고강도 콘크리트 및 고강도 철근을 사용한 중실교각의 내진거동에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Seismic Behavior of Solid RC Piers Using High Strength Concrete and High Strength Rebars원문보기
본 연구의 목적은 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 중실교각의 거동을 평가하기 위한 것이다. 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각의 장점으로는 교각의 단면적 및 철근의 물량을 감소시킴으로서 얻을 수 있는 경제적 효과와 콘크리트의 강도 증가로 인한 중성화 및 염해에 대한 저항성의 증가 즉, 내구성 증진효과가 있다. 특히 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각의 내진성능에 관한 연구는 아직 거의 없는 실정이다. 따라서, 교각의 내진성능을 평가하기 위해서 5개의 중실단면 시험체를 제작하여, 일정 축하중 하에서 횡방향 반복하중을 가하는 실험을 수행하였다. 모든 교각의 내진설계는 도로교설계기준을 따랐고, 시험변수는 콘크리트의 강도, 철근의 강도, 주철근 비로 하였다. 고강도 재료의 사용에 따른 내진성능(변위연성도, 극한변위, 고강도 재료의 적용성, 고강도 철근 적용에 따라 감소된 철근비에 따른 내진성능 등)을 분석하였으며, 실험결과 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각에서도 충분한 연성적인 거동과 내진성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
본 연구의 목적은 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 중실교각의 거동을 평가하기 위한 것이다. 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각의 장점으로는 교각의 단면적 및 철근의 물량을 감소시킴으로서 얻을 수 있는 경제적 효과와 콘크리트의 강도 증가로 인한 중성화 및 염해에 대한 저항성의 증가 즉, 내구성 증진효과가 있다. 특히 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각의 내진성능에 관한 연구는 아직 거의 없는 실정이다. 따라서, 교각의 내진성능을 평가하기 위해서 5개의 중실단면 시험체를 제작하여, 일정 축하중 하에서 횡방향 반복하중을 가하는 실험을 수행하였다. 모든 교각의 내진설계는 도로교설계기준을 따랐고, 시험변수는 콘크리트의 강도, 철근의 강도, 주철근 비로 하였다. 고강도 재료의 사용에 따른 내진성능(변위연성도, 극한변위, 고강도 재료의 적용성, 고강도 철근 적용에 따라 감소된 철근비에 따른 내진성능 등)을 분석하였으며, 실험결과 고강도 콘크리트와 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각에서도 충분한 연성적인 거동과 내진성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
The purpose of this study is to investigate the structural behavior of RC Piers using high strength concrete and high strength rebars. The high strength concrete offers many advantages such as enhanced mechanical performance and durability, in addition to member size reduction. The high strength reb...
The purpose of this study is to investigate the structural behavior of RC Piers using high strength concrete and high strength rebars. The high strength concrete offers many advantages such as enhanced mechanical performance and durability, in addition to member size reduction. The high strength rebars are used here to reduce the amount of rebars, which facilitates the placement of concrete and labor works. Five RC piers were tested under a constant axial load and a cyclically reversed horizontal load. The seismic design of piers were implemented, according to the current Korean Bridge Design Code. The test variables include concrete compressive strength, steel strength, and steel ratio. The test results indicate that RC piers using the high strength concrete and high strength rebars exhibit ductile behavior and appropriate seismic performance, in compliance with the design code. The present study allows more realistic application of high strength rebars and concrete to RC piers, which will provide enhanced durability as well as more economy.
The purpose of this study is to investigate the structural behavior of RC Piers using high strength concrete and high strength rebars. The high strength concrete offers many advantages such as enhanced mechanical performance and durability, in addition to member size reduction. The high strength rebars are used here to reduce the amount of rebars, which facilitates the placement of concrete and labor works. Five RC piers were tested under a constant axial load and a cyclically reversed horizontal load. The seismic design of piers were implemented, according to the current Korean Bridge Design Code. The test variables include concrete compressive strength, steel strength, and steel ratio. The test results indicate that RC piers using the high strength concrete and high strength rebars exhibit ductile behavior and appropriate seismic performance, in compliance with the design code. The present study allows more realistic application of high strength rebars and concrete to RC piers, which will provide enhanced durability as well as more economy.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
S40-300 과 S40-500은 철근의 강도를 증가 시킨 경우이고, S40-500과 S40-500Re 철근비를 감소시킨 경우 이다. S40-300과 S40-500Re 두 시험체의 최대 휨저항 능력 을 같도록 설계함으로써 철근의 강도를 증가시킨데 반해 철근의 물량을 감소시켜 이로 인한 시험체의 변위연성도 와 극한변위의 변화를 관찰하고자 한 것이다.
