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문제 정의
- 본 연구 대상인 SRC 교각은 기존의 RC 교각의 심부에 형강을 넣어 축방향 강도를 증가시키고 또한 교각 심부의 연성능력을 향상시키는데 주목적이 있다. 따라서 본 절에서는 기존 RC 교각의 실험연구 결과와 비교를 하였다.
- 나타낸 것으로 보고되고 있다. 외국의 연구결과에서도 Chen⑶은 강재매입형 합성기둥에 대해 보강철근의 유무, 횡 철근의 간격 등의 변수에 대하여 연구하였다. 보강철근이 있으며 횡 철근의 간격이 좁을수록 극한휨강도 연성도, 에너지 소산 능력이 강화되는 것으로 보고되고 있다.
제안 방법
- 수평하중은 일정한 압축력(O.Lf出爲=670価을도입한 싱태에서 최대변위 ±300〃〃" actuator를 이용하여 수평 반복하중을 변위비(Drift level)로 일정비율 증가시키면서 변위제어로 진행하였다. 재하된 변위하중은 교각 높이에 대한 비율(Drift level, %)로써 그림 3과 깉-이 재하초기에는 0.
- 양을 변수로 두고 8개의 실험체를 제작하였다. SRC 합성 기둥에 반복하중(cyclic loading)을 통한 준정적(Quasi-Static) 실험을 수행하고 내진성능 및 파괴거동을 평가하였다.
- SRC 합성 기둥의 교각에의 적용성을 평가하기 위해 RC 교각과 유사한 강재비를 갖도록 설계한 실험체와 고교 각에의 적용을 위해 다형강매입 실험체를 설계하여 그 파괴 거동과 내진성능을 실험을 통해 평가하였다.
- 강재매입형 합성기둥의 설계는 RC기둥과의 비교를 위해 기존 RC기둥 실험체를 기초로 하여 이루어졌다. 전체 단면의 직경, D=60Qmm, 전단지간, L=2, 100"次를 갖는 형상비 (aspect ratio, L/D) 3.
- 5D까지이므로 기초기둥 접합부로부터 600mm 이내에 200〃〃耸 간격으로 배치하였다. 교각의 내진성능의 향상에 큰 영향을 미치는 횡방향철근의 변형률 변화 추이를 확인하기 위하여 최대한 주철근의 변형률게이지 부착위치와 근접한 위치에변형률게 이지를 부착하였다. 강재에는 주철근과 마찬가지 이유로 동일한 위치에 변형률게이지를 부착하여 강재와 주철근의 하중전달 구조를 규명할 수 있도록 하였다.
- H형강을 매입한 실험체 3개와 원형강관을 매입한 실험체 2개를 제작하였고, 강재의 구조적 장점을 최대한 이용하기 위하여 다수(4 개)의 강재를 매입한 실험체 3개를 제작하였다. 단면의 중앙에 강재를 매입한 실험체는 주철근을 포함한 강재비 1-63% 를 유지하여 현재 설계되고 있는 RC교각 수준의 주철근 비를 갖도록 설계하였다.⑶ 다수의 형강을 매입한 실험체는 같은 단면에 3.
- 향상시키는데 주목적이 있다. 따라서 본 절에서는 기존 RC 교각의 실험연구 결과와 비교를 하였다. 비교된 RC 교각은 재료강도비 (fu283MPa, 九=300"Z)로서 본연구의 SRC 교각과 유사하다.
- 연성도와 더불어 중요한 항목이다. 따라서 에너지 소산 능력 의 척도로서 축적소산에 너 지를 분석하였으며, 소산 에너지는 하중-변위 이력곡선의 내부면적으로 정의하였다. 그림 7(a)에 나타낸 바와 같이 에너지 소산능력은 원형 강관을 매입한 QSCT-BA 실험체가 가장 크게 나왔다.
