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문제 정의
- 이 연구에서는 축방향철근의 연결상세에 따른 철근콘크리트 원형나선철근 교각의 내진성능을 평가하기 위해 총 21개의 축소모형 시험체에 대한 준정적실험이 수행되었다. 실험결과의 비교 및 분석을 통하여 축방향철근 연결 상세에 따른 교각의 파괴거동, 내진성능 및 강도저감거동 등을 비교.
- 분석하여 한정연성설계에서 허용할 수 있는 축방향 철근 연결상세를 도출하였다. 이로부터 국내 실정에 맞는 내진설계 방법 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
제안 방법
- CN-SPH 계열을 제외한 모든 시험체는 D10의 나선 철근을 200 mm 간격으로 배근하여, 재료의 설계강도(fck = 24MPa, fy = 300MPa)를 기준으로 도로교설계기준 심부 구속 철근 요구량의 0.4배에 해당하도록 하였다 심부구속철근량에 따른 내진성능을 평가하기 위하여 도로교 설계기준 심부구속철근 요구량과 같도록 D10의 나선철근을 80 mm 간격으로 배근한 CN-SPH 계열을 제작하였다.
- 실험결과의 비교 및 분석을 통하여 축방향철근 연결 상세에 따른 교각의 파괴거동, 내진성능 및 강도저감거동 등을 비교. 분석하여 한정연성설계에서 허용할 수 있는 축방향 철근 연결상세를 도출하였다. 이로부터 국내 실정에 맞는 내진설계 방법 개발을 위한 기초자료를 제공하고자 한다.
- 수행되었다. 실험결과의 비교 및 분석을 통하여 축방향철근 연결 상세에 따른 교각의 파괴거동, 내진성능 및 강도저감거동 등을 비교. 분석하여 한정연성설계에서 허용할 수 있는 축방향 철근 연결상세를 도출하였다.
- 따라서 측정된 각 시험체 항복변위(Δi)의 기준으로는 일관성 있는 분석결과를 얻기 어렵다. 이에 따라 이 연구에서는 단일 축방향철근을 사용한 표준시험체(CN-SP-NC 계열)의 항복변위(Δy,NC)를기준으로 채택하였다. Table 6은 표준시험체의 항복 변위를 기준으로 한 하중단계별 변위를 변위비로 나타낸 것이다.
- 7배에 해당하는 값을 나타낸다. 철근 커플러를 사용하는 기계적 이음의 경우 연결할 철근의 양단을 가공하여 커플러로 연결하는 방식을 채택하여 축방향철근을 제작하였으며, 시험체 제작 시 커플러의 위치는 겹침이음길이의 중앙지점인 기둥 하단부에서 140 mm 위치에서 축방향철근을 연결하였다.
- 총 7개 계열의 시험체 중 CN-SPH-AL 계열을 제외한 6개 계열의 하중-변위 이력곡선을 토대로 축방향철근 연결 상세에 따른 강도저감(strength degradation)거동을 분석하였다. CN-SPH-AL 계열은 시험체의 제작 및 양생 환경의 차이로 인해 콘크리트 강도 및 재하축력이 달라 강도 저감의 정량적인 비교에 어려움이 있어 분석대상에서 제외되었다.
- 횡방향하중을 작용시켰다. 축력은 기둥 상단부의 재하판 사이에 설치한 2개의 유압잭과 지름 38mm의 강봉 2 개를 사용하여 재하하였으며, 강봉의 강성에 따른 영향이 최소화되도록 강봉의 하단부 정착장치에 힌지가 설치되었다 lOOtonf 용량의 하중계 2개를 설치하여 축력 변화 여부를 측정하면서 일정한 축력이 가해지도록 자동유압장치를 사용하였다 Fig. 2는 실험모습을 나타낸 것이다
- 축력을 가한 상태에서 횡방향하중을 반복 가력하는 준 정적(quasi-static) 실험을 수행하였다 50tonf 용량의 가력기(actuator)를 사용하여 기둥 하단에서 1, 400mm인 위치에 횡방향하중을 작용시켰다. 축력은 기둥 상단부의 재하판 사이에 설치한 2개의 유압잭과 지름 38mm의 강봉 2 개를 사용하여 재하하였으며, 강봉의 강성에 따른 영향이 최소화되도록 강봉의 하단부 정착장치에 힌지가 설치되었다 lOOtonf 용량의 하중계 2개를 설치하여 축력 변화 여부를 측정하면서 일정한 축력이 가해지도록 자동유압장치를 사용하였다 Fig.
