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문제 정의
- 이 연구는 소성힌지영역 내에서 축방향철근의 1/2이 겹침이음된 교각과 모두 연속철근을 사용한 교각의 횡구속량에 따른 휨 연성거동 특성을 살펴보기 위해 전단파괴가 동반되지 않는 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 축소모델은 표 1의 프로토타입 교각을 모델로 하여 1/4.
- 축방향철근의 1/2을 겹침이음한 2기의 시험체의 경우에는 동일한 횡방향철근량을 갖지만 후프띠철근과 중간띠철근의 조합을 달리하였다. 이 연구에서는 이들 시험체의 내진거동특성을 다양한 내진성능지표를 도입하여 정량적으로 분석하였으며, 이에 기초하여 축방향철근의 겹침이음 허용 및 횡방향철근량의 감소에 대해서도 검토하였다. 이 연구의 결과는 향후 중공단면 교각의 연성도(성능)기반 내진설계를 확립하는데 중요한 자료를 제공할 것으로 사료된다.
- 이러한 배경하에 이 연구에서는 중공단면 기둥을 대상으로 하여 현행 기준보다 횡방향철근이 적게 배근된 경우 내진거동특성과 내진성능을 알아보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 시험체는 소성힌지영역에서 축방향철근의 1/2을 겹침이음하고 현행 기준의 횡방향철근량의 75%를 배근한 시험체 2기와 축방향철근을 모두 연속화하고 현행 기준의 50%의 횡방향철근을 배근한 시험체 1기이다.
제안 방법
- 11. 이 논문에서는 일반적으로 많이 사용되는 중공비 40%인 중공사각단면 교각의 준정적 실험을 통해 변형성능 및 거동특성을 분석하였다. 향후 중공사각단면의 내진설계기준을 정립하기 위해서는 다양한 중공비를 갖는 교각에 대한 연구를 통하여 중공사각단면 교각의 거동 특성을 심도 있게 구명할 필요가 있다.
- 각 시험체에 대해서 강성변화 추이를 알아보기 위해 그림 12와 같이 각 변형단계에 대해서 드리프트 비 1%(대략 항복시 드리프트 비)에 해당하는 강성으로 나누어 하중단계에 대한 강성비를 무차원(Normalized Stiffness)으로 나타내었다. 이 연구의 시험체들은 드리프트 비 4%∼5%사이에서 최대하중의 80%로 강도 저하가 발생하였으며, 이때의 강성은 드리프트 비 1%에 해당하는 강성에 비해 약 30%∼20% 이하로 강성이 저하되는 것으로 나타났다.
- 교량의 내진성능을 좌우하는 변수는 축력, 단면형상, 제원, 축방향철근 겹침이음, 횡방향철근 상세등 여러 가지가 있지만 이 연구에서는 축방향철근 겹침이음과 횡방향철근비를 주요변수로 하여 시험체 3기를 제작하였다. 그림 1 (a)∼(c)는 시험체 단면을 나타낸 것으로 중공비는 모두 40%이며 2기(L50T9S80, L50T7S60)는 소성힌지 영역에서 축방향철근의 1/2이 겹침이음되었으며, 1기(L0T9S120)는 축방향철근의 겹침이음 없이 연속철근을 사용하였다.
- 겹침이음의 배열은 그림 1 (a),(b)와 같이 연속철근과 번갈아 가면서 배치하였다. 그리고 횡방향철근량이 교각의 연성도에 미치는 영향을 파악하기 위해서 다른 횡방향철근량을 배근하였다. 후프띠철근과 보강띠철근(Cross-Tie)를 포함한 횡방향철근량은 겹침이음된 모델에서는 현행 도로교설계기준의 약 80% 수준, 연속철근을 사용한 모델에서는 약 50% 수준을 배근하였다.
- 수평력은 스트로크가 ±300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위(드리프트 비) 제어로 재하하여 준정적 반복재하 시험을 수행하였다.
- 축방향철근의 1/2을 겹침이음한 2기의 시험체의 경우에는 동일한 횡방향철근량을 갖지만 후프띠철근과 중간띠철근의 조합을 달리하였다. 이 연구에서는 이들 시험체의 내진거동특성을 다양한 내진성능지표를 도입하여 정량적으로 분석하였으며, 이에 기초하여 축방향철근의 겹침이음 허용 및 횡방향철근량의 감소에 대해서도 검토하였다. 이 연구의 결과는 향후 중공단면 교각의 연성도(성능)기반 내진설계를 확립하는데 중요한 자료를 제공할 것으로 사료된다.
