본 연구는 SRC기둥-RC보 약축방향 접합부에 대한 구조성능 평가 실험 연구이다. 현재 국내현장에서 많이 사용하고 있는 약축방향 접합방식은 구조성능이 명확하게 규명되지 않은 방식이 많으며, 이에 대한 안전성 확보 여부의 검증 및 문제점에 대한 개선도 시급하다. 따라서 본 연구에서는 표준갈고리형 실험체 3개와 접합부 형상 개선 실험체 3개 등 총 6개의 실험체를 제작하였다. 표준갈고리형 실험체들은 기준실험체, 정착길이 보정 실험체, 쉬어코넥터 및 전단보강근에 의한 보강 실험체 등으로 구성되어 있다. 접합부 형상 개선 실험체들은 주철근배치 방식과 용접 그리고 정착길이 확보 실험체 등이다. 반복가력에 의한 실험을 통하여 하중-변위 곡선, 최대강도, 강도저감 등을 평가하였다. 실험결과, 표준갈고리형 실험체들은 RC보의 주철근이 기둥면 내 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴현상을 나타내었으며, 구조성능도 불량하였다. 그러나 새로운 접합부 형상 개선 실험체들은 표준갈고리형 실험체들과 같이 기둥면 내콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴현상도 나타나지 않았으며, 구조성능도 양호하였다.
본 연구는 SRC기둥-RC보 약축방향 접합부에 대한 구조성능 평가 실험 연구이다. 현재 국내현장에서 많이 사용하고 있는 약축방향 접합방식은 구조성능이 명확하게 규명되지 않은 방식이 많으며, 이에 대한 안전성 확보 여부의 검증 및 문제점에 대한 개선도 시급하다. 따라서 본 연구에서는 표준갈고리형 실험체 3개와 접합부 형상 개선 실험체 3개 등 총 6개의 실험체를 제작하였다. 표준갈고리형 실험체들은 기준실험체, 정착길이 보정 실험체, 쉬어코넥터 및 전단보강근에 의한 보강 실험체 등으로 구성되어 있다. 접합부 형상 개선 실험체들은 주철근배치 방식과 용접 그리고 정착길이 확보 실험체 등이다. 반복가력에 의한 실험을 통하여 하중-변위 곡선, 최대강도, 강도저감 등을 평가하였다. 실험결과, 표준갈고리형 실험체들은 RC보의 주철근이 기둥면 내 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴현상을 나타내었으며, 구조성능도 불량하였다. 그러나 새로운 접합부 형상 개선 실험체들은 표준갈고리형 실험체들과 같이 기둥면 내콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴현상도 나타나지 않았으며, 구조성능도 양호하였다.
An objective of this study is to evaluate the structural performance of the weak axis SRC column-RC beam joints by experiments. Although one of common joint types is the connection with standard hooks, it has been required to examine its safety and to settle problems of the joint among practical eng...
An objective of this study is to evaluate the structural performance of the weak axis SRC column-RC beam joints by experiments. Although one of common joint types is the connection with standard hooks, it has been required to examine its safety and to settle problems of the joint among practical engineers. Specimen types are classified into two categories, namely the type of standard hook and the type of shape improvement. The first one is consisted of three specimens which are reference type, development length modification type, and development length supplement type. Three specimens for shape improvement were made with variations on the arrangement of longitudinal reinforcements and the development length. Test results based on cyclic loadings were discussed with load-deflection curves, maximum strengths, strength degradations beyond the maximum. It was found that the standard hook types showed premature failures and consequent strength degradations due to splitting of joint concrete. However, satisfactory performance was obtained with the shape improvement type with wing-plate welding. No premature failures and strength degradations were detected with the specimens.
An objective of this study is to evaluate the structural performance of the weak axis SRC column-RC beam joints by experiments. Although one of common joint types is the connection with standard hooks, it has been required to examine its safety and to settle problems of the joint among practical engineers. Specimen types are classified into two categories, namely the type of standard hook and the type of shape improvement. The first one is consisted of three specimens which are reference type, development length modification type, and development length supplement type. Three specimens for shape improvement were made with variations on the arrangement of longitudinal reinforcements and the development length. Test results based on cyclic loadings were discussed with load-deflection curves, maximum strengths, strength degradations beyond the maximum. It was found that the standard hook types showed premature failures and consequent strength degradations due to splitting of joint concrete. However, satisfactory performance was obtained with the shape improvement type with wing-plate welding. No premature failures and strength degradations were detected with the specimens.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 국내 현장에서 사용하고 있는 SRC기둥-RC보 접합부 약축방향 접합부에 대한 실험 연구 수행을 통하여 구조성능을 평가하며, 향후 국내 SRC 기둥-RC보 약축방향 접합부의 표준상세를 제공하는 것을 연구의 목적으로 한다.
