[국내논문]주철근 겹침이음된 실물교각의 횡구속 정도에 따른 내진성능 평가 Seismic Performance Evaluation of Full-Sized RC Bridge Piers with tap-Spliced longitudinal Steels according to Lateral Confinement원문보기
철근콘크리트 교각의 시공시 소성힌지구간에서 주철근 겹침이음은 내진성능면에서 바람직하지 않으나 불가피하게 시공되는 경우가 있었다. 특히, 1992년 도로교표준시방서의 내진설계 기준이 마련되기 이전에 설계 시공된 대부분의 철근콘크리트 교각은 소성힌지구간에 주철근을 겹침이음 하였으며, 이들은 휨에 대한 소성영역에서의 거동에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 직경 1.2m, 형상비 4.0의 휨파괴가 예상되는 비내진 및 한정연성시험체를 8기 제작하여 준정적(Quasi-Static)실험을 통한 철근콘크리트(RC) 교각의 소성힌지구간내의 주철근 겹침이음과 횡방향구속력이 내진성능에 미치는 영향을 평가하였다. 실험체의 변수로서는 $0\%,\;50\%,\;100\%$의 주철근 겹침이음, 2종류의 횡구속철근비 및 띠철근 형상을 선택하였다. 연구결과 주철근 겹침이음 정도에 따라 철근콘크리트 교각의 내진성능은 급격히 저하되었으며, 겹침이음이 없는 한정연성설계된 시험체의 경우 높은 내진성능을 발휘하였다. 연구결과에 따라 중저진지역에서 겹침이음된 주철근 교각의 내진성능을 위한 적절한 횡방향철근량을 제안하였다.
철근콘크리트 교각의 시공시 소성힌지구간에서 주철근 겹침이음은 내진성능면에서 바람직하지 않으나 불가피하게 시공되는 경우가 있었다. 특히, 1992년 도로교표준시방서의 내진설계 기준이 마련되기 이전에 설계 시공된 대부분의 철근콘크리트 교각은 소성힌지구간에 주철근을 겹침이음 하였으며, 이들은 휨에 대한 소성영역에서의 거동에 직접적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 직경 1.2m, 형상비 4.0의 휨파괴가 예상되는 비내진 및 한정연성시험체를 8기 제작하여 준정적(Quasi-Static)실험을 통한 철근콘크리트(RC) 교각의 소성힌지구간내의 주철근 겹침이음과 횡방향구속력이 내진성능에 미치는 영향을 평가하였다. 실험체의 변수로서는 $0\%,\;50\%,\;100\%$의 주철근 겹침이음, 2종류의 횡구속철근비 및 띠철근 형상을 선택하였다. 연구결과 주철근 겹침이음 정도에 따라 철근콘크리트 교각의 내진성능은 급격히 저하되었으며, 겹침이음이 없는 한정연성설계된 시험체의 경우 높은 내진성능을 발휘하였다. 연구결과에 따라 중저진지역에서 겹침이음된 주철근 교각의 내진성능을 위한 적절한 횡방향철근량을 제안하였다.
It has been known that practically unavoidable lap splices of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region have a bad effect on the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. Lap splices were usually located in the plastic hinge region of most bridge columns designed before...
It has been known that practically unavoidable lap splices of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region have a bad effect on the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. Lap splices were usually located in the plastic hinge region of most bridge columns designed before the implementation of the new seismic design provisions of 1992 Korea Bridge Design specification. The objective of this research is to evaluate the seismic performance of full-sized reinforced concrete bridge piers with lap splice of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region, and to develop an appropriate lateral confinement concept of RC bridge columns with lap-spliced longitudinal steels in low or moderate seismicity region. Eight test specimens in the aspect ratio of 4.0 were made with three types of lap splicing, two levels of confinement steel ratios and two types of tie configurations. It was confirmed from the Quasi-Static test that displacement ductility ratios were significantly reduced for nonseismic test columns with lap spliced longitudinal steels but were satisfied the seismic requirement for limited ductile design specimens. As a conclusion, pertinent lateral confinement content was proposed for the seismic. performance of RC bridge piers with $50\%$ lap-spliced longitudinal reinforcing steels in low or moderate seismicity region.