- 이 규정은 RC 교각에 과도한 횡방향철근량을 필요로 하며, 이로 인해 시공의 어려움이 발생하게 된다. 이런 실정을 감안하여 주요 기술선진국의 내진설계와 같이 한정연성(Limitied Ductility) 설계 개념을 채택하여 신뢰도기반 도로교 내진설계기준(안) 에서는 교각의 소요변위연성도에 따라 심부구속철근을 배근하는 연성도 내진설계법(Ductility Based Design)을 도입하였다.(9) 연성도 내진설계법은 현행 규정의 획일적인 소성설계(R=3)와는 달리 식 (2)와 같이 탄성지진력(Mel)과 설계 구조물의 강도(ΦMn)에 따라 소요응답수정계수(Rreq)가 결정되며 식 (3)과 식 (4)와 같이 교량의 진동 주기(T)에 따라 소요변위연성도(μΔ)가 결정되게 된다.
- 1fckAg)로 재하하였다. 축력은 사진 1에서와 같이 양끝단에 힌지가 있는 축력재하 프레임에 용량 2000kN의 로드셀을 설치하여 일정한 축력으로 재하하였다. 수평력은 스트로크가 ±300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위(드리프트 비) 제어로 재하하여 준정적 반복재하 시험을 수행하였다.
- 5mm로 나타났다. 하중방향에 따라 시험체의 항복변위가 다르기 때문에 변위연성도는 PUSH방향과 PULL방향의 평균항복변위를 사용하였다. PUSH방향과 PULL방향의 평균항복변위는 각각 20.
- 5%씩 증가하였다. 하중재하 회수는 각 하중단계에서 미는 방향(PUSH)과 당기는 방향(PULL)으로 각각 2회씩으로 하였다.
- 한편, 이 연구에서는 항복점은 하중-변위곡선 상에서 최대하중(Vmax)를 지나는 수평선과 원점에서 초기항복점을 통과하는 직선과의 교점에 해당하는 변위(δy)로 정의하고, 극한점은 최대하중 이후 0.8Vmax 가 되는 변위를 극한변위점(δu)으로 정의하여 변위연성도를 평가하였다.
- 횡방향철근이 감소된 중공사각단면 교각의 내진거동 특성을 살펴보기 위하여 축방향철근의 1/2이 겹침이음된 축소 모델 2기와 축방향철근의 겹침이음이 없는 축소모델 1기를 제작하여 준정적 재하 실험을 수행하였다. 이들 시험체의 내진거동특성을 다양한 내진성능지표를 도입하여 정량적으로 분석하였으며, 이에 기초하여 축방향철근의 겹침이음 허용 및 횡방향철근량의 감소에 대해서도 검토하였다.
- 후프띠철근은 양단에 135° 갈고리를 갖는 “ㄱ”, “ㄴ”형상 두 개를 사용하여 배근하였으며 갈고리 부분이 기둥 높이 방향으로 동일한 위치에 배근되지 않도록 갈고리 위치를 번갈아 가면서 배근하였다.
대상 데이터
- 이러한 배경하에 이 연구에서는 중공단면 기둥을 대상으로 하여 현행 기준보다 횡방향철근이 적게 배근된 경우 내진거동특성과 내진성능을 알아보기 위하여 실험적 연구를 수행하였다. 시험체는 소성힌지영역에서 축방향철근의 1/2을 겹침이음하고 현행 기준의 횡방향철근량의 75%를 배근한 시험체 2기와 축방향철근을 모두 연속화하고 현행 기준의 50%의 횡방향철근을 배근한 시험체 1기이다. 축방향철근의 1/2을 겹침이음한 2기의 시험체의 경우에는 동일한 횡방향철근량을 갖지만 후프띠철근과 중간띠철근의 조합을 달리하였다.
- 그림 1 (a),(b)와 같이 겹침이음 시험체(L50T7S60, L50T9S80)는 유사한 횡방향철근량을 가지지만 보강띠철근의 수평간격이 달라 횡방향철근의 수직간격이 60mm(L50T7S60), 80mm(L50T9S80)로 서로 다르다. 연속철근 시험체(L50T7S60)의 보강띠철근은 시험체 L50T7S60와 동일하며 횡방향철근의 수직간격은 120mm이다. 각 시험체의 횡방향철근 면적비(Ash/shc)는 L50T9S80, L50T7S60, L50T7S60에 대해서 각각 0.
