국내외의 실험을 통해 알려진 바와 같이 RC교각의 연성능력은 소성힌지구간에 위치한 주철근 겹침이음 비율 및 횡방향 구속철근이 보유한 횡구속력에 따라 차이를 보이고 있다. 내진설계가 반영되지 못한 기존 교각의 경우 소성힌지구간의 겹침이음 비율에 따라 강도 및 연성능력의 저하에 미치는 영향이 크다. 우리나라에서는1992년 내진설계가 도입된 이후 철근콘크리트 교각의 주철근 겹침 이음에 대한 규정은 없었으나, 2005년 도로교 설계기준에서 주철근 겹침이음을 50% 이내에서 허용하고 있다. 기존 교량의 내진성능 평가 요령에 있어서도 이를 반영하여 교각의 연성능력을 평가하고 있지만 주철근 겹침이음 비율을 단순 유 무에 따라서 구분하여 평가하고 있고 평가기법 또한 명확하게 정립되어 있지 못하다. 따라서 본 연구에서는 비내진 교각의 겹침이음 비율별 연성능력평가를 위하여 현재까지 국내에서 수행된 연구실험결과를 분석하고, 교각의 비선형성 및 주철근의 겹침이음을 고려하기 위하여 섬유요소를 이용한 단면해석으로 RC교각의 연성능력을 산정시 적절한 콘크리트의 극한변형률을 제시하였다.
국내외의 실험을 통해 알려진 바와 같이 RC교각의 연성능력은 소성힌지구간에 위치한 주철근 겹침이음 비율 및 횡방향 구속철근이 보유한 횡구속력에 따라 차이를 보이고 있다. 내진설계가 반영되지 못한 기존 교각의 경우 소성힌지구간의 겹침이음 비율에 따라 강도 및 연성능력의 저하에 미치는 영향이 크다. 우리나라에서는1992년 내진설계가 도입된 이후 철근콘크리트 교각의 주철근 겹침 이음에 대한 규정은 없었으나, 2005년 도로교 설계기준에서 주철근 겹침이음을 50% 이내에서 허용하고 있다. 기존 교량의 내진성능 평가 요령에 있어서도 이를 반영하여 교각의 연성능력을 평가하고 있지만 주철근 겹침이음 비율을 단순 유 무에 따라서 구분하여 평가하고 있고 평가기법 또한 명확하게 정립되어 있지 못하다. 따라서 본 연구에서는 비내진 교각의 겹침이음 비율별 연성능력평가를 위하여 현재까지 국내에서 수행된 연구실험결과를 분석하고, 교각의 비선형성 및 주철근의 겹침이음을 고려하기 위하여 섬유요소를 이용한 단면해석으로 RC교각의 연성능력을 산정시 적절한 콘크리트의 극한변형률을 제시하였다.
As internal and external seismic experiment results, the seismic performance of RC bridge piers is largely dependent on the ratio of lap-spliced bars to all longitudinal reinforcing bars in plastic hinge regions, and confining effects of transverse reinforcements. Capacity and displacement ductility...
As internal and external seismic experiment results, the seismic performance of RC bridge piers is largely dependent on the ratio of lap-spliced bars to all longitudinal reinforcing bars in plastic hinge regions, and confining effects of transverse reinforcements. Capacity and displacement ductility of non-seismically designed existing RC piers are reduced by lap splices in plastic hinge regions. The provision for the lap splice of longitudinal reinforcing bars was not specified in KBDS (Korean Bridge Design Specifications) before the implementation of 1992 seismic design code, but the ratio of lap-spliced bars to all longitudinal reinforcing bars in plastic hinge regions is restricted to 50% in the 2005 version of KBDS. This paper presents a seismic assessment of RC piers at lap-splicing ratios of 0%, 50%, and 100%. Through a comparison of experimental and analytic results of RC piers, we introduce an appropriate ultimate strain of confined concrete in plastic hinge regions with lap-splices, and propose a method for estimating displacement ductility ratios of non-seismically designed existing RC piers using fiber element analysis.
