[논문]철근 콘크리트 연결보의 하중 전달 기구와 변형 능력

홍성걸; 장상기

doi:10.5000/eesk.2006.10.3.113

[국내논문] 철근 콘크리트 연결보의 하중 전달 기구와 변형 능력
The Mechanism of Load Resistance and Deformability of Reinforced Concrete Coupling Beams 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.10 no.3 = no.49, 2006년, pp.113 - 123

홍성걸 (서울대학교 공과대학 건축학과) , 장상기 (서울대학교 공과대학 건축학과)

초록
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콘크리트 부재의 내진설계에 있어 강도와 더불어 변형 능력은 중요한 요소이다. 연결보는 전단 지배 부재임에도 항복 이후 소성 변형을 요구하는 부재인데 본 연구에서는 연결보의 변형 능력에 대한 실험을 통해 변형 모형을 제시하였다. 일반적인 배근 형태를 가진 철근 콘크리트 연결보를 대상으로 단조하중실험을 수행하였다. 경간-깊이비, 휨 철근비, 전단 철근비를 변수로 하여 연결보의 거동을 평가하였다. 전단 지배 부재인 연결보는 아치작용과 트러스 작용으로 전단력에 대해 저항하는데 실험 결과를 통해 전단력을 두 작용의 구분과 항복 강도 발현 이후 소성 변형에 따른 두 작용의 구성비 변화에 대해 분석하였다. 실험결과에 기초한 전단 철근과 휨 철근의 변형률 분포 모형을 이용하여 휨 철근의 응력 상태를 산정하였다. 휨 철근의 부착-미끄러짐에 의해 결정되는 균열폭을 고려하는 연결보의 변형 모형을 제시하였다. 항복 상태는 휨 철근의 항복 시점으로 정의하였고, 극한 상태는 변형 증가에 따른 스트럿의 압축 강도 저하에 의해 결정되었다. 이 변형 모형은 변위기초설계에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental investigation on the behavior of reinforced concrete coupling beams is presented. The test variables are the span-to-depth ratio, the ratio of flexural reinforcements and the ratio of shear rebars. The distribution of arch action and truss action which compose the mechanism of shear resistance is discussed. The increase of plastic deformation after yielding transforms the shear transfer by arch action into by truss action. This study proposes the deformation model for reinforced concrete coupling beams considering the bond slip of flexural reinforcement. The strain distribution model of shear reinforcements and flexural reinforcements based on test results is presented. The yielding of flexural reinforcements determines yielding states and the ultimate states of reinforced concrete coupling beam are defined as the ultimate compressive strain of struts and the degradation of compressive strength due to principal tensile strain of struts. The flexural-shear failure mechanism determines the ultimate state of RC coupling beams. It is expected that this model can be applied to displacement-based design methods.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

비교적 규칙적이고 균일한 응력 상태를 가지는 휨 부재와 달리 대부분의 전단 지배 부재의 경우 응력 교란 구역이 존재하여 변형 상태를 예측하는 것이 쉽지 않다. 본 연구에서는 대표적인 전단 지배 부재인 병렬 전단벽의 철근 콘크리트 연결 보에 대해 실험과 해석을 수행하였다. 병렬 전단벽 시스템은 일반 보-기둥 시스템과 같이 연결보 양단에서 소성힌지가 먼저 발생하고 전단벽 하부에서 최종 소성힌지가 형성되는 파괴 기구로 설계되기 때문이다.
본 연구에서는 경간-깊이 비, 휨 철근비, 전단 철근비가 다른 io개 철근 콘크리트 연결 보에 대해 단조하중실험을 수행하여 다음과 같은 거동 특성을 파악하였고, 그에 따른 하중전달 기구와 변형 모형을 제시하였다.

