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문제 정의
- 전체의 70% 비율을 차지하고 있었다. 따라서 내진설계되지 않은 33개의 비내진 교각 중 교축방향 지진에 의하여 소성힌지가 형성될 것으로 예상되는 교각 하단부에 축방향철근이 겹침이음된 교각의 비율을 조사하려 하였다. 그러나 축방향철근의 겹침이음 여부가 표시된 도면이 많지 않아 도면 조사로는 이를 확인할 수 없었다.
- 5kN을 목표로 하였으나 정확한 구속력을 측정할 수 없었다. 따라서 이 실험체는 강판과 볼트의 체결력을 이용한 보강효과의 가능성을 확인하기 위한 용도로 사용되었다. 보강작업순서는 그림 5에 나타내었다.
- 즉, 일반적으로 많이 사용되는 원형 또는 사각형 철근콘크리트 기등의 경우, 횡하중의 증가에 따라 인장변형률이 가장 큰 최 외단 철근부터 항복을 시작하여 그 다음 외단 위치의 철근으로 항복이 진행하기 때문에 뚜렷한 항복점이 나타나지 않고 곡선으로 나타난다. 따라서 항복점이 뚜렷하게 나타나지는 않지만 연성도의 평가에 꼭 필요한 항복점을 결정하기 위하여 이와 같은 방법을 적용하는 것이다.
- 본 연구에서는 축소모형 벽식 교각 실험체에 대한 약축방향 준정적 실험을 통하여 축방향철근 겹침이음된 비내진 벽식 교각의 거동특성을 파악하고 겹침이음이 있는 소성힌지구간의 효과적인 보강개념을 제시하고자 한다.
- 비내진 벽식 교각의 축소모형 실험체를 제작하기 위하여 국내 기존교량 중 벽식 교각으로 시공되어 있는 교량의 설계도면을 조사를 하였다. 그 중 중력식 교각과 설계도면이 존재하지 않는 교각을 제외한 47개 교각의 설계도면을 검토하였다.
- 실험체이다. 이 실험체를 통하여 강판과 볼트의 체결력을 이용한 보강효과를 확인함으로써, 벽식 교각의 보강방법으로 바람직한 방법인지를 파악하고자 하였다.
제안 방법
- 교각의 내진성능으로는 연성 능력이 가장 중요하므로 변위연성도를 중심으로 내진성능을 평가하였다.
- 0 이 되도록 벽체하단에서 1,500mm 높이로 하였다. 교축직각방향으로의 단면 폭은 1, 200mm 으로 단면 두께에 대한 폭의 비가 3.0 이상인 4.0 이 되도록 하였다. 조사된 벽식 교각의 축방향철근비는 표 1에 나타난 바와 같이 0.
- 수 있다. 따라서 5.2의 실험체에 대한 변위연성도 평가에서 극한점의 결정방법에 따른 차이점을 비교 분석하였다
- (10) 이 제안한 방법을 적용할 필요가 없다고 할 수 있으며, 이 방법이 오히려 왜곡된 분석결과를 제공할 수 있다고 판단된다. 따라서 5.2의 실험체에 대한 변위연성도 평가에서 항복점의 결정방법에 따른 차이점을 비교 분석하였다.
- 0 이하로 평가할 수 있을 것이다. 따라서 5.2의 실험체에 대한 변위연성도평가에서 이를 비교 분석하였다.
- 600mm와 800mm 두께가 가장 많았다. 따라서 실험장치의 용량과 실험장소의 여건을 고려하여 교축방향의 단면두께를 600mm로 선택하고 축소비율 1/2을 택하여 300mm로 설계하였다. 횡하중의 가력위치는, 전단작용의 영향을 받지 않고 휨으로 파괴되도록 하기 위하여, 높이-두께 비가 5.
