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프리캐스트 콘크리트 보-기둥 접합부의 이력거동 및 내진성능
Hysteretic Behavior and Seismic Resistant Capacity of Precast Concrete Beam-to-Column Connections 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.14 no.4 = no.74, 2010년, pp.61 - 71  

최현기 (한양대학교 건축환경공학과) ,  최윤철 (청운대학교 건축설비소방학과) ,  최창식 (한양대학교 건축공학과)

초록
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프리캐스트 콘크리트 골조에서 실물크기의 보-기둥 접합부 실험체 5개를 대상으로 반복가력 실험을 수행하였다. 지진하중을 받는 골조를 대상으로 1개의 일체식 실험체와 4개의 프리캐스트 실험체를 포함하여 5개의 1/2스케일의 내부 보-기둥 접합부를 대상으로 하였다.주요 변수는 보의 구조적 연속성을 확보하기 위한 접합부의 형태와 접합부의 특별한 보강형태(섬유콘크리트와 횡보강근)로 하였다. 실험체는 강기둥-약보 개념에 따라 설계하였다. 보 철근은 접합부에 큰 비탄성 전단력이 작용할 경우 보에 소성힌지가 발생하도록 계획하였다. 접합부의 성능평가는 접합부의 강도, 강성, 에너지 소산능력층간변위비로 평가하였다. 실험결과 실험체의 파괴는 보의 소성힌지부에서 파괴되었다. 보-기둥 접합부의 성능은 대체적으로 우수한 것으로 나타났다. 접합부의 강도는 일체식 RC 구조의 비해 1.15배 정도 향상되었다. 층간변위 3.5%때의 강도에서 실험체는 ECC의 인장변형능력과 철골연결재의 항복에 의해 연성거동 하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Five half-scale beam-to-column connections in a precast concrete frame were tested with cyclic loading that simulated earthquake-type motions. Five half -scale interior beam-column assemblies representing a portion of a frame subjected to simulated seismic loading were tested, including one monolith...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 그러나 연결부위에 대한 시공성 및 경제성확보의 어려움과 설계지침의 미비로 인하여 지진지역에서의 완전한 적용은 다소 제한되어 왔다. PC 구조 사용에 있어 현장타설 RC 구조의 사용을 권장하는 관례적 조항은 지진지역에서의 사용을 주저하게 하고 있으며, 이러한 세부 설계조건은 현장타설 RC 구조와 같은 높은 에너지소산능력과 연성능력을 확보하기 위한 표준 방법론을 제시하게 되었다.(ITC) 이는 강진 이후에도 구조물이 붕괴되는 것을 방지하기 위해 큰 비탄성 변형을 경험한 후 결합부의 높은 에너지 흡수 능력을 요구하고 있으며 일정 수준의 강도 저감을 제한하고 있다.
  • 본 연구에서는 1/2 축소 실험체의 내부 접합부를 대상으로 부분 구조체에 대하여 내진 성능을 평가하기 위한 반복 하중 가력 실험을 계획하였다. 실험체 설치 상세는 그림 3과 같다.
  • 본 연구에서는 철골연결재 및 고인성섬유복합체를 사용하여 새로운 PC 보-기둥 접합상세를 개발하여 개발된 상세의 구조적 특성을 파악하고자 반복 하중 부분 구조체 실험을 수행하여 다음과 같은 연구결과를 얻었다.
  • 또한 접합부 내에 타설된 ECC의 경우 합성섬유를 시멘트 체적비 1%정도 투입하여 보통 콘크리트나 섬유보강 콘크리트(Fibber Reinforced Concrete; FRC)보다 1~6%의 인장변형능력(Tensile Deformability)을 확보할 수 있도록 하였다. 이는 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있도록 하였다. 또한 본 연구에서 제안하고 있는 ECC는 유동성 확보가 필수적으로 합성섬유의 종류 및 체적비등을 변화시켜 타설용 ECC를 새롭게 개발하여 적용하였다.
  • 현행 미국 기준에서는 특별 모멘트 구조(PC,PSC)의 경우 소성힌지를 접합부가 아닌 보 내부로 이동시켜 일체식 철근콘크리트 구조와 동일한 성능을 보유하도록 하고 있다. 이에 본 연구에서는 PC U형단면에 철골 연결재 및 ECC를 적용한 보-기둥 접합부에서 부재간 응력 불연속이 나타나지 않고 일체식 구조와 마찬가지로 부재각이 증가함에 따라 소성힌지가 보 내부로 발달 될 수 있는지를 평가하기 위해 기둥면에서 최대 2d까지 설치된 보 주철근의 응력분포를 그림 6에 나타내었다.
  • 이에 본 연구에서는 PC보-기둥 내부 접합부를 대상으로 새롭게 개발된 접합부의 구조적 특성을 파악하고, 중진지역에서의 접합부 요구성능을 만족하여 현장적용 가능 여부를 실험적으로 평가하고자 한다.
  • 접합부에 배근된 횡방향 철근비가 증가함에 따라 접합부의 전단강도는 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 이에 본 연구에서는 개발된 접합 상세의 횡보강근의 유효성 평가를 위해 inside계열 실험체 중 ECC 타설면적이 작은 PC-I-25 실험체를 제외한 4개의 실험체에 대해 접합부의 전단변형각 및 접합부 횡보강근의 응력변화를 분석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
프리캐스트 콘크리트는 어떤 수단으로 널리 채택되어 왔는가? 프리캐스트 콘크리트(Precast Concrete 이하; PC)는 구조물의 안전성, 내구성, 신뢰성, 고품질, 비용절감 효과를 위한 실용적인 수단으로 널리 채택되어 왔다. 그러나 연결부위에 대한 시공성 및 경제성확보의 어려움과 설계지침의 미비로 인하여 지진지역에서의 완전한 적용은 다소 제한되어 왔다.
본 논문에서 수행한 프리캐스트 콘크리트 골조에서 실물크기의 보-기둥 접합부 실험체 5개를 대상으로 반복가력 실험의 결과는 어떠한가? 접합부의 성능평가는 접합부의 강도, 강성, 에너지 소산능력과 층간변위비로 평가하였다. 실험결과 실험체의 파괴는 보의 소성힌지부에서 파괴되었다. 보-기둥 접합부의 성능은 대체적으로 우수한 것으로 나타났다. 접합부의 강도는 일체식 RC 구조의 비해 1.15배 정도 향상되었다. 층간변위 3.5%때의 강도에서 실험체는 ECC의 인장변형능력과 철골연결재의 항복에 의해 연성거동 하였다.
콘크리트 구조물의 한계점은 무엇인가? 일반적으로 콘크리트 구조물은 지진하중과 같은 심각한 비탄성 변형을 일으키는 반복주기하중을 경험할 경우 보나 기둥의 부재 요소보다는 응력부담이 상대적으로 큰 접합부가 취약하며, PC 구조의 경우 부재 간 단절에 의한 응력 불연속 구간이 접합부에 형성되어 일체 타설된 RC 구조와 같은 성능을 발휘하기가 쉽지 않다. 이에 일반적으로 국내에서 사용되고 있는 대부분의 PC 골조 건물들은 PC부재 간 접합부에 부분 PC(이하; half PC)를 적용하여 현장 타설부에 의해 일체화된 성능을 발휘하도록 하고 있다.
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참고문헌 (18)