- 8%의 강재비를 갖도록 설계하였다. 또 각 실험체를 도로교 설계기준의 횡방향 철근비 기준에 따른 내진 실험체 5개와 이보다 적은 횡방향 철근을 배근한 한정 연성 실험체 3개로 구분하여 제작하여, 강재매입형 합성 기둥에서 강재의 구속효과로 인한 최소 횡방향 철근비의 축소 가능성을 평가하도록 하였다. 또한, 매입강재의 형상 및 배치 구조를 달리하여 교각에 적합한 강재 형상 및 강재의 배치 형태를 결정하도록 하였다.
- 또 각 실험체를 도로교 설계기준의 횡방향 철근비 기준에 따른 내진 실험체 5개와 이보다 적은 횡방향 철근을 배근한 한정 연성 실험체 3개로 구분하여 제작하여, 강재매입형 합성 기둥에서 강재의 구속효과로 인한 최소 횡방향 철근비의 축소 가능성을 평가하도록 하였다. 또한, 매입강재의 형상 및 배치 구조를 달리하여 교각에 적합한 강재 형상 및 강재의 배치 형태를 결정하도록 하였다. 표 1 에 실험체의 상세를 나타내었다.
- 이 연구에서는 SRC 합성기둥의 내진 성능을 평가하기 위하여 횡방향 철근의 양, 매입 강재의 종류, 그리고 매입 강재의 양을 변수로 두고 8개의 실험체를 제작하였다. SRC 합성 기둥에 반복하중(cyclic loading)을 통한 준정적(Quasi-Static) 실험을 수행하고 내진성능 및 파괴거동을 평가하였다.
- Lf出爲=670価을도입한 싱태에서 최대변위 ±300〃〃" actuator를 이용하여 수평 반복하중을 변위비(Drift level)로 일정비율 증가시키면서 변위제어로 진행하였다. 재하된 변위하중은 교각 높이에 대한 비율(Drift level, %)로써 그림 3과 깉-이 재하초기에는 0.25%부터 실험체의 급작스런 파괴방지를 위하여 0.5%씩 증가시켰고 예상 항복변위 이상인 2% 이후로는 1%씩 증가 시켜 파괴시까지 재하하였다.
- 주철근의 항복 변형률과 각 구간에 변형률을 얻기 위하여 철근의 수평력이 재하되는 양방향에 변형률게이지를 부착하였다. 교각에서 위험 단면은 일반적으로 1.
- 총 8기의 실험체는 SRC 합성기둥의 극한강도와 연성능력 파악을 위하여 축하중이 재하된 상태에서 준정적 실험을 수행하였다. 수평하중은 일정한 압축력(O.
- 수평변위와 수평 하중의 측정은 actuator에 설치된 변위계와 로드셀에서 직접 취득하였다. 하중 재하 시 예상치 못한 기초부위의 변위나들 림을 측정하여 실험 중 발생할 수 있는 밀림현상, 들림 현상 등을 수시로 체크하도록 하였다.
대상 데이터
- RC기둥 실험체를 기초로 하여 이루어졌다. 전체 단면의 직경, D=60Qmm, 전단지간, L=2, 100"次를 갖는 형상비 (aspect ratio, L/D) 3.5인 합성기둥을 설계하였다 강재매입형 합성기둥 실험체는 총 8개를 제작하였다. H형강을 매입한 실험체 3개와 원형강관을 매입한 실험체 2개를 제작하였고, 강재의 구조적 장점을 최대한 이용하기 위하여 다수(4 개)의 강재를 매입한 실험체 3개를 제작하였다.
- 5인 합성기둥을 설계하였다 강재매입형 합성기둥 실험체는 총 8개를 제작하였다. H형강을 매입한 실험체 3개와 원형강관을 매입한 실험체 2개를 제작하였고, 강재의 구조적 장점을 최대한 이용하기 위하여 다수(4 개)의 강재를 매입한 실험체 3개를 제작하였다. 단면의 중앙에 강재를 매입한 실험체는 주철근을 포함한 강재비 1-63% 를 유지하여 현재 설계되고 있는 RC교각 수준의 주철근 비를 갖도록 설계하였다.