가설 설정

본 연구에서는 그림 19와 같이 균열폭을 이용하여 변형을 산정하였다. 균열 간격은 전단 철근의 간격으로 하였고 철근은 균열면에 수직으로 변형한다고 가정하였다. 연결 보의 수평 변위와 수직 변위를 다음과 같은 식으로 계산할 수 있다.
균열폭의 산정은 Marti등'"의 Tension chord model을 사용하였다. 부착 강도는 철근의 항복 이전과 이후로 각각 知 = 2九, 知 = 舟로 가정하고 부착력에 기초하여 철근의 응력, 변형률, 균열폭을 산정하였다. 철근의 항복에 여부에 따라 다음 식에 의해 균열폭이 계산된다.
여기서 부착응력 % 는 휨 철근이 항복했기 때문에 九로 가정하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 일반적인 휨 철근과 전단 철근으로 배근 된 철근 콘크리트 연결 보의 단조 하중실험을 통하여 전단 강도와 변형 능력을 중심으로 분석하였다. 각 실험체 대해 휨 철근과 전단 철근의 변형률 계즉을 통하여 전단 강도 발현 메커니즘을 분석하였고, 항복 변위, 극한 변위, 수직 인장 변형을 측정하여 변형 능력에 대해 고찰하였다.
강도와 변형 능력을 중심으로 분석하였다. 각 실험체 대해 휨 철근과 전단 철근의 변형률 계즉을 통하여 전단 강도 발현 메커니즘을 분석하였고, 항복 변위, 극한 변위, 수직 인장 변형을 측정하여 변형 능력에 대해 고찰하였다. 분석된 실험 자료를 근간으로 하여 연결 보의 흐} 중 전달 기구 모형과 변형 모형을 제시하였다.
각 실험체 대해 휨 철근과 전단 철근의 변형률 계즉을 통하여 전단 강도 발현 메커니즘을 분석하였고, 항복 변위, 극한 변위, 수직 인장 변형을 측정하여 변형 능력에 대해 고찰하였다. 분석된 실험 자료를 근간으로 하여 연결 보의 흐} 중 전달 기구 모형과 변형 모형을 제시하였다.
편이다. 본 연구에서는 연결 보의 항복 변위와 극한 변위에 대한 분석을 위해 경간-깊이 비, 휨 철근비, 전단 철근비, 보 중심부 철근을 변수로 시험체를 제작하였다.
경간-깊이 비는 연결 보의 경간은 800mm로 유지하고 깊이를 480mm, 600mm, 400mm로 변화시켜 제작하였다. 휨 철근비와 전단 철근비는 배근 위치와 철근의 개수는 동일하게 하고 철근의 직경만 변화 시켜 가면서 배근하였다. 휨 철근은 D16, D22, D25 철근을 사용하였고 전단 철근은 D5.
그림 3과 같이 연결 보는 벽체와 결합하는 두 단부에서 대칭 휨 모멘트와 균일한 전단력이 작용하도록 실험하여야 한다. 이러한 단부 조건을 만족시키기 위해 강성이 비교적 큰 철골 프레임을 이용하여 연결보 시험체의 중심부를 가력 하였다. 우선 연결 보의 변형에 관한 특성을 명확하게 파악하기 위해서 50톤정적가력장치를 사용하여 단조 하중에 대한 실험을 수행하였다.
이러한 단부 조건을 만족시키기 위해 강성이 비교적 큰 철골 프레임을 이용하여 연결보 시험체의 중심부를 가력 하였다. 우선 연결 보의 변형에 관한 특성을 명확하게 파악하기 위해서 50톤정적가력장치를 사용하여 단조 하중에 대한 실험을 수행하였다. 4개의 횡 지지대를 설치하여 시험체의 뒤틀림을 방지하였다(그림 2).
그림 4와 같이 계측 장치를 설치하였다. 하중 전달 경로를 조사하기 위해 휨 철근에 7개, 전단 철근에 8개의 스트레인 게이지를 설치하였고, 변형 특성을 파악하기 위해 LVDT 를 사용하여 연결 보의 중앙부와 상단부에서 수직 변형을, 상단부와 하단부에서 수평 변위를 측정하였다. 시험체의 수평 변위는 실험 시 발생할 수 있는 미끄러짐에 대비하기 위해서 상단부와 하단부의 LVDT 계측 값의 차를 이용하였다.
하중 전달 경로를 조사하기 위해 휨 철근에 7개, 전단 철근에 8개의 스트레인 게이지를 설치하였고, 변형 특성을 파악하기 위해 LVDT 를 사용하여 연결 보의 중앙부와 상단부에서 수직 변형을, 상단부와 하단부에서 수평 변위를 측정하였다. 시험체의 수평 변위는 실험 시 발생할 수 있는 미끄러짐에 대비하기 위해서 상단부와 하단부의 LVDT 계측 값의 차를 이용하였다. 모든 스트레인 게이지와 LVDT의 위치는 전 시험체에서 동일하게 설치하여 실험 결과 분석의 편의성과 일관성을 도모하였다.
그림 6과 그림 7에서 보는 바와 같이 4번, 5번, 6번, 9번 시험체는 아치 스트럿의 압축 파괴로 인해 휨강도에 도달하지 못하고 파괴하였고, 나머지 시험체는 휨강도 도달 이후 트러스 스트럿의 압축 파괴로 항복 이후 전단 파괴하였다. 항복 강도 도달하지 못한 시험체는 대체로 전단 철근량이 45도 트러스 모델에서 필요한 휨 철근 대비 전단 철근량보다 작은 경우 발생하였다.
CEB-FIP MC 9俨)에서는 전단 경간-깊이 비에 따른 아치작용과 트러스 작용의 설계 식을 제시하고 있으나 실험 결과와 비교결과 극한 상태에서는 비교적 정확하였으나 항복 상태에서는 합리적인 결과를 얻을 수 없었다. 본 연구에서는 그림 14와 같이 연결 보에 아치 작용만이 존재하는 트러스모형과 트러스 작용만 존재하는 45도 트러스 모형에 대해 가상 일의 원리를 통해 각각 강성을 구하였다.
휨 항복 이후 전단 파괴한 시험체에 대하여 여러 규준 (ACI318-02(11), CSA A23.3-04(12), NZS3101:1995(”)) 과제시한 변형 모형을 이용하여 항복 상태와 극한 상태를 비교 검토하였다. 표 3에서와같이 ACI318-02는 강성의 35% 만을 고려하고 있고, CSA A23.
(3) 경간-깊이 비와 휨 철근비, 전단 철근비를 고려할 수 있는 트러스 작용과 아치 작용을 구분하는 해석 식을 제시하였다.
(4) 연결 보의 변형을 휨 철근의 부착 강도에 기초한 균열 폭을 산정하여 결정하였다.

