본 연구는 철근콘크리트 교각에 대한 새로운 내진설계법을 개발하기 위한 연구의 일환으로서, 지진하중을 받는 철근콘크리트 교각의 연성도와 심부구속철근량의 상관관계를 분석하고 설계식을 제시함을 목적으로 한다. 이를 위하여, 반복하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 횡하중-변위 포락곡선 실험결과를 비교적 정확하게 예측하며, 특히 변형능력 및 연성도에 대하여는 실험결과에 비하여 안전측의 결과를 제공하는 비선형해석 프로그램 [NARCE]를 이용하였다. 해석의 대상 교각으로는, 단면지름, 형상비, 콘크리트 강도, 축방향철근 항복강도, 심부구속철근 항복강도, 축방향철근비, 축력비, 심부구속철근비 등을 주요변수로 하여 총 7,200개의 철근콘크리트 나선철근 기둥 모델을 채택하였다. 해석결과 자료를 대상으로 상관관계를 분석하여 소요연성도에 따른 심부구속철근량의 새로운 설계식을 제안하였으며, 이 식은 연성도에 기초한 철근콘크리트 교각의 새로운 내진설계법에 적용될 수 있을 것이다.
본 연구는 철근콘크리트 교각에 대한 새로운 내진설계법을 개발하기 위한 연구의 일환으로서, 지진하중을 받는 철근콘크리트 교각의 연성도와 심부구속철근량의 상관관계를 분석하고 설계식을 제시함을 목적으로 한다. 이를 위하여, 반복하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 횡하중-변위 포락곡선 실험결과를 비교적 정확하게 예측하며, 특히 변형능력 및 연성도에 대하여는 실험결과에 비하여 안전측의 결과를 제공하는 비선형해석 프로그램 [NARCE]를 이용하였다. 해석의 대상 교각으로는, 단면지름, 형상비, 콘크리트 강도, 축방향철근 항복강도, 심부구속철근 항복강도, 축방향철근비, 축력비, 심부구속철근비 등을 주요변수로 하여 총 7,200개의 철근콘크리트 나선철근 기둥 모델을 채택하였다. 해석결과 자료를 대상으로 상관관계를 분석하여 소요연성도에 따른 심부구속철근량의 새로운 설계식을 제안하였으며, 이 식은 연성도에 기초한 철근콘크리트 교각의 새로운 내진설계법에 적용될 수 있을 것이다.
This paper is a part of a research program to develop a new design method for reinforced concrete bridge columns under seismic loading. The objectives of this paper are to investigate the relationship between ductility and confinement steel amount and to propose a design equation for reinforced conc...
This paper is a part of a research program to develop a new design method for reinforced concrete bridge columns under seismic loading. The objectives of this paper are to investigate the relationship between ductility and confinement steel amount and to propose a design equation for reinforced concrete bridge columns. Computer program NARCC was used for parametric study, which was proved to provide good and conservative analytical result especially for deformation capacity and ductility factor compared with test result. A total of 7,200 reinforced concrete columns confined with spirals or perfect circular hoops were selected by combination of variables such as section diameter, aspect ratio, concrete compressive strength, yielding strength of longitudinal and confinement steel, longitudinal steel ratio, axial load ratio, and confinement steel ratio. Based on the parametric study a new design equation for confinement steel amount considering ductility demand was proposed, which can be used in the new seismic design method, i.e. ductility-based seismic design, for RC bridge columns.
This paper is a part of a research program to develop a new design method for reinforced concrete bridge columns under seismic loading. The objectives of this paper are to investigate the relationship between ductility and confinement steel amount and to propose a design equation for reinforced concrete bridge columns. Computer program NARCC was used for parametric study, which was proved to provide good and conservative analytical result especially for deformation capacity and ductility factor compared with test result. A total of 7,200 reinforced concrete columns confined with spirals or perfect circular hoops were selected by combination of variables such as section diameter, aspect ratio, concrete compressive strength, yielding strength of longitudinal and confinement steel, longitudinal steel ratio, axial load ratio, and confinement steel ratio. Based on the parametric study a new design equation for confinement steel amount considering ductility demand was proposed, which can be used in the new seismic design method, i.e. ductility-based seismic design, for RC bridge columns.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 철근콘크리트 교각의 심부구속철근량 산정에 관한 각 설계기준 식을 비교하고, 해석적 연구를 통하여 연성도와 심부구속철근량의 상관관계를 비교분석하여, 연성도를 주요변수로 한 철근콘크리트 교각의심부구속철근량 산정식을 제안하고자 한다.
