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문제 정의
- (1994)(13)는 기둥의 전단강도를 콘크리트의 전단강도 축력에 의한 전단강도 및 횡철근(전단철근)의 전단강도 기여분으로 나누어 산정한 바 있다. 본 연구에서는 축력과 횡철근의 전단강도 기여분을 배제하고, 콘크리트에 의한 전단강도만을 산정하기 위하여 시험체에 횡철근을 배근하지 않고 축력도 재하하지 않았다.
- 특히 기둥의 초기 전단강도가 달라지면 연성도에 따른 전단강도 저하율을 신뢰성 있게 평가하기 힘들어진다. 이에 본 연구에서는 횡하중을 받는 중공단면 기둥의 초기 전단거동 특성을 살펴보기 위하여 형상비, 단면의 중공비 및 복부(Web)면적, 재하하중이 다른 시험체(총 7기)를 제작하여 실험적 연구를 수행하였다. 전단철근과 축력에 의한 전단강도의 영향을 배제하고 콘크리트만의 전단강도 특성을 살펴보기 위하여 시험체에 횡철근은 배근하지 않았으며 축력도 재하하지 않았다.
가설 설정
- 한편, 전단응력은 식 (13)과 같다. 계산의 편의를 위해 단면은 사각단면으로 가정한다.
제안 방법
- 이재훈 등(21)은 원형교각의 전단강도를 전단철근, 콘크리트, 축력의 기여분으로 나누어 계산하는 식을 제안하였으며 콘크리트가 부담하는 전단강도는 Prestley et al.(1994)가 제안한 식을 수정하여 연성도에 따른 전단강도감소계수(k)를 다르게 적용하였다. 그리고 신뢰도기반 도로교 내진설계기준안의 전단성능모델은 이재훈 등(21)이 제안한 모델과 콘크리트가 부담하는 전단강도는 동일하며 전단철근과 축력의 기여분을 다르게 적용하고 있다.
- 3.0인 기본 시험체 4기를 설계하였으며, 이에 추가하여 콘크리트 면적은 동일하지만 복부면적의 비율이 다른 시험체 1기, 양방향 반복하중을 재하하는 시험체 1기, 중공비 (Cyclic Load)가 60%인 시험체 1기 등 총 7기의 시험체를 설계·제작하였다.
- 7. 횡력을 받는 기둥의 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 형상비에 따라 선형으로 감소하는 전단평가식을 새롭게 제안하였다. 다른 연구자의 실험결과와 비교하여 제안된 전단평가식이 초기전단강도를 보다 정확(91%~110%)하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 횡력을 받는 일반적인 기둥에서는 전단균열에 앞서 휨균열이 먼저 발생하며, 이런 경우 역학적 특성과 실험결과를 바탕으로 하여 콘크리트 초기전단강도를 식 (29)와 같이 제안하였다. 그리고 다른 연구자의 실험결과(15)와 비교하여 제안식의 타당성을 검토하였다. 제안식의 특성에 따라 전단철근에 의한 영향이 작아 충분한 휨연성을 발휘하기 이전에 전단파괴가 발생하는 시험체를 대상으로 하였으며 중공단면 시험체가 없어서 중실 사각단면 시험체를 대상으로 하였다.
- 횡하중을 받는 중공단면 기둥의 콘크리트 전단강도 특성을 살펴보기 위하여 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 다양한 인자가 콘크리트 전단강도에 영향을 주지만 본 연구에서는 형상비(a/d)를 설계 주요변수로 선정하였고, 이에 추가하여 중공비, 복부면적 비율, 하중패턴을 부차적인 변수로 선정하여 시험체를 설계하였다. 시험체의 단면은 실제교각에서 많이 사용되는 중공비를 참조하여 중공비 40%를 기본모델로 하여 형상비가 각각 1.
- 실험결과로 부터 변수에 따른 전단강도 특성을 분석하였다. 또한, 기존의 다양한 전단평가식과 비교, 검토하여 특성을 분석하였으며, 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 새롭게 전단평가식을 제안하고 그 타당성을 평가하였다. 본 연구의 주요 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 축력에 의한 전단강도 기여분을 배제하기 위하여 축력은 재하하지 않고 수평력만 재하하였다. 수평력은 사진 1에서와 같이 스트로크(Stroke)가 ±300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위 제어로 재하하였다.
- 본 연구에서 수행된 시험체 7기와 다른 연구자의 시험체 6기, 총 13기에 대하여 전단평가식 중 가장 잘 맞는 식과 본 제안식을 사용하여 실험값과 평가식에 의한 전단강도의 비를 산정하여 비교하였다.
- 수평력은 사진 1에서와 같이 스트로크(Stroke)가 ±300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위 제어로 재하하였다.
- 다양한 인자가 콘크리트 전단강도에 영향을 주지만 본 연구에서는 형상비(a/d)를 설계 주요변수로 선정하였고, 이에 추가하여 중공비, 복부면적 비율, 하중패턴을 부차적인 변수로 선정하여 시험체를 설계하였다. 시험체의 단면은 실제교각에서 많이 사용되는 중공비를 참조하여 중공비 40%를 기본모델로 하여 형상비가 각각 1.5, 2.0. 2.