It has been known that practically unavoidable lap splices of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region have a bad effect on the seismic performance of reinforced concrete bridge columns. Lap splices were usually located in the plastic hinge region of most bridge columns designed before the implementation of the new seismic design provisions of 1992 Korea Bridge Design specification. The objective of this research is to evaluate the seismic performance of full-sized reinforced concrete bridge piers with lap splice of longitudinal reinforcement in the plastic hinge region, and to develop an appropriate lateral confinement concept of RC bridge columns with lap-spliced longitudinal steels in low or moderate seismicity region. Eight test specimens in the aspect ratio of 4.0 were made with three types of lap splicing, two levels of confinement steel ratios and two types of tie configurations. It was confirmed from the Quasi-Static test that displacement ductility ratios were significantly reduced for nonseismic test columns with lap spliced longitudinal steels but were satisfied the seismic requirement for limited ductile design specimens. As a conclusion, pertinent lateral confinement content was proposed for the seismic. performance of RC bridge piers with $50\%$ lap-spliced longitudinal reinforcing steels in low or moderate seismicity region.
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문제 정의
이는 지진활동이 빈번하고 지진의 규모 및 피해가 큰 강진지역과는 달리 우리나라는 역사 지진 기록이나 최근의 지진활동으로부터 중·약진지역으로 분류되고 있음에도 불구하고 짧은 내진 연구 연혁 그리고 지진에 대한 피해사례의 부족으로 개정된 도로교 설계기준의 내진설계 적용기준은 주로 강진지역의 규정을 검증없이 도입하여 적용하고 있기 때문이다. 따라서, 본 연구에서는 중저진 지역에 속하는 우리나라의 특성을 고려하여 완전연성을 보장하기 위한 현행 설계기준의 심부구속철근비(횡철근상세)보다는 적은 양으로 설계된 한정연성 교각시험체의 내진성능을 실험적으로 파악하고, 또한 주철근 겹침이음을 두어 시공된 현재 공용중인 실제의 교각에서 주철근 겹침이음이 내진성능에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이에 주철근 겹침이음을 갖는 실물 크기의 직경 1.
0%씩 증가시키는 방법으로 재하하였으며, 각각의 drift level 마다 동일변위 하중을 2회 반복 재하하여 교각의 거동특성의 차이를 비교 분석하였다. 동일 변위 하중의 재하횟수는 교각의 내진거동시 즉 최대 내하력 이후의 강도 저하에 큰 영향을 미치게 되므로, 본 연구에서는 이전 연구결과6,8)등을 고려하여 2회의 동일한 진폭의 변위제어하중에 대한 교각의 거동특성의 차이를 조사하였다.
일반적으로 이러한 연성능력은 항복변위에 대한 극한변위의 비로 정의되는 변위연성도(μΔ=Δu/Δy)로 나타낸다. 본 연구에서는 변위 연성도를 이용하여 내진성능을 평가하였다. 항복변위는 다음 Fig.
본 연구는 주철근의 겹침이음과 후프띠철근량에 따른 내진성능을 평가하기 위하여 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
가설 설정
0의 휨 파괴거동이 예측되는 총 8본으로서 구속철근비 및 겹침이 음량을 변수로 하여 Table 1에 나타낸 바와 같다. Fig. 1(a)에 보인 바와 같이 1992년 도로교설계기준에 내진규정이 도입되기 이전의 기준에 따라서 설계된 비내진시험체와 중·저진 지역에 적합한 횡구속력으로 가정하여 설계한 한정연성시험체를 제작하였다. 시험체는 실제 교량의 축력을 조사하여 축하중비(Axial force ratio) P/fckAg를 0.
제안 방법
최근 국내외에서 교각의 내진성능에 영향을 미치는 철근상세 및 축방향력에 대한 연구결과가 보고 되고 있으며, 이 대형 등은1) 축하중비 및 겹침이음량을 변수로 형상비(aspect ratio) 4.0인 직경 600 mm 높이 2,400 mm의 5기의 철근콘크리트 교각의 50%, 100% 주철근 겹침이음에 따른 내진성능평가를 위한 준정적 실험을 수행하였다. 결과에 따르면 주철근을 겹침이음함에 따라 연성능력감소, 소산에너지감소 및 조기 강성저하를 초래하는 것으로 보고하고 있으나, 50%의 주철근이 겹침이음된 경우에는 적절한 철근상세에 의한 횡구속력으로 내진성능을 확보할 수있는 가능성을 제시하였다.