본 연구는 철근콘크리트 교각 내진설계시 현행 실무에서 당면하고 있는 심부구속철근량 산정에 관한 문제점을 해결하고 연성도를 고려한 합리적인 철근콘크리트 교각의 내진설계 방법을 제안하기 위해 수행된 연구로서, 철근콘크리트 교각의 내진거동에 영향을 미치는 변수들을 조합한 총 7,200개의 철근콘크리트 교각을 선정하고 비선형해석을 수행하여 심부구속철근량과 변위연성도의 상관관계를 분석하였다. 이 분석결과를 바탕으로, 곡률연성도 축력비, 콘크리트 압축강도, 심부구속철근 항복강도 축 방향 철근 항복강도 축방향철근비 및 심부콘크리트 단면적에 대한 전체단면적의 비율을 변수로 하여, 소요연성도에 대한 소요심부구속철근량 산정식을 제안하였다.
제안 방법
교각의 변수로는 교각의 내진성능에 영향을 주는 주요 변수로서, Table 3에 나타낸 바와 같은 7 개의 변수를 조합하였다 즉, 단면의 크기는 지름 100cm와 200cm의 2 가지, 교각 형상비는 2~10 범위의 6 가지, 콘크리트의 압축강도는 200-600kgf/cm2범위의 6 가지, 철근의 항복강도는 3,000kgf/cm2과 4,000kgf/cm2 2 가지, 축방향 철근비는 1~4% 범위의 4 가지, 축력비는 10~30% 범위의 3 가지, 횡방향철근비는 도로교설계기준 6.821 의 심부 구속 철근 규정을 기준으로 1/4씩 감소하는 양과 도로교 설계기준 4,3,7,2의 횡방향철근 규정에 따라 설계된 비내진 횡방향철근량 등 5 가지를 채택하였다. 이와 같은 7 개의 각 변수들을 조합하여 총 7,200개의 교각에 대한 포락 곡선 해석을 수행하였고 연성도 해석결과를 대상으로 분석하였다.
된다. 따라서, NZS 310118,19)과 Eurocode 815)에서도 소요심부구속철근량 산정식 에 곡률연성도를 채택하고 있으며, 본 연구에서도 곡률연성도를 주요변수로 채택하여 심부 구속 철근 량과 연성도의 상관관계식을 제안하였다. 이러한 경우에는 교각 단면의 연성능력(section ductility)을 나타내는 곡률연성도와 교각 부재의 연성능력(member ductility)을 나타내는 변위연성도의 관계식이 필요하게 되는데, 변위연성도와 곡률연성도의 상관관계는 손혁수 등3),5)이 제안한 식(7)을 적용할 수 있다.
심부구속철근량과 변위연성도의 상관관계를 분석하고연성도에 따른 심부구속철근량 산정식을 개발하기 위하여, Fig. 2와 같은 원형단면을 갖고 나선철근이나 완전원형 후프를 사용한 철근콘크리트 캔틸레버 교각을 채택하였다
이 분석결과를 바탕으로, 곡률연성도 축력비, 콘크리트 압축강도, 심부구속철근 항복강도 축 방향 철근 항복강도 축방향철근비 및 심부콘크리트 단면적에 대한 전체단면적의 비율을 변수로 하여, 소요연성도에 대한 소요심부구속철근량 산정식을 제안하였다. 이를 통하여 보다 합리적으로 안전성과 경제성을 고려할 수 있는 철근콘크리트 교각의 내진설계법을 개발하기 위한 연구자료를 제공함으로써 구조물의 중요도 및 소요연성도에 따른 효율적인 설계법의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
이는 해석결과를 통하여 축방향철근비 축력비, 콘크리트 및 철근의 강도가 증가할수록 축방향철근의 파단보다는 콘크리트가 극한상태에 먼저 도달하여 콘크리트의 파괴가 지배적인 것으로 분석되었고, 이재훈 등7,8)의 실험 결과를 분석한 결과 이와 같은 파괴의 정의를 적용하는 경우 연성도가 안전측으로 평가되었기 때문이다 따라서, 본 연구에서는 일관성 있는 경향분석을 위해 극한상태의 기준을 콘크리트 변형률이 극한변형률에 도달한 상태를 극한상태로 정의하여 변위연성도를 산정하였다.
