구속된 콘크리트는 구속되지 않은 콘크리트에 비해 상당히 큰 강도를 갖는다. 따라서 콘크리트의 구속응력을 증가시키는 것은 강도의 증가를 유도할 수 있다. 하지만 중공교각의 경우, 심부구속력의 부재로 인하여 중공교각의 안쪽면에서 취성파괴가 발생하며, 이는 기둥의 강도 저하 및 연성의 저하를 초래한다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 강관 삽입 중공 RC(Reinforced Concrete) 기둥이 개발되었으며, 본 연구에서는 실험을 통하여 삽입 강관에 의한 내부 구속력의 효과를 검증하였다. 총 36개의 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 통하여 삽입 강관의 구속력과 이로 인한 콘크리트의 강도 증가를 확인하였다.
구속된 콘크리트는 구속되지 않은 콘크리트에 비해 상당히 큰 강도를 갖는다. 따라서 콘크리트의 구속응력을 증가시키는 것은 강도의 증가를 유도할 수 있다. 하지만 중공교각의 경우, 심부구속력의 부재로 인하여 중공교각의 안쪽면에서 취성파괴가 발생하며, 이는 기둥의 강도 저하 및 연성의 저하를 초래한다. 이러한 문제를 극복하기 위하여, 강관 삽입 중공 RC(Reinforced Concrete) 기둥이 개발되었으며, 본 연구에서는 실험을 통하여 삽입 강관에 의한 내부 구속력의 효과를 검증하였다. 총 36개의 시험체를 제작하여 실험을 수행하였으며, 실험 결과를 통하여 삽입 강관의 구속력과 이로 인한 콘크리트의 강도 증가를 확인하였다.
When concrete is confined, its strength is enhanced by confining stress. Thus, increasing confining stress makes concrete strength higher. But a brittle failure may occur in hollow RC(Reinforced Concrete) column although its concrete is confined by transverse reinforcements. This brittle failure res...
When concrete is confined, its strength is enhanced by confining stress. Thus, increasing confining stress makes concrete strength higher. But a brittle failure may occur in hollow RC(Reinforced Concrete) column although its concrete is confined by transverse reinforcements. This brittle failure results from the absence of internal confinement and it decreases the strength and the ductility of a hollow RC column. To overcome this brittle failure problem, a hollow RC column which has a internal steel tube was developed. In this study, an experiment was performed to investigate the existence of to internal confinement by a settled steel tube. Thirty six specimens were tested and test results show the existence of internal confinement by the increase of concrete strength.
When concrete is confined, its strength is enhanced by confining stress. Thus, increasing confining stress makes concrete strength higher. But a brittle failure may occur in hollow RC(Reinforced Concrete) column although its concrete is confined by transverse reinforcements. This brittle failure results from the absence of internal confinement and it decreases the strength and the ductility of a hollow RC column. To overcome this brittle failure problem, a hollow RC column which has a internal steel tube was developed. In this study, an experiment was performed to investigate the existence of to internal confinement by a settled steel tube. Thirty six specimens were tested and test results show the existence of internal confinement by the increase of concrete strength.
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문제 정의
, 2003)으로 강관삽입 중공기둥의 우수한 연성능 력을 검증하였으며, 이의 결과는 그림 1과 같다. 본 연구에 서는 강관이 삽입된 중공기둥의 연성능력 발휘에 가장 중요한 요소가 되는 삽입강관에 의한 콘크리트의 구속효과를 실험적으로 검증하고자 한다.
이러한 강관 삽입 중공 RC 기둥에 대해서 현재 여러 연구가 이루어지고 있지만, 내부 구속력의 검증에 대해서는 아직 연구가 수행되지 않은 상태이다. 본 연구에서는 강관 삽입 중공 RC 교각 내부에 삽입된 강관의 내부 구속력에 의한 내부구속효과를 실험을 통하여 확인하였으며, 강관 삽입 중공 RC 기둥의파괴 형태를 정의하고, 파괴 형태를 제어하기 위한 삽입강관의 최소 두께 산정식을 제시하였다. 연구 결과, 중공 RC 기둥 내에 강관을 삽입함으로써, 콘크리트의 구속응력을 증가 시킬 수 있다는 사실을 확인하였으며, 이러한 구속응력을 발휘하기 위한 강관의 최소 필요 두께 이전 까지는 강관의 두께 증가에 따라 콘크리트의 강도 증가도 함께 이루어지며, 최소 필요 두께 이상의 강관이 삽입되었을 때는 더 이상의 강도 증진 효과가 발휘되지 않음을 확인하였다.