따라서, 본 연구에서는 중저진 지역에 속하는 우리나라의 특성을 고려하여 완전연성을 보장하기 위한 현행 설계기준의 심부구속철근비(횡철근상세)보다는 적은 양으로 설계된 한정연성 교각시험체의 내진성능을 실험적으로 파악하고, 또한 주철근 겹침이음을 두어 시공된 현재 공용중인 실제의 교각에서 주철근 겹침이음이 내진성능에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 이에 주철근 겹침이음을 갖는 실물 크기의 직경 1.2m, 높이 4.8m 원형 교각을 제작하여 준정적실험(Quasi-static test)으로 내진성능을 평가하였다.
1(a)에 보인 바와 같이 1992년 도로교설계기준에 내진규정이 도입되기 이전의 기준에 따라서 설계된 비내진시험체와 중·저진 지역에 적합한 횡구속력으로 가정하여 설계한 한정연성시험체를 제작하였다. 시험체는 실제 교량의 축력을 조사하여 축하중비(Axial force ratio) P/fckAg를 0.07로 선택하였으며6), 비내진시험체는 겹침이음 주철근량을 각각 50%, 100% 로 하고 한정연성시험체는 겹침이음주철근량을 각각 0%, 50%로 제작하였다.
01%이다. 주철근 겹침이음은 Fig. 1(b)에 보이는 바와 같이 기존의 연구결과에 따라서 주철근의 좌굴 위치인 기초상부에서 0.25D(D:시험체의 직경) 높이를 겹침이음 중심으로하여 길이 470mm를 겹침이음 하였다.
본 실험에서는 일정한 축방향력(axial force)의 재하를 위하여 시험체가 횡방향 변위하중을 받는 동안 일정한 하중을 유지할 수 있도록 3,000kN 유압실린더를 이용하여 재하하였으며, 횡방향의 수평하중은 stroke ±500mm인 3,500kN actuator를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였다. Fig.
Displacement Transducer)를 이용하였다. 그리고 소성힌지구간에서의 철근의 변형률을 파악하기 위하여 Fig. 3과 같이 횡방향변위하중 가력방향의 주요 겹침이음된 주철근에 그리고 소성힌지부의 후프띠철근에 변형률 gage를 부착하였다. 한편 소성힌지부에 경사계를 부착하여 횡방향변위하중의 크기에 따른 교각 소성힌지부의 곡률을 측정하였다.
3과 같이 횡방향변위하중 가력방향의 주요 겹침이음된 주철근에 그리고 소성힌지부의 후프띠철근에 변형률 gage를 부착하였다. 한편 소성힌지부에 경사계를 부착하여 횡방향변위하중의 크기에 따른 교각 소성힌지부의 곡률을 측정하였다.
4와 같이 지진하중을 변위제어 방식으로 재하한다. 변위제어 하중을 위한 drift level은 Fig. 4와 같이 ±0.25%, ±0.5%, ±1.0%, ±1.5%, ±2.0%, ±2.5%, ±3.0%, ±4.0%,…로 초기 탄성구간에서는 0.25%, 0.5%, 1.0%로 교각의 거동을 상세히 계측하였고, 1.0%~3.0%구간에서는 주철근 겹침이음 교각의 연성도를 감안하여 0.5%씩 증가시켰다 또한, 3.0%이후는 1.0%씩 증가시키는 방법으로 재하하였으며, 각각의 drift level 마다 동일변위 하중을 2회 반복 재하하여 교각의 거동특성의 차이를 비교 분석하였다. 동일 변위 하중의 재하횟수는 교각의 내진거동시 즉 최대 내하력 이후의 강도 저하에 큰 영향을 미치게 되므로, 본 연구에서는 이전 연구결과6,8)등을 고려하여 2회의 동일한 진폭의 변위제어하중에 대한 교각의 거동특성의 차이를 조사하였다.
하중-변위 이력곡선과 포락곡선을 분석하여 변위연성도를 조사하였다. 또한 Drift level에 따른 강성저하를 분석하여 지진시 교각의 강성저하, 소산에너지 및 철근의 변형률을 조사하였으며 주요 실험결과는 다음과 같다.
조사하였다. 또한 Drift level에 따른 강성저하를 분석하여 지진시 교각의 강성저하, 소산에너지 및 철근의 변형률을 조사하였으며 주요 실험결과는 다음과 같다.
반복하중이 재하될 경우 소성힌지구간에 부착한 주철근의 변형률을 조사하였다. 다음 Fig.
대상 데이터
본 실험에 사용된 철근콘크리트 교각 실험체들은 교각 높이 4.8m, 지름 1.2 m의 단면으로 비내진설계 혹은 한정 연성설계되었다. 시험체는 형상비(Aspect ratio) 4.