As internal and external seismic experiment results, the seismic performance of RC bridge piers is largely dependent on the ratio of lap-spliced bars to all longitudinal reinforcing bars in plastic hinge regions, and confining effects of transverse reinforcements. Capacity and displacement ductility of non-seismically designed existing RC piers are reduced by lap splices in plastic hinge regions. The provision for the lap splice of longitudinal reinforcing bars was not specified in KBDS (Korean Bridge Design Specifications) before the implementation of 1992 seismic design code, but the ratio of lap-spliced bars to all longitudinal reinforcing bars in plastic hinge regions is restricted to 50% in the 2005 version of KBDS. This paper presents a seismic assessment of RC piers at lap-splicing ratios of 0%, 50%, and 100%. Through a comparison of experimental and analytic results of RC piers, we introduce an appropriate ultimate strain of confined concrete in plastic hinge regions with lap-splices, and propose a method for estimating displacement ductility ratios of non-seismically designed existing RC piers using fiber element analysis.
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문제 정의
에 있어서도 이를 반영하여 교각의 연성능력을 평가하고 있지만 주철근 겹침이음 비율을 단순 유무에 따라서 구분하여 평가하고 있고 평가기법 또한 명확하게 정립되어 있지 못하다. 따라서 본 연구에서는 비내진 교각의 겹침이음 비율별 연성능력평가를 위하여 현재까지 국내에서 수행된 연구실험결과를 분석하고, 교각의 비선형성 및 주철근의 겹침이음을 고려하기 위하여 섬유요소(Fiber Element)를 이용한 단면해석으로 RC 교각의 연성능력 산정시 적절한 콘크리트의 극한변형률을 제안하였다.
본 연구에서는 비내진 교각의 겹침이음 비율별 연성능력 평가를 위하여 현재까지 국내에서 수행된 연구실험 결과와 모멘트-곡률해석에 의한 결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었으며, 표 8과 같은 기준을 제시하였다.
수행되지 않은 가상의 모델에 대한 변위연성도를 추정 하기 위하여 사용된 정밀해석방법은 지진하중과 같은 반복하중을 받는 철근콘크리트 교각의 비선형 이력거동 특성을 비교적 정확히 구현할 수 있는 비선형 유한요소프로그램인 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)를 사용하였다. 본 프로그램은 미국 버클리 대학의 Taylor 교수가 개발한 범용 유한 요소해석 프로그램인 FEAP(16)에 철근콘크리트 평면응력 요소, 경계면요소 및 겹침이음 철근요소 등(17-20)의 개발된 모듈을 조합하여 수행되는 유한요소해석 프로그램이다.(그림 4)
상기와 같이 국내 실험에서 수행된 연구실적 중 각 CASE 별로 일부 수행되지 않은 겹침이율 비율에 대한 변위연성도를 공인된 해석 S/W를 이용하여 추정하였다. 이는 콘크리트의 변형률 제어법에 의한 변위연성도 추정시 산출값과 비교하기 위해 실험치와 함께 정해의 목적으로 수행되었다.
제안 방법
주철근 겹침이음을 갖는 각각의 교각시험체의 거동특성을 구연하기 위해 사용된 유한요소 모델은 그림 5와 같다. 각각의 실험에서 수행되지 않은 겹침이음 비율에 대하여는 가상의 모델로 구분하였고 비선형 유한요소해석 결과를 추가하여 겹침이음 비율에 따른 교각의 연성능력 정도를 분석하였다.
상기와 같이 국내 실험에서 수행된 연구실적 중 각 CASE 별로 일부 수행되지 않은 겹침이율 비율에 대한 변위연성도를 공인된 해석 S/W를 이용하여 추정하였다. 이는 콘크리트의 변형률 제어법에 의한 변위연성도 추정시 산출값과 비교하기 위해 실험치와 함께 정해의 목적으로 수행되었다.
