[논문]지진하중을 받는 철근콘크리트 접합부의 강도

이정윤; 채희대

doi:10.5000/eesk.2006.10.5.025

지진하중을 받는 철근콘크리트 접합부의 강도
Strength of Reinforced Concrete Beam-Column Assembles Subjected to Seismic Loading 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.10 no.5 = no.51, 2006년, pp.25 - 33

이정윤 (성균관대학교 건축공학과) , 채희대 (성균관대학교 철근콘크리트공학연구실)

초록
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본 논문에서는 지진하중을 받는 내부 및 외부 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 강도 및 연성능력을 평가하였다. 접합부에 인접한 보에 소성힌지가 발생한 이후 접합부가 파괴할 경우 접합부 내력은 보의 소성힌지의 영향을 받아 감소하게 된다. 보에 소성힌지가 발생하면 보의 부재축방향 변형률은 급격하게 증가하게 되며, 증가된 부재축방향 변형률은 접합부의 변형에 영향을 주어 접합부의 강도를 저감시킨다. 이 논문에서는 보에 소성힌지가 발생하기 이전에 파괴하는 접합부의 내력과 보에 소성힌지가 발생한 이후에 파괴하는 접합부의 연성능력을 접합부의 변형능력 및 스트럿의 강도저감을 이용하여 평가하였다. 제시한 평가법은 52개의 접합부 실험체를 이용하여 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper provides a method to predict the ductile capacity of reinforced concrete beam-column joints that fail in shear after the plastic hinges occur at both ends of the adjacent beams. After the plastic hinges occur at both ends of the beams, the longitudinal axial strain at the center of the beam section in the plastic hinge region abruptly increases because the neutral axis continues to move upward toward the extreme compressive fiber and the residual strain of the longitudinal bars continues to increase with each cycle of inelastic loading. An increase in the axial strain of the beam section after flexural yielding widens the cracks in the beam-column joints, thus leading to an decrease of the shear strength of the beam-column joints. The proposed method takes into account shear strength deterioration in the beam-column joints. In order to verify the shear strength and the corresponding ductility of the proposed method, test results of 52 RC beam-column assembles were compared. Comparisons between the observed and calculated shear strengths and their corresponding ductilities of the tested assembles, showed reasonable agreement.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

소성힌지가 접합부에 미치는 영향은 위에서 설명한 전단뿐만이 아니라 부착에 대하여도 영향에 미치며 이에 따라서 접합부의 거동이 변화할 수 있다. 이 논문에서는 이 들 두 가지 힘에 대한 영향을 동시에 고려하여 접합부의 연성을 파악하기가 난해하여 이 들 중에서 전단에 대한 영향만을 반영한 해석법을 제안하였다.
그러나 접합부의 경우는 보에 발생한 소성힌지에 의하여 접합부 내력이 저감되는 현상이 발생하여 설계연성내력에 도달하지 않은 상태에서 접합부가 파괴하는 경우가 있다. 이 연구에서는 J파괴하는 접합부의 내력과 BJ파괴하는 접합부의 연성을 인접한 소성힌지가 접합부에 미치는 강도저감효과를 고려하여 평가하였다.
이 연구에서는 철근콘크리트 접합부의 전단내력 및 연성을 평가할 수 있는 평가법을 제시하였다. 접합부를 J-파괴와 BJ-파괴로 구별하고「파괴의 경우는 접합부의 전단 강도를 평가하였으며 BJ-파괴의 경우는 접합부의 연성을 평가하였다.

가설 설정

하폭의 평균값(스트럿 중앙부의 폭)을 사용하였다. 소성 힌지가 발생하지 않은 보의 압축대의 깊이(%)는 식 (4a)로 가정하였으며, 소성힌지가 발생하는 경우에 피복 콘크리트가 떨어져 나감을 고려하여(Zhang과 JirsM) 식 (4b)를 사용하였다
식 (5)와 (6)에서 콘크리트의 주인장응력은 주 압축응력에 비하여 매우 작으므로 이 연구에서는 九 =0으로 가정하였다. 또한 식 (7)에서 &는 勺, 如鸟에 비해 매우 작은 값이므로 & =0이라 가정하였다.
여기서, 侃, 化는 각각 보의 부재축 방향과 기둥의 부재 축 방향의 철근비, fsb, 九는 보와 기둥 접합부 철근의 응력, fb, 匚는 보와 기둥의 직응력, 와 h는 콘크리트의 주인장응력 및 주압축응력, a 는 접합부 콘크리트의 균열각으로 스트럿의 각도와 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