산정식으로 제안한다. 제안식 은 Table 2에 나타낸 바와 같이, 곡률연성도 축력비, 콘크리트 압축강도, 축방향철근 항복강도, 심부구속철근 항복강도, 축 방향 철근비 및 심부콘크리트 단면적에 대한 전체단면적의 비율을 변수로 한다.
대상 데이터
즉, Fig. 3(a)는 콘크리트 압축강도 27.5 MPa, 축방향철근 항복강도 349 MPa, 횡방향철근 항복강도 360 MPa, 축력비 20.9%, 축방향철근비 1.26%, 횡 방향 철근비 0.0099(도로교설계기준 심부구속철근량의 1.08배)인 CN-SP-80-20 시험체8)이다. Fig.
821 의 심부 구속 철근 규정을 기준으로 1/4씩 감소하는 양과 도로교 설계기준 4,3,7,2의 횡방향철근 규정에 따라 설계된 비내진 횡방향철근량 등 5 가지를 채택하였다. 이와 같은 7 개의 각 변수들을 조합하여 총 7,200개의 교각에 대한 포락 곡선 해석을 수행하였고 연성도 해석결과를 대상으로 분석하였다.
이론/모형
의해서 영향을 받는다. 변위연성도를 산정하기 위한 항복상태의 기준은 Fig. 4에 나타낸 것과 같은 Priestley 등이 제안한 방법20,21)을 기준으로 항복상태를 정의하였다.
본 연구에서는 철근콘크리트 교각의 모멘트-곡률 곡선 및 하중-변위 포락곡선을 예측하기 위해 콘크리트의 재료 비선형, 반복하중에 의한 철근의 응력-변형률 특성, 축력의 영향을 고려한 축방향철근의 부착슬립 모델 축 방향 철근의 파단기준 등을 고려하여 손혁수 등3,4)이 개발한 비선형해석 프로그램 NARCC (Nonlinear Analysis ofReinforced Concrete Columns)을 사용하였다. NARCC는변형평면회전기법 (rotating plane method)을 이용하여 단면의 모멘트-곡률 곡선을 구성한 후, 각 하중단계별 기둥 길이에 따른 곡률분포를 수치적분을 통하여 기둥상단의휨작용에 의한 횡방향변위를 계산하며 축방향철근 부착 슬립에 의한 변위 및 전단작용에 의한 변위를 모두 고려하여 하중-변위 곡선을 구성할 수 있는 프로그램이다.
성능/효과
본 연구에서 수행한 총 7,200개의 해석결과를 분석한 결과, 심부구속철근의 수직간격이 30cm 이하인 경우에는 심부구속철근량이 증가할수록 변위연성도가 증가하는 경향을 나타내지만, 수직간격이 30cm 이하인 경우에는 심부 구속 철근 량이 증가하더라도 심부구속철근 간격이 30 cm인 경우보다 변위연성도가 감소하는 것으로 분석되었다. 즉, 심부구속철근량과 변위연성도의 상관관계는 심부 구속 철근의 수직간격이 30cm 이하인 경우에 비례관계를 보이며 , 동일한 심부구속철근량에 대해서 심부 구속 철근의 지름(크기)보다는 심부구속철근의 수직간격이 더 중요한 변수임을 알 수 있다.
