RC 사각단면 기둥의 전단거동특성과 축방향철근비를 고려한 초기전단강도 Characteristics of the shear behavior of RC rectangular sectional columns and initial shear strength considering the ratio of longitudinal bars원문보기
횡하중을 받는 RC 기둥의 전단강도는 기둥의 변위연성도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 알려져 있다. 연성도의 증가에 따른 전단강도의 감소율은 초기전단강도에 따라 크게 좌우되므로 이를 합리적으로 예측하기 위해서는 초기전단강도의 평가가 매우 중요하다. 기둥의 전단거동은 단면모양, 형상비, 축력, 축방향철근비, 연성도 등 다양한 요인에 의하여 영향을 받아 복잡하다. 본 연구에서는 형상비, 단면의 중공비, 축방향철근비, 중공 및 중실단면을 변수로 하는 시험체를 제작하여 실험적 연구를 수행하여 전단거동특성을 살펴보았다. 또한, 축방향철근이 전단강도에 미치는 영향을 분석하여 형상비와 축력을 고려한 기존의 초기전단평가식을 보완하였으며, 그 타당성을 검증하였다.
횡하중을 받는 RC 기둥의 전단강도는 기둥의 변위연성도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 알려져 있다. 연성도의 증가에 따른 전단강도의 감소율은 초기전단강도에 따라 크게 좌우되므로 이를 합리적으로 예측하기 위해서는 초기전단강도의 평가가 매우 중요하다. 기둥의 전단거동은 단면모양, 형상비, 축력, 축방향철근비, 연성도 등 다양한 요인에 의하여 영향을 받아 복잡하다. 본 연구에서는 형상비, 단면의 중공비, 축방향철근비, 중공 및 중실단면을 변수로 하는 시험체를 제작하여 실험적 연구를 수행하여 전단거동특성을 살펴보았다. 또한, 축방향철근이 전단강도에 미치는 영향을 분석하여 형상비와 축력을 고려한 기존의 초기전단평가식을 보완하였으며, 그 타당성을 검증하였다.
It is well known that the shear strength of an RC column subjected to a lateral force decreases with the increase of the displacement ductility of column. This decreasing rate of shear strength is quite dependent on the initial shear strength. Therefore, the evaluation of the initial shear strength ...
It is well known that the shear strength of an RC column subjected to a lateral force decreases with the increase of the displacement ductility of column. This decreasing rate of shear strength is quite dependent on the initial shear strength. Therefore, the evaluation of the initial shear strength is important to predict the shear strength with reasonable accuracy. The shear behavior is complex because many parameters, such as the sectional shape, aspect ratio, axial force, longitudinal bars and ductility, are mutually interactive. In this study, the initial shear strength has been investigated by experiments varying parameters such as the aspect ratios, void ratios, ratio of longitudinal bars and sectional types. A new empirical equation for the initial shear strength, considering the ratio of the longitudinal bars, has been proposed and its validity has been assessed.
It is well known that the shear strength of an RC column subjected to a lateral force decreases with the increase of the displacement ductility of column. This decreasing rate of shear strength is quite dependent on the initial shear strength. Therefore, the evaluation of the initial shear strength is important to predict the shear strength with reasonable accuracy. The shear behavior is complex because many parameters, such as the sectional shape, aspect ratio, axial force, longitudinal bars and ductility, are mutually interactive. In this study, the initial shear strength has been investigated by experiments varying parameters such as the aspect ratios, void ratios, ratio of longitudinal bars and sectional types. A new empirical equation for the initial shear strength, considering the ratio of the longitudinal bars, has been proposed and its validity has been assessed.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 이번의 실험결과와 김익현과 선창호가 수행한 기존의 실험결과(9)를 함께 비교·분석하여 축방향철근비를 고려하는 새로운 초기전단강도 평가식을 제안하였다.
실험결과 시험체 단면의 압축영역에 배근된 축방향철근은 콘크리트의 초기전단강도에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 콘크리트 초기 전단강도는 인장영역에서의 축방향철근비를 고려하여야 하나 본 연구에서는 계산의 편의를 위해 인장영역 및 압축영역의 축방향철근비를 모두 고려한 전단강도 평가식을 제안하였다.
본 연구에서는 축력(P)에 의한 전단강도 기여분을 배제하기 위하여 축력은 재하하지 않았고 수평력만 재하하였다. 수평력은 스트로크(Stroke)가 ± 300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위 제어로 재하하였으며 재하하중의 기본 패턴은 단조증가하중으로 하였으며, 이 때 변위증폭은 0.
