현행 도로교설계기준의 철근콘크리트 교각 심부구속 횡방향철근량 산정식은 중심축력을 받는 기둥에서 콘크리트 피복이 탈락된 후 콘크리트 심부만으로 저항하는 축강도가 콘크리트 피복이 탈락되기 이전의 축강도 이상이 되기 위하여 필요한 횡구속 철근비로서 콘크리트 압축강도, 횡방향철근 항복강도 및 단면적비율을 주요변수로 고려하고 있다. 이들 변수 중 피복두께에 따라 달라지는 전체단면적과 심부단면적의 단면적비율은 압축파괴 영역에서의 강도발현 측면을 고려한 변수이므로 교각과 같이 작용축력이 상대적으로 낮아 축력보다는 모멘트에 의해서 지배되는 인장파괴 영역의 연성거동 측면에서는 단면적비율이 미치는 영향은 크지 않다. 그러나 설계기준의 횡방향철근량 산정식 자체가 교각의 내진거동에 중요한 요소인 연성능력을 직접적으로 고려한 식이 아니기 때문에 단면크기가 상대적으로 작은 경우 또는 내구성 등의 확보 차원에서 콘크리트 피복두께가 증가하여 단면적비율이 과도하게 커지는 경우에는 교각의 시공성 및 경제성이 저하될 정도로 많은 횡방향철근량이 요구되는 문제점을 야기한다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 피복두께가 심부구속 횡방향철근량 산정식에 미치는 영향을 비교, 분석하고 보다 합리적인 내진설계를 위한 심부구속 횡방향철근량 산정식을 수정 제안하였으며 국내 외에서 수행된 실험 결과를 바탕으로 제안식의 안전율 및 타당성을 검증하였다.
현행 도로교설계기준의 철근콘크리트 교각 심부구속 횡방향철근량 산정식은 중심축력을 받는 기둥에서 콘크리트 피복이 탈락된 후 콘크리트 심부만으로 저항하는 축강도가 콘크리트 피복이 탈락되기 이전의 축강도 이상이 되기 위하여 필요한 횡구속 철근비로서 콘크리트 압축강도, 횡방향철근 항복강도 및 단면적비율을 주요변수로 고려하고 있다. 이들 변수 중 피복두께에 따라 달라지는 전체단면적과 심부단면적의 단면적비율은 압축파괴 영역에서의 강도발현 측면을 고려한 변수이므로 교각과 같이 작용축력이 상대적으로 낮아 축력보다는 모멘트에 의해서 지배되는 인장파괴 영역의 연성거동 측면에서는 단면적비율이 미치는 영향은 크지 않다. 그러나 설계기준의 횡방향철근량 산정식 자체가 교각의 내진거동에 중요한 요소인 연성능력을 직접적으로 고려한 식이 아니기 때문에 단면크기가 상대적으로 작은 경우 또는 내구성 등의 확보 차원에서 콘크리트 피복두께가 증가하여 단면적비율이 과도하게 커지는 경우에는 교각의 시공성 및 경제성이 저하될 정도로 많은 횡방향철근량이 요구되는 문제점을 야기한다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 피복두께가 심부구속 횡방향철근량 산정식에 미치는 영향을 비교, 분석하고 보다 합리적인 내진설계를 위한 심부구속 횡방향철근량 산정식을 수정 제안하였으며 국내 외에서 수행된 실험 결과를 바탕으로 제안식의 안전율 및 타당성을 검증하였다.
An equation for calculating confining reinforcement amount of RC bridge columns, specified in the current bridge design codes, has been made to provide additional load-carrying strength for concentrically loaded columns. The additional load-carrying strength will be equal to or slightly greater than...