대상 데이터

시험체는 휨 철근과 전단 철근으로 배근 되어 있고 연결 보의 단부 조건을 만족시키기 위하여 상부와 하부가 대칭이 되도록 제작하였다. 그림 1에서와같이 연결보 부분은 경간 800mm, 깊이 480mm, 두께 150mm이고, 벽체와 가력부분을 포함한 시험체 전체 길이는 2m이고, 폭은 1.
8m이다. 재하시 수직 변형을 측정하기 위해서 시험체의 중앙에 직경 6mm, 길이 350mm 전산볼트를 매입하였다. 시험체의 상하부는 각각 가력부 프레임과 실험동의 슬래브와 접합할 수 있도록 직경 50mm, 80mm의 관을 수직 500mm, 수평 500mm 간격으로 설치하였다.
67), 휨 철근비(S, small), 전단철근비(M, medium), 보 중심부 횡 철근 유무(M, 유)을나타낸다. 경간-깊이 비는 연결 보의 경간은 800mm로 유지하고 깊이를 480mm, 600mm, 400mm로 변화시켜 제작하였다. 휨 철근비와 전단 철근비는 배근 위치와 철근의 개수는 동일하게 하고 철근의 직경만 변화 시켜 가면서 배근하였다.
휨 철근비와 전단 철근비는 배근 위치와 철근의 개수는 동일하게 하고 철근의 직경만 변화 시켜 가면서 배근하였다. 휨 철근은 D16, D22, D25 철근을 사용하였고 전단 철근은 D5.5, DIO, D13 철근을 사용하였다. 보 중심부는 D10 철근을 배근하였다.