성능/효과
- 후프띠철근과 보강띠철근(Cross-Tie)를 포함한 횡방향철근량은 겹침이음된 모델에서는 현행 도로교설계기준의 약 80% 수준, 연속철근을 사용한 모델에서는 약 50% 수준을 배근하였다. 그림 1 (a),(b)와 같이 겹침이음 시험체(L50T7S60, L50T9S80)는 유사한 횡방향철근량을 가지지만 보강띠철근의 수평간격이 달라 횡방향철근의 수직간격이 60mm(L50T7S60), 80mm(L50T9S80)로 서로 다르다. 연속철근 시험체(L50T7S60)의 보강띠철근은 시험체 L50T7S60와 동일하며 횡방향철근의 수직간격은 120mm이다.
- 1. 축방향철근의 1/2이 겹침이음된 시험체는 겹침이음의 슬립에 의한 취성파괴는 발생하지 않았으며, 모든 시험 체가 피복콘크리트의 박리 및 축방향철근의 좌굴과 파 단에 의해 내하력이 저하되는 전형적인 휨파괴 거동을 보였다.
- 1/2이 겹침이음된 시험체는 횡방향철근량이 현행 기준 대비 82%∼85%가 배근되었으며 겹침이음이 없는 시험체보다 약 4%∼14%정도 변위연성도가 크게 산정되었다.
- 10. 축방향철근을 1/2을 겹침이음 하더라도 적절한 횡구속 (현행 기준의 약 80%수준)이 있거나 연속철근을 사용하고 횡방향철근량을 현행 기준의 54%를 배근하면, Ⅳ지반의 경우에도 연속경간이 3경간 이상이고 형상비가 4.0이상이면 소요응답수정계수(Rreq)가 3.0이상을 만족하기 때문에 철근상세의 대안이 될 수 있다.
- 2. 축방향철근의 겹침이음이 없는 시험체(L0T9S120)는 횡방향철근의 수직간격이 가장 크기 때문에(120mm) 드리프트 비 3%에서 축방향철근의 좌굴이 발생하였으며 나머지 시험체는 드리프트 비 3.5%에서 축방향철근의 좌굴이 발생하였다.
- 3. 모든 시험체가 드리프트 비 4%에서 축방향철근의 파단이 발생하였으나 급격한 내하력 저하는 발생하지 않았 으며 다수의 인장철근이 파단되면서 내하력저하가 발행 하였다. 따라서 축방향철근의 파단시점이 비슷하기 때문에 3기의 시험체는 매우 유사한 변형성능을 가지는 것으로 나타났다.
- 3기의 시험체 모두 드리프트 비 1%에서 유효휨강성비가 약 15%정도로 나타났으며 시험체의 파괴시(δu)는 유효휨강성비가 약 5%이하로 나타났다.
- 4. 피복박리와 축방향철근의 좌굴 및 파단과 같은 국부손상은 기초바닥에서 약 300mm사이에서 집중되었으며 하중방향 단면치수의 약 46%(0.46D)정도이다.
- 6. 겹침이음이 없고 횡방향철근량이 현행 기준 대비 54%가 배근된 L0T9S120시험체가 push방향으로 5.33, pull 방향 4.28로 가장 작은 변위연성도를 가지는 것으로 나타났다. 1/2이 겹침이음된 시험체는 횡방향철근량이 현행 기준 대비 82%∼85%가 배근되었으며 겹침이음이 없는 시험체보다 약 4%∼14%정도 변위연성도가 크게 산정되었다.
- 7. 모든 시험체가 항복시점에서의 등가점성감쇠비는 약 5%이상으로 나타났으며, 부재 파괴시는 약 18%이상의 등가점성감쇠비를 나타내었다.
- 8. 실험결과 극한시의 강성은 대략 항복시의 드리프트 비 (약 1%)에 해당하는 강성에 비해 약 30%이하로 저하되는 것으로 판단된다. 부재가 항복할 때와 극한 때의 유효휨강성비는 초기강성의 약 15%와 5%이하로 나타났다.