- 띠철근의 간격은 조사된 교각의 겹침이음 구간내의 축방향철근량과 띠철근량의 비율을 검토하여 결정하였다. 이는 겹침이음구간 내에 몇 개의 띠철근이 배치되어 구속하고 있는지를 알아보기 위함이다.
- 먼저 겹침이음이 있는 구간에 볼트체결을 위한 천공 위치를 표시하고 축방향철근과 띠철근의 손상을 방지하도록 천공하였다. 수평 천공 간격은 축방향철근의 간격과 같은 140mm로 하였고 수직방향으로는 축방향철근의 겹침이음 구간 220mm 를 3등분 한 위치를 택하여 2열로 천공하였다.
- 천공 후에는 각 구멍에 볼트를 삽입하고 빈 공극을 채우기 위해 에폭시를 주입하였다. 벽체와의 유격을 방지하기 위하여 2차로 에폭시를 주입하고 마무리한 후 강종 SM400의 두께 15mm, 높이 250mm, 폭 1200mm 인 강판을 설치하였다. 그 후 M16 고장력 볼트에 너트를 체결하여 구속력을 도입하였다.
- 실험 변수로는 축방향철근의 겹침이음 유무와 띠철근의 간격으로 하였다.
- 실험체 제작에 사용된 재료에 대하여 시험을 수행하였다. 콘크리트는 원주형 공시체 ("100 x200mm)를 제작하여 재하시험 시점에 KS F 2403, 2405에 따라 1000kN 용량의 UTM을 사용하여 압축강도 시험을 수행하였다.
- 수행하였다. 이때 축력이 작용하는 경우에 축방향철근의 부착슬립파괴가 지체될 수 있으므로, 가장 취약한 상태를 유도하기 위하여 축력을 가하지 않은 상태에서 반복횡하중을 가하였다.
- 따라서 경제적으로 벽식 교각을 보강하려면 연성 능력은 향상되지만 휨 강도가 증가되지 않는 방법이 바람직하다. 이러한 바람직한 보강방안의 하나로써 그림 4와 같이 강판과 볼트의 체결력에 의한 구속력으로 벽식 교각 하단부의 겹침이음부를 보강하여 축방향철근의 슬립 현상을 방지함으로써 연성 능력을 증진시 키는 방법을 선택하였다.
- 이에 따라 콘크리트의 설계기준강도는 하한 값을 선택하여 21MPa 를 목표로 계획하였다. 각 실험체의 축방향철근의 항복강도는 기존 벽식 교각의 특성을 고려하여 300MPa을 사용하였다 실험체의 제원과 실험 변수는 그림 1과 표 2에 나타내었다.
- 재하실험은 횡하중을 반복 가력하는 준정적 (Quasi-static) 실험을 수행하였다. 이때 축력이 작용하는 경우에 축방향철근의 부착슬립파괴가 지체될 수 있으므로, 가장 취약한 상태를 유도하기 위하여 축력을 가하지 않은 상태에서 반복횡하중을 가하였다.
- 0 이 되도록 하였다. 조사된 벽식 교각의 축방향철근비는 표 1에 나타난 바와 같이 0.2~1.67%의 범위이므로 그 평균값인 0.64%를 선택하였고 D13 철근을 단면 양측에 각각 140mm 간격으로 배근하였다.
- 수평 천공 간격은 축방향철근의 간격과 같은 140mm로 하였고 수직방향으로는 축방향철근의 겹침이음 구간 220mm 를 3등분 한 위치를 택하여 2열로 천공하였다. 천공 후에는 각 구멍에 볼트를 삽입하고 빈 공극을 채우기 위해 에폭시를 주입하였다. 벽체와의 유격을 방지하기 위하여 2차로 에폭시를 주입하고 마무리한 후 강종 SM400의 두께 15mm, 높이 250mm, 폭 1200mm 인 강판을 설치하였다.
- 횡하중은 최대변위용량이 ±300mm 인 500kN 용량의 가력기 (Actuator) 를 사용하였으며, 하중재하방식은 변위제어방식을 사용하였다. 횡변위를 기둥높이에 대한 비율8rft Ratio, 드리프트 비)로 표현할 때, 교각의 항복변위 값이 일반적으로 ±0.