있다. 이 연구에서는 Paulay오} Priestley")의 실험 결과에 근거하여 접합부의 변형률에 미치는 영향을 변수 K를 정하였다. 실험결과에 의하면 접합부 중심부에서는 변형률은 거의 0에 근접하고 보에 인접한 구역에서는 소성힌지 변형률과 거의 동일하였으므로 K를 0.
접합부에 인접한 보에서 발생하는 소성힌지의 영향을 고려한 접합부의 강도저감 평가법을 Teraoka"®와 Kaku"”의 내부 및 외부접합부 실험결과와 비교하였다. 강도 저감평가는 그림 5의 계산과정과 같이 부재회전각을 대입한 후에 부재 축 방향 변형률을 계산하고 이를 이용하여 접합부의 내력을 계산하였다.
(1)「파괴하는 접합부의 전단내력을 콘크리트 스트럿의 유요압축강도를 이용하여 평가하였다. 콘크리트의 유효 압축강도는 접합부 파괴시의 재료조건을 이용하여 계산하였다.
(2) BJ-파괴하는 접합부 연성을 인접하는 보의 소성 힌지의 영향을 고려하여 평가하였다. 접합부 내력은 인접하는소성힌지의 영향을 받아 부재의 연성률이 증가함에 따라서 잠재 내력이 감소하였다.
기존 연구자들"。-成에 의하여 수행된 총 48개(내부접합부 33개, 외부접합부 15개)의 Type 1 철근콘크리트 접합부 실험 결과를 이용하여 접합부의 전단강도를 평가하였다. 수집된 접합부는 모두 J-파괴하는 실험체로 보와 기둥의 축이 직각으로 교차하고, 보의 주근이 접합부를 연속해서 지나며, 슬래브가 없는 경우이다.
뉴질랜드의 3개국 공동연구에서는 다양한 변수를 갖는 접합부에 대한 연구를 실행하였다. ACI 설계기준°)에서는 이러한 결과를 반영하여 비내진(Type 1) 및 내진설계(Type 2)로 구별된 접합부 강도평가법을 제안하였고 이를 다시 수정하여 접합부 전단강도를 평가하였다. 철근콘크리트 보.
그림에서 제안된 해석법에 의한 접합부의 전단강도는 부재의 소성힌지 회전각이 증가함에 따라서 감소함을 알 수 있다. 그림에서 내부접합부에 대하여 제안식은 강도저감을 비교적 정확히 예측하고있지만 외부접합부에 대해서는 다소 과대평가하였다.
그림 4는 Paulay와 Priestley®에 의하여 수행된 실험에서 나타난 접합부를 지나는 보의 주철근의 변형률 분포를 나타낸다. 실험에서는 접합부 내부를 통과하는 보에 변형률게이지를 부착하여 연성률(〃)이 증가함에 따라서 변화하는 접합부 내의 보의 부재축 방향 철근의 변형률을 계측하였다. 그림에서 보는 것과 같이 접합부 내의 철근도 소성힌지가 발생한 이후에 급격히 증가하여 항복 변형률의 10배가 넘는 큰 변형률에 도달함을 알 수 있다.
여기서 N은 기둥에 작용하는 축력, 4는 기둥의 단면적, hc 는 하중이 작용하는 방향에서의 기둥의 폭이다 이 연구에서는 Paulay와 Priestley의 실험결과를 바탕으로 표 1과 같이 스트럿 폭을 정하였다. 외부 접합부의 경우에는 바깥쪽 보에 휨 압축영역이 발생하지 않으므로 압축대의 크기는 상.
기둥접합부의 내력평가식을 변형률의 적합조건을 이용한 트러스모델을 이용하여 유도하였다. 유도된 제안식을 기존의 연구자들에 의하여 실험된 48 개의 Type 1의 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험결과와 4 개의 Type 2의 실험 결과와 비교하였다.
또한 접합부 내부 철근의 변형률은 보에 인접한 곳에서는 큰 변형률을 나타내지만 접합부의 중심부에서는 항복 변형률 이하의 값을 나타내고 있다. 이 연구에서는 소성 힌지 구역의 보의 부재축방향 변형률이 BJ-파괴하는 접합부의 변형률에 미치는 영향을 변수 K에 의하여 나타냈다.
접합부 내력은 인접하는소성힌지의 영향을 받아 부재의 연성률이 증가함에 따라서 잠재 내력이 감소하였다. 이 연구에서는 접합 부의 잠재 전단 내력이 보의 휨내력과 만나는 점을 접합부의 연성능력으로 평가하였다. 4개의 실험결과에 대하여 제안된 평가법은 접합부의 강도저감을 비교적 정확히 예측하였다.
평가할 수 있는 평가법을 제시하였다. 접합부를 J-파괴와 BJ-파괴로 구별하고「파괴의 경우는 접합부의 전단 강도를 평가하였으며 BJ-파괴의 경우는 접합부의 연성을 평가하였다. 이 논문의 결론을 정리하면 다음과 같다.
발생하여 접합부 거동이 영향을 받는다. 제안된 해석법은 접합부에 인접한 보의 소성힌지가 미치는 부착에 의한 영향을 제외하고 전단에 대한 영향만을 고려하여 접합부의 연성을 평가하였다. 따라서 BJ파괴하는 실험체에 대한 해석된 결과는 실험체의 변수에 따라서 달라 질수 있。-口-루.
콘크리트의 유효 압축강도는 접합부 파괴시의 재료조건을 이용하여 계산하였다. 제안식은 48개의 내부 및 외부접합부 내력을 각각 변동계수 14.6%와 15.3%로 예측하였다.
이용하여 평가하였다. 콘크리트의 유효 압축강도는 접합부 파괴시의 재료조건을 이용하여 계산하였다. 제안식은 48개의 내부 및 외부접합부 내력을 각각 변동계수 14.
이를 식 (1)에 대입하여 접합부의 잠재전단력을 계산할수 있다. 해석에서는 그림 6과 같이 구해진 잠재 전단 강도 匕가 휨항복 시의 전단력 *에 도달할 때의 부재 변형 능력을 그 부재의 최대 연성 능력으로 하였다(Step7과 Step8).
의하여 평가하였다. 해석에서는 단면해석과 실험 결과에 근거하여 계산된 부재 축방향 변형률(瀚값을 대입하여 고정한 후에 접합부의 잠재 전단 강도를 구하였다. 주어진 勺값이 증가함에 따라 콘크리트의 주인장 변형률 勺이 증가하게 되므로 그림 2와 같이 콘크리트 유효 압축 강도 (才*)는 감소한다.