- 콘크리트강도와 단면적의 비율로 정의되는 축력비는 0.1, 0.2, 0.3의 세가지를 실험변수로 채택하였다. 시험체의 단면상세, 철근상세 및 주요 실험변수는 Fig.
- 항복변위를 결정하기 위하여 시험체의 단면해석을 통해 구한 공칭휨강도 Mn에 해당하는 횡력 Vi 를결정한 후 Fig. 3과 같이 0.5 K와 0.75 K의 수평 하중을 2회씩 반복 재하하여 0.75 Vi일 때의 미는(push) 방향과 당기는(pull) 방향 변위를 각각 구한 후 0.75로 나눈 각 방향의 항복변위를 평균하여 최종 항복변위 /, 를 결정하였다16). 항복변위부터는 Fig.
대상 데이터
- 26%이며, 축방향철근 연결상세에 따른 내진성능을 평가하기 위해 축방향철근의 이음이 없는 Fig. 1(a)의 단일주철근의 표준시험체 CN-SP-NC 계열을 제작하였다. 소성힌지 구간의 축방향철근 연결상세를 변수로 원형단면에 배근된 8 개의 축방향철근 중 1/2을 겹침이음한 Fig.
- Fig. 1은 시험체의 단면 및 철근상세를 나타낸 것으로서, 축방향철근으로는 D16의 이형철근을 사용하였으며, 횡 방향 철근은 D10의 이형철근을 나선철근으로 제작하여 사용하였다. 횡방향 철근 외측표면에서 콘크리트 표면까지의 피복 두께는 20mm이며 축방향철근 중심에서 콘크리트 표면까지의 거리는 37.
- 단면지름400mm, 총 높이 2, 100mm, 기둥길이 1, 600mm 의 형상비(aspect ratio)가 3.5인 시험체 21개를 제작하였다. 재하실험 시점의 재령에서 콘크리트 압축강도 (feu)는 29.
성능/효과
- 1) 모든 시험체에서 초기거동(초기휨균열 및 균열진전) 은축방향철근 연결상세, 심부구속철근비와 관계없이 유사한 경향을 나타내었다. 피복박리의 경우 축력비가 클수록 상대적으로 작은 변위에서 시작되었으며, 균열진전의 진행속도도 빠른 것으로 관찰되었다.
- 2) 축방향철근의 50%가 겹침이음된 시험체는 단일 축방향 철근이 사용된 시험체에 비하여 최대 하중 이후 강도나 강성의 급격한 저하현상은 발생하지 않았으며 제한적이지만 안정적인 연성거동을 나타내었다. 그러나 모든 축방향철근이 겹침이음된 시험체는 최대 횡력 강도 이후 축방향철근의 겹침이음부에서 축방향 철근의 슬립이 발생하여, 단일 축방향철근이 사용된 시험체에 비하여 강도 및 강성이 급격히 저하되는 불안정한 하중-변위 이력특성을 나타내었으며, 심부구속철근량의 증가에 따른 연성능력의 증가는 크지 않았다.
- 3) 축방향철근의 연결상세와 무관하게 모든 시험체에서 최대 횡력 강도는 항복변위의 3배 내외의 변위에서 발생하며, 설계기준에 따라 계산된 공칭횡력강도의 1.2배 이상의 값을 보였다. 또한 하중 반복횟수에 따른 횡력 강도의 강도저감비율을 분석한 결과, 전반적으로 시험체의 파괴가 발생하기 이전단계까지의 두 번째 가력에서 횡력강도는 첫 번째 가력에서 횡력강도의 80% 이상의 값을 보였다.
- 4) 커플러를 사용하여 축방향철근을 연결한 시험체의 하중-변위 이력거동 및 파괴양상은 단일철근을 사용한 시험체와 유사한 이력거동 특성을 나타내었으며, 반복하중 작용에 따른 파괴시의 강도저감성능은 다소 부족하지만 연성능력은 유사한 것으로 나타났다.
