Effect of Axial Load Ratio on the Shear Failure Vulnerability of Corroded RC Short Columns

Yeong-Chae Eum; Dong-Hyeon Shin

doi:10.7734/COSEIK.2026.39.5.311

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Research Paper

Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea. 31 October 2026. 311-318
https://doi.org/10.7734/COSEIK.2026.39.5.311

Effect of Axial Load Ratio on the Shear Failure Vulnerability of Corroded RC Short Columns

부식된 철근콘크리트 단주의 축력비 변화에 따른 전단파괴 취약성 분석

Yeong-Chae Eum¹

Dong-Hyeon Shin²^*

음 영채¹

신 동현²^*

¹Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan, 46241, Korea

²Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Busan, 46241, Korea

¹부산대학교 건축공학과 석사과정

²부산대학교 건축공학과 부교수

^{*Corresponding Author}

License (open-access, https://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/):

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ABSTRACT

This study analytically investigated the effect of axial load ratio on the shear-dominant failure behavior of corroded reinforced concrete (RC) short columns. A previously validated macroanalytical model consisting of a nonlinear fiber element for flexural behavior, a spring element for the bond-slip behavior of reinforcing bars, and a shear spring for shear response was employed for this purpose. The analytical models were established based on specimens with different corrosion levels of transverse and longitudinal reinforcements. For each corrosion level, several analytical cases were considered by varying the axial load ratio applied to the column. The analytical results were compared in terms of the maximum shear strength, displacement at the onset of strength degradation, and load-carrying capacity. The results showed that as the axial load ratio increased, post-peak strength degradation occurred earlier, and the deformation capacity associated with the loss of load-carrying capacity decreased. This result was particularly pronounced in specimens with a high corrosion level of transverse reinforcement, indicating increased vulnerability to shear-dominant failure under higher axial load ratios.

Keywords

corroded RC short column

axial load ratio

shear-dominant failure

macro analytical model

본 연구에서는 축력비 변화가 부식된 철근콘크리트 단주의 전단지배 파괴거동에 미치는 영향을 해석적으로 분석하였다. 이를 위해 기존에 검증된 매트로 해석모델을 활용하였으며, 해석모델은 휨 거동을 모사하는 비선형 파이버 요소, 철근의 부착 및 미끄러짐을 모사하는 스프링 요소, 그리고 전단스프링으로 구성하였다. 해석 대상은 서로 다른 횡보강근 및 주철근 부식률을 갖는 실험체를 설정하였으며, 각 부식 수준에 대해 기둥에 작용하는 축력비를 변화시켜 해석 케이스를 설정하였다. 해석결과는 최대전단강도, 강도저하가 시작되는 변위, 하중전달 능력을 중심으로 비교하였다. 해석결과, 축력비가 증가할수록 최대강도 이후의 강도저하가 조기에 발생하고 하중전달 능력이 상실되는 변형이 감소하는 경향을 나타내었다. 특히 횡보강근의 부식률이 큰 실험체에서 축력비 증가에 따른 전단파괴 취약성이 더욱 뚜렷하게 확인되었다.

키워드

부식된 철근콘크리트 단주

축력비

전단지배 파괴

매크로 해석모델

MAIN

1. 서 론
2. 부식된 철근콘크리트 단주의 해석모델 구성
2.1 해석모델의 기본 구성
2.2 부식에 따른 재료 특성 변화
3. 부식된 철근콘크리트 단주의 축력비 변화에 따른 전단파괴 취약성 분석
3.1 해석대상 및 변수 설정
3.2 축력비에 따른 하중-변위 이력거동
4. 결 론