따라서, 본 연구에서는 기존 현장에서 사용하고 있는 접합상세 및 본 연구에서 제안하는 접합상세를 갖는 실험체에 대한 실험 연구를 통하여 각 접합부의 구조성능을 평가하였다.
제안 방법
본 연구에서는 이를 해결할 수 있는 하나의 대안으로 콘크리트구조설계기준의 규정에 따라 RC보 주철근의 정착길이를 확보할 수 있도록 보정하는 설계를 하였다 또한, 기존 연구1)에서 비교적 우수한 성능을 보여주었던 강축방향 넓은 보 실험체와 유사한 접합부 형상을 갖는 약축방향 접합부 실험체를 계획하였다. 실험체는 표준갈고리 상세 그룹과 접합부 형상 개선 그룹 등 두 가지의 그룹으로 구분하였으며 이를 Table 1에 정리하였다.
본 절에서는 실험 결과로부터의 하중-변위 이력 및 최대내력 도달 이후의 내력저하 등에 대한 거동을 비교 · 분석하였다.
본 절에서는 실험체의 연성능력을 평가하기 위하여 연성지수 (µ)를 사용하였다.
본 절에서는 실험 결과로부터의 하중-변위 이력 및 최대내력 도달 이후의 내력저하 등에 대한 거동을 비교 · 분석하였다. 서로 다른 설계조건을 갖는 실험체를 비교하기 위하여 실험 결과로부터의 하중 (층간전단력, V)은 각 실험체의 공칭모멘트 (Mn)를 모멘트팔 길이로 나누어 산정한 등가 공칭 층간전단력 (Vn,equivalent)으로 무차원화하였으며, 변위는 층간변위률 (%)로 무차원화하였다. 각 실험체의 무차원화된 하중-변위 곡선은 Figs.
에서 비교적 우수한 성능을 보여주었던 강축방향 넓은 보 실험체와 유사한 접합부 형상을 갖는 약축방향 접합부 실험체를 계획하였다. 실험체는 표준갈고리 상세 그룹과 접합부 형상 개선 그룹 등 두 가지의 그룹으로 구분하였으며 이를 Table 1에 정리하였다.
실험체의 설계에서도 현장의 조건과 유사하도록 SD500 철근을 사용하였다. 실험체의 내력은 기존 연구1)에서 우수한 성능을 보여준 강축방향 넓은보 형상과 유사하도록 설계하였다. 이상과 같은 절차에 의해 설계된 실험체 상세는 Figs.
WRC-FP 실험체는 일부 철근은 SRC기둥의 철골에 용접된 연결철판에 용접하고, 나머지 철근은 SRC 기둥의 철골 웨브에 미리 설치한 구멍을 통하여 관통하도록 배근한 실험체이다. 여기서 철골 기둥 웨브 구멍에 의한 단면 결손은 일본건축학회의 철골철근콘크리트 배근지침4)에서 규정하고 있는 단면결손의 제한 범위 이내가 되도록 하였다. WRC-FW 실험체의 일부 철근은 SRC 기둥 철골 웨브에 용접된 연결철판에 용접하고, 나머지 철근은 넓은 보를 이용하여 SRC기둥의 철골 옆으로 통과하도록 배근한 실험체이다.
9와 같이 보의 철근에 변형률게이지 (wire strain gage)를 부착하였다. 일반적으로 지하층 보-기둥 접합부는 지진하중 등의 횡력에 의한 부모멘트가 발생하지 않지만, 건물이 초고층화 되면서 횡력에 의해 지하 1층 등의 얕은 지하층의 경우 부모멘트가 발생할 가능성이 있어 본 연구에서는 Fig. 10과 같이 반복 가력을 계획하였다.
