지진에 의한 사회기반 구조물의 손상은 대형참사를 유발할 가능성이 크므로, 적절한 내진성능평가가 이루어져야한다. 특히 지진하중 하에서 구조물의 거동은 상부 하중을 지탱하는 기둥의 거동에 지배되므로 기둥에 대한 해석 및 실험을 통한 내진성능평가는 가장 핵심적인 요소이다. 현재 내진성능평가 실험의 일환으로 준정적실험, 유사동적실험, 진동대실험 등이 대표적으로 수행되고 있으며 이러한 실험을 수행 시 시험체의 크기, 실험장비 성능의 한계, 경제적인 이유 등으로 원형 구조물을 대신하여 축소모형을 통해 실험을 수행하고 있다. 이러한 축소모형실험을 위해서는 적절한 상사법칙을 적용해야 하는데, 현재 일반적으로 적용되고 있는 상사법칙은 탄성범위 내에서 유도가 되어 있기 때문에 지진하중하 구조물의 비탄성 거동을 예측하는데 무리가 있다. 또한 마이크로콘크리트를 사용한 축소모형에 대해서는 필연적으로 재료특성에 있어서 원형재료와 축소모형재료 사이에 왜곡이 발생하여 결과의 신뢰성에 영향을 주게된다. 따라서 이 연구에서는 재료의 왜곡과 비탄성 거동을 고려하여 새로운 상사법칙을 제시하였다.
지진에 의한 사회기반 구조물의 손상은 대형참사를 유발할 가능성이 크므로, 적절한 내진성능평가가 이루어져야한다. 특히 지진하중 하에서 구조물의 거동은 상부 하중을 지탱하는 기둥의 거동에 지배되므로 기둥에 대한 해석 및 실험을 통한 내진성능평가는 가장 핵심적인 요소이다. 현재 내진성능평가 실험의 일환으로 준정적실험, 유사동적실험, 진동대실험 등이 대표적으로 수행되고 있으며 이러한 실험을 수행 시 시험체의 크기, 실험장비 성능의 한계, 경제적인 이유 등으로 원형 구조물을 대신하여 축소모형을 통해 실험을 수행하고 있다. 이러한 축소모형실험을 위해서는 적절한 상사법칙을 적용해야 하는데, 현재 일반적으로 적용되고 있는 상사법칙은 탄성범위 내에서 유도가 되어 있기 때문에 지진하중하 구조물의 비탄성 거동을 예측하는데 무리가 있다. 또한 마이크로콘크리트를 사용한 축소모형에 대해서는 필연적으로 재료특성에 있어서 원형재료와 축소모형재료 사이에 왜곡이 발생하여 결과의 신뢰성에 영향을 주게된다. 따라서 이 연구에서는 재료의 왜곡과 비탄성 거동을 고려하여 새로운 상사법칙을 제시하였다.
This paper discusses a series of experiments including material improvement in order to ensure quality of grouting for the post-tensioned structure. In prestressed concrete, grouting refers to the construction procedure of filling empty space of duct enclosing with strands using cementitious materia...
This paper discusses a series of experiments including material improvement in order to ensure quality of grouting for the post-tensioned structure. In prestressed concrete, grouting refers to the construction procedure of filling empty space of duct enclosing with strands using cementitious material, To date, adequate quality control of the grouting has not been established in Korea because the relationship between the grouting and durability of post-tensioned structure is not well-recognized. The Korean standard does not consider the important material characteristic, wick effect, which is caused by strands in the ducts and current standard testing method unlikely quantify reasonable material segregation. As a result, the grout material, which meets the current material standards, may exhibit excessive bleeding water or shrinkage during construction. In this study, international codes and standards related to grouting were surveyed. The ratio of constituents and novel admixtures were suggested to meet equivalently with these standards. Performance of this enhanced grout was compared to common domestic grout using the international standard testing method. A series of mock-up specimens considering geometry of PC beam was constructed and grout flow pattern was observed as the grout was injected. It was observed that the grouting performance was highly influenced by material properties and filling characteristic can be varied depending on geometry of ducts.
