전단 무보강 부재의 전단균열 및 전단파괴

콘크리트 부재의 균열은 콘크리트의 인장강도보다 더 큰 인장응력이 작용할 때 발생합니다. 균열을 유발하는 인장응력은 휨모멘트만 작용하는 부분에 작용하기도 하고, 전단력과 휨모멘트가 같이 작용하는 부분에 작용하기도 합니다. 부재의 두께에 비하여 길이가 매우 긴 부재는 전단 작용보다 휨작용이 주된 영향을 주게 되므로, 부재 축에 직각방향인 수직방향의 휨균열이 발생하고 콘크리트의 압축부가 압괴되는 휨 파괴를 보이게 됩니다.

 

 

부재의 길이가 그보다 짧아지면 전단의 영향이 증가하여 사인장응력이 발생하고, 이에 따른 사인장균열이 나타나게 됩니다. 이때 사인장균열은 조건에 따라 여러 형태로 나타납니다. 전단철근이 배치되지 않은 콘크리트 부재와 프리스트레스트 콘크리트 부재에 대하여 초기에 수행된 실험결과로, 전단 작용에 의하여 콘크리트 부재에 발생하는 균열의 형태는 크게 두 가지로 분류할 수 있었습니다. 즉 휨전단균열과 복부전단균열로서 대표적인 사인장균열 형태를 나타냅니다.

 

휨전단균열은 일반적으로 복부의 두께가 인장연단까지 일정한 직사각형 단면이나 T형 단면에 주로 나타납니다. 하중이 작용하는 초기에는 휨모멘트에 의하여 부재 축의 직각방향으로 인장연단부터 균열이 시작됩니다. 하중이 증가하면 균열이 진전되는데, 단면의 도심방향으로 균열이 진전될수록 휨응력과 전단응력과의 합성작용으로 사인장응력이 작용하게 되어 경사진 방향으로 균열이 진전됩니다.

 

 

복부전단균열은 복부의 두께가 얇은 I형 단면에 주로 나타납니다. 하중이 작용하면 단면의 도심에 큰 전단응력이 작용하여, 철근콘크리트 부재의 경우에는 복부 중간에서 45도 방향으로 전단균열이 발생합니다. 프리스트레스트 콘크리트 부재는 긴장재에 의한 압축력의 영향으로 45도보다 작은 각도로 복부전단균열이 발생합니다.

 

휨전단균열이나 복부전단균열이 발생한 후 하중이 증가하여 파괴에 이를 때는, 여러 가지 변수의 작용으로 몇 가지의 파괴유형이 나타납니다. 부재의 두께에 대한 길이의 비에 따라서는, 사인장균열이 발생한 상태에서 휨파괴가 나타날 수도 있고 사인장균열이 파괴를 유발하는 파괴형태를 나타내기도 합니다.

 

 

사인장균열로 인하여 발생되는 파괴형태는 네 가지로 구분할 수 있습니다. 사인장파괴는 사인장균열이 단면 전체 깊이에 걸쳐서 진전되고 사인장균열의 폭이 크게 증가하여 파괴되는 형태입니다. 사인장파괴는 부재의 두께에 대한 길이의 비가 휨파괴를 유발할 정도로 크지는 않지만, 꽤 큰 값을 가질 때 나타날 수 있습니다. 두께데 대한 길이의 비가 사인장파괴가 발생하는 부재보다 작은 값을 갖는 부재는 전단인장파괴나 전단압축파괴가 발생합니다.

 

전단인장파괴는 휨전단균열이 경사진 방향으로 발달하다가 단면의 인장연단과 경사진 사인장균열의 아랫부분을 연결하는 2차 균열이 발생하고, 배치된 강재를 따라서 수평 쪼갬균열이 발생하여 강재와 콘크리트 사이의 부착성능이 저하되어 파괴에 이르는 경우입니다. 전단압축파괴는 사인장균열이 경사진 방향으로 발달하다가 균열의 상단부, 즉 압축응력이 작용하는 부분에서 콘크리트가 압괴되어 파괴되는 형태입니다.

 

복부의 두께가 얇은 I형 단면에서는 사인장파괴, 전단인장파괴, 전단압축파괴와 함께 복부압축파괴가 발생하는 경우도 있습니다. 복부압축파괴는 얇은 복부판의 주응력 방향으로 작용하는 압축응력의 작용으로 복부 콘크리트가 압괴되어 파괴되는 형태입니다.