대상 데이터
FS시리즈는 비내진으로 설계 및 시공된 경기도 가평군의 국도상에 위치한 창촌교를 대상모델로 하였으며, 교각의 형상비는 휨-전단 복합거동이 예상되는 2.67인 실물크기 실험체이며 주철근 겹침이음은 각각 0%, 50%, 100%에 대하여 실험되었다.
기존 비내진 교각의 실험체중 소성힌지부의 주철근 겹침 이음 비율이 0%인 경우, 50%되어 있는 경우, 100%되어 있는 경우의 실험체를 대상으로 조사하였다. 조사 실험대상은 FS시리즈(11), NS시리즈(12), SC시리즈(13), N시리즈(14), 2.
실험결과로 부터 주철근 겹침이음 비율별 파괴양상 및 변위연성도 분포를 비교하면 다음과 같다. 실험모델 중 SC모델은 겹이음한 와이어를 사용하였고, 2.5N모델은 휨-전단파괴 시험체로 변위연성도가 작게 나타났다.
조사 실험대상은 FS시리즈(11), NS시리즈(12), SC시리즈(13), N시리즈(14), 2.5N, 3.5N시리즈(15) 등이다.
데이터처리
비선형 유한요소 해석 결과와 실험치와의 변위연성도 비교시 10%내의 유사한 결과를 얻을 수 있었다. 따라서 실험결과가 있는 변위연성도는 실험치를, 실험결과가 없는 가상의 모델은 RCAHEST결과를 이용하여 그림 8과 그림 9에서와 같이 겹침이음 비율별 변위연성도 분포특성과 변화추이를 비교하였다.
모멘트-곡률해석 기법에 대한 검증을 위하여 교각 실험체중 겹침이음 0%인 경우에 대한 결과를 표 4와 그림 11(FS 시리즈)과 같이 실험치와 비교하였다.
이론/모형
본 연구에서는 모멘트-곡률해석을 위하여 범용으로 사용되고 있는 교각단면 해석프로그램인 XTRACT(22)를 사용하였다. 이 프로그램은 그림 10과 같이 교각단면을 섬유요소로 분할하여 모델링함으로써 다양한 형태의 단면형태를 구현할 수 있으며 재료의 응력-변형도 관계 및 단면의 변형도 분포형상 가정에 기초해서 모멘트-곡률관계를 보다 정확하게 추적할 수 있다는 장점이 있다.
섬유요소는 철근콘크리트 기둥과 같은 부재를 해석하기 위해 개발된 유한요소로 어떤 구성방정식을 사용하는 가에 따라 모델의 정밀도가 크게 좌우된다. 본 연구에서는 콘크리트 재료모델로 횡방향 철근에 의해 구속된 콘크리트의 성질을 효과적으로 모사할 수 있고, 또한 구속효과가 없는 일반콘크리트와 주철근 외부의 덮개콘크리트(비구속 콘크리트)까지 일관성 있게 표현할 수 있는 Mander(8) 등이 제안한 콘크리트 모델을 사용하였으며, 철근의 응력-변형률 관계는 반복하중의 영향을 고려하기 위해 축방향철근의 인장실험 결과와 가장 잘 일치하는 단조하중에 대한 철근모델(23)을 기본으로 손혁수 등(24)에 의하여 제안된 수정-Shima모델을 사용하였으며, 모멘트-곡률의 전단력-변위로의 변환절차는 Priestle(9) 등이 제안한 식을 이용하였다.(그림 10)
수행되지 않은 가상의 모델에 대한 변위연성도를 추정 하기 위하여 사용된 정밀해석방법은 지진하중과 같은 반복하중을 받는 철근콘크리트 교각의 비선형 이력거동 특성을 비교적 정확히 구현할 수 있는 비선형 유한요소프로그램인 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)를 사용하였다. 본 프로그램은 미국 버클리 대학의 Taylor 교수가 개발한 범용 유한 요소해석 프로그램인 FEAP(16)에 철근콘크리트 평면응력 요소, 경계면요소 및 겹침이음 철근요소 등(17-20)의 개발된 모듈을 조합하여 수행되는 유한요소해석 프로그램이다.