- Figs. 5~11은 각 시험체의 재하실험에서 측정된 하중- 변위 이력곡선으로 모든 시험체의 최대 횡하중은 공칭휨횡력강도를 초과하였으며, 축력비가 증가할수록 최대 횡력 강도는 증가하며 연성능력은 감소하는 경향을 나타내었다. 여기서 공칭휨횡력강도란 축력이 작용하는 기등에 대하여 설계기준의 정의에 따른 공칭휨강도를 계산한 후 이에 해당하는 횡력으로 표현한 횡력강도를 의미한다.
- CN-SP-HL 계열과 유사한 파괴양상을 나타내었으나, 축방향철근의 좌굴 및 심부콘크리트의 파괴가 CN-SP-HL 계열보다 작은 변위비에서 발생하여 모든 축방향 철근을 겹침이음하는 경우 연성능력이 저하되는 것으로 나타났다. Fig.
- 12(a)는 CN-SP-NC 계열의 대표적인 파괴양상을 나타낸 것으로서, 축방향철근의 좌굴 및 파단에 의해 시험체가 파괴되었다. CN-SP-NC 계열은 모든 축방향 철근의 좌굴이 관찰되었으며, CN-SP-NC-10 시험체는 축방향 철근의 파단에 의해 시험체가 파괴되었으나, CN-SP-NC-20 과 CN-SP-NC-30 시험체는 축방향철근의 좌굴 이후 심부 콘크리트의 파괴로 인해 최종 파괴되었다.
- 6의 CN-SP-HL 계열의 경우 동일한 축력비에서 최대 횡력강도는 유사하지만, 최대 횡력강도 이후에서는 CN-SP-HL 계열의 연성능력이 낮게 나타났다. 그러나 CN-SP-HL 계열의 경우 최대하중 이후 강도나 강성의 급격한 저하현상은 발생하지 않았으며, 제한적이 지만 안정적인 연성 거동을 나타내었다.
- 그러나 모든 축방향철근이 겹침이음된 시험체는 최대 횡력 강도 이후 축방향철근의 겹침이음부에서 축방향 철근의 슬립이 발생하여, 단일 축방향철근이 사용된 시험체에 비하여 강도 및 강성이 급격히 저하되는 불안정한 하중-변위 이력특성을 나타내었으며, 심부구속철근량의 증가에 따른 연성능력의 증가는 크지 않았다.
- 2인 CN-SPH -HL-10 및 CN-SPH-HL-20 시험체는 축방향철근의 파단으로 최종 파괴되었으며, 축력비가 03인 CN-SPH- HL-30 시험체는 축방향철근의 좌굴발생 이후 심부콘크리트의 파괴로 인해 최종 파괴되었다. 동일한 축력비를 갖는 CN-SPH-HL-30 시험체와 CN-SP-HL-30 시험체는 모두 심부 콘크리트의 파괴로 시험체가 최종 파괴되었으나, 심부 콘크리트의 파괴정도는 CN-SPH-HL-30 시험체가 CN-SP-HL -30 시험체보다 경미하게 발생하였다. Fig.
- 12(e)는 CN-SPH-AL 계열의 파괴양상을 대표적으로 나타낸 것으로서 다른 시험체들과는 달리 피복 콘크리트만 일부 파손된 파괴양상을 보였다. 따라서 축방향 철근의 좌굴 및 슬립발생 여부를 확인할 수 없었으나, 측정된 하중-변위 이력곡선(Fig. 9)에서 최대 횡하중강도 도달 이후 급격히 하중이 감소하는 것으로 미루어 볼 때, 모든 축방향 철근의 겹침이 음부에서 철근의 슬립이 발생함으로써 횡하중 저항능력이 급격히 감소되어 파괴에 도달한 것으로 판단된다.
- 또한 도로교설계기 준 심부구속철근량의 40% 를 배근한 CN-SP 계열은 설계기준의 심부구속철근량이 배근된 CN-SPH 계열보다 심부콘크리트의 파괴정도가 심한 것으로 관찰되었다. Table 4에 나타낸 박리안정화 (spalling stabilization)는 피복콘크리트가 박리되는 구역이 더 이상 확대되지 않는 단계로 정의하였다.