본 연구에서는 축력과 횡철근의 전단강도 기여분을 배제하고, 콘크리트에 의한 전단강도만을 산정하기 위하여 시험체에 횡철근을 배근하지 않고 축력도 재하하지 않았다. 한편, 단면의 인장영역 및 압축영역 축방향철근이 콘크리트의 전단강도에 미치는 영향을 보다 명확하게 확인하기 위하여 시험체 단면에는 인장 및 압축플랜지 영역에만 축방향철근을 배근하였고 복부측에는 축방향철근을 배근하지 않았다.
제안 방법
(7), 그리고 신뢰도기반의 전단강도 평가식은 적용면적이 각각 다르나 동일한 조건에서 검증하기 위하여 단조하중이 가해진 경우에는 전단면적(Ag), 양방향 반복하중이 가해진 경우에는 유효단면적(Ae = 0.8Ag)를 적용하였다. 그 결과를 요약하면 표 6 및 그림 7과 같다.
3.0인 시험체 4기(H40A1.5B∼H40A3.0B)와 축방향철근비가 0.63%인 시험체 1기(H40A1.5BT), 중공비 30%이며 형상비가 1.5인 시험체 1기(H30A1.5), 중공비 40%인 시험체와 콘크리트 전단면적(Ag)이 같고 형상비가 1.5인 중실단면 기둥 2기(SA1.6B, SA1.5BT)를 제작하였다.
RC 기둥의 역학적 특성과 본 연구의 실험결과를 바탕으로 하여 콘크리트 전단강도 평가식을 제안하였으며 타 연구자의 실험결과와 비교하여 제안식의 타당성을 검증하였다. 본 연구에서 제안한 전단강도 평가식은 형상비(a/d)와 축방향철근비(ρl)에 따라 초기전단강도가 달라지기 때문에 충분한 휨연성을 발휘하기 이전(변위연성도 μ≤2)에 전단파괴가 발생하는 시험체를 대상으로 하여 검증하였다.
기존 연구에 이어 본 연구에서는 횡하중을 받는 중공단면 기둥의 축방향철근비(ρl)에 따른 전단거동 특성을 살펴보기 위하여 형상비(a/d), 단면의 중공비, 축방향철근비, 중공 및 중실단면을 변수로 시험체(총 8기)를 제작하여 실험적 연구를 수행하였다.
횡하중을 받는 중공단면 기둥의 콘크리트 전단강도 특성을 살펴보기 위하여 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 다양한 인자가 콘크리트 전단강도에 영향을 주지만 본 연구에서는 축방향철근비, 형상비(a/d), 중공비, 중공 및 중실단면을 변수로 선정하여 시험체를 설계하였다.
따라서, 본 연구 시험체의 최대내하력을 #비로 강도보정하여 비교·분석하였다.
먼저, 변위연성도 2이하에서의 초기전단강도를 검증하기 위해 본 연구의 시험체 8기, 선창호와 김익현(9)의 기존 연구 시험체 7기, 그리고 충분한 휨연성을 발휘하기 이전(μ≤2)에 전단파괴가 발생하는 타 연구자의 시험체 6기를 대상으로 초기전단강도를 검증하였다.
본 연구에서 제안한 전단강도 평가식은 형상비(a/d)와 축방향철근비(ρl)에 따라 초기전단강도가 달라지기 때문에 충분한 휨연성을 발휘하기 이전(변위연성도 μ≤2)에 전단파괴가 발생하는 시험체를 대상으로 하여 검증하였다.
수평력은 스트로크(Stroke)가 ± 300mm이고 용량이 500kN인 가력기(Hydraulic Actuator)를 이용하여 수평변위 제어로 재하하였으며 재하하중의 기본 패턴은 단조증가하중으로 하였으며, 이 때 변위증폭은 0.2mm로 하였다.
시험체의 파괴모드를 살펴보기 위하여 파이버(Fiber) 모델을 사용한 해석을 수행하여 축방향철근의 초기항복강도와 기둥의 휨강도(이에 대응하는 횡하중)를 산정하여 실험의 최대내하력과의 비를 산정하였다. 본 연구의 시험체는 휨강도에 대한 최대내하력의 비(표 2의 ③/①)가 모두 1.
실험결과는 기존의 다양한 전단평가식과 비교·검토하여 특성을 분석하였으며 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 선창호와 김익현(9)의 초기전단강도 식을 수정·보완하여 축방향철근비를 고려한 합리적인 전단강도 평가식을 제안하고 타당성을 검증하였다.