5N시리즈(15) 등이다. 이 실험들은 구조물의 하중-이력, 비탄성에너지 소산능력과 파괴상태를 비교･평가하기에 가장 경제적이고 유용한 실험기법으로 알려진 준정적 실험(QuasiStatic Test)으로 수행되었다.
철근콘크리트 교각의 변위연성도(μΔ = Δu /Δy) 산정을 위한 항복점 및 극한점의 정의는 하중-변위의 관계에서 항복점이 뚜렷하지 않기 때문에 항복점을 결정하기 위해 여러 연구자들이 다양하게 정의를 하였는데, 이 중 그림 6과 같이 Paulay(21) 등이 제안한 방법을 기준으로 하였다.
성능/효과
겹침이음에 따른 연성능력의 추이는 실험치마다 사용된 교각의 재료특성과 단면에서의 철근배근상태, 그리고 부재의 기하학적 특성과 축하중비에 따라 서로 편차는 있지만 50% 겹침이음 연결의 경우 100% 겹침이음 연결에 비해 보다 높은 연성능력을 보유하고 있음을 확인할 수 있었다.
5N-SP10등 6개이다. 교각의 이력양상은 0% 및 50%인 경우와 비교시 연성능력 발휘 이전에 주철근 겹침이음부의 부착파괴에 의해 휨내력이 급격히 저하됨을 확인할 수 있으며 변위연성도 분포는 1.5～2.5로 조사되었다.
구속된 콘크리트의 극한변형률 εcu를 0.002로 제한하여 평가한 결과와 실험결과를 비교시 일부 높게 평가되는 경우가 있으나 전반적으로 1.30배 낮게 안전측으로 평가되었으며, 물론 SC1모델은 횡철근으로 겹이음한 와이어를 사용하였고, 2.5N-SP10모델은 휨-전단파괴 모델이므로 실험에 의한 변위연성도가 작게 나타났다.
구속된 콘크리트의 극한변형률 εcu를 0.003으로 제한하여 평가한 결과는 실험결과보다 평균적으로 1.30배 낮게 평가 되어 안정적인 결과가 산출되었다.
따라서 표 8과 같이 구속된 콘크리트의 극한변형률 εcu를 0.002로 제한하고 계산된 변위연성도가 1.5 를 초과할 시에는 실험 결과중 최저치인 1.5이내로 제한하는 것이 바람직할 것으로 사료된다.
5N-SP05등 6개이며, 이력양상은 0%인 경우와 비교시 교각의 소성힌지 형성후 휨에 대한 콘크리트의 박리 및 겹침이음부에서 주철근 부착파괴에 의해 휨에 대한 내력이 저하됨을 확인할 수 있다. 변위연성도는 2.5～3.0의 분포로 조사되었으며 0%인 경우와 비교시 낮은 수준이지만 100%인 경우와 비교시는 어느 정도 연성능력이 있음을 실험결과에서 확인할 수 있다.
속된 콘크리트의 극한변형률 εcu를 0.004로 제한하여 평가한 결과는 실험결과보다 평균적으로 1.70배 낮게 평가 되어 안정적인 결과가 산출되었다.
30배 낮게 평가 되어 안정적인 결과가 산출되었다. 실험결과에서와 같이 겹침이음이 50%인 경우 0%인 경우보다는 낮은 연성능력을 보이지만 100% 겹침이음을 가진 경우와 비교시는 다소 안정적인 연성능력을 확보하고 있으므로 단순 겹침이음 구분만을 고려하여 평가되는 기존 요령(1)은 평가에 있어 매우 보수적인 결과가 초래됨을 확인할 수 있다.
를 사용하였다. 이 프로그램은 그림 10과 같이 교각단면을 섬유요소로 분할하여 모델링함으로써 다양한 형태의 단면형태를 구현할 수 있으며 재료의 응력-변형도 관계 및 단면의 변형도 분포형상 가정에 기초해서 모멘트-곡률관계를 보다 정확하게 추적할 수 있다는 장점이 있다.