2 m의 단면으로 비내진설계 혹은 한정 연성설계되었다. 시험체는 형상비(Aspect ratio) 4.0의 휨 파괴거동이 예측되는 총 8본으로서 구속철근비 및 겹침이 음량을 변수로 하여 Table 1에 나타낸 바와 같다. Fig.
32배에 해당한다. 각 시험체의 후프띠철근의 유형은 후프띠철근의 겹침이음에 의한 영향을 평가하기 위해 다음 Fig. 1(c)와 같이 1개소에 겹침이음이 있는 HT3형과 2개소에 겹침이음이 있는 HT4형을 사용하였으며, 보강띠철근은 양단 모두 90° 갈고리를 사용하였다.
0의 휨거동을 하는 교각들로 본 연구의 실험체와 유사하며, 특히 정영수 등1)의 실험에서 직경 600mm 실험체의 후프띠철근은 본 연구의 HT3와 같은 형태이다. 그리고 이재훈 등3)의 실험에서 직경 400mm 실험체에 나선철근을 사용하였다. 또한 축하중비는 모두 0.
성능/효과
0인 직경 600 mm 높이 2,400 mm의 5기의 철근콘크리트 교각의 50%, 100% 주철근 겹침이음에 따른 내진성능평가를 위한 준정적 실험을 수행하였다. 결과에 따르면 주철근을 겹침이음함에 따라 연성능력감소, 소산에너지감소 및 조기 강성저하를 초래하는 것으로 보고하고 있으나, 50%의 주철근이 겹침이음된 경우에는 적절한 철근상세에 의한 횡구속력으로 내진성능을 확보할 수있는 가능성을 제시하였다. 김익현 등은2) 소성힌지영역에서 50%의 주철근 겹침이음이 성능기초내진설계를 위한 내진상세 대안으로서의 가능성 검토를 위하여 사각단면(중실 및 중공)을 대상으로 축소모형실험과 해석을 수행하였다.
A Jaradat등은5) 주철근의 겹침이음길이 (20db, 35db)를 실험변수로하여 준정적 실험을 실시하였다. 이들 시험체는 궁극적으로 소성힌지구간에서의 휨내력의 부족과 주철근 겹침이음부위에서의 슬립(Slip)에 의해 파괴되고 20db, 35db의 주철근의 겹침이음길이를 갖는 경우, 겹침이음길이는 강도저하의 시점을 늦출 수는 있으나 부착파괴는 방지할 수 없음을 확인하였다.
5%에서 피복콘크리트가 탈락되었으나 주철근 겹침이음부의 부착파괴로 인하여 주철근 파단전에 시험체가 파괴되었다. NS-HT3-H-L2 : 비내진 50% 주철근이 겹침이음, 1개소 겹침이음 후프띠철근 시험체로서 drift level 1.5%에서 최대 횡하중에 도달하고 피복콘크리트가 박리되는 현상이 조사되었다. 이후 drift level 2.
이는 후프띠철근의 겹침이음이 횡구속 효과에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 한편, 한정연성시험체의 경우 후프띠철근에 갈고리의 필요성이 절실하고 50%의 주철근이 겹침이음된 경우라도 갈고리를 적용한 원형 띠철근을 사용하면 내진성능을 확보할 수 있으리라 사료되었다.
0%에서 횡하중이 유지되는 연성거동을 보인다. 그러나, 주철근이 50% 겹침이음된 시험체는 겹침이음이 없는 시험체에 비해 연성능력이 현저히 저하되는 것으로 조사되었다. 즉, 주철근이 겹침이음 된 경우 연성능력의 증가를 위해서는 추가의 횡구속철근을 고려해야 할 것으로 판단된다.
52에 지나지 않았다. 따라서, 주철근의 겹침이음은 동일한 횡구속력을 갖더라도 변위연성도의 현저한 저하를 가져오는 것으로 조사되었다.
특히, 비내진 시험체와 한정연성 시험체에서 50% 주철근이 겹침이음된 시험체의 변위연성도는 비내진 시험체가 3.51과 3.72, 한정연성 시험체가 4.45, 3.52로, 횡구속근의 형태가 HT3인 경우 약간의 연성도 증가를 보였으며 HT4의 경우는 거의 유사한 결과를 가져왔다. 이는 본 연구에서 주철근의 겹침이음은 횡방향 철근의 효과적인 구속효과가 발휘되는 drift level 2.