대상 데이터
표준갈고리 상세 그룹의 실험체는 현재 현장에서 일반적으로 사용되는 접합형상을 기준 실험체 (WRC-F0)로 하였다. RC보 주철근의 부족한 정착길이를 보정하하기 위하여 주철근을 추가로 배근한 실험체 (WRC-D0)와 보-기둥 접합부 콘크리트 구속을 위하여 쉬어코넥터와 전단보강근을 사용한 실험체 (WRC-FH)로 구성되어 있다.
이는 콘크리트구조설계기준 해설에 따르면 D19 이하의 이형철근과 이형철선의 경우, 정착길이를 20%까지 줄일 수 있고, 실제 현장에서도 주로 D22 이상의 철근을 사용하고 있기 때문이다. 또한 실험체의 축소율에 따라 철근의 직경을 줄이면 연구 결과를 실제 구조물에 적용하여 활용하는데 많은 어려움이 예상되기 때문에 D22철근을 사용하였다.
에 따라 설계하였다. 실험체 크기는 실험실 여건을 고려하여 2/3 축소율을 적용하였으나, 인장철근의 지름은 실험체의 크기 축소율에 준하지 아니하고, 정착길이 보정계수에 영향을 적게 미치는 D22 이상의 이형철근을 사용하였다. 이는 콘크리트구조설계기준 해설에 따르면 D19 이하의 이형철근과 이형철선의 경우, 정착길이를 20%까지 줄일 수 있고, 실제 현장에서도 주로 D22 이상의 철근을 사용하고 있기 때문이다.
이러한 이유로 현장에서는 고강도 (SD500) 및 대구경 철근을 사용하여 철근의 개수를 감소시킨다. 실험체의 설계에서도 현장의 조건과 유사하도록 SD500 철근을 사용하였다. 실험체의 내력은 기존 연구1)에서 우수한 성능을 보여준 강축방향 넓은보 형상과 유사하도록 설계하였다.
WRC-FA 실험체는 RC보철근의 표준갈고리 정착길이를 확보하기 위하여 약축방향으로 기둥 폭을 크게 확대한 실험체이다. 이상 6가지 접합 형상을 대상으로 가능한 실험 변수를 선정하였고, 실험체는 마산 OO빌딩의 지하2층 보-기둥 접합부를 대상으로 선정하였다.
표준갈고리 상세 그룹의 실험체는 현재 현장에서 일반적으로 사용되는 접합형상을 기준 실험체 (WRC-F0)로 하였다. RC보 주철근의 부족한 정착길이를 보정하하기 위하여 주철근을 추가로 배근한 실험체 (WRC-D0)와 보-기둥 접합부 콘크리트 구속을 위하여 쉬어코넥터와 전단보강근을 사용한 실험체 (WRC-FH)로 구성되어 있다.
이론/모형
실험체는 RC보의 인장철근이 연속 배근되었을 경우와 동일한 내력을 발휘하도록 콘크리트구조설계기준3)에 따라 설계하였다. 실험체 크기는 실험실 여건을 고려하여 2/3 축소율을 적용하였으나, 인장철근의 지름은 실험체의 크기 축소율에 준하지 아니하고, 정착길이 보정계수에 영향을 적게 미치는 D22 이상의 이형철근을 사용하였다.
연성지수 (µ)는 실험체의 파괴, 즉 각 실험체가 최대 내력의 75%까지 내력이 저하되었을 때의 구조물의 최대변위 (δmax)를 Park method6)에 의한 항복변위 (δy)로 나누어서 구하였고, 이를 비교한 도표를 Fig. 22에 나타내었다.
성능/효과
1) 표준갈고리 상세그룹의 실험체들 (WRC-F0, WRCD0, WRC-FH)은 모두 제안 상세그룹 실험체들 (WRCFP, WRC-FW, WRC-FA)에 비해 매우 열악한 구조적 성능을 갖고 있음이 확인되었다. 이는 RC보의주철근이 기둥면 내 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴 현상, 즉 주철근의 정착길이 부족 때문에 나타난 결과로 판단된다.
2) RC보 주철근의 정착길이 확보를 위하여 기존연구의 강축방향 접합부 형상을 응용하여 개선한 약축 방향 접합부 실험체들 (WRC-FP, WRC-FW, WRCFA)은 강축방향 넓은 보 접합부 형상을 갖는 실험체와 동일하거나 보다 우수한 구조적 성능을 보유하고 있음을 확인하였다.
