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문제 정의
- 이 연구는 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 내진설계시 현행 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정 및 상세에 관한 문제점을 해결하고 합리적인 내진설계법의 개발을 위한 연구로서 준정적 실험과 비선형 유한요소해석을 함께 수행하였다. 실험체의 실험결과와 해석결과와의 비교를 통하여 다음의 결론을 얻었다.
- 이 연구에서는 이러한 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 내진설계시 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정 및 상세에 관한 문제점을 해결하고 연성도를 고려한 합리적인 내진설계기준의 개발을 위한 자료를 제공하고자 인터락킹 교각구조를 대상으로 준정적(Quasi-Static) 실험과 비선형 유한요소해석을 실시하고 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하여 그 내진성능을 평가하였다. 이때 기존 연구자들의 실험과 달리 횡방향 철근비와 재하방향을 주요 실험변수로 결정하였다.
- 이 연구의 목적은 원형 단면 나선철근 기둥에 비하여 심부구속 철근량이 많이 요구되는 단점을 가진 직사각형 단면을 보완할 수 있는 인터락킹(Interlocking) 교각 실험체의 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하고 그 내진성능을 평가하는데 있다. 직사각형 단면에 대한 심부구속철근은 직사각형이 후프띠철근과 보강띠철근으로 이루어지므로 원형의 나선철근 기둥에 비하여 심부구속철근의 요구량이 많다.
제안 방법
- 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동 및 연성능력 등을 파악하기 위하여 준정적(Quasi-Static) 실험을 수행하였다. 수평력은 그림 5와 같이 최대변위 ±250mm인 2,000kN 유압가력기(Actuator)를 이용하여 재하하였으며 축력은 교각단면 축강도의 10.
- 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동 및 연성능력을 파악하기 위하여 현행 도로교설계기준을 근거로 그림 2～그림 4와 같은 총 3개의 인터락킹 교각 실험체를 설계하고 제작하였다. 설계된 인터락킹 교각 실험체의 제원은 표 1에 나타내었다.
- 철근콘크리트 부재의 거동은 콘크리트의 균열, 철근의 항복, 철근과 콘크리트의 부착작용 및 균열 면에서의 전단전달효과 등과 같은 재료적인 특성에 크게 지배되기 때문에, 이를 해석적으로 예측하기 위해서는 각각의 재료적인 특성을 정확하고 신뢰성 있게 표현할 수 있는 재료모델의 구축이 선행되어야 한다. 따라서 이 연구에서는 2축 응력 상태에 대한 직교 이방성 재료모델에 의해서 균열이 발생한 철근콘크리트 요소의 거동특성을 표현하고, 이를 유한요소법을 사용하여 확장한 기존의 검증된 프로그램(14)에 수정을 가하여 사용하였다.
- 3점 가우스 적분을 적용한 8절점 철근콘크리트 평면응력요소를 42개 이용하였고 하중이 재하되는 부위에는 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소를 2개 사용하였다. 또한, 기초와 교각의 접합부에는 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소를 4개 사용하였다.
- 변위진폭은 drift ratio±0.25%로 시작하여 ±0.5%, ±1.0%, ±1.5%, ±2.0%, ±2.5%, ±3.0%, ±4.0%, ±5.0%, ±6.0%, ±7.0%, ±8.0%로 증가시켰으며, 각 단계별로 2회씩 반복 재하하여 동일 변위 진폭에 대한 교각의 거동특성 차이를 살펴보았다.
- LVDT는 횡방향 재하지점에 1개를 설치하였으며, 기초부의 이동을 조사하기 위하여 1개를 설치하였다. 소성힌지구간에서 철근의 변형률을 파악하기 위하여 축방향 철근에 10개, 심부구속 철근에 5개의 변형률 게이지를 부착하였다. 이때 변형률 게이지는 축방향 철근의 경우 인장력과 압축력을 받는 2개의 철근에 일정한 간격으로 내진상세가 된 구간에 부착하였다.
- 수평력은 그림 5와 같이 최대변위 ±250mm인 2,000kN 유압가력기(Actuator)를 이용하여 재하하였으며 축력은 교각단면 축강도의 10.0%를 일정하중 유지장치로 변화가 없도록 재하하였다.
- 실험변수는 표 1과 같이 횡방향 철근비는 설계기준 요구량을 기준으로 100%와 40%, 그리고 재하방향은 약축(형상비 5.3)과 강축(형상비 3.7)으로 각각 결정하였다. 이때 모델의 단면은 450mm × 650mm이고 교각의 재하점까지의 높이는 2,400mm이며 부재의 제작과정을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검토하여 반영하였다.
- 실험수행 중 실험체의 거동을 분석하기 위한 계측장비로 하중값은 가력기(Actuator)에 내장되어 있는 Load cell을 이용하였고, 횡방향 변위는 LVDT(Liner Variable Differential Transformer)를 이용하였다. LVDT는 횡방향 재하지점에 1개를 설치하였으며, 기초부의 이동을 조사하기 위하여 1개를 설치하였다.
