[논문]전단경간비가 작은 철근콘크리트 기둥의 소성힌지 길이

박종욱; 우재현; 김병일; 이정윤

doi:10.4334/jkci.2010.22.5.675

[국내논문] 전단경간비가 작은 철근콘크리트 기둥의 소성힌지 길이
Plastic Hinge Length of Reinforced Concrete Columns with Low Height-to-Width Ratio 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.5, 2010년, pp.675 - 684

박종욱 (성균관대학교 건축공학과) , 우재현 (성균관대학교 초고층학과) , 김병일 (성균관대학교 건축공학과) , 이정윤 (성균관대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

철근콘크리트 부재는 연성파괴를 유도하기 위해서 휨인장 파괴가 선행 하도록 구조설계한다. 또한 보에서 파괴가 진행하도록 하여 기둥에는 피해가 적게 발생하도록 한다. 하지만 소성붕괴메카니즘에 의하여 소성힌지는 보의 양단부에 발생한 이후 최종적으로 최하층 기둥의 하부에도 발생한다. 철근콘크리트 구조물의 최하층 기둥은 축력이 크게 작용하고 전단경간이 비교적 작기 때문에 휨항복을 했다고 하더라도 최종적으로는 전단파괴하거나 부차파괴하여 설계보다 취성적으로 파괴 할 가능성이 있다. 이 논문에서는 휨항복 후 전단파괴하는 10개의 실험체를 통해 소성힌지 영역의 변형율과 길이 확장에 주는 요소에 대해 파악하였다. 실험결과 세 변수 중에서 축력이 가장 크게 영향을 미쳤는데 축력이 클수록 축방향 변형률과 연성비가 뚜렷하게 줄어드는 현상을 확인할 수 있었으며 소성힌지 길이는 약간 늘어났다. 실험을 통해서 산출한 소성힌지 길이는 약 0.7~1.4d였으며 이는 기존 연구자들이 제안했던 평가식과 차이를 보여주었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The reinforced concrete members are designed to fail in flexural to lead ductile fracture. In the building structures, the failure is typically imposed on beams to prevent damages in columns. However, progression of plastic collapse mechanism may ultimately develop, a plastic hinge at the bottem end of the first floor column, which then can be subjected to shear or bond finally due to large axial force and small shear span-to-depth ratio. In this study, 10 RC column specimens failed in shear after flexural yielding was investigated to determine the factors affecting the plastic hinge length. The findings of this study showed that the most effective factor affecting the plastic hinge length was an axial force. As an axial force increase, an axial strain and a ductility ratio were decreased obviously. The test also shows the observed plastic hinge length was about 0.8~1.2d and the this result has difference compared with forward research.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

이 연구에서는 10개의 철근 콘크리트 기둥 실험을 통하여 축력, 반복하중의 종류 등이 소성 힌지 영역의 확장에 미치는 영향을 파악하였다.
이 연구의 주요 목적의 하나는 전단경간비가 비교적 짧은 기둥의 소성힌지 길이를 측정하는 것이다. 이를 위하여 실험에서는 베이스 부분에서 가력점 방향으로 각각 20, 70, 140, 200, 250 mm위치에 LVDT를 설치하였으며, −50, 20, 140, 200 mm위치의 주철근에 변형률 게이지를 설치하였다(Fig.
이 연구에서는 전단경간비가 비교적 짧아 휨항복 후에 전단파괴하는 철근콘크리트 기둥에 대한 실험에 근거하여소성힌지 길이를 평가하였다. 이 논문에서 수행한 실험 결과를 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