An equation for calculating confining reinforcement amount of RC bridge columns, specified in the current bridge design codes, has been made to provide additional load-carrying strength for concentrically loaded columns. The additional load-carrying strength will be equal to or slightly greater than the resistant strength of a column against axial load, which is lost because the cover concrete spalls off. The equation considers concrete compressive strength, yield strength of transverse reinforcement, and the section area ratio as major variables. Among those variables, the section area ratio between the gross section and the core section, varying by cover thickness, is a variable which considers the strength in the compression-controlled region. Therefore, the cross section ratio does not have a large effect in the aspect of ductile behavior of the tension-controlled region, which is governed by bending moment rather than axial force. However, the equation of the design codes for calculating confining reinforcement amount does not directly consider ductile behavior, which is an important factor for the seismic behavior of bridge columns. Consequently, if the size of section is relatively small or if the section area ratio becomes excessively large due to the cover thickness increased for durability, too large an amount of confining reinforcement will be required possibly deteriorating the constructability and economy. Against this backdrop, in this study, comparison and analysis were performed to understand how the cover thickness influences the equation for calculating the amount of confining reinforcement. An equation for calculating the amount of confining reinforcement was also modified for reasonable seismic design and the safety. In addition, appropriateness of the modified equation was examined based on the results of various test results performed at home and abroad.
An equation for calculating confining reinforcement amount of RC bridge columns, specified in the current bridge design codes, has been made to provide additional load-carrying strength for concentrically loaded columns. The additional load-carrying strength will be equal to or slightly greater than the resistant strength of a column against axial load, which is lost because the cover concrete spalls off. The equation considers concrete compressive strength, yield strength of transverse reinforcement, and the section area ratio as major variables. Among those variables, the section area ratio between the gross section and the core section, varying by cover thickness, is a variable which considers the strength in the compression-controlled region. Therefore, the cross section ratio does not have a large effect in the aspect of ductile behavior of the tension-controlled region, which is governed by bending moment rather than axial force. However, the equation of the design codes for calculating confining reinforcement amount does not directly consider ductile behavior, which is an important factor for the seismic behavior of bridge columns. Consequently, if the size of section is relatively small or if the section area ratio becomes excessively large due to the cover thickness increased for durability, too large an amount of confining reinforcement will be required possibly deteriorating the constructability and economy. Against this backdrop, in this study, comparison and analysis were performed to understand how the cover thickness influences the equation for calculating the amount of confining reinforcement. An equation for calculating the amount of confining reinforcement was also modified for reasonable seismic design and the safety. In addition, appropriateness of the modified equation was examined based on the results of various test results performed at home and abroad.
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문제 정의
그러나 손혁수와 이재훈11,12)이 제안한 횡구속철근량 산정식 (식 (4)~(8)) 역시 단면적비율을 변수로 고려하고 있어 전술한 바와 같이 단면지름이 상대적으로 작거나 콘크리트 피복두께가 과도하게 큰 단면의 경우에는 합리성이 다소 결여된 설계결과를 초래할 수 있다. 따라서 본논문에서는 피복두께 또는 단면적비율의 변화에 따른 횡방향철근량 산정식의 합리성 여부를 분석하기 위한 해석적 연구13)를 수행하였으며, 현행 설계기준의 횡방향철근량 산정식이 축하중강도 발현에 근거하고 있으므로 피복두께의 변화에 따른 축하중 및 모멘트 저항강도를 중심으로 비교, 분석하였다. 또한, 분석 결과를 바탕으로 손혁수와 이재훈11,12)이 제안한 소요연성도를 고려한 횡구속철근량 산정식을 수정 제안하였으며, 국내·외 연구자들의실험 결과를 바탕으로 수정 제안식의 안전율을 분석하였다.
제안 방법
또한, 분석 결과를 바탕으로 손혁수와 이재훈11,12)이 제안한 소요연성도를 고려한 횡구속철근량 산정식을 수정 제안하였으며, 국내·외 연구자들의실험 결과를 바탕으로 수정 제안식의 안전율을 분석하였다.
