[논문]유효횡구속압력 감소계수를 사용한 RC 기둥의 횡보강근량 평가

김종근; 안종문; 신성우

doi:10.4334/jkci.2009.21.3.311

[국내논문] 유효횡구속압력 감소계수를 사용한 RC 기둥의 횡보강근량 평가
The Volumetric Ratio of Transverse Reinforcement of R/C Columns Considering Effective Lateral Confining Reduction Factor 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.3, 2009년, pp.311 - 318

김종근 (한양대학교 건축공학과) , 안종문 (안산1대학 건축설계과) , 신성우 (한양대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 고축력과 반복횡력을 받는 초고강도 RC 띠철근 기둥의 실험적 연구를 수행하였다. 콘크리트 압축강도 100 MPa 초고강도 RC 띠철근 기둥의 횡보강근의 양을 제안하는 것이다. 철근콘크리트 구조물의 실제 보를 스터브로 이상화한 1/2개 층의 기둥 실험체를 계획하여 1/3 크기의 19개 실험체를 제작하였다. 주요 변수는 축력비, 횡보강근의 형상 및 체적비로 하였다. 실험 결과, 띠철근 기둥의 강도와 연성은 횡보강근의 형상과 체적비의 영향을 받는 것으로 나타났으나, 무엇보다 축력비에 가장 큰 영향을 받는 것으로 나타나 초고강도 콘크리트 기둥의 횡보강근량 설계를 위해서는 축력비에 따른 적절한 횡보강근의 형상으로 보다 합리적인 설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 또한, 초고강도 철근콘크리트 기둥의 충분한 연성확보를 위하여 최소한의 변위연성능력 4이상을 확보할 수 있도록 설계식을 제안하였다. 따라서 이는 축력비와 함께 횡보강근의 형상, 간격 및 주근의 개수 등을 고려한 유효횡구속감소계수 (${\lambda}^c$)를 적용한 것이므로 횡보강근량 산정시 보다 합리적일 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental investigation was conducted to examine the hysteretic behaviors of ultra-high strength concrete tied columns. The purpose of this study is to propose the volumetric ratio of transverse reinforcement for ultra-high strength concrete tied columns with 100 MPa compressive strength. Nineteen 1/3 scaled columns were fabricated to simulate an 1/2 story of actual structural members with the main variables of axial load ratio, configurations and volumetric ratios of transverse reinforcement. The results show that the deformability of columns are affected by the configurations and volumetric ratios of transverse reinforcement. Especially, it has been found that the behavior of columns are affected by axial load ratio rather than the amounts and the configurations of transverse reinforcement. To improve the ductility behavior of RC column using ultra high strength concrete in a seismic region, We suggested the amount of transverse reinforcement for all data that satisfy the required displacement ductility ratio over 4. It is means that the lateral confining reduction factor (${\lambda}^c$) considering the effective legs, configuration and spacing of transverse reinforcement and axial load ratio was reflected for the volumetric ratio of transverse reinforcement.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이에 본 연구에서는 횡구속압력을 합리적으로 평가하는 방법을 우선적으로 제시하였고, 횡보강근의 형상 및 축력비를 고려하였다.
본 연구에서는 고강도 콘크리트를 사용한 축하중 및 반복 횡하중을 받는 100 MPa 초고강도 철근콘크리트 기둥의 이력거동을 파악하기 위하여 ACI 318-05의 21장 내진설계기준에 따라 실험체를 계획하였다. Fig.
본 연구는 실험 결과 기둥의 거동에 영향을 미치는 실험변수들을 파악하고 기준식 및 기존연구를 바탕으로 축력비와 횡보강근의 형태를 고려하여 철근콘크리트 기둥 부재에 일정연성을 확보할 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 이러한 제안식 도출을 위한 기준은 본 실험체의 초고강도 콘크리트에 준하여 70 MPa 이상의 실험체를 대상으로 변위연성비 4이상을 만족하는 기존연구의 데이터를 분석하여 축력비에 따라 각각 설계식을 제안하고자 한다.
본 연구는 실험 결과 기둥의 거동에 영향을 미치는 실험변수들을 파악하고 기준식 및 기존연구를 바탕으로 축력비와 횡보강근의 형태를 고려하여 철근콘크리트 기둥 부재에 일정연성을 확보할 수 있는 방안을 제시하고자 한다. 이러한 제안식 도출을 위한 기준은 본 실험체의 초고강도 콘크리트에 준하여 70 MPa 이상의 실험체를 대상으로 변위연성비 4이상을 만족하는 기존연구의 데이터를 분석하여 축력비에 따라 각각 설계식을 제안하고자 한다. 이에 축력비에 따라 횡보강근의 능력(ρ_s·f_hy / f_ck)을 평가하고 횡보강근의 형상을 고려하기 위하여 횡보강근의 유효다리수에 따른 감소계수를 산정하였다.
하지만 본 연구에서는 중심축력만 작용하는 경우를 그대로 적용하기는 문제가 있을 것으로 판단되어 반복횡력이 작용시 횡보강근의 구속효과를 보다 합리적으로 평가하기 위하여 유효 횡구속감소계수(λc )를 정하였다.