실험결과는 기존의 다양한 전단평가식과 비교·검토하여 특성을 분석하였으며 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 선창호와 김익현(9)의 초기전단강도 식을 수정·보완하여 축방향철근비를 포함한 보다 합리적인 전단평가식을 제안하였으며 타당성을 검토하였다.
이 식은 변위연성도 2이내에서 적용 가능한 초기전단강도 평가식으로 형상비(a/d)에 따른 영향만을 고려하고 있고, 축방향철근비(ρl)는 고려하고 있지 않다. 이에 본 연구에서는 기존의 평가식에 축방향철근비에 대한 보정계수를 도입한 새로운 평가식(식 (1))을 제안하였으며, 타 연구자의 실험결과 및 평가식을 이용하여 타당성을 검증하였다.
한편, 단면의 인장영역 및 압축영역 축방향철근이 콘크리트의 전단강도에 미치는 영향을 보다 명확하게 확인하기 위하여 시험체 단면에는 인장 및 압축플랜지 영역에만 축방향철근을 배근하였고 복부측에는 축방향철근을 배근하지 않았다. 전단의 시험체의 축방향철근량은 모든 시험체에 휨파괴가 일어나지 않도록 설계하였다.
횡하중을 받는 중공단면 기둥의 연성도에 따른 전단거동 특성을 살펴보기 위하여 형상비(a/d), 단면의 중공비, 축방향철근비, 중공 및 중실단면을 변수로 시험체(총 8기)를 제작하여 실험적 연구를 수행하였다. 실험결과는 기존의 다양한 전단평가식과 비교·검토하여 특성을 분석하였으며 역학적 특성과 실험결과에 기초하여 선창호와 김익현(9)의 초기전단강도 식을 수정·보완하여 축방향철근비를 고려한 합리적인 전단강도 평가식을 제안하고 타당성을 검증하였다.
횡하중을 받는 중공단면 기둥의 콘크리트 전단강도 특성을 살펴보기 위하여 축소모델을 제작하여 실험을 수행하였다. 다양한 인자가 콘크리트 전단강도에 영향을 주지만 본 연구에서는 축방향철근비, 형상비(a/d), 중공비, 중공 및 중실단면을 변수로 선정하여 시험체를 설계하였다.
대상 데이터
기존 연구의 시험체와 본 연구의 시험체는 동일한 단면제원과 형상비를 갖고 있으며, 콘크리트의 강도와 축방향철근비는 서로 다르다. 본 연구의 시험체는 축방향철근비가 1.26%, 콘크리트강도는 18MPa이며, 기존 연구의 시험체는 축방향철근비 1.8%, 콘크리트강도는 24MPa이다. 일반적으로 콘크리트의 전단강도는 #에 비례하는 것으로 알려져 있으며 형상비(a/d)와 콘크리트의 압축강도(fck), 그리고 축방향철근비가 같다면 비슷한 전단강도를 발휘하게 된다.
시험체의 단면은 실교각에서 많이 사용되는 중공비 40%를 기본모델로 하였다. 축방향철근비(ρl)가 1.
성능/효과
1. 축방향철근비에 상관없이 형상비(a/d)에 따라 콘크리트의 초기전단강도는 감소한다.
2. 단면적이 동일하면 중실, 중공, 중공비에 관계없이 유사한 초기전단강도를 갖는다. 따라서, 단위면적당 전단강도 산정은 시험체의 복부면적(bwd)보다 전단면적(Ag)을 고려하는 것이 타당하다.
3. 본 연구의 시험체의 축방향철근비는 1.26%이고 기존 연구의 시험체의 축방향철근비는 1.8%이다. 콘크리트 압축강도를 보정한 후 전단강도를 서로 비교하면 본 연구 시험체의 전단강도는 기존 연구 시험체의 전단강도의 약 86%∼91%이다.
4. 실험결과 시험체 단면의 압축영역에 배근된 축방향철근은 콘크리트의 초기전단강도에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 따라서, 콘크리트 초기 전단강도는 인장영역에서의 축방향철근비를 고려하여야 하나 본 연구에서는 계산의 편의를 위해 인장영역 및 압축영역의 축방향철근비를 모두 고려한 전단강도 평가식을 제안하였다.
5. 제안된 전단강도 평가식을 휨연성을 발휘하기 이전(μ≤2)에 파괴가 발생한 시험체를 대상으로 적용해본 결과, 타 연구자의 전단강도 평가식보다 분산도가 매우 작아 예측정도가 크게 향상되었다.
의 기존 연구 시험체 7기, 그리고 충분한 휨연성을 발휘하기 이전(μ≤2)에 전단파괴가 발생하는 타 연구자의 시험체 6기를 대상으로 초기전단강도를 검증하였다. 검토 대상인 시험체의 재료 특성, 단면제원 및 실험결과는 표 5와 같으며 파괴시의 연성도는 대략 2.0 이하여서 초기전단강도를 평가하기에 적합한 시험체이다.