3) 약축방향 접합부 상세 중에서 RC보의 일부 철근은 SRC기둥 철골의 측면으로 통과시키고 나머지는 연결철판에 용접한 WRC-FW 실험체와 일부 철근은 SRC기둥 철골의 웨브에 미리 설치에 놓은 구멍으로 관통시키고 나머지 철근은 연결철판에 용접한 WRC-FP 실험체는 그 구조성능이 모두 요구 구조 성능 이상인 것으로 확인되었기 때문에 실제 현장에 적용할 수 있다고 사료된다.
4) RC보 주철근의 정착길이 확보를 위하여 SRC기둥 단면 크기를 약축방향으로 증가시킨 WRC-FA 실험 체의 경우, 그 구조성능은 매우 우수한 것으로 나타났다. 그러나 RC보의 주철근 정착길이의 확보를 위해서 기둥 크기가 비정상적으로 커져야 할 우려가 있기 때문에 실제 현장에 적용하기에는 다소 무리가 따를 것으로 사료된다.
실험은 실험체의 파괴, 액츄에이터 변위의 한계 또는 최대 내력 이후 최대 하중의 75%까지 하중이 감소하는 경우에 종료하는 것으로 하였다.5) 기둥에 작용하는 수직 압축력은 기둥상부에 오일잭과 로드셀을 설치하고 강봉을 이용하여 축력 0.1fck Ag = 720 kN을 실험 종료 시까지 유지하였다.
이는 개선된 접합 형상을 갖는 약축방향 접합부 실험체의 접합상세는 RC보 주철근이 SRC기둥에 충분하게 정착되고 있음을 의미한다. 그리고 표준갈고리 상세그룹 실험체의 접합상세에서와 같이 기둥면 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴 현상이 효율적으로 방지되고 있는 것으로 나타났다. 이는 Figs.
그림에서 보는 바와 같이 표준갈고리 상세그룹의 실험체들 (WRC-F0, WRC-D0, WRC-FH)의 RC보 주철근 변형률이 0.2% 미만으로 항복변형률에 미치지 못한 상태에서 최대내력에 도달한 반면, RC보 주철근의 정착길이를 확보하기 위해 개선한 접합부 형상을 갖도록 제안된 상세그룹 실험체들 (WRC-FP, WRC-FW, WRC-FA)의 RC보 주철근 변형률은 모두 0.2% 이상으로 항복변형률을 상회하였을 때 최대내력에 도달하고 있었다.
24에는 실험체들 간의 강성을 비교하였는데, 그림에서 보는 바와 같이 개선된 접합부 형상을 갖도록 제안된 상세그룹 실험체들이 표준갈고리 상세그룹의 실험체들에 비해 우수한 강성을 보여주고 있다. 또한, 표준 갈고리 상세그룹의 실험체 중, 보강이 전혀 이루어지지 않은 기준실험체인 WRC-F0 실험체에 비해 RC보 주철근의 정착길이를 보정하여 부족한 정착길이 만큼 배근되 어야할 주철근을 추가로 배근한 WRC-D0 실험체와 보기둥 접합부 콘크리트의 구속을 위한 쉬어코넥터의 배치및 접합부 콘크리트를 구속하기 위한 전단보강근을 사용한 WRC-FH 실험체의 강성이 우수한 것으로 나타났다.
그림에서 보는 바와 같이, 표준갈고리 상세그룹의 실험체들 (WRC-F0, WRC-D0, WRC-FH)은 전반적으로 거의 유사한 이력 거동을 보여주었다. 이들 실험체들의 최대 층간전단력은 설계내력인 공칭 등가 층간전단력의 약 50% 수준인 것으로 나타났다. 이는 철근콘크리트 보의 주철근 정착길이를 콘크리트구조설계기준3)에서 제시하고 있는 수준으로 확보하기 위하여 SRC기둥 철골 부분의웨브쪽으로 철근을 구부려 넣은 접합상세가 보로부터 기둥면으로 전달되는 모멘트를 충분히 전달할 수 없었기 때문에 나타난 결과로 사료된다.