- 9. 변형단계별 잔류변위는 드리프트 비 2%에서는 횡변위의 약 30%이며, 극한시까지는 횡변위가 증가할수록 잔류변위도 증가하나 극한시에는 횡변위가 증가하더라도 잔류변위의 큰 증가는 없는 것으로 나타났다.
- 이 변위연성도(μΔ)를 식 (3)과 식 (4)에 대입하여 교량의 주기변화에 따른 소요응답수정계수 (Rreq)을 계산하여 그림 16에 나타내었다. 교량의 진동주기 (T )가 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ지반에 대해서 각각 0.25, 0.34, 0.48, 0.72sec 이상이면 현행 기준의 응답수정계수(R=3) 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
- 이것은 축방향철근의 좌굴길이에 따라 다르다. 그리고 이 연구의 실험결과를 보면 사진 3과 같이 축방향철근의 좌굴 영역이 여러개의 횡방향철근에 걸쳐서 발생하는 것이 아니라 2개의 횡방향철근 사이에 집중되고 있음을 알 수 있다.
- 따라서 축방향철근 좌굴은 횡방향철근의 수직간격이 매우 중요한 것으로 판단된다. 그리고 최대내하력시의연성도는 연속철근이 배근된 L0T9S120모델에 비해 50% 겹침이음을 가진 L50T9S80과 L50T7S60모델이 약 14%정도 크게 나타났다. 최대내하력의 80%시(0.
- 그림 8은 연속철근 모델에 대한 소산에너지 비를 나타낸 것으로 연속철근이 배근된 L0T9S120에 비해 L50T7S60과 L50T9S80의 소산에너지가 크게 나타났다. 따라서 축방향철근의 1/2이 겹침이음 되더라도 횡방향철근이 현행 규정의 약 82%～85%를 배근(L50T9S80, L50T7S60)하면 횡방향 철근량이 현행 기준의 약 54%가 배근된 연속철근 시험체 (L0T9S120)보다 에너지 소산능력이 큰 것으로 나타났다.
- 변형이 증가할수록 등가점성감쇠비는 증가하였으며 부재 파괴(δu)시는 약 18%이상의 등가점성감쇠비를 나타내었다.
- 이것은 축방향철근 파단시점 전에 횡구속력이 저하되고 축방향철근 좌굴이 발생하여 인장거동시 겹침이음의 성능이 저하되기 때문이다. 실험결과, 모든 모델들이 피복박리 및 축방향철근 좌굴이 대부분 먼저 발생하였으나 급격한 내하력 저하는 없었고 축방향철근 파단으로 인해 내하력이 저하되었다. 반복하중을 받는 철근의 강도는“저주파 피로파괴(Low-Cycle Fatigue Failure)”에 의해 단조증가하중을 받는 철근의 강도의 약 70%정도 이며, 최대응력에서의 변형률은 항복변형률의 3～5배에서 발생하는 것으로 보고되고 있다.
- 이 실험결과 항복변위(δy)는 L50T9S80, L50T7S60, L0T9S120모델에 대해 PUSH방향으로는 26.79mm, 17mm, 19mm로 나타났으며, PULL방향으로는 27.1mm, 21.8mm, 29.5mm로 나타났다.
- 그리고 연속철근의 경우는 모든 단면에서 축방향철근비가 같기 때문에 휨에 의한 위험단면은 기초와 기둥의 접합부 부근이 된다. 이 실험결과를 보면 후프띠철근 및 보강띠철근의 벌어짐(Opening) 현상에 의해 겹침이음의 성능이 저하되기 전까지는 사진 5와 같이 위험단면인 겹침이 음이 끝나는 부분(기초에서 약 400mm부분)에서 균열이 발생하여 계속 진전되었다. 하지만 연속철근의 경우는 균등한 균열 분포를 보인다.
- 이 연구의 시험체들은 드리프트 비 4%∼5%사이에서 최대하중의 80%로 강도 저하가 발생하였으며, 이때의 강성은 드리프트 비 1%에 해당하는 강성에 비해 약 30%∼20% 이하로 강성이 저하되는 것으로 나타났다.
- L0T9S120모델은 다른 모델에 비해 횡방향철근 간격이 크기 때문에 드리프트 비 3%에서 축방향철근 좌굴이 발생하였으며 축방향철근 파단은 다른 시험체와 같이 4%이후에서 발생하였다. 이들 시험체는 모두 보강띠철근의 벌어짐 현상 (Opening)에 의해 횡구속력이 저하되었으며, 축방향철근의 좌굴 및 파단시점이 비슷하기 때문에 표 3과 같이 축방향철근 파단시의 드리프트 비가 4%근처로 매우 유사한 변형성능을 가지는 것으로 나타났다.