1. 서 론

철근콘크리트 구조물은 장기간 사용하는 과정에서 탄산화, 염화물 침투, 습윤 및 건조 반복 등 다양한 환경작용에 노출된다. 이러한 열화 환경은 철근 부식을 유발할 수 있으며, 철근 부식은 철근의 유효단면적 감소, 항복강도 및 연성능력 저하, 피복 콘크리트의 균열 및 박리, 철근과 콘크리트 간의 부착성능 저하를 초래한다. 특히 지진하중과 같은 반복 횡하중이 작용하는 경우, 부식으로 인한 재료 및 부착성능 저하는 RC부재의 강도, 강성, 변형능력 및 에너지소산능력을 크게 저하시킬 수 있다. Meda 등(2014)은 부식된 RC기둥의 반복가력 실험을 통해 철근 부식이 기둥의 이력거동 및 에너지소산능력에 불리한 영향을 미침을 보고하였으며, Yalciner와 Kumbasaroglu(2020)는 다양한 부식률, 콘크리트 강도를 갖는 실물 크기의 RC 기둥 실험을 바탕으로 부식된 기둥의 구조성능 예측모델을 제안하고자 하였다.

RC기둥 중에서도 전단경간비가 작은 단주는 일반 기둥에 비해 상대적으로 큰 횡강성을 가지므로 지진 시 큰 전단력을 부담하게 된다. 이러한 단주는 필로티 건축물의 저층부, 창호 또는 비구조벽체에 의해 유효높이가 제한되는 기둥, 지표면에 인접한 기둥 등에서 발생할 수 있다. 특히 지표면 인근 또는 외기에 노출된 단주는 습기, 우수, 제설제 및 염화물 침투 등 부식 인자의 영향을 받기 쉬우며, 횡보강근 부식이 발생할 경우 전단보강 효과와 코어 콘크리트의 구속효과가 동시에 저하될 수 있다. Vu와 Li(2018)는 부식된 RC 단주에 대한 반복가력 실험을 수행하여 부식률 증가에 따라 전단균열 발생 이후의 강도저하가 가속화되고, 최대강도 이후의 변형능력이 감소하는 경향을 확인하였다.

기존의 비부식 RC 기둥에 대해서는 하중전달 능력을 평가하기 위한 다양한 해석모델이 제안되어 왔다. Sezen과 Moehle(2004), Sezen(2008)은 횡보강이 부족한 RC기둥의 전단강도를 예측하기 위한 모델을 제안하였으며, Elwood와 Moehle(2005)는 전단손상을 경험한 RC 기둥의 잔존 축력저항능력을 평가하기 위한 모델을 제안하였다. 이러한 연구들은 RC기둥의 전단파괴 및 축력상실 거동을 평가하기 위한 기반을 제공하지만 대부분 부식에 따른 철근 단면적 감소, 부착성능 저하, 횡보강근 구속성능 저하를 직접적으로 고려하지 않는다.

최근에는 부식된 RC 단주 및 교갹을 대상으로 전단지배형 파괴거동을 평가하려는 연구도 수행되고 있으며, 부식이 심화될수록 강도저하, 핀칭(Pinching), 에너지소산능력 감소 및 취성적 파괴가 심화되는 것으로 보고되고 있다. 하지만 실험적 연구만으로는 다양한 부식률, 축력비, 전단경간비 및 횡보강 상세를 체계적으로 검토하는데 한계가 있으며, 이에 따라 효율적인 비선형 해석모델을 활용한 변수해석 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 부식된 RC 단주에 대해서 매크로 해석모델(Macro analytical model)을 활용하여 축력비 변화가 전단지배 파괴거동에 미치는 영향을 해석적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 서로 다른 주철근 및 횡보강근 부식률을 갖는 RC 단주 실험체를 기준으로 해석모델을 구성하고, 각 부식 수준에 대한 기둥에 작용하는 축력비를 변화시켜 비선형 반복해석을 수행하였다. 해석결과는 최대전단강도, 강도저하가 시작되는 변위, 하중전달 능력을 중심으로 비교하였으며, 이를 통해 부식된 RC 단주의 내진성능평가에서 부식 손상과 축력비의 복합 영향을 고려할 필요성을 제시하고자 한다.