데이터처리

강도 저감평가는 그림 5의 계산과정과 같이 부재회전각을 대입한 후에 부재 축 방향 변형률을 계산하고 이를 이용하여 접합부의 내력을 계산하였다. 이 연구에서는 Teraoka"。와 의 실험 결과에서 파괴점을 확실하게 구별할 수 있는 4개의 실험체를 선정하여 그 결과를 비교하였다. 비교된 4개의 실험체는 모두 BJ-파괴하는 실험체이며 실험체의 재료특성은 표 4 와 같다.

이론/모형

이 연구에서는 비내진(Type 1) 및 내진설계(Type 2)에 해당하는 철근콘크리트 보.기둥접합부의 내력평가식을 변형률의 적합조건을 이용한 트러스모델을 이용하여 유도하였다. 유도된 제안식을 기존의 연구자들에 의하여 실험된 48 개의 Type 1의 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험결과와 4 개의 Type 2의 실험 결과와 비교하였다.
콘크리트의 유효압축강도는 여러 연구자들에 의하여 균열과 직각방향의 변형 X 주인장변형률)과 밀접한 관계가 있어서 주인장변형률이 증가함에 따라서 콘크리트의 유효압축강도는 감소함이 지적되었다. 이 연구에서는 Hsu 등(6)에 의하여 제안된 식(9)를 이용하여 유효 압축강도를 계산하였다.
Lee와 Watanabe는소성힌지 구역에서의 변형률을 단면해석과 실험결과에 근거하여 4단계로 구분하여 예측하였으며 정산식과 약산 식으로 구별하였다. 이 연구에서는 해석의 편의를 위하여 약산식 (12)를 이용하여 毎를 계산하였다.

성능/효과

그림에서 실선은 실험에서 측정한 하중의 포락선(envelope curve)을 나타내며, 점선은 3장에서 설명한 해석법에 근거하여 계산된 접합부의 강도저감을 나타낸다. 그림에서 제안된 해석법에 의한 접합부의 전단강도는 부재의 소성힌지 회전각이 증가함에 따라서 감소함을 알 수 있다. 그림에서 내부접합부에 대하여 제안식은 강도저감을 비교적 정확히 예측하고있지만 외부접합부에 대해서는 다소 과대평가하였다.
그림 7은「파괴하는 내부 및 외부접합부의 해석결과와 실험결과를 비교하고 있다. 콘크리트의 강도저감을 고려한 제안식은 J-파괴하는 내부 접합부의 내력을 평균 1.26, 변동계수 14.6%로 예측하였다. 외부접합부에 대해서는 평균 1.
표 2와 표 3은 J-파괴하는 내부 및 외부 접합부의 실험결과와 계산결과를 비교하고 있다. 표에서 접합부의 전단 내력은 콘크리트의 압축강도가 증가함에 따라 접합부의 전단 강도가 증가하는 경향을 나타내었다. 또한 횡 방향 철근비에 대하여 내부접합부 및 외부접합부 모두 횡방향 철근비가 증가함에 따라 접합부의 전단강도가 비례적으로 증가하는 경 决)에 대하향을 나타내었다.