따라서 본 연구의 목적은 고강도 재료를 사용한 콘크리 트 교각의 내진성능을 평가하는데 있다.
본 실험에서는 중실 사각형단면에 고강도 콘크리트 및 고강도 철근을 사용한 교각의 성능을 평가하기 위하여 Fig. 1과 같이 단면 45x45 cm의 중실단면 5개를 제작하여 일정 축하중 하에서 반복 횡가력 실험을 수행하였다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트 및 고강도 철근을 사용한 콘크리트 교각의 내진성능을 검토하고자 콘크리트의 강도, 철근의 강도, 철근비를 변수로 하여 교각의 포괄적 인 실험연구를 수행하였다
제안 방법
즉, 고강도 철근을 사용한 경우 철근량의 감소 에 따른 이점을 보기 위한 것이다. Fig. 1과 Table 1에서 부재기호의 앞숫자는 콘크리트 설계기준강도(MPa)를 나 타내고, 뒷숫자는 철근의 설계항복강도(MPa)를 나타낸다 S24-300과 S40-300, S40-500R과 S60-500Re 콘크리트 의 강도를 40MPa에서 60MPa로 증가시켜 이로 인한 시 험체의 거동의 변화 등을 비교하고자 한 것이다. S40-300 과 S40-500은 철근의 강도를 증가 시킨 경우이고, S40-500과 S40-500Re 철근비를 감소시킨 경우 이다.
각 시험체의 횡변위를 측정하기 위하여 교각의 높이별 로 4개의 LVDT를 설치하였다. 특히, 가력점의 변위는 가 력기에 내장된 LVDT 측정값이 교각자체의 변위를 정확 하게 측정하지는 못하므로, 하중-변위 이력곡선 등 실험 결과들은 가력점에 설치한 LVDT값에 근거하였고, 가력기 의 변위도 가력점에 설치된 LVDT의 값으로 제어하였다.
특히, 가력점의 변위는 가 력기에 내장된 LVDT 측정값이 교각자체의 변위를 정확 하게 측정하지는 못하므로, 하중-변위 이력곡선 등 실험 결과들은 가력점에 설치한 LVDT값에 근거하였고, 가력기 의 변위도 가력점에 설치된 LVDT의 값으로 제어하였다. 또한 기초에도 LVDT를 설치하여 횡하중에 의해 기초에 변위가 발생하는지 여부를 계측하였다. 계측결과 모든 시 험체에서 기초의 밀림은 거의 측정되지 않아 무시할 수 있었다.
시험체의 횡방향 철근은 주철근과 동일한 강도를 가지는 철근을 사용하였다. 모든 시험체는 도로교 설계기준의 내진설계 지침에 따라 내진설계를 적용하였다
본 연구에서는 고강도 콘크리트 및 고강도 철근을 사용한 교각의 횡방향 반복하중 재하 실험을 수행하였고, 고강 도 재료의 사용에 따른 내진성능(변위연성도 극한변위, 고강도 재료의 적용성, 고강도 철근 적용에 따라 감소된 철근비에 따른 내진성능 등)을 분석하였다.
현행 국내에서 시공된 교각의 시공자료를 분석하였을때 대부분의 경우 사하중의 비율이 실제 축강도의 10%이하 로 분석되었다. 이에 본 시험체의 축하중은 교각단면 축 강도의 10%에 해당하는 일정 축하중을 재하하였으며, 축 하중은 유압펌프에 일정하중 유지장치를 설치하여 실험도 중 축력의 변화 없이 일정하게 재하하도록 하였다. 실험 중 오차는 평균 +ltonf 이내에 불과하였다 횡방향 하중 은 Fig.