2. 부식된 철근콘크리트 단주의 해석모델 구성

2.1 해석모델의 기본 구성

본 연구에서는 부식된 철근콘크리트 단주의 전단지배형 반복거동을 모사하기 위하여 OpenSees 기반 매크로 해석모델을 활용하였다. 해석모델은 Fig. 1에서와 같이 파이버 보-기둥 요소(Fiber beam-column element), 부착-미끄러짐 요소(Bond-slip element), 전단스프링 요소(Shear spring element)로 구성된다. 해당 모델은 기둥의 전체 변체 횡변형, $Δ_{t o t a l}$ 을 휨 변형, $Δ_{f l}$ , 철근의 부착 및 미끄러짐에 의한 변형, $Δ_{s l}$ , 전단변형, $Δ_{s h}$ 으로 구분하여 각각의 거동을 독립적인 요소로 모사한 후, 이를 직렬로 연결하여 전체 횡하중-횡변위 관계를 다음 식 (1)과 같이 산정하는 방식으로 구성된다.

(1)

Δ_{t o t a l} = Δ_{f l} + Δ_{s l} + Δ_{s h}

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Fig. 1.

Configuration of the macro analytical model

기둥 하단부와 기초 사이에서 발생하는 철근의 변형률 침투(Strain penetration) 및 부착-미끄러짐 거동은 zero-length 스프링 요소를 사용하여 모사하였다. 반복 횡하중을 받는 RC 기둥에서는 부식이 진행될 경우 철근과 콘크리트 사이의 부착성능이 저하되어 동일한 철근 응력 수준에서도 더 큰 미끄러짐 변형이 발생할 수 있으므로, 부착-미끄러짐 변형을 독립적으로 고려할 필요가 있다.

전단스프링 요소는 전단스팬비가 작은 RC 단주에서 나타나는 전단균열, 핀칭 효과, 전단강도 저하 및 반복하중에 따른 이력저하를 모사하기 위해 도입하였다. 전단스프링은 zero-length 요소로 구성하였으며, 비선형 이력특성을 나타낼 수 있는 Pinching4 모델을 적용하였다. 본 연구에서는 Bicici와 Sezen(2021)에서 제안한 RC 부재의 전단거동 모델을 기반으로 Fig 2에서와 같이 전단스프링의 골격곡선을 정의하였다. 전단균열 발생강도, $V_{c r}$ 와 전단균열 발생 시 전단변위, $Δ_{s h, c r}$ 는 다음 식 (2), (3)과 같이 산정한다.

(2)

V_{c r} = (\frac{P}{2 f^{'} {}_{c}A_{g}} + 0.10) \frac{G A_{g}}{L}

(3)

Δ_{s h, c r} = (\frac{P}{2 f^{'} {}_{c}A_{g}} + 0.10)

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Fig. 2.

Backbone curve for simulating shear response of RC members

여기서, $P$ 는 축하중, $f^{'} {}_{c}$ 는 콘크리트 압축강도, $A_{g}$ 는 기둥의 총 단면적, $G$ 는 콘크리트의 전단탄성계수, $L$ 은 부재길이이다. 최대전단강도, $V_{n}$ 은 콘크리트 전단저항과 횡보강근의 전단저항을 합산하여 다음 식 (4)와 같이 산정한다.

(4)

V_{n} = [(\frac{0.5 \sqrt{f_{c}^{'}}}{\frac{a}{d}} \sqrt{1 + \frac{P}{0.5 \sqrt{f_{c}^{'}} A_{g}}}) 0.8 A_{g} + \frac{A_{v} f_{y v} d}{s}

여기서, $a$ 는 부재의 전단경간 길이, $d$ 는 단면 유효깊이, $A_{v}$ 는 전단보강근의 단면적, $f_{y v}$ 는 전단보강근의 항복강도, $s$ 는 전단보강근의 간격이다. 부식된 기둥의 경우 $A_{v}$ 와 $f_{y v}$ 는 부식률에 따라 저감된 값을 사용하였다. 따라서 횡보강근 부식률이 증가할수록 전단보강근의 기여분이 감소하고, 결과적으로 최대전단강도가 감소하도록 정의하였다. 최대전단강도에 대응하는 전단변위, $Δ_{s h, n}$ 는 다음 식 (5)를 사용하여 산정하였다.

(5)

Δ_{s h, n} = [\frac{1}{5000} \frac{f_{y} ρ_{l}}{\frac{a}{d} \sqrt{\frac{P}{A_{g} \cdot f_{c}^{'}}}} - 0.0004] L

여기서, $f_{y}$ 는 종방향철근의 항복강도, $ρ_{l}$ 는 종방향 철근비이다. 최대전단강도 이후 강도저하가 시작되는 전단변위, $Δ_{s h, u}$ 는 다음 식 (6)과 같이 정의하였다.