- QMHS-HS: H형강이 4개 매입되고 후프 띠철근 외에 보강근(cross-tie)이 50mm 간격으로 배근된 내진 설계된 실험체로서 Drift level 3%에서 최대횡하중에 도달하였고, Drift level 7%에서 극한변위에 도달하였다.
- 0MPa로 나타났다. 그리고 철근은 SD3O(/, =3OOMPa)을 사용하였고, 강재는 일반구조용 강재인 SS400(九=240MW)을 사용하였다.
- 표 1 에 실험체의 상세를 나타내었다. 주철근은 SD30의 D16 철근을 설계기준의 최소요구량인 8개를 배근하였고, 내진 실험체의 경우 횡방향철근은 D10 철근을 소성힌지구간(기초-기둥 접합부에서 600mm 구간) 에서는 50mm 간격으로 나머지 구간에서는 100mm 간격으로 배근하였다.
성능/효과
- (1) 단수의 강재를 매입한 형태의 합성기둥은 원형 강관을 매입한 실험체가 큰 모멘트 저항 능력과 연성을 보였다.
- (2) 다수의 강재를 매입한 형태의 합성기둥은 H형강을 매입한 실험체가 큰 모멘트 저항 능력을 보여주었다.
- (4) 낮은 강재비를 갖는 SRC 합성기둥의 상세 설계에서 횡 방향 구속철근은 현재의 철근콘크리트 교각의 규정을 준용하는 것이 바람직하고 주철근의 감소로 인한 심부 콘크리트에 대한 구속력 저호].는 소성힌지 구간의 합성작용 확보를 통해 개선할 필요가 있다.
- 강도감소는 각 변위하중단계별 최대하중을 항복하중으로 나눈 값으로서 변위하중 증가에 따른 강도감소율을 나타낸다. 그림 8(a)에서 보이는 바와 같이 항복하중에 비하여 최대강도의 비율은 H형강이 매입된 QSHS-BA 실험체가 가장 높게 나타났다. 그러나 변위하중 증가에 따른 강도감소가 가장 작은 실험체는 다른 분석과 마찬가지로 원형강관이 매입된 QSCT-BA 실험체인 것으로 나타났다.
- 따라서 변위연성도 결과와 마찬가지로 에너지 소산능력에서도 원형 강관을 넣은 QSCT-BA 실험체가 내진성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 콘크리트 심부에 강재를 다수 넣은 실험체의 경우에는 그림 7(b)에 나타난 바와 같이, 강재를 한 개 넣은 경우와는 달리 H형강을 4개 넣은 QMHA-BA 실험체가 원형 강관을 4개 넣은 QMCT-BA 실험체보다 약 1.25배 크게 나타났다. 또한 심부구속철근에 보강근을 배근한 QMCT-HS 실험체는 보강근을 배근하지 않은 QMHA-BA실험체와 매우 유사한 경향을 보여 보강근이 심부구속에 큰 역할을 하지 않는 것으로 나타났다.
- 흡수능력에서는 그림 10(b)에 보이는 바와 같이 QSHS-BA와 RC 실험체는 매우 유사하게 나타났으며 QSCT-BA 실험체의 경우는 RC 및 QSHS-BA 실험체 보다 약 1.43배 좋은 것으로 나타났다. 에너지는 횡방향 하중과 변위의 곱으로 구성되는데 그림 10(a)에 보이는 바와 같이 RC의 경우가 횡방향 하중이 더 큼에도 불구하고 SRC 실험체의 에너지 소산능력이 유사하거나 크게 나타난 이유는 심부콘크리트에 강재가 포함되어 있기 때문이며 강재의 에너지 소산능력이 콘크리트 보다 훨씬 좋기 때문이다.
- 50mm 간격으로 내진 설계된 실험체로서 Drift level 2%에서 최대횡하중에 도달하였고 압축부의 피복 콘크리트가 탈락되는 현상이 나타났다. 또한 Drift level 7%에서 극한 변위에 도달하였다.