철근콘크리트 부재에 대한 구조설계는 철근콘크리트 부재의 연성파괴를 유도하기 위하여 전단 내력이 휨 내력보다 크게 하여 휨인장파괴가 선행 되도록 유도한다. 또한 철근콘크리트 보에 소성 힌지(plastic hinge)가 발생하도록 설계해서 보에서 파괴가 진행되도록 하여 기둥에는 피해가 적게 발생하도록 한다. 따라서 대부분의 내진 설계에서는 약 보-강 기둥의 설계 개념을 통하여 보에 소성 힌지가 발생하도록 설계한다.
모든 실험체는 잠재 전단 강도비(Vn − aci/ Vf 여기서 Vn − aci는 ACI 318-08 code9)에 의해서 계산된 전단강도이고 Vf는 휨 항복시의 전단강도이다)가 1.23에서 2.46로 변화하며, 주인장철근이 휨항복하고 난 후에 파괴하도록 설계하였다.
이를 위하여 실험에서는 베이스 부분에서 가력점 방향으로 각각 20, 70, 140, 200, 250 mm위치에 LVDT를 설치하였으며, −50, 20, 140, 200 mm위치의 주철근에 변형률 게이지를 설치하였다(Fig. 2 참조).
2(b) 참조). LVDT는 베이스 부분에서 가력점 방향으로 각각 20, 70, 140, 200, 250 mm위치에 설치하였다. 또한, 베이스 부분에서의 철근의 미끄럼을 측정하기 위하여 베이스 하부에 길이 방향으로 2개의 LVDT를 설치하였다.
LVDT는 베이스 부분에서 가력점 방향으로 각각 20, 70, 140, 200, 250 mm위치에 설치하였다. 또한, 베이스 부분에서의 철근의 미끄럼을 측정하기 위하여 베이스 하부에 길이 방향으로 2개의 LVDT를 설치하였다.
실험은 2대의 액츄에이터를 이용하였다. 준정적 유압 액츄에이터를 이용한 변위 제어를 통해서 횡방향 반복 하중을 가력하였다. 부재가 비틀림 하중을 받아 면외 방향으로 뒤틀리는 것을 방지하기 위하여 실험체의 양 측면에 4개의 롤러를 설치하여 실험체의 비틀림 변형을 억제하였다.
준정적 유압 액츄에이터를 이용한 변위 제어를 통해서 횡방향 반복 하중을 가력하였다. 부재가 비틀림 하중을 받아 면외 방향으로 뒤틀리는 것을 방지하기 위하여 실험체의 양 측면에 4개의 롤러를 설치하여 실험체의 비틀림 변형을 억제하였다.
이 연구에서는 하중 패턴 및 축력비에 따라서 변화하는 부재의 축방향 변형률을 상대적으로 비교하였다. 다만, 부재의 축방향 변형률은 측정 기준점에 따라서 달라지기 때문에 하중과 처짐에 대한 2개의 기준점을 정하고 각각의 기준에서 측정한 축방향 변형률을 비교하였다.
이 연구에서는 하중 패턴 및 축력비에 따라서 변화하는 부재의 축방향 변형률을 상대적으로 비교하였다. 다만, 부재의 축방향 변형률은 측정 기준점에 따라서 달라지기 때문에 하중과 처짐에 대한 2개의 기준점을 정하고 각각의 기준에서 측정한 축방향 변형률을 비교하였다. 부재의 최대 처짐은 부재의 조건에 따라서 다르다.
소성힌지 구역에 설치된 LVDT로 측정한 변형률 데이터를 바탕으로 소성힌지 길이를 예측하였다. 산정 기준은 실험체들의 하중이 최대 하중의 85%가 되는 시점에서 각 구역의 좌, 우 LVDT 변형률의 차를 통해 곡률을 계산하고 이 값을 실험체가 항복할 때의 곡률과 비교하여 초과하는지 여부를 파악한 뒤 지속적으로 증가할 때 이 영역에서는 소성힌지가 발생하였다고 판단하였다.
소성 힌지가 발생할 것으로 예측되는 부재 하부 부분에 총 20개의 LVDT를 설치하여 축방향 길이 변화를 측정하였다(Fig. 2(b) 참조).