- 수평력은 스트로크가 ±300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위(드리프트 비) 제어로 재하하여 준정적 반복재하 시험을 수행하였다. 재하하중의 기본 패턴은 그림 2와 같이 반복하중으로 하였으며, 이 때 변위증폭은 드리프트 비 1%까지는 소성힌지 영역에서의 균열등의 특성을 자세히 관찰하기 위해서 0.5%, 0.75%, 1%로 하였으며 1%이상부터는 0.5%씩 증가하였다. 하중재하 회수는 각 하중단계에서 미는 방향(PUSH)과 당기는 방향(PULL)으로 각각 2회씩으로 하였다.
- 그리고 최대내하력시의연성도는 연속철근이 배근된 L0T9S120모델에 비해 50% 겹침이음을 가진 L50T9S80과 L50T7S60모델이 약 14%정도 크게 나타났다. 최대내하력의 80%시(0.8Vmax)의 연성도를 비교해 보면 L50T9S80과 L50T7S60모델이 L0T9S120모델에 비해 PUSH방향으로는 각각 6%～16%, PULL방향으로는 4%～14%정도 크게 나타났다. L50T9S80모델과 L50T7S60모델은 횡방향철근 면적비가 현행 기준 대비 82%와 85%로 비슷하지만 보강띠철근의 수평간격이 다른 모델로 보강띠철근의 수평간격이 작은 모델의 연성도가 더 높게 나타났다.
- 표 2는 횡구속 철근이 있는 L50T9S80, L50T7S60, L0T9S120모델에 대한 손상특징을 요약한 것으로 약 3%~3.5%정도의 드리프트 비(Drift Raio)에서 피복박리 및 압축철근의 국부좌굴이 뚜렷하게 나타났으며, 드리프트 비(Drift Ratio) 4.0%근처에서 축방향철근의 인장파단이 발생하기 시작하여 내하력이 저하되기 시작하였다. 급격한 내하력 저하는 없었으며 드리프트 비(Drift Ratio) 4.
후속연구
- 5. 보강띠철근은 반복하중에 의해 갈고리(Hook) 부분이 벌어지는 현상(Opening)이 발생하였으며, 이런 현상이 조기에 발생되면 충분한 횡구속을 기대할 수 없기 때문에 향후 이에 대한 적절한 대비가 필요하다.
- 신설계기준에서는 많은 부재실험의 결과를 분석하여 한정연성도에 따라 적절한 횡방향철근이 산정될 수 있도록 소요(목표)연성도-횡방향철근량에 대한 경험식을 제안하고 있다. 그러나 이 경험식은 중실단면을 대상으로 하여 제안된 식이어서 지진거동 특성이 다르고, 횡방향철근의 유효횡구속효과가 다른 중공 단면에 적용하기 위해서는 향후 많은 검증과 수정작업이 이루어져야 할 것이다.
- 이 연구에서는 이들 시험체의 내진거동특성을 다양한 내진성능지표를 도입하여 정량적으로 분석하였으며, 이에 기초하여 축방향철근의 겹침이음 허용 및 횡방향철근량의 감소에 대해서도 검토하였다. 이 연구의 결과는 향후 중공단면 교각의 연성도(성능)기반 내진설계를 확립하는데 중요한 자료를 제공할 것으로 사료된다.
- 보강띠철근은 사각단면에서 후프띠철근이 심부콘크리트의 구속과 축방향철근 좌굴을 효과적으로 방지할 수 있도록 구속력 향상시키는 역할을 수행하는 것으로 이와 같이 갈고리의 벌어짐이 발생하는 경우 충분한 횡구속을 기대할 수 없다. 향후 이에 대한 적절한 대비가 필요할 것이다.
- 이 논문에서는 일반적으로 많이 사용되는 중공비 40%인 중공사각단면 교각의 준정적 실험을 통해 변형성능 및 거동특성을 분석하였다. 향후 중공사각단면의 내진설계기준을 정립하기 위해서는 다양한 중공비를 갖는 교각에 대한 연구를 통하여 중공사각단면 교각의 거동 특성을 심도 있게 구명할 필요가 있다.
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