- 정리하였다. QSHS-BA: H형강이 강축으로 1개 매입되고 횡철근 간격이 50mm 간격으로 내진 설계된 실험체로서 Drift level 2%에서 최대횡하중에 도달하였고 압축부의 피복 콘크리트가 탈락되는 현상이 나타났다. 또한 Drift level 7%에서 극한 변위에 도달하였다.
- 16)보다 큰 강재 기여도(035)로 더 높은 극한강도를 보이고 있다. 강재를 1개에서 4개로 증가시킨 H형강의 강도는 36.6%, 원형강관은 4.3% 증가하였다. 그러나, 원형강관을 다수 매입한 QMCT-BA 실험체의 경우 QMHS-BA(H형강 다수 매입 극한강도의 75% 수준의 강도를 보여주고 있는데, 이는 강재배치의 구조적인 문제 즉, 최 외측 강관의 좌굴이 심부콘크리트 파쇄에 큰 영향을 미치는 것으로 보인다.
- 그러나 변위하중 증가에 따른 강도감소가 가장 작은 실험체는 다른 분석과 마찬가지로 원형강관이 매입된 QSCT-BA 실험체인 것으로 나타났다. 그러나 H형강이 매입된 QSHS-BA 실험체와 원형강관이 매입된 QSCT-BA 실험체 모두 drift level 6.0% 까지는 각각의 항복강도 이하로 저하되지 않는 것으로 나타났다. 이는 표 3의 극한 변위를 보면 두 실험체가 모두 유사한 것을 알 수 있다.
- 5MPa(240翎〃cm?)이 되도록 배합하였다. 그러나 실제 콘크리트 압축강도시험 결과 콘크리트의 강도는 증기양생으로 인하여 설계강도 보다 큰 값을 보였는데 평균 압축강도는 27.0MPa로 나타났다. 그리고 철근은 SD3O(/, =3OOMPa)을 사용하였고, 강재는 일반구조용 강재인 SS400(九=240MW)을 사용하였다.
- 3배 에너지소산능력이 좋은 것으로 나타났다. 그리고 H형강을 약축으로 넣은 QSHS-WA 실험체의 경우에는 H 형강을 강축으로 넣은 QSHS-BA 실험체 에너지 소산 능력의 약 68%로 나타나 약 32% 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 변위연성도 결과와 마찬가지로 에너지 소산능력에서도 원형 강관을 넣은 QSCT-BA 실험체가 내진성능이 우수한 것으로 나타났다.
- 이는 표 3의 극한 변위를 보면 두 실험체가 모두 유사한 것을 알 수 있다. 그리고 심부 구속 철근비가 내진설계된 기준실험체의 50% 배근된 한정 연성 실험체들은 모두 기준 실험체보다 일찍 강도가 저하되는 것으로 나타났으나, H형강이 매입된 QSHS-BA의 경우가 drift level 5.0%에서 항복강도 이하로 감소되어 drift level 4.0%에서 항복강도 이하로 감소된 원형강관이 매입된QSCT-SR 실험체보다 강도 저하 능력면에서는 좋은 것으로 나타났다. 또한 QSCT-SR 실험체는 H형강을 약 축으로 배치한 QSHS-WA 실험체와 유사한 경향을 나타내고 있다.
- 9% 증가된 모습을 보여주고 있다. 그리고 심부구속철근비를 1.06%에서 0.53% 감소시킨 실험체의 강도는 H형강이 4.2%, 원형강관이 12.1% 감소되었다.
- 04 kN으로 나타나 RC 실험체와 원형 강관이 삽입된 QSCT-BA는 유사하게 나타났으며 H형강이 삽입된 QSHS-BA 실험체는 다소 적게 나타났다. 두 실험체의 계산된 공칭강도는 454.8kN・m(RC), 352.0kN-m(QSCT-BA) 로서 RC 실험체가 약 29% 정도 크게 나왔다. 이는 RC 실험체와 SRC 실험체의 강재비는 SRC의 경우가 0.
