비틀림 해석을 위한 설계모델

비틀림에 대하여 보강되지 않은 콘크리트 부재와 비틀림철근이 보강된 콘크리트 부재는 비틀림 거동이 매우 다르게 나타납니다. 비틀림철근이 보강되지 않은 콘크리트 부재는 비틀림에 의한 균열이 콘크리트에 발생하는 즉시 파괴되는 취성파고의 거동을 보이게 됩니다. 그러나 비틀림철근이 보강된 콘크리트 부재는 비틀림 균열이 발생하더라도 즉시 파괴되지 않고, 더 큰 비틀림모멘트에 저항하면서 변형이 진행되어 상대적으로 연성의 파괴거동을 보이게 됩니다.

 

비틀림철근이 보강된 콘크리트 부재는 파괴에 이를 때까지의 거동에서 비틀림 균열의 발생 이전과 이후가 크게 다릅니다. 비틀림 균열이 발생하지 전에는 비틀림철근의 역할이 매우 미미해서, 비틀림에 대하여 보강되지 않은 콘크리트 부재와 거의 유사합니다. 이때의 거동은 탄성 비틀림 이론으로 설명할 수 있습니다. 그러나 비틀림 균열이 발생하게 되면, 부재의 비틀림강성이 급격히 감소하게 되고 비틀림철근의 응력이 크게 증가하여 평형을 유지하게 됩니다. 비틀림철근이 보강된 콘크리트 부재의 파괴는 비틀림철근의 양에 따라, 일반적으로 다음과 같이 세가지의 형태로 구분할 수 있습니다.

 

- 상대적으로 적은 양의 비틀림철근이 배치된 경우로서, 비틀림철근이 항복하여 더 이상 비틀림모멘트에 저항하지 못하는 파괴형태입니다.

- 상대적으로 많은 양의 비틀림철근이 배치된 경우로서, 콘크리트 스트럿이 압축파괴 되어 더 이상 비틀림모멘트에 저항하지 못하는 파괴 형태입니다.

- 상대적으로 다소 많은 양의 비틀림철근이 배치된 경우로서, 비틀림철근과 종방향 철근이 항복한 뒤 변형이 진행되다가 콘크리트 스트럿이 압축파괴 되어 더 이상 비틀림모멘트에 저항하지 못하는 파괴 형태입니다.

 

설계기준에서는 콘크리트 부재가 연성으로 파괴되도록 유도하여야 하므로, 비틀림에 의한 파괴가 발생하더라도 위의 첫 번째 파괴 형태가 나타나도록 하여야 합니다. 따라서 설계기준에서는 연성의 비틀림 파괴를 유도하기 위한 제한기준과 비틀림강도를 만족하도록 하기 위한 강도검증기준을 규정하고 있습니다. 강도검증기준에 대해서는 대부분의 주요설계기준이 공간트러스 해석법을 기초로 하고 있습니다.

 

비틀림을 받는 콘크리트 보에 콘크리트의 인장강도보다 큰 주인장응력이 작용하면 각도를 갖는 경사균열이 발생하게 됩니다. 균열 발생후의 콘크리트 박벽관은 폐쇠 비틀림철근, 종방향 철근, 경사 압축 스트럿의 세 가지 부재가 박벽관의 각 벽에 작용하는 전단흐름을 지지하는 공간트러스로 이상화할 수 있습니다. 트러스 해석에서 인장력을 지지하는 보강철근 또는 타이는 항복한다고 가정하고 콘크리트 스트럿은 압축력만을 지지한다고 가정하여, 힘의 평형조건에 따라 부재력을 산정합니다.

 

구조부재에 순수하게 비틀림만 작용하는 경우는 매우 드뭅니다. 대부분의 부재에는 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트가 동시에 작용하여, 비틀림이 주된 한계상태가 되는 경우는 흔하지 않습니다. 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트가 동시에 작용하는 부재는 각각의 개별 단면력에 대한 검증을 수행한 후 서로의 상호 작용을 고려하여 그 형향을 별도로 검토하는 검증방법을 사용할 수 있습니다.