- 따라서 실험장치의 용량과 실험장소의 여건을 고려하여 교축방향의 단면두께를 600mm로 선택하고 축소비율 1/2을 택하여 300mm로 설계하였다. 횡하중의 가력위치는, 전단작용의 영향을 받지 않고 휨으로 파괴되도록 하기 위하여, 높이-두께 비가 5.0 이 되도록 벽체하단에서 1,500mm 높이로 하였다. 교축직각방향으로의 단면 폭은 1, 200mm 으로 단면 두께에 대한 폭의 비가 3.
대상 데이터
- 수행하였다. 콘크리트는 원주형 공시체 ("100 x200mm)를 제작하여 재하시험 시점에 KS F 2403, 2405에 따라 1000kN 용량의 UTM을 사용하여 압축강도 시험을 수행하였다. 공시체는 기둥부분 3개, 기초부분 3개로 총 6개를 시험하였다.
- 이에 따라 콘크리트의 설계기준강도는 하한 값을 선택하여 21MPa 를 목표로 계획하였다. 각 실험체의 축방향철근의 항복강도는 기존 벽식 교각의 특성을 고려하여 300MPa을 사용하였다 실험체의 제원과 실험 변수는 그림 1과 표 2에 나타내었다. 여기서 실험체명의 PW 는 벽식 교각을 의미하며, Ne 단일 축방향철근을, L 은 겹침이음된 축방향철근을, 마지막 숫자 150과 60은 띠철근의 간격 (mm) 을 뜻한다.
- 이는 겹침이음구간 내에 몇 개의 띠철근이 배치되어 구속하고 있는지를 알아보기 위함이다. 검토결과 겹침이음 구간내의 축방향철근량에 대한 띠철근량의 비율은 0.05~2.62 범위로 평균 0.38 이었다 이 비율의 범위 중 평균값 0.38 과 그 2배인 0.76 을 선택하여 횡방향철근 단면적을 계산한 결과, 겹침이음 길이 내에 D10 철근이 각각 2개와 4개가 필요하였다 이에 따라 철근 상세와 첫 번째 띠철근의 위치 등을 고려하여 겹침이음 길이 내에 2개의 횡방향철근이 배치되는 실험체는 횡방향철근 간격을 150mm 로 하였고, 4개의 횡방향철근이 배치되는 실험체는 횡방향철근 간격을 60mm 로 하였다. 겹침이음 길이 내에 배치되는 횡방향철근의 간격과 위치는 그림 2에 나타나있다
- 콘크리트는 원주형 공시체 ("100 x200mm)를 제작하여 재하시험 시점에 KS F 2403, 2405에 따라 1000kN 용량의 UTM을 사용하여 압축강도 시험을 수행하였다. 공시체는 기둥부분 3개, 기초부분 3개로 총 6개를 시험하였다. 시험결과 압축강도는 기둥부분이 22.
- 조사를 하였다. 그 중 중력식 교각과 설계도면이 존재하지 않는 교각을 제외한 47개 교각의 설계도면을 검토하였다.
- 자료조사 및 설계도면 분석으로 도출된 벽식 교각의 자료를 바탕으로 그림 1과 같은 제원의 축소모형 실험체 5개를 제작하였다. 실험 변수로는 축방향철근의 겹침이음 유무와 띠철근의 간격으로 하였다.
- 3MPa이었다. 철근 인장시험은 KS B 0802에 따라 200kN 용량의 UTM을 사용하였다. 인장실험결과, 띠철근으로 사용된 D10의 항복강도는 407~416MPa 로 평균 409MPa 이었으며, 축방향철근으로 사용된 D13의 항복강도는 393~406MPa 로 평균 400MPa 이었다.