0 %까지는 pull과 push가 동일하게 drift ratio를 증가 시키는 방법으로 각각의 drift ratio 마다 2사.이클씩 반복 재하하였고, drift ratio가 ±6.0% 이상부터는 횡변위가 가 력기의 변위능력을 초과하게 되어 가력기와 시험체 사이에 액세서리를 부착하여 push 방향으로는 최대변위를 drift ratio 8.0 %까지 pull 방향으로는 최대변위를 5.0 %까 지 적용하도록 하였다. 시험체의 제작오차와 설치오차 등에 의해 가력도중 가력방향 이외의 방향으로 예기치 않은 변위가 발생하는 것을 억제하기 위해 Figs.
철근의 경우 Fig. 2에서 보는 바와 같이 extensometer 를 이용하여 변형률을 즉정하였으며, Fig 4에서 보는 바와 같이 SD300, SD500 철근의 경우 실험에 의한 항복강 도는 각각 350MPa, 520MPa으로 측정되었다. 철근의 인장 실험결과 항복강도가 같은 경우, 철근의 직경에 관계없이 철근의 항복강도와 파단시 변형률 값이 비슷하게 나왔다.
콘크리트의 강도가 증가함에 따라 그에 상응하는 내진 성능을 갖도록 하기 위해서는 횡방향 철근의 양을 증가시 키거나 고강도 철근을 사용하는 방법이 있는데, 본 실험에 서는 주철근의 강도와 같은 강도를 사용함으로써 횡방향 철근의 강도를 증가시켜 철근의 양을 감소시키는 방법을 사용하였다. 내진 보강이 필요한 구간은 기초상단으로부터 60 cm까지로 하였다.
각 시험체의 횡변위를 측정하기 위하여 교각의 높이별 로 4개의 LVDT를 설치하였다. 특히, 가력점의 변위는 가 력기에 내장된 LVDT 측정값이 교각자체의 변위를 정확 하게 측정하지는 못하므로, 하중-변위 이력곡선 등 실험 결과들은 가력점에 설치한 LVDT값에 근거하였고, 가력기 의 변위도 가력점에 설치된 LVDT의 값으로 제어하였다. 또한 기초에도 LVDT를 설치하여 횡하중에 의해 기초에 변위가 발생하는지 여부를 계측하였다.
횡방향 철근의 간격은 내진보강 구간에서는 5cm로 하 였고, 그 외의 구간에서는 10cm로 하였다 또, 축하중과 횡하중이 직접 가해지는 교각의 머리부분은 응력의 집중에 의한 파괴를 방지하기 위하여 횡방향 철근을 5cm 간 격으로 배치하여 충분한 강도를 갖도록 하였다.
대상 데이터
교각의 콘크리트 설계압축강도는 각각 24MPa, 40MPa, 60MPa이며, 굵은 골재의 최대치수는 피복두께 등을 고려하여 13nm로 하였다. 28일 양생 후의 공시체( 叽0x20 cm )의 압축강도는 Fig.
시험체의 주철근은 D13 철근, 횡방향철근의 경우 D10을 사용하였다. 주철근의 철근비는 S40-500R과 S60-500R 시 험체에 대해서는 1%로 하였으며, 나머지 시험체는 1.
시험체의 횡방향 철근은 주철근과 동일한 강도를 가지는 철근을 사용하였다. 모든 시험체는 도로교 설계기준의 내진설계 지침에 따라 내진설계를 적용하였다
성능/효과
또한 기초에도 LVDT를 설치하여 횡하중에 의해 기초에 변위가 발생하는지 여부를 계측하였다. 계측결과 모든 시 험체에서 기초의 밀림은 거의 측정되지 않아 무시할 수 있었다.
