프리스트레스트 콘크리트의 전단거동 특성

구조물에 하중이 작용하면 구조물을 구성하는 각 부재에는 외력 작용에 의한 단면력, 즉 휨모멘트, 전단력, 비틀림모멘트, 축력이 작용하게 됩니다. 이때의 단면력은 단독으로 작용하는 경우도 있지만, 두 가지 이상의 단면력이 동시에 작용하는 경우가 많습니다. 보의 경우에는 하중이 작용하는 위치에 따라 전단력이 작용하지 않은 상태에서 휨모멘트만 작용하게 되는 부분이 생길 수 있습니다.

 

그러나 보에서 휨모멘트가 작용하지 않은 상태에서 전단력만 작용하게 되는 부분이 생기는 일은 거의 없다고 볼 수 있습니다. 따라서 부재의 전단거동은 휨모멘트와 전단력의 합성작용에 따르게 됩니다. 특히 프리스트레스트 콘크리트 부재의 경우에는 휨모멘트와 전단력뿐만 아니라 프리스트레스에 의한 압축력도 추가되고 경우에 따라서는 비틀림모멘트도 추가될 수 있으므로, 단면력의 합성작용에 따른 거동 특성을 이해해야만 합니다.

 

 

부재에 휨모멘트, 전단력, 압축력 등의 단면력이 작용하면 각 단면력에 의하여 발생하는 응력을 휨응력, 전단응력, 압축응력으로 나타낼 수 있으며, 이 응력들의 합성작용을 두 가지 주응력, 즉 주압축응력과 주인장응력으로 나타낼 수 있습니다. 인장강도가 압축강도보다 매우 작은 콘크리트로 만든 부재에는 주인장응력이 부재의 파괴에 큰 영향을 미칩니다. 이 주인장응력을 사인장응력이라고 하며, 사인장응력으로 인하여 콘크리트 부재에 발생하는 균열을 사인장균열이라고 합니다. 철근콘크리트 부재나 프리스트레스트 콘크리트 부재에서 발생하는 사인장균열은 휨 균열에 비하여 균열폭이 매우크며, 사인장균열에 의하며 부재가 파괴될 때는 급작스럽게 파괴가 발생합니다.

 

 

철근콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트에 대한 초기의 설계기준에서는 사용하중 상태에서의 사인장응력이 한계값 이하이도록 설계하여 사인장균열 발생에 대한 안전율을 확보하도록 하였습니다. 그러나 요즘의 설계기준에서는 계수하중 및 극한상태를 대상으로 전단 설계를 수행하도록 규정하고 있습니다. 그 이유는 부재에 작용하는 하중이 커지면 부재 내의 압축응력이 크게 변화하여 위치에 따라서는 사인장응력이 매우 크게 증가할수 있으므로, 사용하중에서의 사인장응력을 검증하는 것만으로는 안전율을 확보하지 못하는 경우가 있기 때문입니다.

 

또 부재에 균열이 발생하면 인장 주응력의 크기와 방향이 달라져서 응력의 분포와 크기가 크게 달라지며, 균열이 발생한 이후에는 균열폭이 크게 증가하고 부재의 강성이 감소하는 특성을 나타냅니다. 따라서 부재의 전단거동에 있어서 사인장응력이 중요한 요소이기는 하지만, 콘크리트 부재의 안전성을 확보하기 위해서는 극한상태를 대상으로 하여 계수하중에서의 전단강도를 검증하고 전단철근을 설계하도록 하는 것입니다.

 

 

프리스트레스트 콘크리트 부재는 전단거동에 있어서 철근콘크리트 부재와 다른 특성을 나타냅니다. 이 특성들은 프리스트레스트 콘크리트 부재의 장점으로 나타나게 되는데 그 내용은 다음과 같습니다.

 

긴장재에 의한 압축력이 부재에 작용하여 사인장응력이 철근콘크리트의 경우보다 작아집니다. 따라서 사인장균열이 발생하게 될 때의 전단력이 철근콘크리트의 경우보다 커지게 됩니다. 경우에 따라서는 휨모멘트의 작용에 의하여 부재에 휨 파괴가 발생할 때까지 사인장균열이 발생하지 않는 경우가 있는데 이러한 경우에는 전단철근의 보강이 필요하지 않으므로 경제적인 설계가 가능합니다.