대상 데이터

부재의 단면 크기는 250 × 250 mm의 정사각형 단면이며 6개의 주철근을 배근하였다.
실험에서는 10개의 철근콘크리트 부재를 제작하였다. 10개의 부재는 하중 패턴과 횡방향 철근비에 의해 4개의 그룹으로 나눠진다.
실험체의 총 길이는 1,450 mm이며, 가력점으로 부터 하부까지의 거리가 630 mm로 전단 경간비가 3.0이다. 부재의 단면 크기는 250 × 250 mm의 정사각형 단면이며 6개의 주철근을 배근하였다.
3은 실험체 설치 상태 및 재하 사진이다. 실험은 2대의 액츄에이터를 이용하였다. 준정적 유압 액츄에이터를 이용한 변위 제어를 통해서 횡방향 반복 하중을 가력하였다.

이론/모형

Table 2는 부재의 최대 하중 및 최대 하중의 85%에 도달했을 때의 부재의 처짐과 처짐 연성비를 보여 준다. 처짐연성비를 정할 때 필요한 휨항복 시의 처짐 ∆y는 Priestley 등의 제안 모델⁷⁾에 근거하여 계산하였다.

성능/효과

축력비가 15% 이상인 실험체(실험체 C2-15S, C2-15L, C2-30L)의 축방향 변형률은 동일한 처짐의 위치에서 단조 하중이나 일방향 하중을 받는 실험체의 축방향 변형률과 큰 차이가 없거나 약간 증가하였다. 또한 축력이 있는 경우 축력이 없는 실험체에 비해서 축방향변형이 크게 작아진다는 것을 확인할 수 있다. 이는 축력이 철근의 변형을 억제하고 콘크리트를 구속하는 효과를 발휘하여 철근의 미끄러짐을 방지하기 때문으로 판단된다.
그러나 축력비가 15% 이상인 경우에는 하중 패턴에 따라서 특정한 추세를 보이지 않았다. 따라서 축력이 크게 작용하는 경우에는 축방향 변형률의 절대값이 작고, 하중 패턴과 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.
M-00의 경우 실험기기의 용량문제 때문에 최대 하중의 85%가 되는 시점을 확인 할 수 없었지만 충분한 소성영역이 확보되었다고 판단하여 약 40 mm 정도에서의 LVDT 변형률을 기준으로 산출하였다. 실험결과 소성힌지의 길이는 C1-15의 실험체의 경우 약 0.7 d 정도였고 다른 실험체들은 약 1.0~1.4 d 였으며 축력이 증가함에 따라서 비슷하거나 소폭 증가하였으며 하중패턴과는 거의 무관하였다. 앞선 4.
1) 실험에서 설정한 3가지 변수 중에서 축력의 영향이 가장 크게 나타났다. 축력이 클수록 축방향 변형률과 연성비의 감소가 뚜렷했으며, 소성힌지의 영역은 약간 증가하는 현상을 보여주었다.
1) 실험에서 설정한 3가지 변수 중에서 축력의 영향이 가장 크게 나타났다. 축력이 클수록 축방향 변형률과 연성비의 감소가 뚜렷했으며, 소성힌지의 영역은 약간 증가하는 현상을 보여주었다.
2) 휨항복 후에 전단파괴하는 부재의 소성힌지 길이는 휨파괴하는 부재의 소성힌지 길이보다 더 큰 값을 보여주었다. 이는 휨부재에 발생하는 균열은 부재의 길이방향과 직각방향으로 균열이 생기지만, 전단의 영향으로 발생하는 사인장균열은 부재의 길이 방향과 약 45o 방향으로 균열이 진전되기 때문으로 판단된다.
3) 이 실험 결과 소성힌지 길이는 약 0.7~1.4d였고 이는 기존의 제안식에 대입했을 때 크게는 약 2배 가까이 차이나는 결과였다. 기존의 연구는 전단의 영향이 크지 않은 휨부재에 대한 평가식이었기 때문에 휨전단파괴하는 부재에는 적용했을 때 큰 차이가 발생하였다.
축력이 클수록 각 구역은 전체적으로 작은 축방향 변형률을 보여주었고 콘크리트의 내력이 증가하였다. 이는 축력이 직접적으로 축방향 변형률에 영향을 주어 콘크리트의 인장 변형을 억제한 결과라고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 부재가 휨인장 파괴가 있도록 구조설계하는 이유는 무엇인가?	철근콘크리트 부재는 연성파괴를 유도하기 위해서 휨인장 파괴가 선행 하도록 구조설계한다. 또한 보에서 파괴가 진행하도록 하여 기둥에는 피해가 적게 발생하도록 한다.
	철근콘크리트 구조물의 최하층 기둥이 휨항복을 했다고 하더라도 최종적으로는 전단파괴하거나 부차파괴하여 설계보다 취성적으로 파괴 할 가능성이 있는 이유는 무엇인가?	하지만 소성붕괴메카니즘에 의하여 소성힌지는 보의 양단부에 발생한 이후 최종적으로 최하층 기둥의 하부에도 발생한다. 철근콘크리트 구조물의 최하층 기둥은 축력이 크게 작용하고 전단경간이 비교적 작기 때문에 휨항복을 했다고 하더라도 최종적으로는 전단파괴하거나 부차파괴하여 설계보다 취성적으로 파괴 할 가능성이 있다. 이 논문에서는 휨항복 후 전단파괴하는 10개의 실험체를 통해 소성힌지 영역의 변형율과 길이 확장에 주는 요소에 대해 파악하였다.
	소성힌지 영역의 변형율과 길이 확장에 가장 크게 영향을 미치는 요소는 무엇이고, 그 요소로 인해 어떠한 변화가 일어나는가?	이 논문에서는 휨항복 후 전단파괴하는 10개의 실험체를 통해 소성힌지 영역의 변형율과 길이 확장에 주는 요소에 대해 파악하였다. 실험결과 세 변수 중에서 축력이 가장 크게 영향을 미쳤는데 축력이 클수록 축방향 변형률과 연성비가 뚜렷하게 줄어드는 현상을 확인할 수 있었으며 소성힌지 길이는 약간 늘어났다. 실험을 통해서 산출한 소성힌지 길이는 약 0.