후속연구
또한, 단면해석의 정확도를 보다 높이기 위해 교각의 파괴모드(휨파괴, 전단파괴, 휨-전단파과), 단면형상(원형, 구형, 벽식교각)을 고려할 수 있는 기준을 정립하는 것이 향후의 과제라고 판단된다.
26이다. 또한, 실무에서 단면해석에 의한 교각의 연성능력 평가시 교각의 단면형상이나 파괴모 드와 관계없이 일률적으로 콘크리트 최대 압축변형률을 적용하게 되므로, 안전측의 기준을 적용하는 것이 바람직할 것으로 사료된다. 따라서 표 8과 같이 구속된 콘크리트의 극한변형률 εcu를 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RC교각의 연성능력은 무엇에 따라 다른가?
RC교각의 연성능력은 국내외의 실험을 통해 알려진 바와 같이 소성힌지 발생부에 위치한 주철근 겹침이음 비율 및 횡방향 구속철근이 보유한 횡구속력에 따라 차이를 보이고 있다. 그 중 내진설계가 반영되지 못한 기존 교각의 경우 소성힌지구간의 겹침이음 비율에 따라 강도 및 연성능력의 저하에 미치는 영향이 크다.
AASHTO는 콘크리트의 극한변형률을 몇으로 규정하고 있는가?
AASHTO(2)는 콘크리트의 극한변형률을 0.003으로 규정하고 있으며, 겹침이음의 경우 중약진지역(SPC A, B)에서는 명시규정이 없고, 강진지역(SPC C, D)에서는 교각중앙부만 겹침이음을 허용하도록 규정되어 있다. ATC-32(3), CALTRANS(4)의 경우 콘크리트 극한변형률 0.
RC교각의 연성능력에 관하여 내진설계가 반영되지 못한 기존 교각의 경우는 어떤 상태인가?
RC교각의 연성능력은 국내외의 실험을 통해 알려진 바와 같이 소성힌지 발생부에 위치한 주철근 겹침이음 비율 및 횡방향 구속철근이 보유한 횡구속력에 따라 차이를 보이고 있다. 그 중 내진설계가 반영되지 못한 기존 교각의 경우 소성힌지구간의 겹침이음 비율에 따라 강도 및 연성능력의 저하에 미치는 영향이 크다.
참고문헌 (24)
한국시설안전기술공단, "기존교량의 내진성능평가 및 향상요령", 건설교통부, 2004
AASHTO, Standard Specifications for Highway Bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials, 17th Ed., Washington, DC, USA, 2002
ATC-32, Improved Seismic Design Criteria for California Bridges, Provisional Recommendations, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996
Caltrans, Caltrans Seismic Design Criteria, Version 1.3, California Department of Transportation, Sacramento, USA, 2002
Eurocode 8 Part 2., Design Provisons for Earthquake Resistance of structures - Bridges. European Committee for Standardization; 2002
New Zealand Standard, Concrete Structures Standard - Part I Design of Concrete Structures, NZS3101, 1995
한국도로교통협회, "도로교설계기준", 건설교통부, 2005
Mander, J.B., Priestley, M.J.N., and Park, R., "Theoretical stress-strain model for confined concrete," Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 8, 1988, pp. 1804-1826
Taylor, R. L., FEAP - A Finite Element Analysis Program, Version 7.2, Users Manual, Volume 1 and Volume 2, 2000
Kim, T.H., Lee, K.M., Yoon, C.Y., and Shin, H.M., "Inelastic Behavior and Ductility Capacity of Reinforced Concrete Bridge Piers under Earthquake. I: Theory and Formulation," Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 129, No. 9, 2003, pp. 1199-1207
Kim, T.H., Kim, B.S., Chung, Y.S., and Shin, H.M., "Seismic Performance Assessment of Reinforced Concrete Bridge Piers with Lap Splices," Engineering Structures, Vol. 28, No. 6, 2006, pp. 935-945
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