설계 절차는, (1) 차량하중 등 중력방향상시하중에 대한 교각기둥의 설계로 축방향철근을 배근하고, (2) 기둥단면의 공칭휨강도 (Mn)에 대한 탄성지진모멘트 (Mel)의 비율로 소요응답수정계수 (req'd R)를 정한 후 교량의 고유주기를 고려하여 소요연성도를 결정하며, (3) 소요연성도를 발휘할 수 있는 양의 심부구속철근을 식 (4)~(8)11,12)로 결정하여 배근한다.
또한 식 (4)는 소요연성도를 직접 고려하고 있지만, 단면적비율을 고려한 변수로 인하여 경우에 따라서는 합리성이 떨어지는 설계 결과를 제공할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 피복두께에 따라 과도하게 요구되는 횡구속철근량의 문제를 해결하기 위해 손혁수와 이재훈의 횡구속철근량 산정식 (식 (4))을 수정하여 식 (9)를 제안한다. 수정 제안식은 일반적인 교각의 단면적비율이 1.
횡구속철근량 수정 제안식의 타당성을 검증하기 위해원형 철근콘크리트 기둥의 실험적 연구 결과를 토대로 실험에 의한 변위연성도와 식 (9)의 수정 제안식을 사용한 변위연성도를 비교하여 수정 제안식의 안전율을 분석하였다. 분석대상 실험체는 이재훈 등14)의 연구 결과에 사용된 총 89개 (국내 63개, 국외 26개)의 원형기둥 실험체로서, 축방향철근의 연결부가 없고 횡방향철근으로는 나선철근 또는 원형띠철근이 배근된 실험체들이다.
2)콘크리트 피복두께에 따른 횡구속철근량 산정식의비합리적인 문제를 해결하기 위해 손혁수와 이재훈이 제안한 소요연성도를 고려한 횡구속철근량 산정식을 수정한 수정식을 제안하였다.
대상 데이터
횡구속철근량 수정 제안식의 타당성을 검증하기 위해원형 철근콘크리트 기둥의 실험적 연구 결과를 토대로 실험에 의한 변위연성도와 식 (9)의 수정 제안식을 사용한 변위연성도를 비교하여 수정 제안식의 안전율을 분석하였다. 분석대상 실험체는 이재훈 등14)의 연구 결과에 사용된 총 89개 (국내 63개, 국외 26개)의 원형기둥 실험체로서, 축방향철근의 연결부가 없고 횡방향철근으로는 나선철근 또는 원형띠철근이 배근된 실험체들이다. 실험체의 각 변수 범위는 Table 3에 나타내었으며, Table 4에 각 실험체의 단면적비율, 콘크리트 압축강도, 축방향철근비, 횡구속철근비, 축력비, 형상비, 축방향철근과 심부구속철근의 항복강도 등 구체적인 변수 및 상세를 나타내었다.
데이터처리
3)수정 제안식의 타당성 및 안전율 검증을 위해 국내·외에서 수행된 89개 기둥 실험체의 변위연성도실험결과와의 비교, 분석을 수행하였다.
이론/모형
수정 제안식에 의한 변위연성도는 식 (11)을 이용하여 곡률연성도 예측값을 구한 후, 손혁수와 이재훈11)이 제안한 식 (12)의 곡률연성도와 변위연성도의 관계식을 이용하여 구하였다. 식 (11)은 곡률연성도와 횡구속철근량 및주요변수들의 상관관계를 나타낸 것으로서, 식 (9)의 α에식 (5)를 대입하고 곡률연성도를 구하기 위한 식으로 정리한 것이다.
성능/효과
2의 단면 ④와 ⑤는 단면지름이 2,000 mm로 전체단면적 (Ag)은 일정하지만 콘크리트 피복두께가 변화함에 따라 심부단면적 (Ac)이 변화하는 경우의 해석 결과를 나타낸 것이다. 즉, 단면 ④와 ⑤는 콘크리트 피복두께는 변화하지만 전체 단면적은 일정한 경우로서 축하중강도는 변화가 없으며 공칭휨강도는 피복두께 증가로 인해 심부콘크리트 지름이 감소하고, 그 결과 인장철근의 모멘트 팔거리가 감소하여 전체적인 공칭휨강도는 감소한다.