일반적으로 이러한 경계조건에서의 좌굴강도는 일반적인 조건(bilateral boundary condition)에 의한 좌굴강도 보다 큰 값을 갖게 되는데, 이데 대한 정확한 연구가 추후 수행되어야 정확한 파괴 시점의 계산이 가능할 것이다. 본 연구에서는 내부 구속효과의 존재를판단하기 위한 것으로서, 강관의 좌굴강도에 대한 연구는 수행 하지 않고 실험 결과에 의하여 파괴를 판단하였다. 파괴예측이나 유지보수 및 보강차원에서 볼 때, 설계시에는 그림 7과 같은 자유물체도의 적용이 바람직하다고 판단된다.
본 연구에서는 삽입강관에 의한 구속효과를 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에서 매개변수는 기둥 단면의 직경(D': 100,150, 200 cm), 중공비(Di /D': 0.
가설 설정
따라서 콘크리트의 구속응력이 강관을 따라 균일하게 작용 하고 횡철근이 강관보다 먼저 항복된다는 가정 하에서, 아치의 반력으로써 구속응력을 계산하였다. 물론 강관에 의한 콘크리트 구속효과가 없다면, 그림 6과 같은 자유물체도는 성립하지 않을 것이다.
상기의 각국 설계기준을 비교하면 그림 4와 같다. 여기서각 설계기준의 비교를 위하여 주철근비는 0.01로 하였으며, 횡철근비는 국내의 설계기준에서 제시하는 값보다 크다고 가정하였다. 그림 4의 결과를 보면 축력비 0.
여기서각 설계기준의 비교를 위하여 주철근비는 0.01로 하였으며, 횡철근비는 국내의 설계기준에서 제시하는 값보다 크다고 가정하였다. 그림 4의 결과를 보면 축력비 0.
제안 방법
이 를 위해 각 시험체별로 콘크리트 면에만 가력하도록 재하판을 제작하였다. 또한 실험 도중의 재하판의 변형을 방지하기 위해서 재하판의 두께를 충분히 확보하여, 콘크리트 면에 등분포 압축하중이 재하되도록 설계하였으며, 편심의 영향을 최소화하기 위해 재하판의 도심과 UTM 가력장치부의 중심이 일치하도록 제작하였다. 그림 16에 제작된 재하판을 나타내었 으며, 그림 17은 실험 장치에 조립된 시험체의 모습이다.
”고 명시되어 있으며, 이에 따라 축방향 철근비 1%를 적용하였으며, 각 시험체에 따른 축방향 철근 크기는 표 3과 같다. 또한, 횡방향 철근비는 도로교 설계기준및 Priestley의 연구 결과를 바탕으로 결정하였으며, 본 연구는 강관에 의한 심부 콘크리트 구속효과의 분석에 목적을 두고 있으므로, 횡방향 철근에 의해서는 거의 완전구속 상태로 가정하기 위하여 표 4와 같은 횡방향 철근비를 적용하였다. 그림 14 및 그림 15는 제작된 시험체 중 일부의 제원 이다.
본 실험에서는 콘크리트가 가력하중에 의해 중공 중심방향 으로 변형함에 따라 강판이 아치로써 작용하여 심부 콘크리트에 구속력을 발현하도록 유도하기 위해서, 하중은 강판을제외한 콘크리트 면에만 등분포 압축하중을 재하 시켰다. 이 를 위해 각 시험체별로 콘크리트 면에만 가력하도록 재하판을 제작하였다.
실물실험과 같은 효과를 내기 위하여 시험체는 축소모델을 사용하지 않고, 실물 크기로 제작 하였으나, 실제와 같은 경계조건을 갖는 부분 시험체를 제작 하였다. 부분 모델의 실험을 위해, 먼저 부분모델과 전체모 델의 동일성을 검증하기 위한 유한요소 해석을 범용 구조해석 프로그램인 LUSAS를 사용하여 실시하였으며, 이 결과를 통하여 부분모델의 타당성을 검증한 후, 전체모델과 같은 하중-경계조건을 구현하는 실험 장치를 제작하였다. 그림 10과그림 11은 전체 모델과 부분모델의 해석결과의 일부이며, 두결과가 거의 일치함을 알 수 있다.
각 시험체별로 강관이 파괴 되지 않을 최소의 강관 두께를 t lim 로 표시 하였으며, 실제 적용된 강관의 두께와 t lim 를 비교하여 예측되는 파괴 형태를 나타내었다. 시험체의 파괴형태 예측을 위해 횡철근의 항복강도와 삽입 강판의 항복강도는 각각 294 MPa 및 392 MPa을 적용하였으며, 강판의 탄성계수는 210000 MPa을 적용하여 계산하였다.