이론/모형

소성 변형에 의한 보의 수평 방향 변형률은 압축강도 저하를 유발하는 콘크리트 스트럿의 주인장 변형률을 증가시킨다. 콘크리트 응력과 변형률의 관계는 그림 17(c) 와 같이 Vecchio 와 Collins0^ 순수 전단 부재 실험식을 사용하였다. 실험 연구에서 콘크리트의 주 압축 응력 均은 주 압축 변형률 & 뿐만 아니라 주인장 변형률 勺 에 관한 함수임을 보여주고 있다.
휨 철근에 의한 값으로 결정하였다. 균열폭의 산정은 Marti등'"의 Tension chord model을 사용하였다. 부착 강도는 철근의 항복 이전과 이후로 각각 知 = 2九, 知 = 舟로 가정하고 부착력에 기초하여 철근의 응력, 변형률, 균열폭을 산정하였다.

성능/효과

시험체 제작한 사용된 콘크리트 압축강도는 28일 양생한 25개의 콘크리트 공시 체(①lOOmin x 200mm)를 시험하여 평균 28.68MPa가 나왔다. 철근의 경우 종류별로 3개의 시편(길이 600mm)을 인장 시험하여 표 1과 같은 항복 강도와 인장 강도를 얻을 수 있었다.
시험체의 수평 변위는 실험 시 발생할 수 있는 미끄러짐에 대비하기 위해서 상단부와 하단부의 LVDT 계측 값의 차를 이용하였다. 모든 스트레인 게이지와 LVDT의 위치는 전 시험체에서 동일하게 설치하여 실험 결과 분석의 편의성과 일관성을 도모하였다.
그림 8은 중앙부 구속 철근에 대한 연성 도를 나타내는데 10번 시험체는 이 철근을 배근하지 않았다. 따라서 1번 시험체에 비해 휨 강도가 감소한 것을 알 수 있으며 연성도 는 증가한 것을 볼 수 있다 중앙부 철근은 균열이 집중되어 발생하지 돕는 역할이외에 연성 도에는 크게 기여하지 않는 것으로 판단된다.
1번과 2번 시험체를 비교하면 경간 비가 작을수록 소성힌지가 길어지는 것을 알 수 있고 3번 시험체의 경우 1번과 2번 시험체에 비해 휨 철근량이 많아서 경간-깊이 비에 비해 소성힌지가 짧은 것으로 판단된다. 트러스 작용에 의한 전단 저항 성분은 경간-깊이 비, 전단 철근비에는 비례하고, 휨 철근비에는 반비례하는 것을 알 수 있었다. 따라서 종합해 보면 트러스 작용에 의한 전단 저항이 클수록 변형 능력이 증가하는 것을 확인할 수 있다
트러스 작용에 의한 전단 저항 성분은 경간-깊이 비, 전단 철근비에는 비례하고, 휨 철근비에는 반비례하는 것을 알 수 있었다. 따라서 종합해 보면 트러스 작용에 의한 전단 저항이 클수록 변형 능력이 증가하는 것을 확인할 수 있다
실험 결과를 보면 연결 보는 항복이 전에는 아치 작용의 스트럿의 전단 압축 파괴하고, 항복 이후에는 균일 압축 장의 트러스 작용의 스트럿이 압축 파괴하였다. 항복이전에 아치작용과 트러스 작용이 공존하고 항복 이후에는 아치 작용이 점차 축소되어 트러스 작용만이 존재함을 의미한다.
콘크리트 응력과 변형률의 관계는 그림 17(c) 와 같이 Vecchio 와 Collins0^ 순수 전단 부재 실험식을 사용하였다. 실험 연구에서 콘크리트의 주 압축 응력 均은 주 압축 변형률 & 뿐만 아니라 주인장 변형률 勺 에 관한 함수임을 보여주고 있다. 콘크리트 변형률의 적합 조건과 구성 방정식은 다음과 같다.
(1) 연결 보의 변형 능력은 경간-깊이 비, 전단 철근비에 비례하고, 휨 철근비에 반비례하는 것을 확인하였다.
(2) 연결 보의 아치 작용에 의한 전단 저항은 휨 항복 이후 점차 감소하여 트러스 작용에 의한 전단 저항으로 전이되는 것을 알 수 있다.

후속연구

있다. 휨 철근에서 발생하는 균열폭과 더불어 전단 철근의 인장 변형과 콘크리트 스트럿의 압축변형을 추가로 고려해야 할 것으로 예상된다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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