- 실험에서 교각시스템의 항복변위와 극한변위는 철근콘크리트 교각의 변위연성도 평가에서 가장 널리 사용되고 있는 하중-변위곡선으로부터 결정하는 간접적인 방법(15)으로 구하였다(그림 11). 즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평저항능력이 최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75%에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평변위로 정의하였다.
- 이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 그리고 경계면요소 등(16-20)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver. 7.2(21)에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)에 장방형 단면의 구속효과를 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(그림 15). 이때 철근콘크리트의 비선형 재료모델은 저자 등에 의하여 이미 발표된 재료모델(16-20)을 그대로 적용하기로 하며 장방형 단면의 구속효과는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 축방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander 등(22)의 제안모델을 기본적으로 채택하여 고려하였다.
- 이 연구에서는 이러한 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 내진설계시 실무에서 당면하고 있는 심부구속을 위한 횡방향 철근량 산정 및 상세에 관한 문제점을 해결하고 연성도를 고려한 합리적인 내진설계기준의 개발을 위한 자료를 제공하고자 인터락킹 교각구조를 대상으로 준정적(Quasi-Static) 실험과 비선형 유한요소해석을 실시하고 비탄성 거동특성 및 파괴메커니즘을 파악하여 그 내진성능을 평가하였다. 이때 기존 연구자들의 실험과 달리 횡방향 철근비와 재하방향을 주요 실험변수로 결정하였다.
- 이때 모델의 단면은 450mm × 650mm이고 교각의 재하점까지의 높이는 2,400mm이며 부재의 제작과정을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검토하여 반영하였다.
- 설계된 인터락킹 교각 실험체의 제원은 표 1에 나타내었다. 이때 축방향철근 중심간 수평간격은 158mm, 나선철근간의 중심간격은 심부단면치수의 0.5배, 그리고 결합부분에는 4개의 축방향철근을 배근하여 현행 도로교설계기준을 만족시켰으며 원형후프띠철근은 용접이음으로 연결하여 나선철근과 동등한 심부구속효과를 발휘할 수 있도록 하였다.
- 이때 철근콘크리트의 비선형 재료모델은 저자 등에 의하여 이미 발표된 재료모델(16-20)을 그대로 적용하기로 하며 장방형 단면의 구속효과는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 축방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander 등(22)의 제안모델을 기본적으로 채택하여 고려하였다. 이때 콘크리트의 역학모델은 균열이 발생하기 전에는 이축응력상태에 대한 탄소성파괴모델로, 균열발생 후에는 균열직각방향으로 콘크리트가 부담하게 되는 인장응력을 고려하기 위한 인장강성모델과 균열방향으로의 압축강성저하를 고려하기 위한 압축강성모델 및 균열면에서의 전단전달효과를 고려하기 위한 전단전달모델을 각각 적용하였다. 또한 전단 잠김 현상은 라그랑지안 정식화에 의한 가정변형률 방법을 사용하여 해결하였다.
- 인터락킹 교각 실험체의 국부적 거동특성을 분석하기 위하여 전술한 바와 같이 소성힌지구간에서 축방향 철근에 10개, 심부구속 철근에 5개의 변형률 게이지를 부착하였다. 수평하중이 작용할 경우 횡방향 철근은 하중의 변화에 따라서 변형률의 증가 또는 감소가 발생하고 있으며 실험체 모두 항복변형률(2,000 Microstrains) 이내에서 실험변수와 전반적으로 유사한 거동특성을 보이고 있음을 그림 14에서 확인할 수 있다.
- 으로 구하였다(그림 11). 즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평저항능력이 최대 내력에 비하여 15% 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75%에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평변위로 정의하였다.
대상 데이터
- 실험체들의 유한요소해석을 위해서 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각을 그림 16 및 17과 같이 요소 분할하였다. 3점 가우스 적분을 적용한 8절점 철근콘크리트 평면응력요소를 42개 이용하였고 하중이 재하되는 부위에는 실험에서와 동일한 조건을 부여하기 위하여 균열이 발생하지 않는 탄성요소를 2개 사용하였다. 또한, 기초와 교각의 접합부에는 정착슬립 등의 불연속변위를 고려하기 위하여 6절점 경계면 요소를 4개 사용하였다.
이론/모형
- 이때 콘크리트의 역학모델은 균열이 발생하기 전에는 이축응력상태에 대한 탄소성파괴모델로, 균열발생 후에는 균열직각방향으로 콘크리트가 부담하게 되는 인장응력을 고려하기 위한 인장강성모델과 균열방향으로의 압축강성저하를 고려하기 위한 압축강성모델 및 균열면에서의 전단전달효과를 고려하기 위한 전단전달모델을 각각 적용하였다. 또한 전단 잠김 현상은 라그랑지안 정식화에 의한 가정변형률 방법을 사용하여 해결하였다.