This paper discusses a series of experiments including material improvement in order to ensure quality of grouting for the post-tensioned structure. In prestressed concrete, grouting refers to the construction procedure of filling empty space of duct enclosing with strands using cementitious material, To date, adequate quality control of the grouting has not been established in Korea because the relationship between the grouting and durability of post-tensioned structure is not well-recognized. The Korean standard does not consider the important material characteristic, wick effect, which is caused by strands in the ducts and current standard testing method unlikely quantify reasonable material segregation. As a result, the grout material, which meets the current material standards, may exhibit excessive bleeding water or shrinkage during construction. In this study, international codes and standards related to grouting were surveyed. The ratio of constituents and novel admixtures were suggested to meet equivalently with these standards. Performance of this enhanced grout was compared to common domestic grout using the international standard testing method. A series of mock-up specimens considering geometry of PC beam was constructed and grout flow pattern was observed as the grout was injected. It was observed that the grouting performance was highly influenced by material properties and filling characteristic can be varied depending on geometry of ducts.
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문제 정의
4-6) 또한 이를 보완하여 변형률비를 철근의 강성기여를 포함하여 분배한 연구가 수행된 바 있지만,7) 역시 콘크리트만의 특성을 기준으로 탄성계수비를 정의함으로써 구조물의 거동에 대한 콘크리트의 영향을 과대 혹은 과소평가함에 따라 정확한 거동을 예측하기에는 다소 무리가 있다. 그러므로 이 연구에서는 콘크리트의 기준이 아닌 True Replica Model8)로 설계된 철근의 상사법칙을 전개한 후 콘크리트의 변형률 왜곡으로 인한 영향을 고려하여 재료비선형에 따른 거동특성을 파악하고자 하였으며, 재료비선형 기준의 새로운 상사법칙을 제시하였다. 또한 수치해석적 방법을 통해 푸쉬오버(pushover) 시뮬레이션과 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 제안된 상사법칙의 적합성을 검증하였다.
기 수행된 실험7)에서 사용된 원형구조물과 축소모형의 콘크리트 변형률비 1.156에 대해, 동일 연구에서 제안한 부과질량 산정방식과, 이 연구에서 제안한 부과질량의 산정방식과 시간상사비의 적용 결과를 비교함으로써 이 연구 결과의 타당성을 검토하고자 하였다. 대상 구조물은 4.
따라서 이 연구에서는 유사동적실험을 기반으로 하여 재료의 비선형성을 고려한 상사법칙을 제안하였다.
3(b)에서 보는 바와 같이 콘크리트가 강성에 대해 지배적인 경우는 휨에 의한 초기균열 발생 이전 구간으로 한정되어 있으며, 균열 발생 이후 콘크리트의 강성기여도는 철근에 비해 급격히 줄어들어 철근의 항복 이후에는 무시할 정도가 됨을 알 수 있다. 따라서 탄성계수비의 산정 척도는 콘크리트가 아닌 철근이 기준이 되어야 하며, 이 연구에서는 true replica model로 가정된 철근의 상사법칙 전개 후 콘크리트의 응력-변형률 왜곡에 따른 영향을 고려하고자 하였다.
01에 대하여 해석을 수행하였는데, 앞서도 기술한 바와 같이 항복이후에는 εr = 1로 고정하였다. 또한 기존의 연구 결과와 비교하여 이 연구 결과의 우수성을 확인하고자 하였다.
이 연구에서는 artificial mass simulation model을 기반으로 재료의 왜곡과 비탄성 거동을 고려하여 새로운 상사법칙을 제시하였다. 이것은 기존의 상사법칙에 현실성을 더욱 반영한 것으로써 다음과 같은 결론을 도출하였다.
이 장에서는 앞서 기술한 바와 같이 artificial mass simulation model에서 고려할 수 있는 축소모형 재료모델의 개발 필요성을 살펴보고자 한다. 상사법칙을 적용함에 있어 가장 이상적인 모델은 Fig.