(6)

Δ_{s h, u} = (4 - 12 \frac{v_{n}}{f_{c}^{'}}) Δ_{s h, n}

여기서, $v_{n}$ 는 전단응력( $v_{n} = V_{n} / b d$ )이다. 해당 식은 전단응력 수준이 높을수록 최대강도 이후 강도저하가 더 이른 변형 단계에서 발생하도록 한다. 축력에 의한 파괴 시점의 전체 변위, $Δ_{A L F}$ 는 다음 식 (7)을 통해 산정하였다.

(7)

\frac{Δ_{A L F}}{L} = \frac{4}{100} \frac{1 + \tan^{2} θ}{\tan θ + P (\frac{s}{A_{v} ∙ f_{y v}} ∙ d ∙ \tan θ)}

여기서, 𝜃는 전단균열의 평균 각도로 본 연구에서는 65°로 가정하였다. 축력에 의한 파괴 시 전단변형 기여분, $Δ_{s h, a}$ 은 전체 변위에서 휨 변위와 부착-미끄러짐 변위를 제외하여 다음 식 (8)과 같이 산정하였다.

(8)

Δ_{s h, a} = Δ_{A L F} - Δ_{f l} - Δ_{s l} \geq Δ_{s h, u}

여기서, $Δ_{f l}$ 는 최대 휨 변위, $Δ_{s l}$ 는 미끄러짐 변위이다. 이상의 관계를 통해 축력에 의한 파괴 시점이 강도저하 시작점 이후에 위치하도록 정의하였다. 또한 Pinching4 모델의 손상 및 핀칭 관련 매개변수를 조정하여 반복하중 하에서 관찰되는 강성저하, 강도저하 및 핀칭효과를 모사하고자 하였다.

2.2 부식에 따른 재료 특성 변화

철근 부식은 RC 기둥의 구조성능에 복합적인 영향을 미친다. 부식이 진행됨에 따라 철근의 유효단면적이 감소하고, 항복강도, 극한강도 및 탄성계수와 같은 재료성능이 저하된다. 또한 부식 생성물의 체적 팽창으로 인해 피복 콘크리트에 균열이 발생하고, 이로 인해 콘크리트 압축강도와 철근-콘크리트 사이의 부착성능도 감소할 수 있다. 본 연구에서는 이러한 부식 영향을 철근, 콘크리트 재료모델, 부착-미끄러짐 및 전단스프링 특성에 각각 반영하였다.

부식된 철근의 재료성능은 부식률에 따른 단면적 및 강도 저감계수를 적용하여 정의하였다. 주철근의 부식은 휨강도와 단부 부착거동에 영향을 미치며, 횡보강근의 부식은 전단보강 효과와 코어 콘크리트의 구속성능에 직접적인 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 주철근과 횡보강근의 부식률을 구분하여 적용하였다. 주철근 부식률은 파이버 단면에서 철근의 유효단면적 및 재료강도 저하에 반영하고, 횡보강근 부식률은 전단스프링의 전단강도 산정과 코어 콘크리트의 구속효과 산정에 반영하였다. 철근의 반복이력거동은 OpenSees의 Steel02 재료모델을 사용하여 모사하였다. Steel02 모델은 Giuffré- Menegotto-Pinto 모델을 기반으로 하며, 반복하중 하에서 발생하는 바우싱거 효과와 등방성 변형경화를 고려할 수 있다. 철근 부식률은 질량 손실률, $η_{s}$ 로 정의하였으며, 부식 후 철근의 항복강도, 극한강도, 탄성계수 및 유효단면적의 계산은 다음 식 (9), (10), (11), (12)를 활용하여 수행되었다.