제안 방법

1(a)). 취성파괴를 방지하고 휨 파괴를 유도하기 위하여 형상비 (L/d)를 4로 하였고, 횡보강근의 체적비와 축력비 및 횡보강근의 형상을 주요 변수로 하여 총 19개의 실험체를 제작하였다. 콘크리트 피복두께는 20 mm로 기둥 전체 단면적에 대한 심부 단면적 비 (A_g/A_c)는 모두 1.
콘크리트 설계압축강도는 100 MPa이며, 굵은골재의 최대치수는 피복두께 및 횡보강근의 간격 등을 고려하여 13 mm 쇄석을 사용하였다. 실리카퓸은 ELKEM GRADE 940를 15%, 고성능감수제는 1.
콘크리트 설계압축강도는 100 MPa이며, 굵은골재의 최대치수는 피복두께 및 횡보강근의 간격 등을 고려하여 13 mm 쇄석을 사용하였다. 실리카퓸은 ELKEM GRADE 940를 15%, 고성능감수제는 1.5%를 첨가하였다. 그리고 횡보강근은 A type를 제외한 모든 실험체에서 항복강도 SD400의 이형철선을 사용하였고, 주근은 SD500을 사용하였다.
주요 실험변수로는 횡보강근의 형상을 A, B, C, D, E Type으로 구분하였으며, 축력비는 단면 내력의 0.3, 0.5P₀로 하였고, 횡보강근의 체적비는 ACI 요구량의 0.7, 1.0, 1.3으로 정하였다. 실험체의 콘크리트 압축강도는 100 MPa로 모두 동일하고, 주근은 횡보강근의 형상에 따라 A, B, C Type은 8-D19, D, E Type은 12-D16로 다르지만 주근비는 모두 유사하게 하였다.
이때 항복변위 (δy)는 수평하중이 증가함에 따라 축력을 가한 후 발생한 주근의 변형률이 재료시험에서 얻은 항복변형률에 도달할 때를 기준으로 산정하여 Fig. 3과 같이 변위이력에 따라 점증적으로 가력 하였다.
3과 같이 변위이력에 따라 점증적으로 가력 하였다. 각 변위에서는 2 cycle을 1 stage로 하였고, 실험을 종료 시까지 UTM에 의해 재하되는 축력은 증감없이 일정하게 유지시키고 수평하중이 최대내력의 50% 이하로 떨어지는 시점에서 실험을 종료하였다.
4). 이후 실험구간 (0~2.5d)에 피복콘크리트의 탈락 및 접합면의 콘크리트가 부서짐으로써 하중이 점차 저하되고 피복콘크리트 박리 및 횡보강근이 휘어지면서 심부 콘크리트의 파괴와 주근이 좌굴되는 파괴양상이 나타내면서 최종파괴가 되었다.
이에 축력비에 따라 횡보강근의 능력(ρs·fhy / fck)을 평가하고 횡보강근의 형상을 고려하기 위하여 횡보강근의 유효다리수에 따른 감소계수를 산정하였다.
또한 축력비가 거동에 큰 영향을 미치므로 보다 합리적인 방안으로 축력비 0.4f_ckA_g를 기준으로 저축력과 고축력 상태로 나누어 축력상태에 따른 연성능력을 분석하여 횡보강근량을 각각 산정하였다.
그리고 횡보강근의 형상에 따른 횡구속 압력을 평가하기 위하여 Fig. 7과 같이 유효다리 수를 고려하고 실험 결과 값으로부터 새로운 유효 횡구속감소계수(λc)를 도출하였다.
따라서 다음 Table 5와 같이 본 실험결과의 변위연성비를 기본 형상인 A-Type를 기준으로 중심축력하의 감소계수에 횡보강근의 형상에 따른 유효다리수를 적용하였다.
