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문제 정의
- 보 휨 철근으로 고강도 철근 SD600을 사용한 콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능을 연구하였다. 이를 위하여 내부 접합부를 모사한 십자형 실험체와 외부 접합부를 모사한 T형 실험체에 대해서 SD400 및 SD600을 사용하여 현행 기준의 특수 모멘트 골조 상세(보 철근의 청착 길이 등)를 만족하도록 설계하였다.
- 또한, 기존 연구들은 십자형 내부 접합부에 관한 연구로서 외부 접합부에 대한 실험은 없다. 이 연구에서는 고강도 철근인 SD600을 보 휨철근으로 사용한 접합부의 내진 성능을 평가하였다. 이를 위하여 다음과 같은 세부적인 연구를 수행하였다.
제안 방법
- 1) 보 휨철근에 SD400을 적용한 경우와 SD600을 적용한 내진 접합부를 현행 설계기준에 따라 설계하였다.
- 2) 주기하중을 받는 세 개의 내부 접합부 실험체(십자형 실험체)와 두 개의 외부 접합부 실험체(T형 실험체)에 대한 실물 크기 실험을 실시하였다.
- 3) 실험 결과의 분석을 통하여 강도, 변형 능력, 에너지 소산 능력를 평가하였으며, SD600 고강도 철근을 사용한 보-기둥 접합부가 ACI 3749)에서 요구하는 내진 성능을 발휘하는지 검토하였다.
- 이를 위하여 내부 접합부를 모사한 십자형 실험체와 외부 접합부를 모사한 T형 실험체에 대해서 SD400 및 SD600을 사용하여 현행 기준의 특수 모멘트 골조 상세(보 철근의 청착 길이 등)를 만족하도록 설계하였다. 모든 실험체는 강기둥-약보 개념으로 설계되었으며, 실물 크기의 5개의 실험체에 대하여 주기하중에 대한 실험을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
- 5%씩 증가시키면서 3 싸이클을 반복 가력하였다. 변위계를 이용하여 실험체의 층간 변위 및 패널존 변형을 계측하였다.
- 기둥 하부는 핀 지지되었으며, 보 양끝은 좌우 횡 변위가 가능하도록 롤러 지지 되었다. 실험 중 실험체의 비틀림을 방지하기 위하여 보 양단과 기둥 사이의 콘크리트 보에 횡 지지를 설치하였다. 기둥에는 압축력이 작용하지 않았으며, 이는 접합부 철근 정착 및 접합부 전단강도에 가장 불리한 조건으로 판단된다.
- 보 휨 철근으로 고강도 철근 SD600을 사용한 콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능을 연구하였다. 이를 위하여 내부 접합부를 모사한 십자형 실험체와 외부 접합부를 모사한 T형 실험체에 대해서 SD400 및 SD600을 사용하여 현행 기준의 특수 모멘트 골조 상세(보 철근의 청착 길이 등)를 만족하도록 설계하였다. 모든 실험체는 강기둥-약보 개념으로 설계되었으며, 실물 크기의 5개의 실험체에 대하여 주기하중에 대한 실험을 실시하였으며 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
대상 데이터
- 3개의 십자형 실험체 S1, S2, S3와 2개의 T형 실험체 S4, S5가 제작되었다(Table 1, Fig. 1). 실험체는 강기둥-약보 설계 개념을 바탕으로 설계되었으며, 콘크리트 보 및 기둥 콘크리트 설계에는 KCI 200710) 및 ACI 318-082)의 특수 모멘트 골조 규정을 사용하였다.
- ACI-ASCE 3523)는 철근의 재료 초과계수 α =1.25를 추가로 고려하며, Table 1(17)에서는 fy= 400 MPa(SD400), fy = 600 MPa(SD600)을 사용하였다(Table 1(16),(17)).
- 80%로 설계하였다. 보 스터럽 및 기둥 타이근에는 모두 D10(SD400), D13(SD400) 철근을 사용하였다.
- 4는 내부 접합부 실험체와 외부 접합부 실험체의 설치 상태를 나타낸다. 실험체의 순 스팬은 4,760 mm이며, 순 기둥 높이는 2,100 mm이다. 기둥 하부는 핀 지지되었으며, 보 양끝은 좌우 횡 변위가 가능하도록 롤러 지지 되었다.
- 주요 실험 변수는 내부 접합부에서 보 주인장 철근 강도(S1: SD400, S2와 S3: SD600)와 접합부 전단강도(S2: = Vn / Vu = 1.12, S3: Vn / Vu = 0.92), 외부 접합부에서는 보 주인장 철근 강도(S4: SD400, S5: SD600)이며, 세부 사항은 Table 1에 나열하였다.
이론/모형
- 1). 실험체는 강기둥-약보 설계 개념을 바탕으로 설계되었으며, 콘크리트 보 및 기둥 콘크리트 설계에는 KCI 200710) 및 ACI 318-082)의 특수 모멘트 골조 규정을 사용하였다.
성능/효과
- 1) 실험 결과 보의 휨모멘트 강도가 비슷한 경우 SD600을 사용한 실험체는 SD400 실험체에 비해 다소 휨항복 변형률이 크고, 철근 미끄러짐이 크게 발생하였으나 대체적으로 유사한 이력 거동을 보였다.