(9)

f_{s c y} = (1 - 1.24 ∙ η_{s}) f_{s y}

(10)

f_{s c u} = (1 - 1.07 ∙ η_{s}) f_{s u}

(11)

E_{s c} = (1 - 0.75 ∙ η_{s}) E_{s}

(12)

A_{s c} = (1 - η_{s}) A_{s}

여기서, $f_{s c y}$ , $f_{s y}$ 는 각각 부식 후, 전의 철근 항복강도이고, $f_{s c u}$ , $f_{s u}$ 는 각각 부식 후, 전의 철근 인장강도, $E_{s c}$ , $E_{s}$ 는 부식 후, 전의 철근 탄성계수, $A_{s c}$ , $A_{s}$ 는 부식 후, 전의 철근 단면적이다.

콘크리트는 피복 콘크리트와 코어 콘크리트로 구분하였다. 피복 콘크리트는 횡보강근에 의한 구속효과가 없는 비구속콘크리트로 간주하고 Concrete01 재료모델을 적용하였으며, 횡보강근에 의해 구속되는 코어 콘크리트는 Mander 등(1988) 및 Popovics(1973)의 구속 콘크리트 모델을 바탕으로 한 Concrete04 재료모델을 사용하여 모사하였다. 철근이 부식되면 부식 생성물의 팽창으로 인해 철근 주변 콘크리트에 방사방향 인장응력이 발생하며, 이로 인해 피복 콘크리트의 균열` 및 박리가 유발될 수 있다. 이러한 손상은 콘크리트의 유효 압축강도 저감 효과를 해석모델에 반영하였으며, Fig. 3은 압축강도 26.9MPa 콘크리트를 대상으로 부식률 증가에 따른 압축강도 감소 관계를 나타내었다.

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Fig. 3.

Degradation model of concrete compressive strength according to corrosion degree

또한 횡보강근의 부식은 횡보강근의 유효단면적과 항복강도를 감소시켜 코어 콘크리트에 작용하는 횡구속압을 저하시킨다. 그 결과 구속 콘크리트의 압축강도와 극한변형률이 함께 감소할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 부식 후 횡보강근의 잔존 단면적과 항복강도를 이용하여 코어 콘크리트의 구속효과를 재산정하였다.

철근과 콘크리트 사이의 부착거동은 철근콘크리트 부재의 내력 발형, 초기강성 및 변형능력에 직접적인 영향을 미치는 주요 인자이다. 철근 부식 초기에는 부식 생성물의 팽창으로 인해 철근 주변의 방상방향 압력이 증가하면서 철근과 콘크리트 상이의 접촉압이 일시적으로 커질 수 있다. 그러나 부식이 지속되면 피복 콘크리트에 균열 및 손상이 발생하고, 이로 인해 철근-콘크리트 계면의 부착강도는 급격히 감소하게 된다. 특히 반복 횡하중이 작용하는 경우 부착성능의 저하는 철근의 변형률 침투와 단부 미끄러짐 변형을 증가시켜, 결과적으로 부재 전체의 횡변형을 증대시키는 원인이 된다.

본 연구에서는 철근 부식에 따른 부착성능 저하를 해석모델에 반영하기 위하여 Han 등(2014)이 제안한 부식 팽창압 기반의 부착강도 모델을 적용하였다. 이 모델은 두꺼운 실린더 이론에 근거하여 부식 생성물의 체적 팽창으로 인해 발생하는 방사방향 팽창압 $p_{c o r r}$ 을 산정하고, 이를 이용하여 부식된 철근의 잔존 부착강도를 평가한다. 산정된 부착강도는 Bond SP01 재료모델의 주요 입력변수로 사용되었으며, 이를 통해 부식률 증가에 따른 부착강도 감소와 미끄러짐 변형 증가를 해석적으로 모사하였다. Fig. 4는 부식률 변화에 따른 부착강도 저감 관계와 이에 대응하는 부착-미끄러짐 재료모델을 나타낸다. 본 연구에서는 부식률이 증가할수록 최대 부착강도가 감소하며, 동일한 철근 응력 수준에서도 더 큰 미끄러짐 변위가 발생하도록 모델을 정의하였다. 이를 통해 제안된 해석모델은 부식된 RC 단주의 단부 변형 증가와 반복이력거동에서 나타나는 부착성능 저하의 영향을 효과적으로 반영할 수 있다.