앞 절에서 푸쉬오버 시뮬레이션을 통하여, 제안된 변형률비와 탄성계수비를 고려한 상사법칙의 유효성을 검증하였다. 이 절에서는 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 이 연구에서 제안한 탄성계수비, 변형률비에 따른 부과질량과 변형률비를 포함하는 시간의 상사법칙의 유효성을 검증하고자 한다.
가설 설정
6에서 보는 바와 같이 기둥의 수직방향에 따라 곡률을 적분하여 횡변위를 산출하였다. 이때 콘크리트와 철근의 부착은 완전합성거동을 가정하였다.
제안 방법
1) 기존의 상사법칙에서는 콘크리트만의 특성을 기준으로 탄성계수비를 정의함으로써 구조물의 거동에 미치는 콘크리트의 영향을 과대평가하고 있는데 반하여, 이 연구에서는 철근의 휨강성 고려하여 탄성 계수비를 산정하였다. 또한 원형구조물과 축소모형의 강성의 상사비로부터 변형률비를 산정하였다.
3) 이 연구에서 제안한 탄성계수비와 변형률비를 고려하여 부과질량의 크기를 새롭게 산정하였으며, 변형률비를 고려하여 시간상사비를 전개하였다. 또한, pseudo-dynamic 시뮬레이션을 통하여 제안된 부과 질량 산정방법 및 시간상사비의 타당성을 검증하였다.
3) 이에 따라 최근 국내에서 수행된 연구는 비선형 거동을 모사하기 위한 지표로서 재료의 변형률에 따라 변수로 적용되는 탄성계수비와, 사용된 재료의 극한변형률의 비교를 통하여 변형률비를 정의하여 유사동적실험을 수행하였다.4-6) 또한 이를 보완하여 변형률비를 철근의 강성기여를 포함하여 분배한 연구가 수행된 바 있지만,7) 역시 콘크리트만의 특성을 기준으로 탄성계수비를 정의함으로써 구조물의 거동에 대한 콘크리트의 영향을 과대 혹은 과소평가함에 따라 정확한 거동을 예측하기에는 다소 무리가 있다.
3절에서 제안한 상사법칙의 검증을 위하여 Fig. 5와 같이 기 수행된 실험7)에 사용된 원형구조물과 축소모형 단면에 대하여 수치적 푸쉬오버 시뮬레이션을 수행하였다. 이 때 원형구조물의 높이는 2 m 축소모형의 높이는 0.
기둥의 상단에 횡방향 하중이 작용하는 경우(Fig. 6), 최대변형이 발생하는 기둥의 하단과 기초부의 접합부에서 철근의 변형률을 기준으로 제안된 상사법칙을 적용한 축소모형과 원형구조물의 거동비교를 통해 제안 상사법칙의 타당성을 검증하였다. 이때 Fig.
동적 효과를 고려한 상사비를 적용하기 위해서는 시간에 대한 상사도 요구되는데 기하학적 길이가 아닌 변위를 고려하여 가속도로부터 시간의 상사비 tr을 다음과 같이 유도하였다. 식 (10)은 변형률 왜곡을 고려한 가속도의 상사비이고, 식 (11)은 이로부터 유도된 시간의 상사비이다.
1) 기존의 상사법칙에서는 콘크리트만의 특성을 기준으로 탄성계수비를 정의함으로써 구조물의 거동에 미치는 콘크리트의 영향을 과대평가하고 있는데 반하여, 이 연구에서는 철근의 휨강성 고려하여 탄성 계수비를 산정하였다. 또한 원형구조물과 축소모형의 강성의 상사비로부터 변형률비를 산정하였다.
2(a)에서 보는 바와 같이 원형구조물과 축소모형의 콘크리트 응력-변형률은 비선형 관계를 가지며 변형률에 대한 변수로 작용한다. 또한 철근의 탄성계수는 임의로 조절이 어렵다는 점에서 원형 구조물에 사용된 철근과 동일한 것을 사용하여 축소모델을 설계하였다. 축소모형의 콘크리트는 원형구조물에 비하여 더 작은 강도를 지니는 재료를 사용하였지만, 철근은 같은 재료를 사용함으로써 응력의 상사성을 만족시키지 못한다.