75), 삽입강관의 두께(2, 4, 6 mm) 세 가지로 결정하였으며, 각매개변수의 경우에 따라 표 1과 같은 제원의 36개 시험체가 결정되었으며, 시험체 제작 시 사용된 콘크리트는 21 MPa의강도를 갖도록 설계하였다. 실물실험과 같은 효과를 내기 위하여 시험체는 축소모델을 사용하지 않고, 실물 크기로 제작 하였으나, 실제와 같은 경계조건을 갖는 부분 시험체를 제작 하였다. 부분 모델의 실험을 위해, 먼저 부분모델과 전체모 델의 동일성을 검증하기 위한 유한요소 해석을 범용 구조해석 프로그램인 LUSAS를 사용하여 실시하였으며, 이 결과를 통하여 부분모델의 타당성을 검증한 후, 전체모델과 같은 하중-경계조건을 구현하는 실험 장치를 제작하였다.
본 연구에서는 삽입강관에 의한 구속효과를 검증하기 위하여 실험을 수행하였다. 실험에서 매개변수는 기둥 단면의 직경(D': 100,150, 200 cm), 중공비(Di /D': 0.65, 0.7, 0.75), 삽입강관의 두께(2, 4, 6 mm) 세 가지로 결정하였으며, 각매개변수의 경우에 따라 표 1과 같은 제원의 36개 시험체가 결정되었으며, 시험체 제작 시 사용된 콘크리트는 21 MPa의강도를 갖도록 설계하였다. 실물실험과 같은 효과를 내기 위하여 시험체는 축소모델을 사용하지 않고, 실물 크기로 제작 하였으나, 실제와 같은 경계조건을 갖는 부분 시험체를 제작 하였다.
본 실험에서는 콘크리트가 가력하중에 의해 중공 중심방향 으로 변형함에 따라 강판이 아치로써 작용하여 심부 콘크리트에 구속력을 발현하도록 유도하기 위해서, 하중은 강판을제외한 콘크리트 면에만 등분포 압축하중을 재하 시켰다. 이 를 위해 각 시험체별로 콘크리트 면에만 가력하도록 재하판을 제작하였다. 또한 실험 도중의 재하판의 변형을 방지하기 위해서 재하판의 두께를 충분히 확보하여, 콘크리트 면에 등분포 압축하중이 재하되도록 설계하였으며, 편심의 영향을 최소화하기 위해 재하판의 도심과 UTM 가력장치부의 중심이 일치하도록 제작하였다.
따라서 실무에서의 적용은 부적합하다고 판단된다. 하지만 본 연구에서는 강관의 두께, 중공비, 직경에 따라 발생하는 구속력에 의한 기둥의 강도 및 연성평가가 목적이므로, 그림 8과 같은 자유물체도를 적용하였다. 식 21에서 f hoop 는 횡철근에 작용하는 응력이다.
성능/효과
1) 횡철근의 배근간격이 좁을수록 구속효과가 증진된다.
2) 추가적인 겹이음된 후프철근 또는 띠철근이 단면 내 존재할 경우 구속효과가 증진된다.
3) 축방향 철근이 기둥의 둘레에 균일하게 배근될 경우 구속효과가 증진된다.
4) 횡철근비나 횡철근의 항복강도가 증가할수록 구속효과가 증진된다.
5) 직사각형 모양의 후프철근보다는 나선철근이나 원형 후프철근이 사용될 경우 구속효과가 증진된다.
그림 25의 경우는 가장 이상적으로 실험이 수행된 경우이 다. SP22와 SP23은 모두 강판이 좌굴 파괴되었으며, 강판이삽입되지 않은 SP21에 비해 삽입된 강판의 두께가 증가할수록 탄성 영역 및 비탄성 영역에서 모두 강도의 증가가 발생 하였다. 특히 강판의 파괴가 발생하지 않는 경우인 SP 24는탄성역역에서 파괴이후 강도가 감소하는 일이 없이 계속 강도가 증가함을 보여준다.
연구 결과, 중공 RC 기둥 내에 강관을 삽입함으로써, 콘크리트의 구속응력을 증가 시킬 수 있다는 사실을 확인하였으며, 이러한 구속응력을 발휘하기 위한 강관의 최소 필요 두께 이전 까지는 강관의 두께 증가에 따라 콘크리트의 강도 증가도 함께 이루어지며, 최소 필요 두께 이상의 강관이 삽입되었을 때는 더 이상의 강도 증진 효과가 발휘되지 않음을 확인하였다. 또한, 증가된 구속응력은 콘크리트의 강도증가를 유발하여, 구속되지 않은 콘크리트에 비해 증가된 파괴강도를 보이며, 강도 증대뿐 아니라, 연성의 뚜렷한 증가를 확인할 수 있었다.