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Fig. 4.

Bond-slip model for considering corrosion effects

3. 부식된 철근콘크리트 단주의 축력비 변화에 따른 전단파괴 취약성 분석

3.1 해석대상 및 변수 설정

본 연구에서는 축력비 변화가 부식된 철근콘크리트 단주의 전단파괴 취약성에 미치는 영향을 분석하기 위해서, Fig. 5에서 정리하고 있는 바와 같이 Vu와 Li(2018)의 준정적 반복가력 실험체를 해석대상으로 선정하였다. 해당 실험은 철근 부식이 RC 단주의 반복하중 거동 및 전단파괴 특성에 미치는 영향을 평가하기 위해 수행되었으며, 서로 다른 부식률을 갖는 RC 단주 실험체에 대해 반복 횡하중 가력이 적용되었다. 본 연구에서는 전단지배형 거동을 나타내는 CC1, CC2 및 CC3 실험체를 기준 해석모델로 사용하였다. 기존 연구에서도 세 실험체는 동일한 단면 형상과 배근상세를 가지며, 부식률만 서로 다르게 설정되어 부식 수준에 따른 전단지배 거동을 비교하기에 적합한 대상으로 제시되었다.

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Fig. 5.

Summary of selected RC column specimen (after Vu and Li, 2018)

Table 1에서 정리한 바와 같이 해석대상 실험체의 단면 폭과 높이는 모두 350mm이며, 기둥 길이는 1,080mm이다. 횡보강근 간격은 50mm이고, 전단경간비는 1.93으로 전단지배형 거동이 예상되는 단주 조건에 해당한다. 기존 실험에서는 모든 실험체에 대해 축력비, $P / f'_{c} A_{g}$ 가 0.1로 동일하게 적용되었다. 각 실험체의 부식률은 종방향 철근과 횡보강근에 대해 구분되어 있으며, 종방향 철근의 부식률은 CC1, CC2 및 CC3에서 각각 3.4%, 5.8% 및 6.8%이고, 횡보강근의 부식률은 각각 11.4%, 21.3% 및 26.1%이다. 따라서 본 연구의 해석대상은 종방향 철근에 비해 횡보강근의 부식률이 상대적으로 큰 조건이며, 횡보강근 부식에 따른 전단강도 저하와 축력비 변화의 복합 영향을 평가하기에 적합하다.

Table 1.

Information of test specimens (after Vu and Li, 2018)

Specimen	Dimensions					Reinforcing details				Material properties			$\frac{P}{f'_{c} A_{g}}$
Specimen	$b (m m)$	$h (m m)$	$L (m m)$	$s (m m)$	$a / d$	$ρ_{l}$	$ρ_{t}$	$η_{l} (%)$	$η_{t} (%)$	$f'_{c} (M P a)$	$f_{y l}$	$f_{y t}$	$\frac{P}{f'_{c} A_{g}}$
CC1	350	350	1,080	50	1.93	0.021	0.0093	3.4	11.4	28.8	550	300	0.1
CC2	350	350	1,080	50	1.93	0.021	0.0093	5.8	21.3	32.0	550	300	0.1
CC3	350	350	1,080	50	1.93	0.021	0.0093	6.8	26.1	27.8	550	300	0.1

본 연구에서는 위의 세 실험체를 기준 모델로 설정한 후, 각 부식 수준에 대해 축력비를 변수로 한 비선형 해석을 수행하였다. 기존 실험에서 적용된 축력비 0.1을 기준값으로 사용하고, 저축력 및 고축력 조건을 함께 고려하기 위해서 축력비를 0.05, 0.10, 0.20 및 0.30으로 변화시켰다. 이에 따라 CC1, CC2 및 CC3의 세 가지 부식 수준에 대해 각각 4가지의 축력비를 적용하여 총 12개의 해석 케이스를 구성하였다. 본 연구에서는 단면 치수, 배근상세, 전단경간비, 콘크리트 압축강도 및 철근 재료특성은 각 실험체 조건을 따르며, 축력비만을 독립 변수로 설정하였다.