- 2) SD600을 사용한 실험체는 접합부 전단력이 부족하게 설계한 실험체를 제외하고는 보의 소성 모멘트에 근거하여 계산된 예상 강도를 1.03~1.14배 초과하는 하중 재하 능력을 나타냈으며, 층간 변위각 3.5% 이상의 연성 능력을 나타냈다.
- 3) SD600을 사용한 내부 접합부는 접합부 전단강도를 만족시키지 못한 경우 패널존 피복 콘크리트의 과도한 파괴가 발생하여 하중 재하 능력이 감소하였다. 그러나 전단강도비가 0.
- 4) SD600을 사용한 외부 접합부는 휨철근의 인장 90도 갈고리 정착 길이를 만족하였으나 보 하부철근의 압축 정착 길이를 만족하지 못하여 하부철근의 압축 상태에서 미끄러짐이 발생하였다. 이로 인하여 SD400을 사용한 외부 접합부에 비하여 핀칭 현상이 증가하였으며, 기둥의 외곽 피복 콘크리트의 탈락이 발생하였다.
- 5) SD600을 사용하는 경우 SD400을 사용한 실험체와 비교하여 접합부에서 철근의 미끄러짐이 증가하였으나 패널존 변형은 감소하였다.
- 6) 접합부에서 철근 항복강도 증가에 비례하여 철근 미끄러짐이 증가하였으며, 따라서 정착 길이의 증가가 요구된다.
- 7) 에너지 소산량은 SD600과 SD400을 사용한 경우 내부 접합부에서는 비슷하였으나 외부 접합부에서는 SD400 실험체가 더 우수한 것으로 나타났다. 이는 외부 접합부에서 SD600의 미끄러짐이 크게 발생했기 때문이다.
- 8) ACI 374에 의해 평가한 결과 SD600 철근 실험체는 3.5% 층간 변위비에서 할선 강성 제한 기준을 만족하지 못하였으나, SD400 철근 실험체도 이 제한 기준을 만족하지 못하였다.
- 동일한 보-기둥 접합부 형태의 실험체들은 비슷한 보의 휨 모멘트 강도를 갖도록 설계하였다(Table 1(7), (8)). SD400을 사용하는 S1의 보 상부 철근비는 1.98%, 하부 철근비는 0.99%이며, S2, S3는 SD600철근을 적용함에 따라 철근비는 1.23%, 0.74%로 감소하였다. S4(SD400)의 보 상부 철근비는 1.
- 이는 SD400의 경우 D25의 굵은 철근을 사용하였기 때문에 접합부에서 철근 미끄러짐이 발생하였기 때문이다. T형 실험체의 경우 S4, S5 보의 한쪽 방향만 성능기준을 만족하지만, SD600을 사용한 S5가 성능 기준에 더 근접한 결과를 보여주었다. 기준 (d)는 핀칭 현상으로 인하여 작은 하중에서도 큰 변위가 발생하는 것을 방지하기 위하여 할선 강성을 제한한 것으로 Table 3(10)에서 강성 비율을 나타내었다.
- 은 SD700을 사용하여 1/2 스케일을 갖는 11개의 십자형 내진 접합부 실험을 수행하였다. 그러나 정착부의 철근 정착 길이가 현행 설계기준보다 짧게 설계되어 핀칭 거동을 보였으며, SD700을 횡보강근으로 사용한 경우 최대 강도 도달 이후 급격한 강도 감소가 발생하여 내진 성능이 감소하는 것으로 나타났다.
- 8(b) 참조). 모든 실험체의 에너지 소산량은 두 번째 싸이클에서 급격히 감소하였으며, 두 번째 싸이클 에너지 소산량은 첫 번째 싸이클 에너지 소산량의 51~90%를 보였다. 세 번째 싸이클의 에너지 소산량은 두 번째 싸이클에서 거의 감소하지 않았다.
- T형 실험체의 경우 층간 변위각 1% 근처에서 최대 하중을 보였으며, 십자형 실험체와 동일하게 SD600을 사용한 S5의 최대 하중이 S4보다 다소 늦게 발휘되었다. 변형 능력은 보 단부에 부모멘트를 유발하는 방향에 대해서 SD600을 사용한 S5가 3.5% 층간 변위각으로 3% 층간변위각을 보인 S4보다 더 우수한 것으로 나타났으나 S5는 S4에 비하여 접합부에서 철근의 미끄러짐에 의한 핀칭현상이 더 큰 것으로 나타났다.
- 모든 실험체의 에너지 소산량은 두 번째 싸이클에서 급격히 감소하였으며, 두 번째 싸이클 에너지 소산량은 첫 번째 싸이클 에너지 소산량의 51~90%를 보였다. 세 번째 싸이클의 에너지 소산량은 두 번째 싸이클에서 거의 감소하지 않았다.
- 보 인장 철근으로 SD600을 사용한 S2, S3의 최대 하중이 SD400을 사용한 S1보다 다소 큰 변형에서 발휘되었으며, 이는 SD600이 항복하기 위해서는 SD400보다 더 큰 변형률에 도달해야 하기 때문이다. 이후 점진적으로 하중이 감소하였으며, 철근 강도에 관계없이 3.5% 층간 변위각에서 최대 하중의 75% 이상을 발휘하였다. 주기하중을 받는 동안 접합부 내에서 보 인장 철근의 미끄러짐으로 인하여 핀칭 현상이 발생하였다.
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