후속연구

따라서 BJ파괴하는 실험체에 대한 해석된 결과는 실험체의 변수에 따라서 달라 질수 있。-口-루., 소성힌지가 접합부의 부착과 전단에 미치는 영향을 동시에 평가할 수 있는 평가법에 대한 추 후 연구가 요구된다.

참고문헌 (17)

Paulay, T. and Priestley, M. J. N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, A Wiley Interscience Publication, 1992, 744pp
ACI Committee 3 I 8, Building code and Requirements for Structural Concrete(318-02) and Commentary(318-02), American Concrete Institute, Farmington hilIs, Michigan, 2002, 389pp
박기철, '고강도 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 전단 거동에 관한 실험', 한국콘크리트학회논문집, 제 17권 4호,2005, pp. 535-542
차병기, 고동우, 우성우, 이한선, '비내진 상세를 가진 RC 외부접합부의 반복 횡하중 실험', 한국콘크리트학회논문집, 제15권 1호,2003, pp. 11-16

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Vecchio, F. J. and Collins, M. P., 'The Modified Compression Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear,' ACI Structural Journal, Vol. 83, No. 2, 1986, pp. 219-231
Belarbi, A. and Hsu, T. T. C., 'Constitutive Laws of Softened Concrete in Biaxial Tension-compression,' ACI Structural Journal, Vol. 92, No.5, 1995, pp. 562-573

상세보기
Zhang, L. and Jirsa, J. O., 'A Study of Shear Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column Joints,' PMFSEL Report No. 82-1, Department of Civil Engineering, University of Texas at Austin, Feb. 1982, 118pp
Lee, J.-Y. and Watanabe, F., 'Predicting the Longitudinal ？Axial Strain in the Plastic Hinge Regions of Reinforced Concrete Beams Subjected to Reversed Cyclic Loading,' Engineering Structures, Vol. 25. No.7, June, 2003, pp. 927-939

상세보기
Japan Concrete Institute, JCI Colloquium on Ductility of Concrete Structures and Its Evaluation, 1988, 466pp
Shiohara, H., 'New Model for Shear Failure of RC Interior Beam-Column Connections,' Journal of Structural Engineering, Vol. 127, No.2, Feb. 2001, pp. 152-160

상세보기
Teraoka, T., Sasaki, S., and Hayashi, K., 'Evaluation of Bond Behavior of Beam Reinforcement before Yielding Passing Through Reinforced Concrete Interior Beam-Column Joint,' J Soc. Mat. Sci., Japan, Vol. 48, No.8, Aug. 1999, pp. 927-933

상세보기
Meinheit, D. F. and Jirsa, J. O., 'Shear Strength of RC Beam-Column Connections,' Journal of Structural Division, Proceedings of the American Society of Civil Engineers, Vol. 107, No. STl1, Nov. 1981, pp. 2227-2244
Fujji, S. and Morita, S., 'Comparison between Interior and Exterior RC Beam-Column Joint Behavior,' Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance, SP-I23, American Concrete Institute, Farmington hills, Michigan, 1991. pp. 145-165
Ehsani, M. R.and Alameddine, F., 'Design Recommendations for Type 2 High-Strength Reinforced Concrete Connections,' ACI Structural Journal, Vol. 88, No.3, May-June. 1991, pp. 277-291
Tsonos, A. G., Tegos, I. A. and Penelis, G. G., 'Seismic Resistance of Type 2 Exterior Beam-Column Joints Reinforced With Inclined Bars,' ACI Structural Journal, Vol. 89, No. I, Jan.-Feb. 1992, pp. 3-12
Teraoka, M., 'Study on Earthquake-Resistant Design Methods for Beam-Column Joints in High-rise Moment-Resisting Frames,' Fusita Corporation, 1997, pp. 124-135
Kaku, T. and Asakusa, H., 'Ductility Estimation of Exterior Beam-Column Subassemblages in Reinforced Concrete Frames,' Design of Beam-Column Joints for Seismic Resistance, SPI23-7, ACI, Detroit, 1991, pp. 167-185

저자의 다른 논문 :

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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