실제 유사동적실험에서 축소모형의 변형률비는 거동단계에 따라 달라지지만, 이 연구에서는 단지 변형률비를 포함한 시간의 상사비 적합성을 살펴보고자 거동단계에 따른 변형률비의 평균을 취하여 적용하였다.
앞 절에서 푸쉬오버 시뮬레이션을 통하여, 제안된 변형률비와 탄성계수비를 고려한 상사법칙의 유효성을 검증하였다. 이 절에서는 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 이 연구에서 제안한 탄성계수비, 변형률비에 따른 부과질량과 변형률비를 포함하는 시간의 상사법칙의 유효성을 검증하고자 한다.
이때 철근의 항복 전후를 구분하여 각각 변형률 0.001과 0.01에 대하여 해석을 수행하였는데, 앞서도 기술한 바와 같이 항복이후에는 εr = 1로 고정하였다.
중립축의 변동은 단면 내에 작용하는 모멘트에 영향을 미치게 되므로, 단면모멘트의 비교를 통하여 콘크리트의 변형률 왜곡으로 인한 영향을 변형률에 따른 함수 α(ε)로 정의하여 상사비를 유도한 후, 향후 관찰하고자 하는 응답에 적용하였다.
콘크리트의 변형률비 εrc를 0.1씩 증가시키면서 1~1.5범위에서 축소모형의 횡하중과 횡변위를 산출 후 상사법칙을 적용한 결과와 원형 구조물과 비교를 수행하였다.
대상 데이터
156에 대해, 동일 연구에서 제안한 부과질량 산정방식과, 이 연구에서 제안한 부과질량의 산정방식과 시간상사비의 적용 결과를 비교함으로써 이 연구 결과의 타당성을 검토하고자 하였다. 대상 구조물은 4.2절의 푸쉬오버 시뮬레이션에서 사용한 것과 동일하며 입력지반운동은 Elcentro 지진파를 3배 증폭시킨 값을 사용하였다.
데이터처리
Pseudo-dynamic 시뮬레이션의 결과는 Fig. 8과 같이 변위와 가속도 응답, 그리고 누적에너지의 관점에서 기존의 연구와 비교를 통해 이 연구의 유효성을 검증하였다. 변형률비를 포함시켜 시간의 상사비를 전개한 이 연구의 경우 지진파의 입력속도는 Table 1에 따라 산정되는데, 변형률비를 포함하지 않은 기존의 상사법칙보다 더 짧은 주기로 가력하였다.
그러므로 이 연구에서는 콘크리트의 기준이 아닌 True Replica Model8)로 설계된 철근의 상사법칙을 전개한 후 콘크리트의 변형률 왜곡으로 인한 영향을 고려하여 재료비선형에 따른 거동특성을 파악하고자 하였으며, 재료비선형 기준의 새로운 상사법칙을 제시하였다. 또한 수치해석적 방법을 통해 푸쉬오버(pushover) 시뮬레이션과 pseudo-dynamic 시뮬레이션을 이용하여 제안된 상사법칙의 적합성을 검증하였다.
3) 이 연구에서 제안한 탄성계수비와 변형률비를 고려하여 부과질량의 크기를 새롭게 산정하였으며, 변형률비를 고려하여 시간상사비를 전개하였다. 또한, pseudo-dynamic 시뮬레이션을 통하여 제안된 부과 질량 산정방법 및 시간상사비의 타당성을 검증하였다.
성능/효과
2) 푸쉬오버 시뮬레이션을 통하여 제안된 탄성계수비와 변형률비의 타당성을 검증하였는데, 횡하중과 변위응답 모두 축소모형으로부터 원형구조물의 응답을 예측하는데 있어 기존연구에 비하여 개선된 결과를 보였다.