- 실험결과는 기존의 다양한 전단평가식과 비교·검토하여 특성을 분석하였으며 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 보다 합리적인 초기 전단평가식을 제안하고 타당성을 검토하였다.
- 전단철근과 축력에 의한 전단강도 기여를 배제하기 위하여 시험체에는 전단철근이 배근되지 않았고 축력도 재하되지 않았다. 실험결과로 부터 변수에 따른 전단강도 특성을 분석하였다. 또한, 기존의 다양한 전단평가식과 비교, 검토하여 특성을 분석하였으며, 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 새롭게 전단평가식을 제안하고 그 타당성을 평가하였다.
- 0C)에 대해서는 그림 3과 같이 반복하중을 재하하였다. 이 때 변위증폭은 한 사이클 (Cycle)당 0.2mm로 하였고 반복회수는 1회로 하였다.
- 횡하중을 받는 중공단면 기둥의 콘크리트 전단강도 특성을 살펴보기 위하여 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 다양한 인자가 콘크리트 전단강도에 영향을 주지만 본 연구에서는 형상비(a/d)를 설계 주요변수로 선정하였고, 이에 추가하여 중공비, 복부면적 비율, 하중패턴을 부차적인 변수로 선정하여 시험체를 설계하였다.
- 횡하중을 받는 중공단면 기둥의 콘크리트 초기전단강도 특성을 살펴보기 위하여 형상비(a/d)를 주요변수로 하고, 중공비, 복부(Web)면적 비율, 하중패턴을 부차적인 변수로 하는 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 전단철근과 축력에 의한 전단강도 기여를 배제하기 위하여 시험체에는 전단철근이 배근되지 않았고 축력도 재하되지 않았다.
대상 데이터
- 그리고 다른 연구자의 실험결과(15)와 비교하여 제안식의 타당성을 검토하였다. 제안식의 특성에 따라 전단철근에 의한 영향이 작아 충분한 휨연성을 발휘하기 이전에 전단파괴가 발생하는 시험체를 대상으로 하였으며 중공단면 시험체가 없어서 중실 사각단면 시험체를 대상으로 하였다. 검토 대상인 시험체의 재료특성, 단면제원 및 실험결과는 표 6과 같다.
성능/효과
- 1. 모든 시험체는 콘크리트 박리 및 종방향 철근의 좌굴과 같은 휨파괴의 특성 없이 경사균열의 진전 및 확대에 의해 파괴에 이르렀다. 휨해석 결과 시험체는 종방향 철근의 초기항복 이전 또는 직후에 파괴에 이르렀으며, 초기 경사균열 발생은 드리프트 비는 약 0.
- 2. 중공비가 같고 형상비가 다른 경우(H40A(1.5~3.0)), 형상비가 커질수록 최대내하력은 감소하였으며 또한 파괴 시의 드리프트 비도 다소 감소하였다. 형상비에 따른 최 대내하력은 선형 감소하는 경향을 보였다.
- 0. 2.5, 3.0인 4기의 실험결과를 비교한 것으로 형상비가 커질수록 최대내하력(V)은 감소한다. 그림5(b)는 변위를 드리프트비(Drift Ratio)로 정규화한 것으로 모든 시험체에서 유사한 초기강성을 나타내며, 드리프트 비가 0.
- 3. 형상비가 같고 중공비 40% 및 60%로 다른 경우(H40A1.5, H60A1.5), 중공비가 증가함에 따라 전단에 저항하는 콘크리트의 면적이 줄어 최대내하력은 감소하지만 전단면적(Ag)에 대한 전단강도는 각각 1.63(MPa), 1.57(MPa)로 중공비에 관계없이 거의 일정한 값을 갖는다.
- 5. 양방향 반복하중을 가한 경우의 최대내하력은 단조증가하중을 가한 경우의 약 83% 수준이다. 이는 양방향 반복하중에 의해 시험체 양측면에 휨균열이 발생하여 전단에 저항하는 콘크리트의 유효단면적이 감소하기 때문이다.
- 6. 다양한 전단평가식을 비교해 보면 연성도에 따른 전단강도 감소와 형상비에 따른 초기전단강도에서 상당한 차이를 나타내고 있다. 전단강도를 형상비(a/d)에 반비례하는 것으로 평가하는 Sezen식이 본 실험과 참고문헌의 시험체에 대해서 각각 강도비 0.
- 8. 횡력을 받는 기둥의 전단강도는 형상비와 축방향철근비, 그리고 변위연성도(μ)의 영향을 많이 받지만, 본 실험에서는 시험체에 전단철근이 배근되지 않고, 축방향철근비가 일정하여 변위연성도와 축방향철근비에 따른 전단강도 특성을 확인할 수 없었다.
