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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 후프띠철근과 함께 보강띠철근을 갖는 정사각단면 콘크리트 시험체를 제작하여 일축압축실험을 수행하여 이들 시험체의 응력-변형률 관계를 파악하였다. 또한, 응력-변형률 관계로부터 다양한 역학적 인자를 선정하여 기존에 제안된 평가식과 비교하여 그 특성을 분석하였다.
- 이에 본 연구에서는 후프띠철근과 함께 보강띠철근을 갖는 정사각단면 콘크리트 시험체를 제작하여 일축압축실험을 수행하여 이들 시험체의 응력-변형률 관계를 파악하였다. 또한, 응력-변형률 관계로부터 다양한 역학적 인자를 선정하여 기존에 제안된 평가식과 비교하여 그 특성을 분석하였다.
제안 방법
- K는 횡방향철근비, 횡방향철근과 콘크리트의 강도에 의해서 정의되는 계수이다. 구속계수 K의 크기가 정의되면, K에 의해 강도의 증가를 가져오게 되는 것으로, 최대구속응력에서의 변형률이 0.002K에 도달하는 것으로 제안하였다. 하강곡선에서는 곡선의 기울기를 정의하는 계수로 Zm을 사용하며, 이에 대한 변수로는 사각단면의 단변방향길이(h″), 횡방향철근간격(s), 콘크리트 압축강도(f'c), 그리고 횡방향철근비(ρsh)가 적용된다.
- 이에 본 연구에서는 후프띠철근과 함께 보강띠철근을 갖는 정사각단면 콘크리트 시험체를 제작하여 일축압축실험을 수행하여 이들 시험체의 응력-변형률 관계를 파악하였다. 또한, 응력-변형률 관계로부터 다양한 역학적 인자를 선정하여 기존에 제안된 평가식과 비교하여 그 특성을 분석하였다.
- 보강띠철근이 없는 시험체의 특성분석은 기존의 연구(12)에서 이미 수행하였으며, 본 연구에서는 보강띠철근이 있는 시험체의 특성분석과, 보강띠철근이 없는 경우와 있는 경우의 특성의 차이를 비교하였다. 횡구속 콘크리트의 응력-변형률 실험결과와 모델식의 특성의 차이를 정량적으로 평가하기 위하여, 최대구속응력(fcc), 최대구속응력 시의 변형률(εcc), 최대구속응력 후의 하향곡선구배(Edes), 극한변형률(εcu), 극한변형률까지의 변형에너지밀도(Uc)를 도입하여 비교, 평가하였다.
- 시험체는 보강띠철근이 없는 경우와 있는 경우에 대해서 횡방향철근량에 따라서 각각 제작하여 실험을 수행하였다. 콘크리트 설계압축강도는 24MPa이며, 축방향철근 및 횡방향철근의 크기는 D6(6mm), 항복강도는 400MPa이다.
- 시험체에 충격을 주지 않도록 똑같은 속도로 하중을 재하하였으며, 재하속도는 압축 응력의 증가율이 초당 0.6±0.4 MPa이 되도록 하였다.
- 따라서, 부재 전체의 횡구속성능이 개선되는지를 판단하기는 쉽지 않다. 여기서는 현재 도로교설계기준에서 제시하는 횡방향철근량을 기준으로 보강띠철근 유무에 따른 응력-변형률 특성을 비교하였다.
- 시험체의 횡방향철근량은 도로교 설계기준에서 제안하는 식 (1)을 사용하여 계산하였다. 원형단면과 달리 사각단면의 경우에는 횡방향철근이 면적비로 주어지지만 본 연구에서는 이를 체적비로 환산하여 적용하였다. 횡방향철근량은 도로교 설계기준에서 제안하는 식을 100%로 하여 50%, 75%, 100%, 125%로 변화를 두어 시험체를 제작하였다.