Table 3의 (6)과 (11)열에서 보는 바와 같이, 횡하중에 대한 오차(원형구조물과 상사법칙을 적용한 축소모형의 응답차이)의 폭은 기존의 상사법칙보다 이 연구의 제안식에서 작았으며, 특히 항복 이전의 구간에서 크게 향상된 결과를 얻을 수 있었다. 이는 기존의 제안식에서는 항복 이전의 구간에 대한 콘크리트의 영향을 과대평가한 결과이며, 항복 이후 구간에 대해서는 두 제안방법 모두 철근의 상사법칙을 적용하였기 때문에 서로 큰 차이를 보이지 않으며 작은 오차율을 유지함을 알 수 있다.
한편 Tables 3과 4를 비교하면 기존 연구 결과에서 탄성계수비의 영향이 포함되지 않는 횡변위에 비하여 탄성 계수비의 영향이 포함된 횡하중의 오차율이 큰 것으로 보아, 이 연구에서 제안하였듯이 변형률비뿐만 아니라 탄성계수비의 산정 시에도 철근의 강성기여를 포함하여야 함을 확인할 수 있었다.
후속연구
4) 축소모형의 진동대실험에서도 pseudo-dynamic 시뮬레이션으로부터 검증된 시간의 상사비를 적용하여 가진을 하여야만 신뢰도 있는 응답을 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 축소모형의 활용이 필연적이며, 이에 따라 정확한 상사법칙이 요구된다. 또한 크기효과(size effect)의 영향이 보고되고 있어 가용할 수 있는 기하학적인 상사비에 제한이 있으므로 실험의 최적화를 고려할 수 있는 방안이 필요하다. 이에 따라 축소모형에서는 원형구조물에 사용된 콘크리트의 굵은 골재 입도를 개략적인 기하학적 상사비에 맞추어 줄인 마이크로 콘크리트1,2)를 사용하여 실험시의 제약을 극복하는 방법이 많이 시행되어왔다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 변형률비를 증가시키며 축소모형의 횡하중과 횡변위를 산출 후 상사법칙을 적용한 결과와 원형 구조물과 비교를 수행하였는데, 철근의 항복 전후를 구분하여 각각 변형률 몇과 몇일 때에 해석을 수행하였는가?
5범위에서 축소모형의 횡하중과 횡변위를 산출 후 상사법칙을 적용한 결과와 원형 구조물과 비교를 수행하였다. 이때 철근의 항복 전후를 구분하여 각각 변형률 0.001과 0.01에 대하여 해석을 수행하였는데, 앞서도 기술한 바와 같이 항복이후에는 εr = 1로 고정하였다. 또한 기존의 연구 결과와 비교하여 이 연구 결과의 우수성을 확인하고자 하였다.
철근콘크리트 구조물의 내진성능평가를 위한 실험이 실물크기의 구조물로 실험을 수행할 경우, 어떠한 현실적 제약이 존재하는가?
철근콘크리트 구조물의 내진성능평가를 위한 실험은 구조물의 대형화에 따라 실물크기의 구조물로 실험을 수행할 경우, 실험실의 공간제약과 실험기기의 가력성능 등의 한계로 인하여 현실적인 제약이 존재한다. 따라서 축소모형의 활용이 필연적이며, 이에 따라 정확한 상사법칙이 요구된다.
상사법칙의 전개 시에는 무엇에 따라 상사법칙을 유도해야 하는가?
축소모형의 설계 시 적용할 기하학적인 축소율과 사용될 재료의 특성에 따라 필연적으로 상사법칙이 적용된다. 상사법칙의 전개 시에는 관찰 대상, 관찰 목적 등에 따라 각기 올바른 상사를 적용하여 상사법칙을 유도하여야 한다. 내진성능평가와 같은 동역학적인 요소가 포함되는 문제에 있어서는 시간의 차원에 대하여 필수적으로 상사를 고려하여야 하며, 재료비선형의 문제에 있어서는 원형구조물과 축소모형의 탄성계수비 sE(= Em/Ep) 이외에 변형률비 εr(= εm/εp)를 고려하여 전개하여야 한다.
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