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KDS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)
중립축의 깊이 제한
4.6.2 보
4.6.2.1 주철근
(3) 극한한계상태에서 중립축의 깊이가 식 (4.6-3) 으로 결정되는 최대 중립축 깊이 이하가 되도록 인장철근 단면적 또는 긴장재 단면적을 제한하거나 압축철근 단면적을 증가시켜야 한다.
여기서
cmax = 극한한계상태에서의 최대중립축 깊이
δ = 모멘트 재분배 후의 계수휨모멘트/탄성휨모멘트 비율, 모멘트를 재분배하지 않는 경우에는 δ=1
d = 단면의 유효깊이
εcu = 표 3.1-3에 따른 콘크리트의 극한변형률
휨부재의 중립축 깊이를 최대 중립축 깊이 이하로 제한하는 이유는 구조적 안정성과 안전성을 확보하고, 콘크리트의 파괴 모드를 제어하기 위해서입니다. 이를 통해 부재가 인장 파괴보다 압축 파괴로 먼저 손상되는 상황을 방지하려는 것입니다. 구체적인 이유는 다음과 같습니다:
- 압축 영역의 균열 방지: 중립축이 너무 깊이 위치하게 되면, 콘크리트의 압축 영역이 작아져 과도한 응력이 발생할 수 있습니다. 이는 콘크리트가 취성적으로 파괴되는 것을 유발할 수 있습니다. 콘크리트는 인장에 약하므로, 중립축을 적절한 위치로 제한하여 압축 영역을 충분히 확보해야 합니다.
- 균열 및 파괴 모드 제어: 중립축 깊이가 제한되지 않으면, 인장 철근의 항복이 일어나기 전에 콘크리트가 압축 파괴될 수 있습니다. 이는 취성 파괴로 이어지며, 철근이 항복하면서 부재가 경고 없이 갑작스럽게 파괴될 가능성이 큽니다. 중립축을 적절하게 제한하면 철근의 항복 후, 즉 연성적인 거동을 통해 경고 신호를 줄 수 있어 더 안전한 설계가 가능합니다.
- 철근의 연성 확보: 중립축이 깊어지면 철근의 인장 변형이 적어지면서, 철근이 항복하지 않고 콘크리트가 먼저 파괴될 수 있습니다. 이를 방지하기 위해 중립축 깊이를 제한하여, 철근이 충분히 연성적으로 변형되고 항복 후에도 구조적 안전성을 유지하도록 하는 것이 중요합니다.
- 안전한 설계 기준: 콘크리트 구조 설계에서는 연성 파괴가 취성 파괴보다 선호됩니다. 철근이 먼저 항복하고 이후에 콘크리트가 파괴되도록 유도함으로써, 구조물의 갑작스러운 붕괴를 방지하고 사람들에게 피할 수 있는 시간을 줍니다. 이를 위해 중립축 깊이가 설계 기준에서 제한됩니다.
결론적으로, 중립축 깊이를 제한하는 것은 콘크리트 부재가 인장 철근의 연성을 확보하고, 압축 파괴를 방지하며, 안전한 파괴 거동을 유도하기 위한 핵심적인 설계 기준입니다.
참고문헌
재료계수를 이용한 철근콘크리트 휨부재의 최대철근비 산정
2022.10.25 - [업무관련] - 최대중립축 깊이 비교(KDS 14 20 20 VS KDS 24 14 21)
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