- 응력-변형률 특성을 정량적으로 평가하기 위하여 최대구속응력(fcc), 최대구속응력 시의 변형률(εcc), 최대구속응력 후의 하향곡선구배(Edes), 극한변형률(εcu), 극한변형률까지의 변형에너지밀도(Uc)를 실험결과와 Modified Kent and Park의 모델식(1982), Hoshikuma 모델식l(1997)과 비교, 평가하였다.
- 이에 원형과 사각단면에 대해 최대구속응력(α), 최대구속응력시 변형률(β)에 대해서 다른 계수를 정의하여 적용하였다.
- 기존의 응력-변형률 모델에 대한 제안식들은 철근콘크리트의 여러 구성요소를 사용한 변수에 의해서 제안되었으며, Kent and Park(4),(5), Sheikh and Uzumeri(6),(7), Mander(8),(9), Saatcioglu-Razvi(10), 그리고 Hoshikuma(11)등에 의해서 제안되었다. 저자들은 앞선 논문(12)을 통해서 후프띠철근만 배치된 원형 및 정사각단면의 횡구속콘크리트의 응력-변형은 Modified Kent and Park(1982)(5)와 Hoshikuma(1997)(11)에 의해서 제안된 모델식이 비교적 잘 맞는 것으로 확인하였으며, 본 연구에서는 이 두 모델식을 중심으로 실험결과와 비교하였다.
- 시험체 단부에서의 국부파괴를 방지하고 복부파괴를 유도하기 위하여 양 끝단에서 100mm 위치까지 두께 10mm의 강재박스로 캡을 씌웠다. 축방향 변형률은 시험체 전후좌우의 네 곳에 LVDT를 설치하여 측정하였다(그림 4). 측정된 하중-변위 관계로부터 축방향 응력-변형률 관계를 도출하였다.
- 축방향 변형률은 시험체 전후좌우의 네 곳에 LVDT를 설치하여 측정하였다(그림 4). 측정된 하중-변위 관계로부터 축방향 응력-변형률 관계를 도출하였다.
- 이에 원형과 사각단면에 대해 최대구속응력(α), 최대구속응력시 변형률(β)에 대해서 다른 계수를 정의하여 적용하였다. 하강곡선에서는 횡방향철근비, 횡방향철근강도, 그리고 콘크리트의 강도에 의해서 정의되는 하강구배를 이용하여 제안하였다. Hoshikuma 모델식은 횡방향철근비를 고려할 때, 보강띠철근이 존재할 경우 단면내의 횡방향철근의 체적을 모두 고려하는 것이 아니라, 후프띠철근과 보강띠철근으로 폐합되는 사각형 중 폭이 가장 넓은 부분을 기준으로 하여 횡방향철근의 체적을 고려하고 있다.
- 횡구속 콘크리트의 응력-변형률 실험결과와 모델식의 특성의 차이를 정량적으로 평가하기 위하여, 최대구속응력(fcc), 최대구속응력 시의 변형률(εcc), 최대구속응력 후의 하향곡선구배(Edes), 극한변형률(εcu), 극한변형률까지의 변형에너지밀도(Uc)를 도입하여 비교, 평가하였다.
- 원형단면과 달리 사각단면의 경우에는 횡방향철근이 면적비로 주어지지만 본 연구에서는 이를 체적비로 환산하여 적용하였다. 횡방향철근량은 도로교 설계기준에서 제안하는 식을 100%로 하여 50%, 75%, 100%, 125%로 변화를 두어 시험체를 제작하였다.
대상 데이터
- ’ 라고 규정하고 있다. 본 연구의 시험체는 단면크기의 제약으로 갈고리 길이 80mm를 적용할 수 없기 때문에 철근의 지름 6mm의 6배인 36mm를 갈고리 길이로 적용하였다. 시험체의 축방향철근비는 단면에서는 보강띠철근을 배근하기 위해서 8개의 철근이 사용되어 1.