성능/효과
- 1. 이 연구에서 사용한 비선형 유한요소해석 결과 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 1.00와 0.07이고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 0.92와 0.06으로서, 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 장방형 단면의 구속효과 등 제안한 해석기법과 모델은 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었으며 향후 인터락킹 교각구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
- 2. 수행된 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 실험적, 해석적 연구를 통해 내진설계 적용 실험체의 경우에는 충분한 변위 연성도를 확보하고 있으며 내진설계 미적용 실험체인 경우에도 국내지진규모를 감안할 때 다소의 변위 연성도를 확보하고 있음이 확인되었다.
- 3. 파괴양상, 변위연성도, 그리고 누적 소산에너지 등을 기준으로 볼 때 결합원형띠철근의 철근상세가 뛰어난 심부구속능력을 보유한 것으로 판단된다. 결합원형띠철근은 구속능력을 확대하여 철근콘크리트 교각의 연성능력을 확장시키는 것으로 판단되며 적용된 인터락킹 교각의 횡방향철근 상세는 실무 적용시 양호한 내진성능이 기대된다.
- 07에 불과하여 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동특성을 전반적으로 잘 평가하고 있는 것으로 판단된다. 그리고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 0.92와 0.06으로서, 변위연성도의 평균값은 실험결과 보다 다소 크게 평가하고 있으나 인터락킹 교각 실험체들의 내진성능을 포함한 거동 특성을 비교적 정확하게 평가하고 있는 것으로 판단된다.
- 이때 경계면 요소의 총 전단변위는 접합면에서의 미끄러짐과 국소적인 응력집중의 영향으로 인한 변위의 합으로 표현하였다. 그리고 사용된 유한요소망은 일반 탄성해석과의 수렴성 시험(Convergence Test) 결과 형상비(Aspect Ratio)에 의한 영향은 1.0% 미만이었으며 이는 콘크리트구조의 비선형해석에서 예상되는 오차에 비하여 매우 작은 것으로 나타나 그 타당성이 검증되었다.
- 그리고 재하방향이 약축과 강축인 IC14-70-1과 IC-14-70-2 실험체의 누적 소산에너지는 최종 파괴시점에서 각각 410,000kN·mm와 377,000kN·mm으로 거의 유사한 에너지 소산능력을 보이고 있다.
- 5로 도로교설계기준에서 규정하고 있는 단주교각의 응답수정계수에 해당하는 요구연성도 5를 충분히 만족하고 있음이 확인되었다. 그리고 현행 내진규정의 40%에 해당하는 횡방향 철근비를 가진 실험체(IC14-180-1)의 변위연성도는 4.0으로서 도로교설계기준에서 규정하고 있는 단주교각의 요구연성도 5를 만족하지 못하고 있으나 국내지진규모를 감안할 때 다소의 변위 연성도를 확보하고 있음이 확인되었다.
- 설계기준 요구량을 기준으로 100%와 40%의 횡방향 철근비를 갖는 IC14-70-1과 IC14-180-1 실험체의 누적 소산에너지는 최종 파괴시점에서 각각 410,000 kN·mm와 136,000 kN·mm으로 3배의 에너지 소산능력 차이를 보이고 있다.
- 유한요소해석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 각각 1.00과 0.07로서, 최대하중의 평균값은 전반적으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있으며 변동계수가 0.07에 불과하여 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 비탄성 거동특성을 전반적으로 잘 평가하고 있는 것으로 판단된다. 그리고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 0.
- 현행 설계기준 요구량을 만족하도록 설계된 교각 실험체들(IC14-70-1, IC14-70-2)의 변위연성도는 각각 8.7과 9.5로 도로교설계기준에서 규정하고 있는 단주교각의 응답수정계수에 해당하는 요구연성도 5를 충분히 만족하고 있음이 확인되었다. 그리고 현행 내진규정의 40%에 해당하는 횡방향 철근비를 가진 실험체(IC14-180-1)의 변위연성도는 4.
후속연구
- 4. 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 내진설계법을 개발하기 위한 연구자료를 제공함으로써 성능기반 내진설계개념에 접목하여 비선형 유한요소해석을 이용한 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대된다.
- 와 실험 결과를 비교한 것으로서 구조물의 중요한 비선형 거동특성인 소성힌지 형성 부위가 잘 일치함을 알 수 있다. 이러한 가시화된 요소레벨의 손상지수도를 통하여 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 손상정도를 쉽게 검색할 수 있으며 내진성능평가에 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 06으로서, 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 장방형 단면의 구속효과 등 제안한 해석기법과 모델은 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었으며 향후 인터락킹 교각구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
- 일련의 실험결과와 해석결과의 비교로부터 이 연구에서 사용하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 인터락킹 교각의 비탄성 이력거동을 적절히 평가하고 있으며, 개발된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 이용함으로써, 해석적 방법에 의한 신설 또는 기존 결합원형띠철근을 갖는 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
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