따라서 횡보강근의 형태에 따른 코어콘크리트를 구속하는 횡구속압력 (ρshfyh /fck)을 보다 적절하게 산정하기 위하여 본 논문에서는 횡보강근의 유효다리 수 및 실험 결과를 분석하여 도출한 유효 횡구속압력감소계수 (λc)를 고려하여 동일한 방법으로 횡보강근량의 설계식을 다음 식 (9)~(11)과 같이 재분석하였다 (Fig. 2).
지금까지 횡보강근의 형태에 따른 코어콘크리트를 구속하는 횡보강근의 횡구속 압력 (ρshfyh / fck)을 보다 적절하게 산정하기 위하여 횡보강근의 유효다리 수를 고려한 유효 횡구속압력감소계수 (λc)를 산정하였고, 이를 적용한 유효 횡구속압력 (λcρshfyh / fck)에 따른 변위연성비 4이상을 만족하는 횡보강근량의 설계식을 제안하였다.
횡보강근으로 구속된 초고강도 철근콘크리트 띠철근 기둥의 강도와 연성증진을 각 변수별 또는 변수간의 상관성을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
3) 횡구속압력에 의한 강도증진은 횡방향으로 지지된 주근의 개수, 횡보강근 간격, 횡보강근의 형상 등에 영향을 받는 것으로 나타났다. 이에 중심축력하의 횡구속 압력계수를 기본으로 본 실험 결과와 비교 분석을 통하여 유효 횡구속압력계수를 적용한 횡보강 근량의 설계식을 제안하였다.
이를 위해 본 연구에서는 먼저 콘크리트의 구속에 영향을 미치는 주요 변수, 즉, 단면의 형상, 주근의 분포와 횡방향지지 조건 및 횡방향으로 지지된 주근 사이의 간격, 횡구속 철근의 강도, 횡구속 철근의 형상 및 간격 등으로부터 횡구속압력에 영향을 미치는 변수를 파악하고, 이에 따른 구속된 (초)고강도 콘크리트의 강도증진과 연성증진을 예측할 수 있는 이론적인 접근방법을 규명하여 본 연구의 실험결과 및 기존 연구자들의 결과와 비교를 통하여 적절한 횡보강근량을 제시하고자 한다.
실험은 10,000 kN 용량의 유압 만능시험기 (UTM)를 사용하여 일정한 축력 (0.3, 0.5P₀)을 가력하고, 1,000 kN 용량의 액추에이터를 사용하여 반복수평하중을 가력하였다(Fig. 2). 이때 항복변위 (δ_y)는 수평하중이 증가함에 따라 축력을 가한 후 발생한 주근의 변형률이 재료시험에서 얻은 항복변형률에 도달할 때를 기준으로 산정하여 Fig.

대상 데이터

본 연구는 실제 구조물의 보를 스터브로 이상화한 1/2개 층의 기둥 실험체를 계획하였다 (Fig. 1(a)).
5%를 첨가하였다. 그리고 횡보강근은 A type를 제외한 모든 실험체에서 항복강도 SD400의 이형철선을 사용하였고, 주근은 SD500을 사용하였다. 콘크리트 및 철근의 재료시험결과는 Tables 2, 3에 나타나 있다.

데이터처리

또한 본 연구의 실험결과를 회귀분석하여 횡보강근의 형상에 따른 연성비를 고려하여 Category 1~4에 유효 횡 구속감소계수 (λc)값을 도출하고 이를 평균화하였다.

