. 유용재 연구원은 서울대학교 건설 환경공학부에서 부재의 충격 거동에 대 한 연구를 진행하여 “Response of RC Beams Subjected to Low Velocity Impact Loading”으로 박사학위를 취 득하였고 현재 서울대학교 건설환경종 합연구소에서 박사 후 연구원으로 재직 중이다. 충격하중 재하 시 철근콘크리트 부재의 거동 분석을 위한 실험 및 해석 연구를 수행하고 있다. yyjanble@snu.ac.kr 김충현 연구원은 서울대학교 건설 환경공학부에서 하여 “Prediction of Penetration Depth for Reinforced Concrete Panels by Projectile Impact”로 석사학위를 취득하였고 현 재 서울대학교 건설환경종합연구소에 서 연구원으로 재직 중이다. 주로 충돌 로 인한 철근콘크리트 부재의 국부손상 에 대한 연구를 진행하고 있다. muonline@snu.ac.kr 조재열 교수는 2001년 서울대학교 에서 박사학위를 취득한 후 미국 위스콘 신주립대에서 박사후연구원, 삼성물산 기술팀 과장을 거쳐 2007년부터 서울 대학교 건설환경공학부에 교수로 재직 중이다. 주 관심연구 분야는 프리스트레 스트 콘크리트 구조설계, 충격/충돌 하 중 설계 및 해석, 극한지 콘크리트 구조 설계 등이며, 우리 학회 기획 운영 이사, 휨압축위원회 위원장, 콘크리트구조기 준위원회 위원으로 활동하고 있다. jycho@snu.ac.kr 특집 4 | SPECIAL ARTICLES고강도 전단철근을 사용한 철근콘크리트 보의 전단거동 Shear Behavior of RC Beams with High-Strength Stirrups 특집 5 | SPECIAL ARTICLES 신동익 DongIk Shin 성균관대학교 건설환경시스템공학과 박사과정 이도형 Do-Hyung Lee 배재대학교 건설환경철도공학과 교수 이정윤 Jung-Yoon Lee 성균관대학교 건설환경공학부 교수 제 32권 1호 2020. 01 37 1. 머리말 최근 초고층빌딩, 장대교량, 원자력 발전소 등과 같은 대형 구조물이 증가함에 따라 고강도 구조재료에 대한 관심이 증가하고 있다. 콘크리트의 경우 다양한 연구결과를 바탕으로 기존 재료보다 강도, 내구성 등 성능이 향상된 고성능 콘 크리트가 널리 사용되고 있지만, 고강 도철근에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. 철근콘크리트 구조물에 고강도 철근 을 사용할 경우 철근의 물량을 줄일 수 있기 때문에 자재 절약 및 자중 감소의 효과를 볼 수 있으며 시공성 또한 향상할 수 있다. 그러나 현재 각 기준에서는 구조성능 및 안전성, 사용성 등의 확보를 위하여 전단철근의 항복강도를 제한하고 있다. ACI 318-19 기준(2019)에서는 전단철근의 항복강도를 약 420 MPa까지 제한하고 있지만, EC2-04 기준(2004)에 서는 600 MPa까지 허용하고 있으며, CSA-04 기준(2004)에서도 전단철근의 항복강도를 500 MPa까지 허용하고 있다. 특히 JSCE-02 기준(2002)에서는 60 MPa 이상의 고강도 콘크리트를 사용할 경우에 전단철근의 항복강도를 800 MPa 까지 허용한다. 이처럼 각 기준에서 전단철근의 항복강도를 제한하는 이유는 아래와 같이 두 가지 이유에 근거한다. ① 전단철근의 항복 유도：전단철근의 항복강도가 증가하면 전단철근의 항복변형률이 증가하여 전단철근이 항복하 기 이전에 복부 콘크리트의 압축파괴가 발생할 수 있다. 이 경우에는 전단철근이 항복하지 않으므로 전단설계 강 도평가식에서 전단철근의 항복강도를 사용할 수 없다. ② 사인장균열의 폭：고강도 철근을 사용할 경우에 배근 간격이 증가하여 사인장균열의 폭이 증가할 수 있다. 철근의 양이 동일할 경우 전단철근의 항복강도가 증가할수록 전단철근의 간격이 넓어진다. 전단철근의 간격이 넓어지면 균열의 개수가 감소하고 균열의 폭이 증가하여 사용성에 문제가 발생할 수 있다. 고강도 철근은 일반 구조물과 함께 대형 구조물에 적용되며, 대형 구조물에 적용될 경우 철근 절감 효과가 크게 나타 난다. 그러나 대형 구조물에서는 고강도 철근의 영향뿐만 아니라 단면의 크기에 대한 고려도 필요하다. 부재의 단면이 증가하면 내력이 단면적에 비례하여 증가하지 못하는 크기효과가 발생하기 때문에 대형 구조물의 경우에는 철근의 항 복강도 증가에 따른 변화와 함께 크기효과에 대한 검토도 필요하다. 이 기사에서는 보 단면의 크기, 전단철근의 항복강도, 전단철근의 배근간격을 변수로 하는 철근콘크리트 보의 실험 결과를 분석하였다. 실험 결과에서 분석된 철근콘크리트 보의 파괴모드, 전단강도, 사인장균열의 폭 등에 대한 평가를 기술하였으며, 분석 결과를 바탕으로 철근콘크리트 보의 크기효과 및 고강도 전단철근의 적용성을 검토하였다.Next >