성능/효과
- 9(a) 는 겹침이음이 없는 단일 축방향철근 실험체의 포락곡선으로서, 띠철근량이 2.5배인 PW-N-60 실험체와 PW-N-150 실험체의 항복변위는 동일하지만, PW-N-60 실험체가 PW-N-150 실험체보다 횡하중 강도가 더 크고 미는 방향(push) 에서 극한변위가 더 크다는 것을 보여준다. 그림 9(b) 는 띠철근 수평간격이 60mm로 동일한 두 실험체의 포락선으로서, 축방향철근이 겹침이음된 PW-L-60 실험체가 PW-N-60 실험체보다 더 작은 변위에서 횡하중이 급격히 감소함을 나타내며, 미는 방향(push) 에서 항복변위에 도달하기 전에 기울기가 국부적으로 감소함을 나타낸다.
- 1. 단일 축방향철근을 사용한 실험체는 원형이나 사각형 기둥과는 달리 항복점이 뚜렷하게 나타났으므로, 이 점을 기준으로 연성도를 평가하는 것이 합리적이다.
- 2. 보강띠철근 없이 띠철근을 수직간격 150mm와 60mm로 배치하여, 현행 도로교 내진설계기준의 심부구속철근량보다 매우 적은 양이 배치된 경우라도 단일 축방향철근을 사용한 실험체는 각각 8.1과 9.7 의 변위연성도를 나타냄으로써 매우 큰 연성능력을 보였다.
- 3. 축방향철근이 겹침이음된 실험체는 항복변위보다 작은 변위에서 겹침이음부 축방향철근에 슬립이 발생하였으며, 최대 하중 이후 급격히 횡하중이 감소하였다.
- 4. 축방향철근이 겹침이음된 실험체에 대하여, 축방향철근의 슬립을 한계상태로 보지 않는 경우에는 띠철근 간격이 150mm와 60mm 인 시험체가 각각 1.6 과 2.7 의 변위연성도를 보이지만, 축방향철근의 슬립을 한계상태로 보는 경우 변위연성도는 1.0 이하라고 평가할 수 있다. 이미 시공된 벽식 교각에 대하여 내진성능을 평가할 때, 이와 같이 두 가지 다른 평가개념 중 어떤 것을 선정하느냐는 공학적 합리성과 내진보강의 경제성 등을 기초로 기술자들 간의 합의가 필요한 사항이라고 판단된다.
- 5. 축방향철근의 겹침이음부에 강판과 볼트로 구속력을 준 실험체는 보강 전의 변위연성도 2.8 이 보강 후 6.7 로 향상됨으로써, 휨강도를 증가시키지 않고 연성능력만을 증가시키는 보강효과를 확인하였다. 이 방법을 적용하여 보강설계를 수행하려면, 강판의 두께나 면적, 볼트의 배치형태 및 체결력 등을 결정하는 세부 지침을 도출하기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.
- 이것은 축방향철근 겹칩이음부에 대한 띠철근의 구속효과가 작은 경우에는 축방향철근 겹침이음부의 슬립에 의하여 벽체의 휨 변형이 상대적으로 적게 발생하였다는 것을 의미하며, 띠철근이 증가된 경우에는 축방향철근겹침이음부의 슬립 및 부착파괴가 지체되어 벽체의 휨 변형이 상대적으로 크게 발생하였다는 것을 의미한다. 그러나 축방향철근이 벽체 하단에서 겹침이음된 경우에는 띠철근량을 증가시킴으로써 강도 저하의 시점을 다소 늦출 수는 있으나 궁극적으로 부착파괴를 방지할 수는 없음을 확인하였다.
- 그 후 축방향철근은 압축과 인장이 반복되다가 인장력이 작용할 때 파단되었다. 띠철근의 간격이 60mm 인 PW-N-60 실험체는 횡변위가 증가하면서 다수의 축방향철근이 동시에 파단된 반면, 띠철근의 간격이 150mm 인 PW-N-150 실험체는 횡변위가 증가하면서 축방향철근이 하나씩 순차적으로 파단되는 현상을 보였다. 이것은 띠철근의 간격이 큰 경우 횡구속 효과가 균일하지 못해서 보이는 현상으로 판단된다.
