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문제 정의
- 이 연구의 목적은 철근콘크리트 교각의 내진설계시 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정에 관한 문제점을 해결하고 연성도를 고려한 합리적인 내진설계기준의 개발을 위한 자료를 제공하는데 있다. 이 연구에서는 이러한 구조적 특성을 지닌 교각구조를 대상으로 준정적(quasi-static) 실험과 비선형 유한요소해석을 실시하여 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하고 그 내진성능을 평가하였다.
- 일정변위제어 하중의 재하횟수는 교각의 지진거동시 즉 최대내하력 이후의 강도 저하에 큰 영향을 미치게 되므로, 이 연구에서는 2회의 동일한 진폭의 변위제어하중에 대한 교각의 거동특성의 차이 및 에너지 흡수능력의 변화 등을 관찰하였다.
- 이 연구는 철근콘크리트 교각 내진설계시 현행 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정에 관한 문제점을 해결하고 합리적인 내진설계법의 개발을 위한 연구로서 14개의 교각에 대한 준정적 실험과 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 실험체의 실험결과와 해석결과와의 비교를 통하여 다음의 결론을 얻었다.
제안 방법
- 이 연구의 목적은 철근콘크리트 교각의 내진설계시 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정에 관한 문제점을 해결하고 연성도를 고려한 합리적인 내진설계기준의 개발을 위한 자료를 제공하는데 있다. 이 연구에서는 이러한 구조적 특성을 지닌 교각구조를 대상으로 준정적(quasi-static) 실험과 비선형 유한요소해석을 실시하여 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하고 그 내진성능을 평가하였다.
- 이 연구에서는 도로교설계기준(2005)에 의한 횡방향 철근량 산정식과 손혁수 등(2003)의 제안식을 근거로 종방향 철근비, 횡방향 철근비, 그리고 축방향 압축력을 변수로 하여 총 14개의 실험체를 설계하였다.
- 제작된 실험체는 표 1에 나타낸 바와 같으며 실험체의 단면은 원형 중실단면(circular solid type)이다. 주요변수인 횡방향 철근비는 설계기준 요구량을 기준으로 축력비가 10%일 경우에는 100%, 69%, 40%, 그리고 축력비가 20%일 경우에는 122%, 100%, 69%, 40%로 결정하였다.
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2.2 준정적 실험
실험체의 축방향력은 교각단면 축강도의 10%와 20%에 해당하는 일정 축하중을 재하하였으며, 유압펌프에 의한 일정하중 유지장치로 실험도중 축력의 변화가 없도록 하였다(그림 2). 횡방향 하중은 2,000 kN 가력기(actuator)를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였으며, 0.
- 실험체의 축방향력은 교각단면 축강도의 10%와 20%에 해당하는 일정 축하중을 재하하였으며, 유압펌프에 의한 일정하중 유지장치로 실험도중 축력의 변화가 없도록 하였다(그림 2). 횡방향 하중은 2,000 kN 가력기(actuator)를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였으며, 0.25%, 0.50%, 1.00%, 1.50%, 2.00%, 2.50%, 3.00%, 4.00%, 5.00%, 6.00%, 7.00%, 8.00%로 드리프트 비(drift ratio)를 증가시키는 방법으로 2 싸이클(cycle)씩 반복 재하하였다.
- 실험수행 중 실험체의 거동을 분석하기 위한 계측장비로 하중값은 가력기(actuator)에 내장되어 있는 Load cell을 이용하였고, 횡방향 변위는 LVDT(liner variable differential transformer)를 이용하였다. LVDT는 횡방향 재하지점에 2개를 설치하였으며, 기초부의 이동을 조사하기 위하여 1개를 설치하였다.
- LVDT는 횡방향 재하지점에 2개를 설치하였으며, 기초부의 이동을 조사하기 위하여 1개를 설치하였다. 소성힌지구간에서 철근의 변형률을 파악하기 위하여 종방향 철근에 10개, 심부구속 철근에 5개의 변형률 게이지를 부착하였다(그림 3).
- 이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력, 그리고 경계면 요소 등(김태훈, 2003; Kim 등, 2003; Kim 등, 2005)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP(Taylor, 2000)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)(김태훈 등, 2001)에 수정을 가하여 사용하였다(그림 4).
- 균열이 분산하여 분포된 철근콘크리트 부재의 변형거동은 사용된 균열개념에 크게 영향을 받는다. 이 연구에서는 제2 균열의 발생을 제 1 균열과 직교방향으로 발생하도록 제한하여 콘크리트의 강성이 과대평가되는 직교 고정균열모델과 달리, 실제 주응력의 방향과 직각으로 발생하도록 한 비직교 고정균열모델을 적용함으로써 콘크리트의 강성을 보다 사실적으로 평가하였다.
- 압축파괴가 발생한 콘크리트의 역학적 특성은 이미 여러 연구자들에 의해서 규명된 바가 있다. 이 연구에서는 콘크리트 압축파괴 이후의 효과를 Kent 등(1971)에 의해 제안된 해석모델을 수정하여 고려하였다. 또한, 압축파괴가 발생한 콘크리트의 안에 있는 철근의 좌굴거동은 최종적인 내력저하의 원인이 된다.
- 지진하중과 같은 반복하중을 받는 철근콘크리트 교각의 비선형 이력거동 특성을 올바르게 평가하기 위해서는 하중재하 회수에 의한 피로거동을 무시할 수 없으며 이에 대한 충분한 고려가 필요하다. 이 연구에서는 철근과 콘크리트의 해석모델에 하중재하 회수의 누적에 따른 강도 및 강성 저하의 영향을 적용함으로써 피로손상을 고려하였다. 철근의 피로모델은 Coffin-Manson의 제안식(Mander 등, 1994), 그리고 콘크리의 피로모델은 Kakuta 등(1982)의 제안식을 수정하여 적용하였다.