이론/모형

식 (2)의 감소계수는 구속된 코어 면적에 대한 유효 구속면적의 비로 중심축력하의 압축응력에서 계산할 수 있다. 유효 구속면적은 1982년 Sheikh와 Uzumeri에 의해식 (3)과 같이 처음 제시된 이후 Mander나 Cusson-Paultre등에 의해 적용되었다.⁵⁾

성능/효과

우리나라 콘크리트 구조설계기준 및 ACI 기준에서도 제한된 축력을 받는 기둥에 대해 축력비를 고려하지 않고 구속철근을 요구하고 있는 실정이며, 또한 기둥의 횡구속 효과에 큰영향을 미치는 주근의 분포와 횡방향 철근의 형상등에 따른 고려가 없는 실정이다.¹⁾ 따라서 작은 축력을 받고, 철근의 분포가 적절히 이루어진 기둥에 대해서는 매우 안정적이지만, 주근이 외곽 철근만으로 횡보강된 기둥은 큰 축력에 대해서는 안전하지 않기 때문에 기준의 횡보강근량 산정식을 그대로 적용할 경우 일정 연성의 확보에 있어 문제가 있을 것으로 사료된다.
각 실험체에 대한 실험결과를 Table 4에 나타내었다. 본 실험에서는 동일한 조건에서 최대내력은 횡보강근의 형상이나 양보다는 축력비가 높을수록 크게 나타났고, 변형능력은 축력비가 낮을수록, 횡보강근의 체적비가 높을 수록, 보조 횡보강근의 형상이 원형에 가까울수록 안정적인 거동을 보였다.
본 연구의 실험 결과 기둥의 거동에 가장 큰 영향을 미치는 것은 축력비임을 알아보았다. 따라서 0.
본 연구의 실험 결과 기둥의 거동에 가장 큰 영향을 미치는 것은 축력비임을 알아보았다. 따라서 0.4f_ckA_g이하의 저축력에 비해 0.4f_ckA_g 이상의 고축력을 받는 철근 콘크리트 기둥설계에 있어서 동일한 연성을 확보하기 위해서는 횡보강근이 약 30% 이상 더 요구됨을 알 수 있었다. 이러한 결과로부터 현 기준에서 축력 크기의 구분없이 모든 경우에 동일하게 적용되는 횡보강근량 산정식은 연성 확보면에서 다소 불리할 것으로 판단된다.
1) 실험 결과를 종합하면, 띠철근 기둥에서 구속콘크리트의 강도와 연성을 증진시키는 합리적인 방법은 코어 콘크리트를 구속하는 횡보강근량을 증가시키는 것과 더불어 보다 상세한 횡보강근량 설계를 위해서는 횡보강근의 형상이 중요한 것으로 판단된다.
2) ACI 기준의 횡보강근량으로 보강된 축력비 30%의 실험체와 비슷한 연성적 거동을 확보하기 위해서는 축력비가 50%일 때는 기준의 횡보강근량보다 30%이상 더 필요한 것으로 나타났다. 따라서 초고강도 콘크리트에서는 축력비에 따른 보다 합리적인 설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다.
3) 횡구속압력에 의한 강도증진은 횡방향으로 지지된 주근의 개수, 횡보강근 간격, 횡보강근의 형상 등에 영향을 받는 것으로 나타났다. 이에 중심축력하의 횡구속 압력계수를 기본으로 본 실험 결과와 비교 분석을 통하여 유효 횡구속압력계수를 적용한 횡보강 근량의 설계식을 제안하였다.
4) 본 연구에서 제안된 설계식은 초고강도 철근콘크리트 기둥이 최소한의 변위연성능력 4이상을 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 이는 축력비와 함께 횡보강근의 형상, 간격 및 주근의 개수 등을 고려한 것이므로 횡보강근량을 산정시 보다 합리적인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구 실리카퓸에 무엇을 첨가하였는가?	콘크리트 설계압축강도는 100 MPa이며, 굵은골재의 최대치수는 피복두께 및 횡보강근의 간격 등을 고려하여 13 mm 쇄석을 사용하였다. 실리카퓸은 ELKEM GRADE 940를 15%, 고성능감수제는 1.5%를 첨가하였다. 그리고 횡보강근은 A type를 제외한 모든 실험체에서 항복강도 SD400의 이형철선을 사용하였고, 주근은 SD500을 사용 하였다.
	구속 콘크리트의 특성을 파악하기 위해 중요한 것은?	또한, 구속 콘크리트의 특성을 파악하기 위하여 구속된 콘크리트에 작용하는 횡구속압력을 적절히 평가하는 것이 중요하다.2-6) 따라서 현행 횡보강근량 산정식을 기둥의 변형능력을 평가할 수 있는 연성계수 개념과 이에 영향을 미치는 변수들을 도입하여 수정할 필요가 있다.
	횡보강근으로 구속된 초고강도 철근콘크리트 띠철근 기둥의 강도와 연성증진을 각 변수별 또는 변수간의 상관성을 분석하여 얻은 결론은?	1) 실험 결과를 종합하면, 띠철근 기둥에서 구속콘크리트의 강도와 연성을 증진시키는 합리적인 방법은 코어 콘크리트를 구속하는 횡보강근량을 증가시키는 것과 더불어 보다 상세한 횡보강근량 설계를 위해서는 횡보강근의 형상이 중요한 것으로 판단된다. 2) ACI 기준의 횡보강근량으로 보강된 축력비 30%의 실험체와 비슷한 연성적 거동을 확보하기 위해서는 축력비가 50%일 때는 기준의 횡보강근량보다 30%이상 더 필요한 것으로 나타났다. 따라서 초고강도 콘크리트에서는 축력비에 따른 보다 합리적인 설계가 이루어져야 할 것으로 판단된다. 3) 횡구속압력에 의한 강도증진은 횡방향으로 지지된 주근의 개수, 횡보강근 간격, 횡보강근의 형상 등에 영향을 받는 것으로 나타났다. 이에 중심축력하의 횡구속 압력계수를 기본으로 본 실험 결과와 비교 분석을 통하여 유효 횡구속압력계수를 적용한 횡보강 근량의 설계식을 제안하였다. 4) 본 연구에서 제안된 설계식은 초고강도 철근콘크리트 기둥이 최소한의 변위연성능력 4이상을 확보할 수 있을 것으로 판단되며, 이는 축력비와 함께 횡보강근의 형상, 간격 및 주근의 개수 등을 고려한 것이므로 횡보강근량을 산정시 보다 합리적인 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

