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문제 정의
- 본 연구에서는 주기하중을 받는 철근콘크리트 부재에서 발생하는 길이방향 인장변형의 메커니즘을 분석하고, 이를 토대로 길이방향 인장변형률을 예측할 수 있는 간편한 평가방법을 개발하였다. 다양한 실험결과와 비교를 통하여 제안된 방법의 정확성을 검증하였다.
가설 설정
- 길이방향 인장변형 평가를 위한 단순모델을 개발하기 위하여, 모든 소성변형이 소성힌지에 집중되고, 그 이외의 영역에서는 탄성변형만 발생하는 것으로 가정하였다. Fig.
- 단조하중을 받는 철근콘크리트 부재의 경우 길이방향 압축요소 LC의 변형률을 근사적으로 εlc = 0으로 가정할 수 있다.
제안 방법
- 는 강기둥-약보 (strong column-weak beam)로 설계된 철근콘크리트 모멘트 골조에서 반복적인 비탄성거동에 의하여 보 소성힌지에서 길이방향 인장변형이 발생되며, 이러한 보의 길이방향 인장변형이 저층부 기둥의 소성회전변형을 증가시킬 뿐만 아니라 기둥에 작용하는 전단력 및 휨모멘트를 증가시킬 수 있음을 지적하였다. 또한 길이방향 인장변형은 저층부 기둥의 상부에 소성힌지를 발생시키므로, 기둥 하부 뿐만 아니라 상부에도 연성상세 설계를 할 것을 제안하였다. Kim et al.
- 본 연구에서는 해석결과의 분석이 용이한 비선형 트러스 모델 (nonlinear truss model)8)을 이용하여 주기하중을 받는 철근콘크리트 보에 대한 비선형 해석을 수행하고, 주기거동시 길이방향 인장변형의 메커니즘을 분석하였다. 분석결과를 토대로 전단경간비, 재하이력, 단면배근상세 등에 따라 변하는 길이방향 인장변형의 크기를 구할 수 있는 간략화된 평가식을 개발하였다.
- 을 이용하여 주기하중을 받는 철근콘크리트 보에 대한 비선형 해석을 수행하고, 주기거동시 길이방향 인장변형의 메커니즘을 분석하였다. 분석결과를 토대로 전단경간비, 재하이력, 단면배근상세 등에 따라 변하는 길이방향 인장변형의 크기를 구할 수 있는 간략화된 평가식을 개발하였다.
- 주기하중을 받는 철근콘크리트 보에 발생되는 길이방향 인장변형의 메카니즘을 파악하기 위하여 모델링과 해석결과의 분석이 용이한 비선형트러스모델8)을 사용하여 비선형해석을 수행하였다. Fig.
- 2(a)에 나타냈다. 연결보는 부재 정중앙에서 모멘트가 0이므로, 연결보의 절반을 켄틸레버 보로 모델링하여 비선형 해석을 수행하였다. 휨철근으로 단면의 양단부에 각각 6개의 D13 (fy = 400 MPa) 철근이 배치되었고, 직각 방향의 전단철근비는 ρv = 0.
- 본 연구에서는 간편한 계산을 위하여 Fig. 5와 같이 철근의 제하거동을 3선형 곡선 (tri-linear curve)으로 간략화하여 σlc에 대응하는 εlc를 구하였다.
- 본 연구에서 제안된 방법은 소성힌지 영역에 전단철근이 충분히 배치된 보에 적용할 수 있다. Muguruma et al.
- 제안된 평가식은 전단경간비가 2.0 이상인 세장한 철근콘크리트 보에 적용할 수 있다. 전단경간비가 작은 부재와 또는 단면 중앙부에 복부철근이 배치되는 전단벽에 발생되는 길이방향 인장변형의 경우 향후 추가적인 연구가 필요하다.
- 9는 제안된 방법과 실험으로부터 구한 길이방향인장변형률 εl을 비교하여 보여주는데, 제안된 방법은 재하이력이 다른 철근콘크리트 보의 길이방향 인장변형률을 비교적 정확히 예측하였다. 그림에 나타난 바와 같이 KN2, KN3, KN4는 각각 ∆t = 20, 30, 40 (mm)의 변형에서 주기거동을 무한히 반복시킨 실험체인데, 제안된 방법은 변형에 따른 길이방향 인장변형률의 변화를 잘 예측하였다. 그러나 KN4의 경우 비탄성 변형 (변위비 8.
대상 데이터
- 해석대상 실험체는 Muguruma et al.9)의 세장한 연결보 BA5이다. BA5의 배근상세와 해석을 위한 트러스모델을 Fig.
- 실험체는 전단경간비가 2.0이며, 단면크기는 200 mm × 300 mm이고 양단부에 6D13의 휨철근이 각각 배치되었다.
- 실험체는 전단경간비가 2.5이며, 단면 크기는 200 mm × 200 mm이고 단면에 4D13 및 2D10의 휨철근이 배치되었다.
- 2(a)에 나타나 있다. 총 12개의 실험체가 보고되었으나, 본 검증예제에서는 전단철근이 충분히 배근된 BA4-BA6, BA10-BA12 등 6개의 실험체를 고려하였다. 실험체는 전단경간비가 2.
- 4 MPa (BA10, BA11, BA12)이다. 보 실험체의 소성힌지 길이 lp로 단면의 유효폭 d (= 262 mm)을 사용하였다.