- 이 연구에서는 철근과 콘크리트의 해석모델에 하중재하 회수의 누적에 따른 강도 및 강성 저하의 영향을 적용함으로써 피로손상을 고려하였다. 철근의 피로모델은 Coffin-Manson의 제안식(Mander 등, 1994), 그리고 콘크리의 피로모델은 Kakuta 등(1982)의 제안식을 수정하여 적용하였다.
- 실험체들의 유한요소해석을 위해서 원형 철근콘크리트 교각을 등가환산단면을 이용하여 그림 7과 같이 2차원 평면요소로 해석이 가능하도록 하였다. 등가환산단면은 원형 철근 콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.
- 그림 8은 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할된 예이며 3점 가우스 적분을 적용한 8절점 등매개요소를 이용하였고 하중이 재하되는 부위에는 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소를 사용하였다. 또한, 기초와 교각의 접합부에는 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소를 사용하였다.
- 실험과 해석에서 시스템의 항복변위와 극한변위는 하중-변위곡선으로부터 간접적인 방법(Park, 1998)으로 결정하였다. 즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평 저항능력이 최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75%에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평 변위로 정의하였다.
대상 데이터
- 제작된 실험체는 표 1에 나타낸 바와 같으며 실험체의 단면은 원형 중실단면(circular solid type)이다. 주요변수인 횡방향 철근비는 설계기준 요구량을 기준으로 축력비가 10%일 경우에는 100%, 69%, 40%, 그리고 축력비가 20%일 경우에는 122%, 100%, 69%, 40%로 결정하였다.
이론/모형
- 0으로 하였으며, 그림 1은 실험체 상세의 예이다. 각 실험체의 심부구속 구간은 도로교설계기준(2005)에 따라 기둥부분은 600 mm, 기초부는 380 mm로 결정하였다.
- 철근콘크리트의 비선형 재료모델은 저자 등에 의하여 이미 발표된 재료모델(김태훈, 2003; Kim 등, 2003; Kim 등, 2005)을 그대로 적용하기로 한다. 사용된 비선형 재료모델의 특징을 간단히 요약하면 다음과 같다.
- 즉 균열부분은 철근의 항복으로 인해 응력의 증가가 없지만 내부의 철근의 응력은 증가하여 철근의 평균응력이 증가하게 되므로 철근만의 응력-변형률 관계에서 볼 수 있는 항복고원현상은 나타나지 않는다. 이 연구에서는 포락선부분에 대한 철근의 항복후 거동을 저자 등이 제안한 trilinear 모델로써 표현하였다(그림 6).
- 이와 같이 증가된 콘크리트의 강도와 변형률로 인해서 지진하중 등과 같은 반복하중을 받는 경우에 콘크리트의 부재는 구속되지 않은 경우에 비해서 우수한 연성능력 및 복원력 특성을 나타낸다. 이 연구에서는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 종방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander 등(1988)의 제안모델을 채택하였다.
- 이 연구의 해석에 의한 최대하중과 변위연성도를 실험과 함께 비교하여 표 2에 정리하였다. 실험과 해석에서 시스템의 항복변위와 극한변위는 하중-변위곡선으로부터 간접적인 방법(Park, 1998)으로 결정하였다. 즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평 저항능력이 최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75%에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평 변위로 정의하였다.
성능/효과
- 유한요소해석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 각각 0.99와 0.06으로서, 최대하중의 평균값은 전반적으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있으며 변동계수가 0.06에 불과하여 철근콘크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 비탄성 거동특성을 전반적으로 잘 평가하고 있는 것으로 판단된다. 그리고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 1.
- 19로서, 변위연성도의 평균값은 전반적으로 실험결과에 비하여 안전측으로 평가하고 있다. 축력비가 10%인 실험체들의 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 1.06과 0.17이고 축력비가 20%인 실험체들의 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 1.06과 0.21이다.
- 연성능력에 크게 영향을 미치는 기둥에 작용하는 축방향 압축력, 종방향 철근비, 그리고 횡방향 철근비 등의 인자들에 대한 이 연구의 해석과 실험결과의 매개변수 연구를 그림 24~그림 26에 나타내었다. 이러한 비교결과로부터 큰 축 압축력이 작용하면 연성도가 감소하고, 종방향 철근비가 커지면 연성도가 감소하고, 그리고 횡방향 철근비가 커지면 연성도가 증가한다는 사실을 입증할 수 있었다.
- 1. 이 연구에서 제안한 비선형 유한요소해석 결과 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 0.99와 0.06이고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 1.06과 0.19로서, 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다.
- 2. 수행된 철근콘크리트 교각의 실험적, 해석적 연구를 통해 내진설계 적용 실험체의 경우에는 충분한 변위 연성도를 확보하고 있으며 내진설계 미적용 실험체인 경우에도 국내지진규모를 감안할 때 다소의 변위 연성도를 확보하고 있음이 확인되었다.
- 3. 한정연성 구간에서는 교각의 소요연성도에 따라 심부구속 철근량을 배근함으로써 합리적인 설계를 유도하며 과도한 횡방향 철근의 사용으로 인한 시공성의 문제를 해결할 수 있을 것이다.
후속연구
- 일련의 실험결과와 해석결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 철근콘크리트 교각의 비탄성 이력거동을 적절히 평가하고 있으며, 개발된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 이용함으로써, 해석적 방법에 의한 신설 또는 기존 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
- 4. 합리적으로 안전성과 경제성을 고려할 수 있는 철근콘크리트 교각의 내진설계법을 개발하기 위한 연구자료를 제공함으로써 구조물의 중요도 및 소요연성도에 따른 효율적인 설계법의 개발이 가능할 것으로 기대된다.
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