특히, 일반적으로 현장에서 자주 사용되고 있는 접합 상세를 갖고 있는 WRC-F0 실험체의 정착길이 부족을 보완하기 위하여 보 주철근의 양을 늘려 정착길이를 줄 임으로서 기준에서 제시하고 있는 정착길이를 만족시킬 수 있도록 설계된 WRC-D0 실험체나, 기존 연구2)에서 보고된 바와 같이 철골 기둥면 내로 구부린 보의 주철근이 기둥면 내의 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴 현상 (Fig. 20 참조)을 보완하기 위하여 접합부 부분에 띠근으로 보완한 실험체인 WRC-FH 실험체는 모두 공칭 등가 층간전단력에 훨씬 못 미치는 수준 (약 50% 정도)의 최대 층간전단력을 보여주었다. 이는 WRC-D0나 WRC-FH와 같은 보완 방법으로는 약축방향 접합부에서 구부려 넣은 보의 주철근에 의한 기둥면 내의 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴 현상을 해결할 수 없음을 의미한다.
한편, 보 철근의 정착길이를 확보하기 위하여 접합부 형상을 개선한 실험체들 (WRC-FP, WRC-FW, WRC-FA) 의 구조성능은 표준갈고리 상세그룹의 실험체들에 비해 우수한 것으로 나타났다. 또한 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SRC기둥-RC 보의 약축방향 접합부에는 어떤 현상이 발생하는가?
약축방향 접합부는 기존 연구2)에서도 증명된 것처럼 RC보에 배근된 주철근의 정착길이가 충분히 확보되지 않은 상태로 SRC기둥에 정착되었기 때문에 기둥 콘크리트가 떨어져 나오는 쪼개짐 파괴현상이 발생한다. 이는 구조체가 발휘하여야 할 보유내력에 도달하지 못하고, 취성파괴가 발생하는 주원인이 될 수 있다.
SRC기둥-RC보 접합부의 구조적 거동을 파악하기 위해 무엇을 설치하였나?
실험을 진행하면서 SRC기둥-RC보 접합부의 구조적 거동, 즉 변위를 파악하기 위하여 Fig. 8과 같이 LVDT를 설치하였다. RC보 철근이 SRC기둥에 충분히 정착되어 보의 응력을 SRC기둥에 전달할 수 있는지를 관찰하기 위하여 Fig.
본 연구의 SRC기둥-RC보 약축방향 접합부에 대한 실험결과로 얻은 결론은?
1) 표준갈고리 상세그룹의 실험체들 (WRC-F0, WRCD0, WRC-FH)은 모두 제안 상세그룹 실험체들 (WRCFP, WRC-FW, WRC-FA)에 비해 매우 열악한 구조적 성능을 갖고 있음이 확인되었다. 이는 RC보의주철근이 기둥면 내 콘크리트를 물고 떨어지는 쪼개짐 파괴 현상, 즉 주철근의 정착길이 부족 때문에 나타난 결과로 판단된다.
2) RC보 주철근의 정착길이 확보를 위하여 기존연구의 강축방향 접합부 형상을 응용하여 개선한 약축 방향 접합부 실험체들 (WRC-FP, WRC-FW, WRCFA)은 강축방향 넓은 보 접합부 형상을 갖는 실험체와 동일하거나 보다 우수한 구조적 성능을 보유하고 있음을 확인하였다.
3) 약축방향 접합부 상세 중에서 RC보의 일부 철근은 SRC기둥 철골의 측면으로 통과시키고 나머지는 연결철판에 용접한 WRC-FW 실험체와 일부 철근은 SRC기둥 철골의 웨브에 미리 설치에 놓은 구멍으로 관통시키고 나머지 철근은 연결철판에 용접한 WRC-FP 실험체는 그 구조성능이 모두 요구 구조 성능 이상인 것으로 확인되었기 때문에 실제 현장에 적용할 수 있다고 사료된다.
4) RC보 주철근의 정착길이 확보를 위하여 SRC기둥 단면 크기를 약축방향으로 증가시킨 WRC-FA 실험 체의 경우, 그 구조성능은 매우 우수한 것으로 나타났다. 그러나 RC보의 주철근 정착길이의 확보를 위해서 기둥 크기가 비정상적으로 커져야 할 우려가 있기 때문에 실제 현장에 적용하기에는 다소 무리가 따를 것으로 사료된다.
주영규, 천성철, “지하 구조물의 철골철근콘크리트 기둥과 철근콘크리트 보 접합부의 구조 성능 평가,”대한건축학회 논문집, 19권, 2호, 2003, pp. 17-24.
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