해석모델은 앞서 제시한 매크로 해석모델을 사용하였다. 즉, 기둥의 휨거동은 비선형 파이버 보-기둥 요소로 모사하고, 기둥 단부에서 발생하는 철근의 부착 및 미끄러짐 거동은 zero-length 단면 요소를 통해 반영하였다. 또한 전단균열 발생 이후의 강성저하, 최대전단강도 도달, 핀칭 효과 및 최대강도 이후 강도저하를 모사하기 위해 zero-length 전단스프링을 적용하였다. 각 해석 케이스는 기존 실험에서 사용된 준정적 반복가력 이력을 동일하게 적용하였다. 특히 본 연구에서는 전체 응답뿐만 아니라 전단스프링에서 발생하는 전단변형 성분을 별도로 추출하여, 축력비 증가에 따라 전단지배형 거동이 어떻게 변화하는지를 평가하였다.

3.2 축력비에 따른 하중-변위 이력거동

Fig. 6은 부식된 RC단주 해석모델의 축력비 변화에 따른 반복 하중-변위 이력거동을 나타내고 있다. Fig. 6(a)에서 (c)는 기존 실험에서 적용된 축력비(P/f’_cA_g) 0.1 조건에 대해 실험결과와 해석결과를 비교하고 있다. 해석모델은 세 실험체 모두에 대해서 초기강성, 최대강도 및 최대강도 이후의 강도저하 경향을 합리적으로 모사하였으며, 특히 횡보강근 부식율이 증가한 CC2와 CC3 실험체에서는 반복하중 가력이 진행됨에 따라 핀칭 효과와 강도저하가 뚜렷히 나타나는 현상과 전단지배형 이력거동 특성을 적절히 반영하였다. 다만 일부 반복 사이클에서 실험결과와 해석결과 사이의 강도저하 속도 및 잔류변위에 차이가 발생하는데 이는 실제 부식 손상의 불균일성, 국부적인 철근 및 콘크리트의 부착 손상 등을 매크로 해석모델에서 등가화하여 반영하였기 때문으로 판단된다.

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Fig. 6.

Cyclic responses of corroded RC column analytical models

Fig. 6(d)에서 (f)는 각 부식 수준에 대해 축력비를 0.05, 0.20, 0.30으로 변화시킨 해석결과를 비교하고 있다. 축력비가 증가할수록 기둥의 최대 횡하중은 증가하는 경향을 나타냈으나, 이는 축하중 증가에 따라 콘크리트 압축대의 저항성능이 증가하고 균열면에서의 마찰저항에 의한 하중 전달효과가 증가하기 때문으로 판단된다. 하지만 최대강도 증가와는 달리, 최대강도 이후의 강도저하가 급격하게 발생하였으며, 반복하중 하에서 하중전달 능력이 유지되는 변형수준은 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 경향은 Fig. 7(a)의 최대강도 비교에서도 확인할 수 있다. 모든 부식 수준에서 축력비가 증가함에 따라 최대강도는 증가하였으며, 동일한 축력비에서는 횡보강근 부식률이 상대적으로 작은 CC1의 최대강도가 가장 크게 나타났다. 반면 횡보강근 부식률이 가장 큰 CC3의 경우 전단보강근의 유효단면적 및 항복강도 저하로 인해 전단보강근의 기여도가 감소하였고, 그 결과 전체 축력비 범위에서 다른 실험체에 비해 낮은 최대강도를 나타내었다. Fig. 7(b)는 축력비 변화에 따른 최대변형도를 비교하고 있다. 최대변형도는 최대강도 이후 기둥의 하중전달 능력이 현격히 저하되는 시점의 변형능력을 나타내는 지표로 판단할 수 있으며, 해석결과 축력비가 0.05에서 0.10으로 증가할 때 최대변형도는 모든 실험체에서 뚜렷하게 감소하였다. 이후 축력비가 0.20 및 0.30으로 증가하는 구간에서는 감소폭이 상대적으로 완만해졌으나, 전반적으로 축력이 낮은 조건에 비해 낮은 변형능력을 나타내었다. 부식 수준에 따른 차이를 보면, 횡보강근 부식률이 큰 실험체일수록 동일한 축력비에서 최대변형도가 작게 나타났다. 특히 CC3 실험체는 전 축력비 범위에서 가장 낮은 최대변형도를 나타내었으며, 이는 횡보강근 부식으로 인한 전단철근의 기여도와 콘크리트 구속효과가 동시에 저하되었기 때문으로 판단된다. 횡보강간의 부식은 전단강도 저하뿐만 아니라 전단균열 이후의 균열 폭 증가, 핀칭 현상의 심화 및 반복하중에 따른 손상 누적을 가속화하므로, 결과적으로 전단지배형 기둥의 취성파괴에 대한 취약성을 증가시킨다.