- 콘크리트 설계압축강도는 24MPa이며, 축방향철근 및 횡방향철근의 크기는 D6(6mm), 항복강도는 400MPa이다. 시험체 공시체의 콘크리트 압축강도는 25.8MPa이며, 인장실험을 통한 철근의 항복강도는 400MPa이다. 표 2는 시험체의 제원특성을 나타낸 것으로 콘크리트 모델식의 평가에는 실험강도를 적용하였다.
- 시험체는 보강띠철근이 없는 경우와 있는 경우에 대해서 횡방향철근량에 따라서 각각 제작하여 실험을 수행하였다. 콘크리트 설계압축강도는 24MPa이며, 축방향철근 및 횡방향철근의 크기는 D6(6mm), 항복강도는 400MPa이다. 시험체 공시체의 콘크리트 압축강도는 25.
이론/모형
- 재하실험은 KS F 2405 콘크리트의 압축강도 시험방법에 의거하여 2000kN용량의 만능재료시험기(U.T.M)를 사용하여 실시하였다. 시험체에 충격을 주지 않도록 똑같은 속도로 하중을 재하하였으며, 재하속도는 압축 응력의 증가율이 초당 0.
성능/효과
- 이러한 변위연성도는 교각의 소성힌지영역의 심부콘크리트를 적절하게 횡구속을 함으로써 얻을 수 있다.(1) 압축력을 받는 콘크리트는 철근의 횡구속에 의해 극한변형률이 증가하고, 이로 인해 소성힌지 영역에서의 단면의 곡률이 증가하여 교각의 변위연성도가 증가하게 된다. 따라서, 설계 지진시 교각에 요구되는 변위연성도를 경제적․합리적으로 확보하기 위해서는 횡구속된 콘크리트의 응력-변형률 특성을 파악하는 것이 중요하다.
- 1. 보강띠철근이 있는 정사각형 단면에서 최대구속응력(fcc)은 두 모델식 모두 1.02로 2%이내로 평가하였다. 최대구속응력시의 변형률(εcc)은 Hoshikuma 모델식은 1.
- 2. 보강띠철근이 있는 경우, 최대구속응력시의 변형률, 하강구배와 극한변형률, 변형에너지밀도에서는 Hoshikuma 모델식이 크게 평가하였고, Modified Kent and Park 모델식에서는 작게 평가되었다. Hoshikuma 모델식에서는 횡구속의 중요한 변수인 횡방향철근비를 전단면을 기준으로 산정하는 것이 아니라 보강띠철근과 후프띠철근에 의해 폐합형상을 갖는 부분을 기준으로 산정하기 때문에 보강띠철근이 있는 경우 없는 경우보다 횡방향철근비가 크게 산정되어 횡구속력이 크게 평가되기 때문이다.
- 3. 보강띠철근이 있는 경우, 실험결과와 비교하면 Hoshikuma 모델식은 횡구속을 크게 평가하는 것으로 나타났다. 후프띠철근과 보강띠철근에 의한 폐합형상을 기준으로 횡방향철근비를 산정하지 않고 전단면을 기준으로 하여 횡방향철근비를 산정하여 Hoshikuma 모델식을 적용하면 실험결과와 보다 부합되는 결과를 보였다.
- 4. 보강띠철근이 있는 경우, 동일한 체적비를 유지한다면 횡방향철근의 수직간격이 커지게 된다. 본 연구의 실험에서는 보강띠철근의 유무에 관계없이 최대구속응력의 크기와 최대구속응력시의 변형률에서는 유사하게 나타났다.
- 극한변형률(εcu), 하강구배(Edes), 변형에너지밀도(Uo)에서는 Hoshikuma 모델식이 1.76, 0.36, 1.93으로 평가되었으며, Modified Kent and Park 모델식이 1.12, 0.43, 1.25로 평가되어, Hoshikuma 모델식이 Modified Kent and Park 모델식에 비해 더 크게 과대평가하고 있다.