- 2배 이상의 값을 보였다. 또한 하중 반복횟수에 따른 횡력 강도의 강도저감비율을 분석한 결과, 전반적으로 시험체의 파괴가 발생하기 이전단계까지의 두 번째 가력에서 횡력강도는 첫 번째 가력에서 횡력강도의 80% 이상의 값을 보였다.
- 13~15와 같이 축방향철근 연결상세, 심부구속철근량 축력비 등에 따라 변위증가에 따른 횡력 강도의 변화에 차이를 보인다. 변위 1Δy,NC에서는 공칭 횡력 강도 Vn,code 보다 작은 횡 력을 보이지만 2Δy,NC 이상의 변위에서 횡력강도는 공칭횡력강도 Vn,code보다 크다 횡력강도 실험값 Vexp 의 최대값은 시험체의 상세 및 축력에 따라 다소 차이는 있지만 대략 3/“nc 내외의 변위 범위에서 발생하였으며, 공칭횡력강도 Vn,code 의 1.189~1.385배로 대부분의 시험체가 공칭횡력강도의 1.2배 이상의 횡력 강도를 보였다. 최대 횡력강도 이후에는 변위증가에 따라 횡력 강도가 서서히 감소하는데, Table 7에서 강도비율이 1.
- 축방향철근의 좌굴은 모든 시험체에서 관찰되었으며, 축방향철근 중 단일철근과 겹침이음 철근의 좌굴은 발생하였으나, 다우얼(dowel)철근의 좌굴은 발생하지 않았다. 실험종료까지 단일철근 및 겹침이음철근의 파단은 발생하지 않았으며, 축방향철근의 좌굴 이후 겹침 이음 철근의 슬립에 의한 심부콘크리트의 파괴로 인해 시험체가 최종 파괴되었다. CN-SP-NC 계열과 최종 파괴양상은 유사하나 축방향철근의 좌굴 및 심부콘크리트의 파괴가 CN-SP-NC 계열보다 작은 변위비에서 발생하였다.
- NC 에 대한 각 시험체의 하중단계별 측정 횡력강도 Vn,code 의 비율을 나타낸 Table 8의 2~8열은 초기하중 단계와 최대하중단계인 1Δy,NC~3Δy,NC의 범위에서 대부분의 시험체가 표준시험체와 유사한 횡력 강도를 보여준다. 심부구속철근량이 동일한 경우에는 3Δy,NC를 초과하는 변위에서 축방향철근의 겹침이음 비율이 클수록 표준시험체의 횡력강도보다 작게 되는 변위가 작아지지만, 축방향철근을 모두 기계적으로 연결한 경우(CN-SP-AMC 계열)와 축방향철근의 반을 겹침이음하고 심부구속철근량이 2.5배인 경우(CN- SPH-HL 계열)는 단일축방향 철근 상세를 갖는 표준시험체의 횡력강도의 90% 이상을 파괴 변위까지 유지하였다.
- 0 이상인 경우의 공칭횡력강도 Vn,code를 유지하는 변위는 죽방향철근, 연결상세, 심부구속철근량 죽력비 등에 따라 다르다. 전반적으로 축력비가 클수록 그리고 축방향 철근의 겹침이음비율이 높을수록 공칭횡력강도 Vn,code를 유지하는 변위가 작았다. 표준시험체(CN-SP-NC계열)의 측정 횡력강도 f.
- 5의 CN-SP-NC 계열의 이력특성과 유사한 경향을 나타내었다. 즉 축방향철근을 커플러를 사용하여 연결한 경우 단일 축방향철근으로 사용한 경우와 유사하거나 동등한 연성능력 및 내진성능을 발휘하는 것으로 나타났다
- 그러나 축방향 철근이 모두 겹침이음된 CN-SP(H)-AL 계열의 경우에는 심부구속철근량의 증가에 따른 연성능력의 증가는 미비한 것으로 나타났다. 즉, 축방향철근이 모두 겹침이음 되어있는 경우에는 심부구속철근량이 연성능력에 미치는 영향보다는 축방향철근의 겹침이음 비율에 의해 기등의 내진 성능이 좌우되는 것으로 나타났다.
