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Jul 22, 2023

철근콘크리트 부재의 균열폭 해석을 위한 순수전단모델

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13883(2023) 이 기사 인용 78 측정항목 세부 정보 액세스 과도한 균열 폭이 있는 콘크리트 구조물의 철근 부식은 다음과 같은 위험을 초래합니다.

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 13883(2023) 이 기사 인용

78 액세스

측정항목 세부정보

균열 폭이 과도한 콘크리트 구조물의 철근 부식은 구조물의 수명을 단축시킬 위험이 높습니다. 균열 폭 거동은 철근 콘크리트(RC) 역학의 가장 복잡한 측면 중 하나입니다. 실제로 사용되는 대부분의 모델은 반실증적이거나 경험적이므로 분석적 접근 방식이 제안된 경우는 거의 없습니다. 그러나 분석 모델에는 정확성이나 단순성, 또는 둘 다 부족합니다. 본 논문은 간단한 공식으로 평균 균열 폭을 예측하는 순수 전단 모델(Pure Shear Model)이라는 새로운 분석 모델을 제시합니다. 이는 단기 하중을 받는 짧은 RC 타이를 고려한 부분 상호 작용 장력 강화 모델을 기반으로 합니다. 모델은 탄성 재료 특성을 가정하고 수축, 내부 균열 및 경계면의 미끄러짐을 무시합니다. 콘크리트에서 발생하는 유일한 변형은 피복 두께 전체에 걸쳐 일정하게 유지되는 전단 지연으로 인한 전단 변형이라고 가정합니다. 전단지연으로 인한 콘크리트 단면의 이탈로 인해 균열폭은 철근의 0에서 RC 부재 표면의 최대값까지 선형적으로 증가합니다. 제안된 모델의 단순성에도 불구하고, 평균 균열 폭 예측의 정확도는 설계 코드 방법과 비교할 수 있는 것으로 나타났습니다.

콘크리트는 물 다음으로 인간이 두 번째로 많이 사용하는 재료입니다. 철근과 결합된 콘크리트는 인간이 발명한 가장 성공적인 구조 재료이지만 단점도 있습니다. 콘크리트 산업은 CO2 배출량의 7%를 차지합니다. 콘크리트는 인장강도가 낮아 부서지기 쉽습니다. 낮은 인장 강도로 인해 균열이 발생하고, 취성으로 인해 균열 후 인장 응력에 저항할 수 없어 과도한 균열이 발생하는 경우가 많습니다. 과도한 균열 폭은 미적 문제를 야기할 수 있으며 구조가 안전하지 않다는 인상을 줄 수 있습니다. 더 중요한 것은 습기나 기타 화학 물질이 균열 안으로 유입되어 철근이 부식되면 단면 저항이 낮아지고 구조물의 수명이 단축될 수 있다는 점입니다1. 앞서 언급한 문제를 피하기 위해 설계 코드는 균열 폭을 제한합니다.

균열 폭 분석은 철근 콘크리트 역학의 가장 복잡한 측면 중 하나입니다. 현재 균열폭을 예측하기 위한 완전하고 포괄적이며 정확한 이론은 없습니다. 설계 코드 방법(Eurocode2, Model Code 20103, ACI 318–954, ACI 318–995)을 포함한 대부분의 균열 모델은 경험적이거나 반분석적이며 소수의 모델만이 순수하게 분석적이었습니다. 1977년에 Leonhardt6는 최초의 분석 모델 중 하나를 제안했습니다. 이는 Saliger7이 개발한 응력 전달 접근법과 내부 균열에 대한 Goto8의 관찰을 기반으로 했습니다. 응력-전달 개념은 결합 응력-슬립 거동을 통해 철근-콘크리트 상호작용을 표현합니다. Noakowski9,10은 미분 결합-슬립 방정식을 풀어 또 다른 분석 모델을 제안했습니다. 유사한 방식으로 단일 균열의 경우 Balazs11의 폐쇄형 솔루션을 따르고 모델 코드 20103의 결합-슬립 법칙을 사용하여 Debernardi와 Taliano12,13는 결합을 고려한 분석 균열 폭 모델을 개발했습니다. 균열에 가까운 구역의 손상. 대부분의 해석 모델은 응력 전달 접근법을 기반으로 했지만 Beeby14는 Broms15가 처음 도입한 미끄럼 방지 이론이라는 대체 개념을 사용하여 해석 모델을 제안했습니다. 이 모델에서 균열폭을 제어하는 ​​가장 중요한 변수는 콘크리트 피복두께였다.

해석적 균열 폭 모델은 일반적으로 정확성이 부족하고 종종 다소 복잡합니다. 380개의 실험용 RC 빔을 포함한 Lapi et al.16의 포괄적인 통계 연구에 따르면 가장 정확한 것은 반해석 모델, 즉 Oh와 Kang17 Eurocode 22 및 Model Code 20103입니다. 그러나 이러한 모델조차도 30% 분산이 큰 것으로 간주됩니다. 이러한 큰 분산은 여러 가지 이유 때문일 수 있습니다. 매우 가변적인 인장 강도와 균열 특성을 담당하는 콘크리트의 이질적 구조가 오류의 상당 부분을 차지합니다. RC 타이의 균열 거동은 보의 균열 거동과 다릅니다. 저자18의 최근 연구에 따르면 작은 빔과 큰 빔의 균열 폭 거동도 크게 다르다는 것이 밝혀졌습니다. 시험 결과는 기록된 균열 폭의 위치(극한 인장 표면 또는 철근 중심 수준 또는 여러 층으로 구성된 철근의 바닥 층)에 대한 정보가 누락되어 일관성이 부족한 경우가 많습니다. 마찬가지로, 모델은 균열 너비가 식별되는 위치를 지정하지 않는 경우가 많습니다. Schlicke et al.19가 지적한 바와 같이, 오류는 균열 간격 \({s}_{r}\)의 곱으로 얻은 균열 폭 \(w\)의 고전 공식에 의해 도입되며, 철근의 평균 변형률 차이 \({\varepsilon }_{sm}\) 및 콘크리트 \({\varepsilon }_{cm}\):