ACI Committee 318, “Building Code Requirements for Structural Concrete,” ACI 318-05 and ACI 318R-05, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, USA, 2005. 430 pp.
Sheikh, S. A. and Khouy, S. S., “A Performance-Based Approach for the Design of Confining Steel in Tied Columns,” ACI Structural Journal, Vol. 94, No. 4, 1997, pp. 421-431
Razvi, S. and Saatcioglu, M., “Confinment Model for High-Strength Concrete,” Journal of Structural Engineering, Vol. 125, No. 3, 1999, pp. 281-289

상세보기
Watson, S., Zahn, F. A., and Park, R., “Confining Reinforcement for Concrete Columns,” Journal of Structural Engineering, Vol. 120, No. 6, 1994, pp. 1798-1824

상세보기
Sheikh, S. A. and Uzumeri, S. M., “Strength and Ductility of Tied Concrete Columns,” ASCE Journal of Structural Engineering, Vol. 106, No. 5 1980 pp. 1079-1102
Saatcioglu, M. and Razvi, S. R., “Displacement -Based Design of Reinforcement Concrete Columns for Confinement,” ACI Structural Journal, Vol. 99-S1, No. 1, 2002, pp. 3-11
Sakai, K. and Sheikh, S. A., “What Do We Know about Confinement in Reinforced Concrete Columns?,” ACI Structural Journal, Vol. 86, No. 2, 1989, pp. 192-207
안종문, “축력과 반복횡력을 받는 고강도 철근콘크리트 기둥의 거동,” 한양대학교 대학원 건축공학과 박사학위논문, 2000, 226 pp.
한범석, “고강도 콘크리트의 횡구속 모델과 고강도 철근콘크리트 띠철근 기둥의 압축거동,” 한양대학교 대학원 건축공학과 박사학위논문, 2002, pp. 161-175
이영호, 박성용, 정헌수, “지진형태의 하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 스터브 효과에 미치는 축력비의 영향,” 대한건축학회 논문집, 24권, 5호 2008. pp. 75-84

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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