콘크리트의 비틀림 작용과 비틀림 이론

하중이 작용하는 방향을 축으로 하여, 단면의 형상이 완전히 대칭인 직선부재에 하중이 부재 축에 작용하는 경우가 아니면 비틀림이 작용할 수 있습니다. 즉 전체적으로 하나의 선으로 이루어진 직선부재에서는 하중이 부재의 축에서 벗어난 위치에 작용하는 경우 편심효과에 의하여 비틀림이 발생합니다. 곡선부재 또는 여러 개의 직선부재가 180도와 다른 각도로 연결된 부재에서는 하중의 부재의 축에 작용하는 경우에도 비틀림이 발생합니다.

구조물에 작용하는 비틀림모멘트는 작용방법과 구조형식식에 따라서 다음과 같이 평형비틀림과 적합비틀림으로 구분이 됩니다.

 

 

1. 평형 비틀림(정정비틀림)

편심효과에 의하여 구조물에 작용하는 비틀림모멘트는 내부력의 재분배에 의하여 감소될 수 없는 비틀림모멘트입니다. 이 비틀림모멘트는 구조물이 힘의 평형을 유지하기 위하여 발생하는 비틀림모멘트로서, 평형비틀림 또는 정정비틀림이라고 합니다.

 

2. 적합비틀림(부정정비틀림)

부정정 구조물에 작용하는 비틀림은 부재의 강성 비율에 따라 비틀림 효과가 달라지게 됩니다. 하중이 작용하는 부재의 휨 작용으로 연결된 부재에 비틀림모멘트가 유발되는데 비틀림을 받는 부재에 균열이 발생하기 전에는 상대적으로 큰 비틀림모멘트가 유발되는데 비틀림을 받는 부재에 균열이 발생하기 전에는 상대적으로 큰 비틀림모멘트가 작용하게 됩니다.

 

그러나 비틀림을 받는 부재에 균열이 발생하게 되면 비틀림 강성이 급격히 감소하여, 전달되는 비틀림모멘트가 더 이상 증가하지 않고 힘이 재분배됩니다. 이러한 거동을 보이는 비틀림을 적합비틀림 또는 부정정비틀림이라고 합니다. 적합비틀림이 작용할 때의 설계에서는 힘의 재분배에 의하여 전달되는 비틀림모멘트의 최댓값을 균열 비틀림모멘트로 하여 계수비틀림모멘트를 제한하고 있습니다.

 

 

일반적으로 비틀림이 작용하는 부재에 비틀림모멘트만 작용하는 경우는 매우 드물며, 휨모멘트와 전단력이 동시에 작용하는 경우가 대부분입니다. 이때 최대 휨모멘트를 유발하는 하중조건과 최대 비틀림모멘트를 유발하는 하중조건이 다르므로, 휨설계에 따라 단면의 크기와 종방향 철근을 결정한 후 전단 설계와 비틀림 설계를 수행하는 것이 일반적인 설계절차입니다.

 

폐합단면과 속빈단면의 순환형 전단류에 의한 순수비틀림 만에 대한 내용입니다. 열린 단면에서 발생할 수 있는 뒤틀림은 극한한계상태의 검증에서 생략하는 경우가 많기 때문입니다. 그러나 매우 얇은 벽체로 이루어진 U형이나 T형단면의 부재를 설계할 때에는 뒤틀림을 검토하여야 하는 경우도 있습니다.

 

비틀림철근이 배치되지 않은 콘크리트 부재는 비틀림 균열이 발생함과 동시에 취성으로 파괴가 일어납니다. 이때에는 비틀림 회전각이 작고, 비틀림 균열의 수도 적습니다. 비틀림철근이 배치된 콘크리트 부재는 사인장 비틀림 균열이 발생한 이후에도 급격히 파괴되지 않고, 비틀림철근이 항복한 이후 콘크리트 스트럿이 압축파괴될 때까지 비틀림 강도를 발휘합니다. 이때에는 비틀림 변형이 크며, 비틀림 균열의 수도 많은 경우입니다.