참고문헌 (9)

이정윤, “반복하중을 받는 철근콘크리트 보의 부재 축방향 변형률에 관한 연구,” 콘크리트학회 논문집, 13권, 3호, 2001, pp. 251-260.

원문보기 상세보기
Lee, J. Y. and Watanabe F., “Predicting the Longitudinal Axial Strain in the Plastic Hinge Regions of Reinforced Concrete Beams Subjected to Reversed Cyclic Loading,” Engineering Structures, Vol. 25, No. 7, 2003, pp. 927-939.

상세보기
Aoyama, H., Design of Modern Highrise Reinforced Concrete Structures, Imperial College Press, Japan, 2001, pp. 141-147.
Baker, A. L. L., Ultimate Load Theory Applied to the Design of Reinforced and Prestressed concrete Frames, Concrete Publications Ltd, London, UK, 1956, 91 pp.
Corley, W. G., “Rotational Capacity of Reinforced Concrete Beams,” Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 97, ST7, 1971, pp. 1969-1990.
Mattock, A. H., “Discussion of Rotational Capacity Reinforced Concrete Beams, by Corley, W. G.,” Journal of Structural Division, ASCE, Vol. 93, ST2, 1967, pp.
Paulay, T. and Priestley, M. J. N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, Jogn Wiley and Sons, New York, 1992, pp. 136-142.
Bae S. J. and Bayrak, O., “Plastic Hinge Length of Reinforced Concrete Columns,” ACI Structural Journal, Vol. 105, No. 3, 2008, pp. 290-300.

상세보기
American Concrete Institute, “Building Code Requirements for Structural Concrete(ACI 318M-08) and Commentary,” ACI, 2007, pp. 155-168.

저자의 다른 논문 :

LOADING...

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증