- 변형에너지밀도(Uc) 역시 74% 수준이다. 동일한 횡방향철근비에서 보강띠철근의 사용함으로써 최대구속응력 도달이후 횡구속 효과가 작아짐을 확인할 수 있다. 이는 보강띠철근의 배근으로 횡철근의 수직간격이 커져 부재 축방향으로의 횡구속효과가 감소되어 이것이 지배적으로 나타난 것으로 평가할 수 있다.
- 보강띠철근이 있는 경우, 동일한 체적비를 유지한다면 횡방향철근의 수직간격이 커지게 된다. 본 연구의 실험에서는 보강띠철근의 유무에 관계없이 최대구속응력의 크기와 최대구속응력시의 변형률에서는 유사하게 나타났다. 그러나 하강곡선부에서는 보강띠철근이 있는 경우 하강구배가 커져 극한변형률이 감소하는 것으로 나타났다.
- 700%로 보강띠철근이 있는 경우, 횡방향철근비가 크게 산정되기 때문이다. 전체적으로 특성을 보면 상승곡선부의 특성에 해당하는 최대구속응력과 그때의 변형률은 Hoshikuma식이 하강부의 특성에 해당하는 극한변형률과 하강구배는 오히려 Modified Kent and Park 모델식이 실험값과 유사하다. 한편, 보강띠철근이 배근된 시험체의 경우, 보강띠철근도 Modified Kent and Park 모델식에서와 같이 단순하게 전단면에 대한 체적비로 고려하여 Hoshikuma 모델식을 적용하면 최대구속응력, 최대응력시의 변형률, 극한변형률, 하강구배, 변형에너지밀도의 비는 각각 0.
- 표 6, 그림 10은 S15-X50에 대한 S15-C75의 특성값을 비로 나타낸 것이다. 최대구속응력, 최대응력시의 변형률, 극한변형률, 변형에너지밀도의 비는 각각 1.02, 1.38, 1.65, 1.03으로 횡구속효과가 증가하였다.
- 최대구속응력시의 변형률(εcc)은 Hoshikuma 모델식은 1.17로 조금 크게 평가되었으나, Modified Kent and Park 모델식은 0.45로 실험결과에 비해 작게 평가되었다.
- 45로 실험결과에 비해 작게 평가되었다. 하강곡선 부분에서는 보강띠철근이 있는 시험체가 없는 시험체보다 응력의 하강구배가 급격히 떨어지는 모습을 나타내고 있으며, 극한변형률까지의 하강구배의 크기가 두 모델식 모두 실험결과보다 완만한 기울기를 보였다. Modified Kent and Park 모델식은 극한변형률(εcu), 하강구배(Edes), 변형에너지밀도(Uc)에서 1.
- 전체적으로 특성을 보면 상승곡선부의 특성에 해당하는 최대구속응력과 그때의 변형률은 Hoshikuma식이 하강부의 특성에 해당하는 극한변형률과 하강구배는 오히려 Modified Kent and Park 모델식이 실험값과 유사하다. 한편, 보강띠철근이 배근된 시험체의 경우, 보강띠철근도 Modified Kent and Park 모델식에서와 같이 단순하게 전단면에 대한 체적비로 고려하여 Hoshikuma 모델식을 적용하면 최대구속응력, 최대응력시의 변형률, 극한변형률, 하강구배, 변형에너지밀도의 비는 각각 0.97, 0.97, 1.25, 0.48, 1.27로 실험결과와 유사한 특성을 보여 크게 개선되었다.
- 보강띠철근이 있는 경우, 실험결과와 비교하면 Hoshikuma 모델식은 횡구속을 크게 평가하는 것으로 나타났다. 후프띠철근과 보강띠철근에 의한 폐합형상을 기준으로 횡방향철근비를 산정하지 않고 전단면을 기준으로 하여 횡방향철근비를 산정하여 Hoshikuma 모델식을 적용하면 실험결과와 보다 부합되는 결과를 보였다.
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