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Fig. 7.

Evaluation of corrosion degree on structural capacity of RC short columns

4. 결 론

본 연구에서는 부식된 철근콘크리트(RC) 단주의 축력비 변화가 전단지배형 파괴거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여 비선형 정적 반복가력 변수해석을 수행하였다. OpenSees 기반의 매크로 해석모델을 활용하여 기둥의 휨 거동, 철근의 부착-미끄러짐 거동 및 전단 거동을 각각 모사하고 이를 직렬로 연결하였다. 서로 다른 주철근 및 횡보강근 부식률을 갖는 3개 실험체를 기준으로 축력비를 0.05, 0.10, 0.20 및 0.30으로 변화시켜 총 12개의 해석 케이스를 분석하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.

1) 제안된 매크로 해석모델은 기준 축력비 0.10 조건에서 부식된 RC 단주의 반복 하중-변위 이력거동을 합리적으로 모사하였으며, 특히 전단스프링에 적용된 Pinching4 모델을 통해 반복가력 시 발생하는 핀칭효과, 강성 및 강도저하 경향을 적절히 반영할 수 있다.

2) 모든 부식 수준에서 축력비가 증가할수록 기둥의 최대 전단강도는 증가하는 경향을 나타내었다. 이는 축력 증가에 따라 단면 내 압축응력이 증가하고, 전단균열면에서의 마찰저항 및 압축 스트럿에 의한 전단저항 성능이 향상되었기 때문으로 판단된다. 하지만 동일한 축력비 조건에서는 횡보강근 부식률이 클수록 전단보강근의 유효단면적 및 항복강도 저하로 인해 최대 전단강도가 감소하였다.

3) 축력비 증가는 최대 전단강도 향상에는 기여하였으나, 최대강도 이후의 변형능력에는 불리한 영향을 나타내었다. 특히 축력비가 0.05에서 0.10으로 증가할 때 최대변형도가 모든 부식 수준에서 뚜렷하게 감소하였으며, 고축력비 조건에서는 최대강도 도달 이후 강도저하가 조기에 발생하는 경향을 나타내었다.

4) 축력비 증가에 따른 변형능력 저하와 취성적 전단파괴 경향은 횡보강근 부식률이 가장 큰 CC3 실험체에서 가장 뚜렷하게 나타났다. 이는 횡보강근 부식이 전단보강 효과뿐만 아니라 코어 콘크리트의 구속효과를 동시에 저하시켜, 반복하중 하에서 전단균열 이후의 손상 누적과 강도 저하를 가속화하기 때문으로 판단된다.

Acknowledgements

이 연구는 2026년 PNU Pre-BK Pilot Program 연구비 지원에 의한 결과의 일부임. 또한 이 논문은 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(RS-2026-25547948).

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Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

Preview

Effect of Axial Load Ratio on the Shear Failure Vulnerability of Corroded RC Short Columns

ABSTRACT

MAIN

(1)

Fig. 1.

Configuration of the macro analytical model

(2)

(3)

Fig. 2.

Backbone curve for simulating shear response of RC members

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

(12)

Fig. 3.

Degradation model of concrete compressive strength according to corrosion degree

Fig. 4.

Bond-slip model for considering corrosion effects

Fig. 5.

Summary of selected RC column specimen (after Vu and Li, 2018)

Table 1.

Information of test specimens (after Vu and Li, 2018)

Fig. 6.

Cyclic responses of corroded RC column analytical models

Fig. 7.

Evaluation of corrosion degree on structural capacity of RC short columns

Acknowledgements

References