- 벽식 교각의 설계도면 자료조사 결과는 표 1과 같이, 교축방향으로의 단면두께 0.6~2.2m, 높이 2.4~10m, 축방향철근 지름 D13~D29, 축방향철근비 0.2~1.67%, 띠철근 지름 D13~D22, 띠철근 간격 150~400mm, 콘크리트의 설계기준압축강도 21~27MPa 의 범위를 보였으며, 철근의 항복강도는 300MPa 이었다.
- 전혀 배근되지 않은 경우도 있었다. 보강띠철근이 배근된 경우라도 내진설계기준에 따른 심부구속철근이 설계된 것이 아니기 때문에 보강띠철근의 갈고리가 내진상세를 만족하지 못하며 수평간격도 매우 넓어서 보강띠철근으로서의 역할은 하지 못하고 조립용 철근의 용도로 배치된 것으로 보는 것이 타당하다고 판단되었다.
- 2 에서 제안한 방법에 따른 보강 실험체의 분석결과는 표 7에 나타나 있으며, 보강 전의 PW-L-150와 겹침이음이 없는 PW-N-150 실험체와 비교된다. 보강실험체의 항복변위는 단일 축방향철근의 실험체의 평균값과 동일하게 11.3mm으로 나타났으며, 변위연성도는 7.0 과 6.3 으로 평균 6.7 을 나타내었다. 이 값은 PW-N-150 실험체의 변위연성도 8.
- 시공시기에 대한 조사 결과, 47개의 벽식 교각 중 내진설계기준이 시행되지 않았던 1990년대 초에 완공된 것이 33개로 전체의 70% 비율을 차지하고 있었다. 따라서 내진설계되지 않은 33개의 비내진 교각 중 교축방향 지진에 의하여 소성힌지가 형성될 것으로 예상되는 교각 하단부에 축방향철근이 겹침이음된 교각의 비율을 조사하려 하였다.
- 공시체는 기둥부분 3개, 기초부분 3개로 총 6개를 시험하였다. 시험결과 압축강도는 기둥부분이 22.3~23.4MPa 로 평균 23MPa이었고, 기초부분이 17.6~18.7MPa로 평균 18.3MPa이었다. 철근 인장시험은 KS B 0802에 따라 200kN 용량의 UTM을 사용하였다.
- 실험을 수행하는 동안에 철판으로 보강한 부분 내부의 변화를 육안으로 관찰할 수 없었으나, 포락선의 형태로 보아 축방향철근 겹침이음부의 슬립 및 부착파괴의 진행을 완벽히 방지하지는 못하여 변위증가에 따라 횡하중이 서서히 감소한 것으로 추측된다. 5.
- 이와 같은 결과로, 축방향철근의 겹침이음부에 강판과 볼트로 구속력을 주는 경우 겹침이음부의 슬립을 지체시킬 수 있다는 것을 의미하므로, 휨강도를 증가시키지 않고 연성능력만을 증가시키는 보강효과를 확인할 수 있었다. 그러나 이 방법을 적용하여 보강설계와 보강작업을 수행하려면 강판의 두께나 면적, 볼트의 배치형태 및 체결력 등을 결정하는 세부 지침을 도출하기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.
- 철근 인장시험은 KS B 0802에 따라 200kN 용량의 UTM을 사용하였다. 인장실험결과, 띠철근으로 사용된 D10의 항복강도는 407~416MPa 로 평균 409MPa 이었으며, 축방향철근으로 사용된 D13의 항복강도는 393~406MPa 로 평균 400MPa 이었다.