모든 시험체에서 첫 번째 하중 사이클에서는 시험체의 높이 120 cm까지만 수평 실균열이 발생하였다. 그 후, ±1.0% 부터는 높이 150cm 정도까지도 수평균열이 발생 하였다 이러한 수평균열은 drift ratio ±3.0% 정도까지는 균열의 폭과 함께 조금씩 증가하다가 +3.0% 이후부터는 더 이상의 균열은 발생하지 않고 높이 30 cm 정도에 존재하는 균열의 균열폭이 크게 증가하는 경향을 나타냈다. drift ratio ±3.
모든 시험체 교각의 높이는 기초상단부터 가력점까지 3.5m로 하였고, 기초의 높이는 75cm로 하였고, 실험 수 행시 기초의 균열과 파괴에 의해 교각의 거동에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 기초에는 충분한 철근을 보강 하였다. 시험체의 변수는 Table 1에 나타내었다.
9에서 볼 수 있는 것처럼 첫 번째 사이클 보다 두 번째 사이클에서 동일한 변위에 대해 더 작은 하 중을 보였다. 이는 반복하중 재하 시 생기는 콘크리트 균 열의 진전과 잔류변형의 확대 영향으로 재하 횟수가 증가할수록 콘크리트의 강성이 감소하고 또한 항복이후 철근 의 강성이 감소한다는 사실을 말해 준다.
0% 이후부터는 높이 45cm 이하의 소성힌지 영역에서 콘크리트의 균열이 집중되면서 박리가 발생하는 경향을 나타내었다. 콘크리트 피복의 박리 후 주철근이 좌굴되고, 결과적으로 주철근이 파단되면서 파괴가 발생하는 전형적 인 휨파괴의 특징을 나타냈다. Fig 8에서 이러한 교각 시 험체의 파괴 양상을 보여주고 있다.
참고문헌 (11)
건설교통부, '도로교표준시방서', 건설교통부, 2000
AASHTO, 'LRFD, Bridge Design Specifications,' American Association of State Highway and Transportation Officials, 2nd edition, Washington, D.C., USA, 1998
Frederic Legeron, Patrick Paultre, 'Behavior of High-Strength Concrete Columns under Cyclic Flexure and Constant Axial Load,' ACI Structural Journal, Vol.97, No.4, Jul.-Aug. 2000, pp.591-601
K. Mizuguchi, I. Ota, K. Otsuka, and R. Amano, 'Design and Construction of High Piers of Washimi-Gawa Bridge Using High Strength Concrete and Steel,' Conference Internationale sur les Materiaux Pour genie, Ottawa, Canada, Jun. 8-11 1997, pp.39-51
Atorod Azizinamini, Sharon S. Baum Kuska, Paul Brungardt, and Erleen Hatfield, 'Seismic Behavior of Square High-Strength Concrete Columns,' ACI Structural Journal, Vol.91, No.4, May-June 1994, pp. 336-345
김재관, 김익현, 임현우, 전귀현, '수평 반복하중을 받는 비내진상세 RC 중실원형교각의 거동특성', 한국지진공학회 논문집, Vol.5, No.4 Aug. 2001, pp.83-95
Park R., 'State-of-the Art Report on Ductility Evaluation from Laboratory and Analytical Testing,' Proceedings of 9th World Conference on Eartquake Engineering, Tokyo-Kyoto, Japan, Vol.8, Aug. 1988, pp.605-616
Oguzhan Bayrak and Shamim A Sheikh, 'Confinement Reinforcement Design Considerations for Ductile HSC Columns,' ASCE, Journal of Structural Engineering, Sep. 1998, pp.999-1010
Frederic Legeron, Patrick Paultre and Daniel Mongeau, 'Influence of Concrete Strength and Transverse Reinforcement Yield Strength on Behavior of High-Strength Concrete Columns,' ACI Structural Journal, Vol.98, No.4, Jul.-Aug. 2001, pp. 490-501
Murat Saatcioglu and Salim R. Razvi, 'Displacement- Based Design of Reinforcement Concrete Columns for Confinement,' ACI Structural Journal, Vol.99, No.1, Jan.-Feb. 2002, pp.3-11
김태훈, 신현목, '반복하중을 받는 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동에 미치는 크기효과에 관한 해석적 연구,' 한국지진공학회 2001 추계 학술발표회 논문집, 5권, 2호, 2001, pp.131-138
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.