그러나 실험 결과와 비교한 안전율 (SF)은 모든 시험체에서 1.0 이상의 값을 나타내며, 피복두께가 상대적으로 큰 Petrovski 등의 시험체 (단면적비율 1.622)에 대해서도 1.57~2.22 범위의 안전율 (SF)을 나타내어 수정 제안식은 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 판단된다.즉, 수정 제안식은 현행 설계기준의 횡구속철근량 산정식의 문제점인 콘크리트 피복두께 변화에 따른 횡구속철근량의 비합리적인 설계 결과를 방지하고, 보다 합리적인 횡구속철근량 설계 결과를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
1)현행 설계기준의 횡구속철근량 산정식은 중심축하중을 받는 기둥의 거동에 바탕을 둔 단순식으로 단면의 강도 성능과 연성능력을 고려하지 않고 있기 때문에, 단면강도 성능이 다른 경우에도 단면적비율이 동일하면 동일한 횡구속철근량이 요구되는 비합리적인 결과를 제공한다. 즉, 단면지름이 상대적으로 작거나 내구성 확보 등의 이유로 피복두께가증가하여 단면적비율이 증가하는 경우에는 상대적으로 많은 횡구속철근량이 요구된다.
3)수정 제안식의 타당성 및 안전율 검증을 위해 국내·외에서 수행된 89개 기둥 실험체의 변위연성도실험결과와의 비교, 분석을 수행하였다. 분석 결과수정 제안식의 변위연성도 안전율은 모두 1.0을 초과하여 1.03~3.69 사이의 값을 보이며, 평균 변위연성도 안전율이 1.78로 나타남으로써, 수정 제안식에의한 횡구속철근량은 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단된다.
4)수정 제안식은 콘크리트 피복두께의 영향을 안전측이고 합리적으로 반영할 수 있을 뿐만 아니라 소요연성도를 고려한 연성도 내진설계법에 직접 적용이가능하고, 소요연성도가 작은 경우 수정 제안식에 따라 현행 도로교설계기준의 횡구속철근량보다 적은 양의 횡구속철근을 배근하더라도 파괴에 대한안전율이 충분한 것으로 판단된다.
후속연구
22 범위의 안전율 (SF)을 나타내어 수정 제안식은 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 판단된다.즉, 수정 제안식은 현행 설계기준의 횡구속철근량 산정식의 문제점인 콘크리트 피복두께 변화에 따른 횡구속철근량의 비합리적인 설계 결과를 방지하고, 보다 합리적인 횡구속철근량 설계 결과를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 교각 심부구속 횡방향철근량 산정식의 주요 변수는?
현행 도로교설계기준의 철근콘크리트 교각 심부구속 횡방향철근량 산정식은 중심축력을 받는 기둥에서 콘크리트 피복이 탈락된 후 콘크리트 심부만으로 저항하는 축강도가 콘크리트 피복이 탈락되기 이전의 축강도 이상이 되기 위하여 필요한 횡구속 철근비로서 콘크리트 압축강도, 횡방향철근 항복강도 및 단면적비율을 주요변수로 고려하고 있다. 이들 변수 중 피복두께에 따라 달라지는 전체단면적과 심부단면적의 단면적비율은 압축파괴 영역에서의 강도발현 측면을 고려한 변수이므로 교각과 같이 작용축력이 상대적으로 낮아 축력보다는 모멘트에 의해서 지배되는 인장파괴 영역의 연성거동 측면에서는 단면적비율이 미치는 영향은 크지 않다.
설계기준의 횡방향철근량 산정식가지는 문제점은?