5는 단면지름 200 cm, 축방향철근비 1%, 축 방향 철근 및 심부구속철근 항복강도 3,000kgf/cm2인 교각에 대해 심부구속철근량에 따른 변위연성도의 변화를 축력 비와 형상 비를 주요변수로 나타낸 것으로서, 콘크리트 압축강도 축력비, 형상비가 증가할수록 변위연성도는 감소하는 경향을 나타낸다. 심부구속철근량이 증가할수록, 또 축력 비가 낮을수록 형상비의 증가에 따른 변위연성도의 감소가 두드러지게 나타나며, 심부구속철근량이 적고 축력비가 20% 이상으로 높은 경우에는 형상비에 따른 변위 연성 도의 차이가 크지 않음을 알 수 있다.
즉, 심부구속철근량과 변위연성도의 상관관계는 심부 구속 철근의 수직간격이 30cm 이하인 경우에 비례관계를 보이며 , 동일한 심부구속철근량에 대해서 심부 구속 철근의 지름(크기)보다는 심부구속철근의 수직간격이 더 중요한 변수임을 알 수 있다.
11은 단면지름 200cm, 콘크리트 압축강도 240kgf/cm2, 축방향철근 및 심부구속철근 항복강도 3,000kgf/cm2, 축방향철근비 1%인 경우의 소요곡률연성도에 따른 소요심부구속철근량을 나타낸 것으로서, 제안식을 사용한 경우 소요곡률연성도가 증가할수록 심부구속철근 요구량은 증가한다. 즉, 제안식은 소요곡률연성을 변수로 하여 교각에 요구되는 연성도에 따라 심부구속철근량을 결정 하고 있으므로, 현행 도로교설계 기준의 심부 구속 철근량 산정식보다 합리적일 것으로 판단된다.
후속연구
단, "연성도를 고려한 내진설계법"의 개발에 제안 식을 적용하기 위해서는, 응답수정계수-변위연성도 관계식의 적용 방법(동일변위원리와 동일에너지원리의 적용 기준), 제안식의 적용한계기준(심부구속철근량의 최대값, 또는 변위 연성도 및 응답수정계수의 최대값), 비 내진 횡방향철근량과의 연관성을 확보하기 위한 횡방향철근의 수직 간격의 제한 등의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
단, 철근콘크리트 교각에 대한 새로운 내진설계법인 "연성도를 고려한 내진설계법”을 완성하기 위해서는, 응답 수정계수-변위연성도 관계식의 적용방법(동일변위원리와 동일 에너지 원리의 적용 기준), 제안식의 적용한계 기준(심부구속철근량의 최대값 또는 변위연성도 및 응답수정계수의 최대값), 비내진 횡방향철근량과의 연관성을 확보하기 위한 횡방향철근의 수직간격의 제한 등의 추가 연구가 수행되어야 한다고 판단된다.
이 분석결과를 바탕으로, 곡률연성도 축력비, 콘크리트 압축강도, 심부구속철근 항복강도 축 방향 철근 항복강도 축방향철근비 및 심부콘크리트 단면적에 대한 전체단면적의 비율을 변수로 하여, 소요연성도에 대한 소요심부구속철근량 산정식을 제안하였다. 이를 통하여 보다 합리적으로 안전성과 경제성을 고려할 수 있는 철근콘크리트 교각의 내진설계법을 개발하기 위한 연구자료를 제공함으로써 구조물의 중요도 및 소요연성도에 따른 효율적인 설계법의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
12에서 축방향철근 및 심부구속철근의 항복강도 가동 일한 경우(4,000kgf/cm2 또는 3,000 kgf/cm2)에는 소요심부구속철근량이 거의 유사한 값을 나타내고 있는데, 이는 심부구속철근과 축방향철근의 항복강도가 연성에 미치는 영향이 복합적으로 작용하기 때문이다. 이와 같이 현행 도로교설계기준 및 외국 설계기준의 심부 구속 철근 량산정식은 축방향철근 항복강도의 영향을 고려하고 있지 않지만, 제안식은 이를 고려하고 있으며 합리적인 설계 결과를 제공할 것으로 판단된다.
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