실험결과, 삽입강판의 두께가 증가할수록 콘크리트에 대한 구속효과가 증가하여, 콘크리트 강도의 증가를 유도함을 알수 있었다. 하지만, 강판의 두께가 일정 두께 이상이 되어강판의 파괴가 발생하지 않는 조건에서는 강판의 두께가 증가해도 더 이상의 강도 증진 효과는 발생하지 않았다.
본 연구에서는 강관 삽입 중공 RC 교각 내부에 삽입된 강관의 내부 구속력에 의한 내부구속효과를 실험을 통하여 확인하였으며, 강관 삽입 중공 RC 기둥의파괴 형태를 정의하고, 파괴 형태를 제어하기 위한 삽입강관의 최소 두께 산정식을 제시하였다. 연구 결과, 중공 RC 기둥 내에 강관을 삽입함으로써, 콘크리트의 구속응력을 증가 시킬 수 있다는 사실을 확인하였으며, 이러한 구속응력을 발휘하기 위한 강관의 최소 필요 두께 이전 까지는 강관의 두께 증가에 따라 콘크리트의 강도 증가도 함께 이루어지며, 최소 필요 두께 이상의 강관이 삽입되었을 때는 더 이상의 강도 증진 효과가 발휘되지 않음을 확인하였다. 또한, 증가된 구속응력은 콘크리트의 강도증가를 유발하여, 구속되지 않은 콘크리트에 비해 증가된 파괴강도를 보이며, 강도 증대뿐 아니라, 연성의 뚜렷한 증가를 확인할 수 있었다.
그림 26에서는 거의 모든 시험체가 유사한 강도값을 나타내었는데, 삽입 강판은 파괴되지 않았 으나, 강판이 삽입되지 않은 시험체와 강도가 큰 차이가 발생하지 않았다. 정량적으로 강판이 삽입된 시험체가 완전 구속되었을 때의 예측 강도는 31 MPa로 계산되며, 실험 결과 29 MPa(SP26), 30 MPa(SP27), 31 MPa(SP28) 모두 예측치에 근접하는 강도를 나타내었다. 하지만 강판이 삽입되지 않은 SP25의 강도가 비정상적으로 높게 측정되었다.
그림 13은 시험체 제작에 사용된 콘크리트에 대한 28일 압축 강도 시험을 나타낸 그림이며, 그 결과를 표 2에 나타내었다. 타설시 콘크리트 배합강도는 21 MPa로 타설하였으나 28일간 습윤 양생한 공시체 강도 테스트 결과, 최대치와 최소치를 제외한 나머지 공시체의 평균 압축강도가 24.2 MPa로 나타났다.
그림 22에서 SP15, 그림 24에서의 SP18, SP19, SP20의 경우는 시험체를 구속하여, 완전한 형상의 중공기둥과 같은 조건을 만들어주는 시험장치가 포아송비에 의한 콘크리트의 원주방향의 변형에 견디지 못하고 변형을 일으킨경우이다. 횡구속력을 완전히 발휘하지 못하여, 강도의 감소를 초래하였으나, SP18과 SP19를 비교해 보면, 삽입된 강판의 두께가 증가할수록 강도의 증가가 확실히 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 또한 SP17의 경우와 비교하였을 때, SP18과 SP19는 강판에 의한 안쪽면의 구속으로 인하여, 시험 장치에 가해지는 힘이 더 증가하였다는 것을 알 수 있다.
후속연구
의 제안식에서 유효 구속응력( )이 삼축 압축상태의 콘크리트 강도를 결정하는 중요한 변수임을 알 수 있다. 따라서 현재 연구의 대상으로 삼고 있는 원형 RC 기둥과 강관삽입 중공 원형 RC 기둥의 구속응력의 검토가 반드시 필요함을 알 수있다.
강관의 항복 파괴는 강관에 작용하는 응력(f tube )과 강관의 항복강도(f yt )의 비교를 통하여 쉽게알 수 있지만, 삽입된 강관의 경우 강관의 내측 방향으로는 변위의 발생이 가능하나, 강관의 외측 방향으로는 콘크리트에 의해 변형이 구속되어 있는 경계조건을 갖게 되므로(unilateral boundary condition), 일반적인 원형 링의 좌굴강도식에 의해서는 강관의 좌굴강도를 산정할 수가 없다. 일반적으로 이러한 경계조건에서의 좌굴강도는 일반적인 조건(bilateral boundary condition)에 의한 좌굴강도 보다 큰 값을 갖게 되는데, 이데 대한 정확한 연구가 추후 수행되어야 정확한 파괴 시점의 계산이 가능할 것이다. 본 연구에서는 내부 구속효과의 존재를판단하기 위한 것으로서, 강관의 좌굴강도에 대한 연구는 수행 하지 않고 실험 결과에 의하여 파괴를 판단하였다.
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