- 전단저항면적은 An과 ACI 318에서는 복부면적(bwd)을 고려하고 있고 그 외의 식은 전단면적(Ag)의 80%을 유효면적(Ae)으로 하여 고려하고 있다. UCSD, USC, UCB, Sezen, UCSD-MO은 하중패턴이 반복하중에 근거한 제안식으로 콘크리트의 저항면적을 전단면적(Ag)이 아니라 반복하중에 의한 저항면적이 감소된 영향을 유효면적(Ae)으로 고려하고 있는 것으로 판단된다.
- 횡력을 받는 기둥의 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 형상비에 따라 선형으로 감소하는 전단평가식을 새롭게 제안하였다. 다른 연구자의 실험결과와 비교하여 제안된 전단평가식이 초기전단강도를 보다 정확(91%~110%)하게 예측할 수 있음을 확인하였다.
- 그림 5(e)는 콘크리트 단면적은 동일하지만 복부면적이 서로 다른 두 모델의 이력곡선이다. 두 모델에서 최대내하력은 거의 같아서 단면의 전단강도 산정 시 콘크리트 전체 단면적(Ag) 또는 이에 대한 일정 비율을 나타내는 유효면적(Ae)을 사용하는 것이 복부면적(bwd)을 사용하는 것 보다 합리적임을 알 수 있다. 그림 6(a), (b)는 시험체의 최대내하력을 시험체의 콘크리트 전단면적(Ag)과 복부면적(bwd)으로 나눈 것을 비교한 것으로 전단면적을 사용하는 경우가 복부면적을 사용한 경우보다 결과에 대한 분산도가 작아 이를 뒷받침하고 있다.
- 따라서 본 실험결과에서는 형상비 3.0까지는 콘크리트 전단저항력이 선형으로 감소되고 3.0이상에서는 그림 9의 점선과 같이 전단강도의 감소없이 동일하게 적용하는 것이 타당할 것으로 판단된다.
- 사진 2는 시험체의 파괴 형상이다. 모든 시험체에서 전형적인 휨파괴에서 나타나는 콘크리트 박리, 주철근의 좌굴과 같은 현상은 발생하지 않았고, 초기 경사균열 발생 후 균열의 폭이 확대되면서 큰 경사균열에 의한 전단파괴가 발생하였다. 모든 시험체가 그림 5에서와 같이 드리프트 비(Drift Ratio) 5% 전후에서 초기 경사균열이 발생하였으며 H40A2.
- 본 연구의 시험체 모두 하중이 증가함에 따라 경사균열이 확대되어 내하력 저하가 발생하였으며 형상비가 2.0이하에서는 기둥과 기초의 접합부에서 전단압축 파괴형상을 보였으며 H40A2.0, H40A2.5, H40A3.0에서는 가력부 위치에서의 전단인장파괴(부착파괴, Splitting 균열)도 관찰되었다.
- 본 제안식에 의한 평균 강도비는 0.98로 Sezen에 의한 평균 강도비 0.88보다 정확하게 전단강도를 평가하고 있다.
- 그림 5에서와 같이 모든 시험체에서 초기에 발생한 경사균열이 재하하중이 증가함에 따라 확대되면서 내하력이 저하되는 것으로 나타났다. 시험체의 파괴모드를 살펴보기 위하여 파이버(Fiber) 모델을 사용한 해석을 수행하여 종방향 철근이 항복을 시작하는 초기항복강도와 기둥의 휨강도를 산정하여 실험의 최대내하력과의 비를 산정하였다 기둥의 휨강도에 대한 최대내하력의 비(표 3의 ③/①)를 보면 모두 1.0을 넘지 않아 휨파괴 발생 전에 전단파괴가 발생함을 알 수 있다. 초기항복강도에 대한 최대내하력의 비(표 3의 ③/②)를 보면 모델 H60A1.
- 다양한 전단평가식을 비교해 보면 연성도에 따른 전단강도 감소와 형상비에 따른 초기전단강도에서 상당한 차이를 나타내고 있다. 전단강도를 형상비(a/d)에 반비례하는 것으로 평가하는 Sezen식이 본 실험과 참고문헌의 시험체에 대해서 각각 강도비 0.8~0.97과 0.72~1.04 수준으로 예측하여 비교적 잘 일치하였다. 그러나, 실험결과는 형상비에 선형 감소하기 때문에 형상비 2.
- 휨해석 결과 시험체는 종방향 철근의 초기항복 이전 또는 직후에 파괴에 이르렀으며, 초기 경사균열 발생은 드리프트 비는 약 0.5%정도이며 파괴 시의 변위연성도는 1.5 이하이다.
후속연구
- 횡력을 받는 기둥의 전단강도는 형상비와 축방향철근비, 그리고 변위연성도(μ)의 영향을 많이 받지만, 본 실험에서는 시험체에 전단철근이 배근되지 않고, 축방향철근비가 일정하여 변위연성도와 축방향철근비에 따른 전단강도 특성을 확인할 수 없었다. 향후 이에 대한 연구와 검증이 필요하다.
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