단면적이 동일하면 중실, 중공, 중공비에 관계없이 유사한 초기전단강도를 갖는다. 따라서, 단위면적당 전단강도 산정은 시험체의 복부면적(bwd)보다 전단면적(Ag)을 고려하는 것이 타당하다.
사진 1은 시험체의 파괴 형상을 나타낸 것이다. 모든 시험체가 드리프트비(Drift Ratio) 0.5%전후에서 초기 경사균열이 발생하였으며, 그 후 균열의 폭이 확대되면서 큰 경사균열에 의한 전단파괴가 발생하였다. 모든 시험체에서 전형적인 휨파괴에서 나타나는 콘크리트 박리 및 축방향철근의 좌굴은 발생하지 않았다.
5%전후에서 초기 경사균열이 발생하였으며, 그 후 균열의 폭이 확대되면서 큰 경사균열에 의한 전단파괴가 발생하였다. 모든 시험체에서 전형적인 휨파괴에서 나타나는 콘크리트 박리 및 축방향철근의 좌굴은 발생하지 않았다.
검증에 이용된 전단강도 평가식들과 실험값의 비를 비교하면 그림 7과 같고, 이들의 평균, 분산도, 표준편차를 계산하면 표 7과 같다. 본 연구에서 제안한 전단강도 평가식의 평균강도비는 1.02이며 분산도는 0.0066, 표준편차는 0.081로 다른 전단강도 평가식보다 분산도가 작아 예측정도가 크게 향상된 것을 알 수 있다.
시험체의 파괴모드를 살펴보기 위하여 파이버(Fiber) 모델을 사용한 해석을 수행하여 축방향철근의 초기항복강도와 기둥의 휨강도(이에 대응하는 횡하중)를 산정하여 실험의 최대내하력과의 비를 산정하였다. 본 연구의 시험체는 휨강도에 대한 최대내하력의 비(표 2의 ③/①)가 모두 1.0을 넘지 않아 최종적으로는 휨파괴 발생 전에 전단파괴가 발생함을 알 수 있다. 초기항복강도에 대한 최대내하력의 비(표 2의 ③/②)를 보면 시험체 모두가 초기항복강도에 대한 최대내하력의 비가 1.
콘크리트 압축강도를 보정한 후 전단강도를 서로 비교하면 본 연구 시험체의 전단강도는 기존 연구 시험체의 전단강도의 약 86%∼91%이다.
후속연구
6. 횡하중을 받는 기둥의 전단강도는 변위연성도에 따라 감소하는 특성을 나타내므로 향후 변위연성도에 의한 전단강도 감소를 고려하는 전단강도 평가식에 대한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전단파괴의 특징은 무엇인가?
1971년 샌프란시스코 지진과 1995년 고베 지진은 횡구속량 부족, 겹침이음 및 정착 등 불충분한 철근상세에 의해 다수의 RC교각에 전단파괴가 발생하였다. 휨파괴와 달리 전단파괴는 교각에 발생하는 큰 경사균열면을 따라 상부구조가 미끄러지듯이 내려 앉아 전체 교량시스템의 붕괴로 이어지게 되므로 내진설계에서는 반드시 피해야하는 파괴형태이다. 우리나라 도로교설계기준(1)의 경우는 교각의 설계 지진력 산정 시 휨모멘트에 대해서는 탄성지진력을 응답수 정계수(R)로 나누어 사용하고, 전단력에 대해서는 탄성지진력을 그대로 사용함으로써 전단에 의한 취성적인 파괴를 방지하고 있고, 신뢰도기반 도로교설계기준안(2)에서는 교각의 변위연성도에 따른 전단강도 평가식을 도입하여 교각의 전단성능을 확인하게 하고 있다.
1971년 샌프란시스코 지진과 1995년 고베 지진이 발생한 때에, 다수의 RC교각에 전단파괴가 발생한 이유는 무엇인가?
1971년 샌프란시스코 지진과 1995년 고베 지진은 횡구속량 부족, 겹침이음 및 정착 등 불충분한 철근상세에 의해 다수의 RC교각에 전단파괴가 발생하였다. 휨파괴와 달리 전단파괴는 교각에 발생하는 큰 경사균열면을 따라 상부구조가 미끄러지듯이 내려 앉아 전체 교량시스템의 붕괴로 이어지게 되므로 내진설계에서는 반드시 피해야하는 파괴형태이다.
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