- 제안하는 방법을 적용한 경우에는 표 5에 나타난 바와 같이, 변위연성도가 PW-N-150 실험체의 경우 8.2와 8.0 으로 평균 8.1 이며, PW-N-60 실험체의 경우 9.6과 9.9로 평균 9.7 이다. 이 값은 일반적인 방법을 적용한 경우의 변위연성도에 비하여 작은 값으로 비내진 교각에 대한 평가방법으로 더 합리적이고 안전측인 결과를 제공한다고 판단된다.
- 나타낸다. 축방향철근에 겹침이음이 없는 PW-N-150 과 PW-N-60 실험체는 축방향철근의 파단으로 최대하중이 감소하기 직전까지 강도를 유지하는 내진 성능을 확인할 수 있었다. 띠철근의 수직간격이 150mm 인 실험체는 축방향철근이 하나씩 순차적으로 파단되면서 그림 8(a) 와 같이 최대하중이 점차 감소한 반면, 띠철근 수직간격이 60mm 인 실험체는 축방향철근이 동시에 파단되어 그림 8(b) 와 같이 최대하중이 급격히 감소하였다.
- 축방향철근이 겹침이음된 PW-L-150 과 동일한 실험체를 강판과 볼트로 보강한 PW-L-150-R 실험체의 하중-변위곡선을 그림 13에 실선으로 나타내었다 보강한 실험체는 하중-변위 포락곡선 상에서 변곡점의 항복변위가 뚜렷이 나타났으며 연성능력이 크게 향상되었다. 즉, 당기는 방향(pull 에서는 단일 축방향철근을 사용한 PW-N-150 실험체보다 다소 작은 횡하중으로 큰 변위까지 강도가 유지되다가 하강하지만, 미는 방향(push)에서는 PW-N-150 실험체보다도 큰 횡하중으로 큰 변위까지 강도가 유지되다가 하강하였다.
- 횡하중 감소 변위에 대한 성능평가를 보수적으로 하여 미는 방향(push) 가력에서의 횡하중 감소 변위를 비교하면, PW-L-150 실험체는 변위 20mm(drift 1.3%) 이후에 횡하중이 감소된 반면, 띠철근의 수직간격이 60mm로 150mm 간격보다 철근량이 2.5 배(겹침이음 구간 내의 띠철근 수는 2배)인 PW-L-60 실험체는 하중 감소가 지체되어 변위 30mm(drift 2%) 이후에 횡하중이 감소하였다.
후속연구
- 그러나 이 방법을 적용하여 보강설계와 보강작업을 수행하려면 강판의 두께나 면적, 볼트의 배치형태 및 체결력 등을 결정하는 세부 지침을 도출하기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.
- 간의 합의가 필요한 사항이라고 판단된다. 다만 안전측인 평가를 기본 개념으로 한다면, 모든 축방향철근이 벽체하단에서 겹침이음된 상태로 시공된 벽식 교각의 연성도는 1.0 으로 판정하는 방안을 채택할 수 있을 것이다
- 7 로 향상됨으로써, 휨강도를 증가시키지 않고 연성능력만을 증가시키는 보강효과를 확인하였다. 이 방법을 적용하여 보강설계를 수행하려면, 강판의 두께나 면적, 볼트의 배치형태 및 체결력 등을 결정하는 세부 지침을 도출하기 위한 추가 연구가 필요할 것이다.
- 즉, 그림 9(b) 와 그림 12에 나타난 바와 같이 축방향철근의 슬립이 발생하더라도, 제한적이긴 하지만 겹침이음이 없는 실험체와 동일한 횡하중을 유지하다가 횡하중이 감소하므로 겹침이음이 없는 실험체에 적용하는 방법을 그대로 적용할 수 있을 것이다. 이것은 축방향철근의 슬립을 한계상태로 보지 않는 경우인데, 그 평가결과는 표 6과 같다 여기서 겹침이음이 없는 실험체와의 비교를 위한다면, 항복변위로 동일한 값을 적용하는 것이 합리적일 것이다.
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