이들 변수 중 피복두께에 따라 달라지는 전체단면적과 심부단면적의 단면적비율은 압축파괴 영역에서의 강도발현 측면을 고려한 변수이므로 교각과 같이 작용축력이 상대적으로 낮아 축력보다는 모멘트에 의해서 지배되는 인장파괴 영역의 연성거동 측면에서는 단면적비율이 미치는 영향은 크지 않다. 그러나 설계기준의 횡방향철근량 산정식 자체가 교각의 내진거동에 중요한 요소인 연성능력을 직접적으로 고려한 식이 아니기 때문에 단면크기가 상대적으로 작은 경우 또는 내구성 등의 확보 차원에서 콘크리트 피복두께가 증가하여 단면적비율이 과도하게 커지는 경우에는 교각의 시공성 및 경제성이 저하될 정도로 많은 횡방향철근량이 요구되는 문제점을 야기한다. 따라서 본 논문에서는 콘크리트 피복두께가 심부구속 횡방향철근량 산정식에 미치는 영향을 비교, 분석하고 보다 합리적인 내진설계를 위한 심부구속 횡방향철근량 산정식을 수정 제안하였으며 국내 외에서 수행된 실험 결과를 바탕으로 제안식의 안전율 및 타당성을 검증하였다.
피복두께 또는 단면적비율의 변화에 따른 횡방향철근량 산정식의 합리성 여부를 분석한 결과와 그에 따른 결론은?
1)현행 설계기준의 횡구속철근량 산정식은 중심축하중을 받는 기둥의 거동에 바탕을 둔 단순식으로 단면의 강도 성능과 연성능력을 고려하지 않고 있기때문에, 단면강도 성능이 다른 경우에도 단면적비율이 동일하면 동일한 횡구속철근량이 요구되는 비합리적인 결과를 제공한다. 즉, 단면지름이 상대적으로 작거나 내구성 확보 등의 이유로 피복두께가증가하여 단면적비율이 증가하는 경우에는 상대적으로 많은 횡구속철근량이 요구된다.
2)콘크리트 피복두께에 따른 횡구속철근량 산정식의비합리적인 문제를 해결하기 위해 손혁수와 이재훈이 제안한 소요연성도를 고려한 횡구속철근량 산정식을 수정한 수정식을 제안하였다.
3)수정 제안식의 타당성 및 안전율 검증을 위해 국내·외에서 수행된 89개 기둥 실험체의 변위연성도실험결과와의 비교, 분석을 수행하였다. 분석 결과수정 제안식의 변위연성도 안전율은 모두 1.0을 초과하여 1.03~3.69 사이의 값을 보이며, 평균 변위연성도 안전율이 1.78로 나타남으로써, 수정 제안식에의한 횡구속철근량은 충분한 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단된다.
4)수정 제안식은 콘크리트 피복두께의 영향을 안전측이고 합리적으로 반영할 수 있을 뿐만 아니라 소요연성도를 고려한 연성도 내진설계법에 직접 적용이가능하고, 소요연성도가 작은 경우 수정 제안식에따라 현행 도로교설계기준의 횡구속철근량보다 적은 양의 횡구속철근을 배근하더라도 파괴에 대한안전율이 충분한 것으로 판단된다.
참고문헌 (14)
한국도로교통협회, “도로교설계기준” 건설교통부, 2005.
Park, R. and Sampson, R. A., “Ductility of Reinforced Concrete Column Sections in Seismic Design,” ACI Journal Proceedings, Vol. 69, Issue 9, Sep. 1972, pp. 543-555.
Hognestad, E., A Study of Combined Bending and Axial Load in Reinforced Concrete Members, Bulletin 399, University of Illinois Engineering Experiment Station, Urbana, Ill, June 1951, 128 pp.
ACI Committee 318-71, Building Code Requirements for Reinforced Concrete, American Concrete Institute, Detroit, 1971, 78 pp.
ACI Committee 318, Building Code Requirements for Structural Concrete (318-05) and Commentary (318R-05), American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 2005.
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