  1. Restrepo, J.I., Park, R., and Buchanan, A.H., “Test on Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames of Buildings,” PCI Journal, Vol. 40, No. 4, 44-61, 1995. 

  2. 김승훈, 류갑청, 하상수, 문정호, 이리형, “철근 관통형 프리캐스트 콘크리트 보-기둥 외부접합부의 구조적 거동에 관한 실험적 연구,” 대한건축학회 논문집, 제22권, 3-10, 2006. 

  3. 이정윤, 채희대, “지진하중을 받는 철근콘크리트 접합부의 강도,” 한국지진공학회 논문집, 제 10권, 25-33, 2006. 

  4. Lee, J.Y., Kim, J.Y. Oh, G.J., “Strength Deterioration of reinforced Beam-Column Joints Subjected to Cyclic Loading,” Engineering Structures, Article in press, 2009. 

  5. 송영수, 유승룡, “반복하중을 받는 프리캐스트 콘크리트 건식 보-기둥 연결부의 거동분석,” 한국콘크리트학회 논문집, Vol. 18, No. 4, 497-506, 2006. 

  6. Soubra, K.S., Wight, J.K., and Naaman, A.E., “Cyclic Response of Fibrous Cast-in-Place Connections in Precast Beam-Column Subassemblages,” ACI Journal, Vol. 90, No. 3, 316-32, 1993. 

  7. Sergio, M.A., Rene, Carranza, S.E., David Perez-Navarrete, M.SC., and Raul Martinenz, S.E., “Seismic Tests of Beam-to-column Connections in a Precast Concrete Frame,” PCI Journal, May-June, 70-89, 2002. 

  8. Khaloo, A.R., and Parastesh, H., “Cyclic Loading of Ductile Precast Concrete Beam-Column Connection,” ACI Journal, Vol. 100, No. 3, 291-296, 2003. 

  9. Abdel-Fattah, B.A., Wight, J. K., “Study of Moving Beam Plastic Hinging Zones for Earthquake Resistiong Design of RC Buildings,” ACI Structural Journal, 31-39, 1987. 

  10. ACI Committe 318, “Building Code Requirement for Structural Concrete,” American Concrete Institute, 2005. 

  11. 한국콘크리트학회, “콘크리트구조설계기준,” 2007 

  12. ACI 352R-91, “Recommendations for Design of Beam Column Joints in Monolithic Reinforced Concrete Structures,” ACI Manual of Concrete Practice, ACI, 1-9, 2002. 

  13. Bracci., J.M. Dooley, K.L., “Effect of Column Yielding During Earthquake For Reinforced Concrete Frame,” ACI Journal, 2003. 

  14. Ehsani, M.R., Wight, J.K.,“Exterior Reinforced Concrete Beam-Column Connection Subjected to Earthquake Type Loading,” ACI Journal Proceeding, Vol. 82, No. 82-43, 492-499, 1985. 

  15. 이광수, 오정근, 문정일, 권영호, 신성우,“반복하중을 받는 고강도 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 휨강성비에 관한 연구,” 한국콘크리트학회학술발표대회, 제2권, 63-67, 1990. 

  16. 이정윤, 김진영, 오기동, “철근콘크리트 보-기둥 내부 접합부의 전단거동에 관한 실험적 연구,” 한국콘크리트학회논문집, 제 19권, 441-448, 2007. 

  17. ACI T1.1R-01, “Commentary on Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing,” ACI Manual of Concrete Practice, ACI, 1-7, 2002. 

  18. Ehsani, M. R, Alameddin, F., “Design Recommendations for Type2 High-Strength Reinforced Concrete Connections,” ACI Structural Journal, Vol. 88, No. 3, 277-291, 1991. 

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