- 그리고 H형강을 약축으로 넣은 QSHS-WA 실험체의 경우에는 H 형강을 강축으로 넣은 QSHS-BA 실험체 에너지 소산 능력의 약 68%로 나타나 약 32% 떨어지는 것으로 나타났다. 따라서 변위연성도 결과와 마찬가지로 에너지 소산능력에서도 원형 강관을 넣은 QSCT-BA 실험체가 내진성능이 우수한 것으로 나타났다. 또한 콘크리트 심부에 강재를 다수 넣은 실험체의 경우에는 그림 7(b)에 나타난 바와 같이, 강재를 한 개 넣은 경우와는 달리 H형강을 4개 넣은 QMHA-BA 실험체가 원형 강관을 4개 넣은 QMCT-BA 실험체보다 약 1.
- 따라서 원형강관이 매입된 QSCT-BA 실험체의 주철근을 포함한 강재비가 RC의 경우보다 다소 크나 강재의 항복강도를 고려하면 유사한 강재비임에도 불구하고 연성 도와 에너지 흡수능력에서 RC보다 좋은 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
- 42배 많은 에너지를 소산하는 것으로 나타났다. 또한 심부 구속 철근비를 현행기준의 50%를 배근한 경우에도 원형강관 실험체인 QSCT-SR 실험체가 H형강을 매입한 QSHS-SR 실험체 보다도 약 1.3배 에너지소산능력이 좋은 것으로 나타났다. 그리고 H형강을 약축으로 넣은 QSHS-WA 실험체의 경우에는 H 형강을 강축으로 넣은 QSHS-BA 실험체 에너지 소산 능력의 약 68%로 나타나 약 32% 떨어지는 것으로 나타났다.
- 25배 크게 나타났다. 또한 심부구속철근에 보강근을 배근한 QMCT-HS 실험체는 보강근을 배근하지 않은 QMHA-BA실험체와 매우 유사한 경향을 보여 보강근이 심부구속에 큰 역할을 하지 않는 것으로 나타났다.
- 32로 나타났다. 변위연성도는 원형 강관을 삽입한 QSCT-BA 실험체가 가장 좋게 나타났으며, H형강을 삽입한 QSHS-BA는 RC 실험체보다 적게 나타났다.
- 비교 결과 그림 10(a)에 나타난 바와 같이 최대강도는 RC 의 경우 278.85 kN이고, QSCT-BA 실험체는 277.40kN, 그리고 QSHS-BA는 247.04 kN으로 나타나 RC 실험체와 원형 강관이 삽입된 QSCT-BA는 유사하게 나타났으며 H형강이 삽입된 QSHS-BA 실험체는 다소 적게 나타났다. 두 실험체의 계산된 공칭강도는 454.
- 전체적인 균열은 반복하중 재하 초기에는 비교적 실험체전 길이 걸쳐 균열이 발생하고, 최종단계로 갈수록 소성 힌지 구간에 균열이 집중되면서 수직균열과 콘크리트 탈락이발생함을 알 수 있다. 이는 하중재하 초기에는 강재의 영향으로 응력의 분배가 비교적 잘 이루어짐을 보여준다.
후속연구
- 이는 파괴모드에서 관찰한 바에 의하면 극한강도 도달후에 심부 콘크리트 내부로 손상이 진행되어 심부 콘크리트의 구속효과가 제대로 발현되지 못하기 때문인데 매입 강재의 강재 비가 높아지는 경우에 소성힌지 구간의 합성작용 확보가 필요할 것으로 판단된다. 횡방향 철근비를 줄인 한정연성 실험체(내진 실험체의 50%)의 횡방향 철근비에 따른 RC 교각의 연성도 역시 요구연성도 5를 약간 넘는 값을 보이고 있기 때문에, 합성교각의 설계에서 횡방향 철근의 감소 여부는 보다 많은 실험 후 판단해야 하고, 현 상황에서는 RC 교각 수준의 횡방향 철근비를 유지해야 할 것으로 판단된다. 다형강 매입한 실험체의 경우, 내진규정을 만족하도록 설계된 다형강 매입 실험체는 모두 6 이상의 연성도를 나타냈다.
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