- 이력특성 및 파괴양상을 나타내었다. 축력비가 0.1 및 0.2인 CN-SP-AMC-10 및 CN-SP-AMC-20 시험체는 축방향 철근의 파단으로 시험 체가 파괴 되 었으며, 축력 비 가 0.3인 CN-SP-AMC-30 시험체는 축방향철근의 좌굴 발생 이후 심부콘크리트의 파괴로 인해 최종 파괴되었다. 축방향 철근의 좌굴은 모든 시험체에서 발생하였으며, 커플러로 연결된 철근과 겹침이음 철근 모두에서 발생하였으나, 겹침이음된 다우얼철근은 좌굴되지 않았다.
- 이력특성 및 파괴양상을 나타내었다. 축력비가 0.1 및 0.2인 CN-SP-HML-10 및 CN-SP-HML-20 시험체는 축방향 철근의 파단으로 최종 파괴되었으며, 축력비가 0.3 인 CN-SP-HML-30 시험체는 축방향철근의 좌굴발생 이후 심부콘크리트의 파괴로 인해 최종 파괴되었다. 축방향 철근의 좌굴은 모든 시험체에서 발생하였으며, 커플러로 연결된 철근과 겹침이음 철근 모두에서 발생하였으나 다우 얼 철근은 좌굴이 발생하지 않았다.
- CN-SPH-HL 계열은 심부구속철근량의 증가에 따른 구속효과의 증대로, CN-SP-HL 계열보다 큰 변위비에서 축방향철근의 파단 및 파괴가 발생하였다. 축력비가 0.1 및 0.2인 CN-SPH -HL-10 및 CN-SPH-HL-20 시험체는 축방향철근의 파단으로 최종 파괴되었으며, 축력비가 03인 CN-SPH- HL-30 시험체는 축방향철근의 좌굴발생 이후 심부콘크리트의 파괴로 인해 최종 파괴되었다. 동일한 축력비를 갖는 CN-SPH-HL-30 시험체와 CN-SP-HL-30 시험체는 모두 심부 콘크리트의 파괴로 시험체가 최종 파괴되었으나, 심부 콘크리트의 파괴정도는 CN-SPH-HL-30 시험체가 CN-SP-HL -30 시험체보다 경미하게 발생하였다.
- 3의 축력비 이외에는 매우 안정적인 이력 거동을 보였다. 축방향철근의 50%가 겹침이음된 경우 (CN-SP-HL 계열)는 표준계열보다는 다소 낮은 값이지만 비교적 안정적인 이력거동을 보이는 반면, 모든 축방향 철근이 겹침이음된 경우(CN-SP-AL 계열)는 0.9 미만의 비교적 불안정한 이력거동을 보였다
- 축방향철근의 좌굴은 CN-SPH-AL-20 및 CN-SPH-AL -30 시험체를 제외한 모든 시험체에서 발생하였고 CN- SPH-AL-20 및 CN-SPH-AL-30 시험체는 축방향 철근의 좌굴 및 파단보다는 심부콘크리트의 파괴로 시험체가 극한상태에 도달하여 파괴되었다. Table 5는 축방향 철근 상세에 따른 7개 시험체 계열의 피복박리, 축방향철근 좌굴 및 파괴형태 등의 파괴거동을 정리한 것이며 시험체 계열별 파괴양상은 다음과 같다
- 12(b)는 CN-SP-HL 계열의 대표적인 파괴양상을 나타낸 것이다. 축방향철근의 좌굴은 모든 시험체에서 관찰되었으며, 축방향철근 중 단일철근과 겹침이음 철근의 좌굴은 발생하였으나, 다우얼(dowel)철근의 좌굴은 발생하지 않았다. 실험종료까지 단일철근 및 겹침이음철근의 파단은 발생하지 않았으며, 축방향철근의 좌굴 이후 겹침 이음 철근의 슬립에 의한 심부콘크리트의 파괴로 인해 시험체가 최종 파괴되었다.
- 단 축방향철근 중 단일철근과 겹침이음철근의 좌굴은 발생하였으나, 다우얼철근의 좌굴은 발생하지 않았다. 축방향철근의 파단은 발생하지 않았으며, 시험체의 최종파괴는 축방향철근의 좌굴 이후 겹침이음 철근의 슬립에 의한 심부콘크리트의 파괴로 인하여 최종 파괴되었다.
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