1fckAg이다. 분석결과 Fig. 9에 보이는 바와 같이 모두 주철근 겹침이음이 많을수록 연성도는 떨어지는 것으로 동일하게 나타났으나, 주철근 겹침이음이 있어도 횡구속철근비가 높아지면 연성도도 높아지는 것으로 나타났다. 한 단면에서 철근이음을 피하는 것을 감안하여 주철근 겹침이음 50% 경우의 연성도를 고려하면, 주철근 겹침이음이 없는 경우에 비해서 연성도가 평균 약 42% 저하되었다.
9에 보이는 바와 같이 모두 주철근 겹침이음이 많을수록 연성도는 떨어지는 것으로 동일하게 나타났으나, 주철근 겹침이음이 있어도 횡구속철근비가 높아지면 연성도도 높아지는 것으로 나타났다. 한 단면에서 철근이음을 피하는 것을 감안하여 주철근 겹침이음 50% 경우의 연성도를 고려하면, 주철근 겹침이음이 없는 경우에 비해서 연성도가 평균 약 42% 저하되었다. 그리고 Fig.
10에서는 주철근겹침이음 정도(0%, 50%, 100%)에 따른 횡구속철근비와 변위연성도의 상관관계를 보여주고 있다. 보이는바와 같이 축하중비가 0.1fckAg이고 주철근 겹침이음이 50%있는 경우에서는 횡구속 철근비가 0.36%면 단일기둥에서의 요구연성도 5를 만족할 수 있는 것으로 나타났다. 그러나 이 또한 주철근 겹침이음이 없는 경우에 비하면 연성도가 많이 떨어진다.
1) 시험체의 항복점은 모든 시험체에서 유사하게 평가되고 극한변위는 겹침이음량에 따라 감소하는 것으로 조사되었다. 겹침이음이 100%인 시험체는 주철근의 부착파괴(slip failure)에 의해 주철근 파단 및 피복콘크리트의 탈락이 발생되지 않고 겹침이음 50% 및 겹침이음이 없는 시험체의 최대 횡하중에 도달하기 이전에 교각의 내력이 저하되었다.
2) 주철근의 겹침이음이 없는 철근콘크리트 교각은 한정 연성 조건(현행 도로교설계기준의 심부구속철근비의 0.32배)으로도 변위연성도가 약 μΔ = 9정도 이므로 축하중비 0.1fckAg하에서 내진요구조건을 만족하는 것으로 조사되었으며 주철근이 겹침이음된 비내진시험체는 약 2~3의 변위연성도를 보인다 주철근 겹침이음이 불가피할 경우 중저진지역에서는 50%의 주철근 겹침이음에 횡구속력을 증가시키면 요구내진성능을 만족하리라 판단된다.
3) HT3 및 HT4 후프띠철근에 따른 연성능력의 차이는 크지 않았으나 HT3 후프띠철근을 사용한 시험체가 상대적으로 극한변위에서 보다 나은 결과를 보이고 있다. 따라서, 후프띠철근 및 보강띠철근의 상세에 대하여 시공성을 고려한 연구와 명확한 규정이 명시되어야 할 것으로 판단된다.
후속연구
있다. 따라서, 후프띠철근 및 보강띠철근의 상세에 대하여 시공성을 고려한 연구와 명확한 규정이 명시되어야 할 것으로 판단된다.
Chai, Yuk H., Priestley, M.J.N., and Seible, Frieder, 'Seismic Retrofit of Circular Bridge Columns for Enhanced Flexural Performance,' ACI Structural Journal, Vol.88, No.5, 1991, pp.572-584
Jaradat, O. A., McLean, D. I., and Marsh, M.L., 'Performance of existing bridge colums under cyclic loading-Part 1:expenmental results and observed behaior,' ACI Structural Journal, Vol.95, No.6, 1998, pp.685-704
정영수, 이재훈, 김재환 등, '고속도로 기존 교량의 유형별 내진 성능 평가를 위한 실험적 연구', 한국도로공사, 2001
이대형, '원형 콘크리트 교각의 내진성능 평가에 관한 이론 및 실험적 연구', 중앙대학교 박사학위 논문, 1999
이대형, '원형 콘크리트 교각의 내진성능 평가에 관한 이론 및 실험적 연구', 중앙대학교 박사학위 논문, 1999
E.F Gad, A.M. Chandler, C.F. Dufffield, and G.L.Hutchinson, 'Earthquake ductility and overstrengfh in ressidential structures,' StructuraI Engineering andMechanics, Vol.8, No.4, 1999, pp.361-382
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