- 9는 Kinugasa and Nomura12)의 켄틸레버보에 대한 검증결과를 보여준다. 검증에 사용된 실험체는 KN2-KN5, KN8, KN9 등 6개이며, 모든 실험체는 동일한 형상 및 단면특성을 갖는다. 실험체는 전단경간비가 2.
- 4 MPa (KN3)이다. 보 실험체의 소성힌지의 길이 lp로 단면의 유효폭 d (= 170 mm)을 사용하였다.
데이터처리
- 제안된 길이방향 인장변형 평가식의 검증을 위하여 Muguruma et al.,9) Kinugasa and Nomura12) 등의 보실험 결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 주기하중을 받는 철근콘크리트 부재에서 발생하는 길이방향 인장변형의 메커니즘을 분석하고, 이를 토대로 길이방향 인장변형률을 예측할 수 있는 간편한 평가방법을 개발하였다. 다양한 실험결과와 비교를 통하여 제안된 방법의 정확성을 검증하였다. 주요 연구 결과를 요약하면 다음과 같다.
이론/모형
- 2(a)는 철근콘크리트 보의 비선형해석을 위한 트러스모델을 보여주는데, 길이방향, 직각방향, 그리고 대각방향 트러스요소로 보를 모델링하며, 각 트러스요소는 철근과 콘크리트로 구성된다. 재료의 비선형모델로서 인장균열이 있는 콘크리트의 인장-압축 주기거동과 철근의 바우싱거 효과 (Bauschinger effect)를 고려하는 주기모델을 사용한다. 자세한 모델링 방법과 철근 및 콘크리트 요소의 주기모델은 참고문헌8)에 나타나 있으며, 다양한 형태의 철근콘크리트 부재에 대한 비선형트러스모델 해석의 정확성은 참고문헌8)에서 이미 검증되었다.
- 8은 실험 및 제안된 방법으로 구한 소성힌지에서의 길이방향 인장변형률 εl과 횡변위의 관계를 비교하여 보여준다. 길이방향 인장변형률은 식 (5), (10), (11)에 의한 순차적 계산방법 (sequential method)과 식 (12)에 의한 직접적인 방법 (direct method)을 사용하여 예측하였다 (BA4에 대하여 길이방향 인장변형률을 구하는 예제를 부록C에 나타냈다). 그림에 나타난 바와 같이 제안된 방법에 의한 길이방향 인장변형률은 실험에 의한 값과 비교적 정확히 일치하였다.
성능/효과
- 길이방향 인장변형률은 식 (5), (10), (11)에 의한 순차적 계산방법 (sequential method)과 식 (12)에 의한 직접적인 방법 (direct method)을 사용하여 예측하였다 (BA4에 대하여 길이방향 인장변형률을 구하는 예제를 부록C에 나타냈다). 그림에 나타난 바와 같이 제안된 방법에 의한 길이방향 인장변형률은 실험에 의한 값과 비교적 정확히 일치하였다. 특히 식 (12)는 간단한 수계산을 통하여 반복적인 주기거동 동안 누적되는 길이방향 인장변형률을 비교적 정확히 예측하였다.
- 본 연구에서 개발된 길이방향 인장변형 평가방법은 본 예제에서 검증된 바와 같이 전단경간비가 2.0 이상이 세장한 보에 적용하는 것이 바람직하다. 전단경간비가 작은 경우 부재 전체에 비탄성변형이 발생되므로, 소성힌지에 모든 비탄성변형이 집중된다는 가정을 사용하는 제안된 평가식을 적용할 수 없다.
- 1) 철근콘크리트 부재에서는 휨철근의 인장 소성변형으로 인하여 소성힌지 영역에서 길이방향 인장변형이 발생된다. 특히 주기하중을 받는 철근콘크리트 보에서는 복부에 형성되는 대각 콘크리트 스트럿이 휨철근에 발생된 인장 소성변형률이 감소되는 것을 억제하므로, 주기거동이 반복됨에 따라 길이방향 인장변형이 증가한다.
- 2) 길이방향 인장변형은 휨변형이 증가함에 따라 증가된다. 동일한 휨변형에서 주기거동이 반복되는 경우 부재에 발생되는 길이방향 인장변형이 증가하지만 급격히 특정 값에 수렴한다.
- 3) 여러 비탄성 변형 단계에서 주기거동이 무한히 반복되는 경우 각 비탄성 단계에서 최종적으로 수렴된 길이방향 인장변형은 이전 단계의 재하이력에 관계없이 현 단계의 비탄성 횡변형으로부터 결정된다.
- 4) 다양한 재하이력을 갖는 보 실험체에 대하여 제안된 방법을 사용하여 길이방향 인장변형률을 예측한 결과, 대부분 실험결과와 잘 일치하였다. 다만, 과도한 비탄성변형으로 인하여 강도저하가 발생되거나 또는 전단철근이 항복하는 경우에는 부재의 길이방향 인장변형률이 과평가되는 보수적인 결과를 나타냈다.
후속연구
- 본 연구에서 개발된 길이방향 인장변형 평가식은 추후에 지진하중을 받는 철근콘크리트 골조의 정밀한 강도 및 변형능력의 추정에 활용될 수 있고, 또한 개별 부재의 강도 및 변형능력 평가와 소성힌지에서의 균열폭을 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 0 이상인 세장한 철근콘크리트 보에 적용할 수 있다. 전단경간비가 작은 부재와 또는 단면 중앙부에 복부철근이 배치되는 전단벽에 발생되는 길이방향 인장변형의 경우 향후 추가적인 연구가 필요하다.
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