[논문]축방향철근 겹침이음길이에 따른 RC원형 교각의 거동특성 - 실험적 연구 -

김익현; 선창호; 이승화; 박광순; 서형열

doi:10.5000/eesk.2012.16.6.047

축방향철근 겹침이음길이에 따른 RC원형 교각의 거동특성 - 실험적 연구 -
Seismic Behavior of Circular Sectional RC Bridge Columns with Various Lap-splice Lengths - An Experimental Study - 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.16 no.6 = no.88, 2012년, pp.47 - 56

김익현 (울산대학교 건설환경공학부) , 선창호 (울산대학교 건설환경공학부) , 이승화 (울산대학교 건설환경공학부) , 박광순 (한국시설안전공단) , 서형열 (한국시설안전공단)

Abstract ▼ AI-Helper

It is known that seismic performance of existing bridges having insufficient lateral confinements and lap-splices of longitudinal reinforcements at the base of column decreases dramatically. In this study, small-scaled model tests have been performed to confirm the seismic behaviors of RC bridge piers with various lap-splice lengths. The 8 test models have circular section with diameters of 0.65 m, 0.8 m, 1.0 m, and lap-splice lengths of B-class or C-class. The test results show that the failure modes of models are not depending on the lap-splice length itself but depend on the ratio of lap-splice length to diameter, and that the displacement ductility is also affected by this ratio.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

겹침이음이 있는 교각의 파괴형상은 겹침이음길이에 따라 다르기 때문에 본 연구에서는 겹침이음길이와 겹침이음길이에 따른 변위연성도의 특성을 살펴보았다. Fig.
12(b)의 누적 소산에너지는 Table 2에서 나타낸 하중이 급격하게 저하되기 직전의 드리프트 비(drift ratio)까지 소산에너지를 누적시킨 값이다. 소산에너지는 시험체의 단면(직경)이 클수록 에너지흡수 능력이 크기 때문에 본 연구에서는 소산에너지의 상대적인 비교와 항복이후 에너지 흡수능력을 평가하기 위하여 각각의 실험체별로 초기항복에 해당되는 이력곡선의 면적을 계산하여 이에 대해 하중단계별 소산에너지 비와 누적소산에너지 비를 정규화하여 계산하였다. Fig.
그러나 동일한 변위 연성도를 가지더라도 하중-변위 이력특성에 따라 에너지의 소산능력은 다르게 된다. 이에 본 연구에서는 실험체의 지진에너지 소산능력을 비교해 보았다.

제안 방법

축방향철근의 겹침이음길이에 따른 교각의 거동을 파악하기 위해서 축소율이 1/3인 축소모형 실험체 8기를 제작하였다. 기존 교량의 제원특성을 고려하여 원형(Prototype) 교각의 단면은 원형으로 하고 직경(D)은 2.0m, 2.5m, 그리고 단면이 큰 경우의 경향을 파악하기 위해 3.0m로 하였으며, 교각의 높이(h)는 휨파괴를 유도하기 위해 형상비(h/D)가 4.5가 되도록 하였다. 이는 겹침이음부의 부착파괴 여부를 확인하기 위해서는 전단파괴를 방지할 필요가 있기 때문이다.
실험체의 변위연성도는 겹침이음길이 비에 상관성이 크므로 교각의 에너지 소산능력도 겹침이음길이 비(l_sp/D)에 대한 특성을 살펴보았다. Fig.
이는 축방향철근의 겹침이음길이가 동일하더라도 교각의 직경에 따라 다른 내진성능을 보인다는 것을 의미한다. 이에 본 실험에서도 단면 직경(D)에 대한 겹침이음길이(l_sp)의 비(l_sp/D)를 중요한 설계변수로 선정하였다. Table 2의 마지막 열에 나타낸 것과 같이 실험체의 l_sp/D는0.
이에 본 연구에서는 단면직경에 대하여 다양한 겹침이음길이를 갖는 축소모델을 제작하여 준정적 재하실험을 실시하였으며 겹침이음 길이의 비에 따른 기둥의 거동특성과 내진성능을 분석하였다.
동일한 직경의 실험체의 경우 겹침이음길이만 다를 뿐 다른 특성은 동일하므로 항복변위를 동일하게 설정하는 것이 타당할 것이다. 이에 본 연구에서는 직경별로 실험체의 항복변위를 평균하여 항복변위로 하였다. 극한변위는 Push 방향과 Pull 방향의 다르기 때문에 변위연성도는 이들의 변위연성도의 평균값을 취하였다.
축방향철근의 겹침이음길이에 따른 거동특성을 살펴보기 위하여 축소 모델 실험을 실시하였다. 축소모델은 총 8기로 단면은 중실원형이며 직경은 650mm, 800mm, 1,000mm이다.
축방향철근의 겹침이음길이에 따른 실험체의 거동특성을 파악하기 위해 Fig. 2와 같이 하중 재하점에 3,000 kN 용량의 가력기(Actuator)를 연결하여 준정적 반복재하실험을 수행하였다. 실 교각의 경우 대부분 축방향 단면강도의 10%(0.
3과 같이 2회 반복하여 재하하였다. 하중 단계는 드리프트 비(drift ratio)로 하였으며 첫 번째 단계에서는 0.5%, 두 번째 단계부터는 0.25%씩 증가시켜가며 재하하였다.

대상 데이터

6mm이지만 이와 정확히 일치하는 기성 철근이 없기 때문에 실험체에서는 모두 D10을 사용하였다. 다만, 단면 직경이 1000mm 인 실험체는 D10 철근을 사용하게 되면 철근의 최소간격이 30mm보다 작게 배근되어 실험체 제작에 어려움이 있어서 D13 철근을 적용하였다.
Sheikh(2007)[7]은 1970년 이전에 설계되어진 기존 교각에 대한 준정적 실험을 수행하였다. 시험체의 단면 직경은 356mm 이며, 겹침이음길이는 470mm 이다. 실험결과 겹침이음된 시험체의 변위연성도는 1.
1과 Table 2는 원형 및 실험체의 제원을 나타낸 것이다. 실험체의 직경은 기성 원형거푸집의 제원을 고려하여 650mm, 800mm, 1000mm로 하였다. 원형 교각의 축방향철근의 직경은 D29(28.
실험체의 합리적 설계를 위해서 국도상의 교량 중에서 교각의 축방향철근이 겹침이음 된 513개교를 대상으로 하여 제원특성을 분석하였다. 하부구조의 형식은 T형식(51.
실험체의 직경은 기성 원형거푸집의 제원을 고려하여 650mm, 800mm, 1000mm로 하였다. 원형 교각의 축방향철근의 직경은 D29(28.6mm), D32(31.8mm) 이어서 축소율 1/3을 적용하게 되면 각각 9.5mm, 10.6mm이지만 이와 정확히 일치하는 기성 철근이 없기 때문에 실험체에서는 모두 D10을 사용하였다. 다만, 단면 직경이 1000mm 인 실험체는 D10 철근을 사용하게 되면 철근의 최소간격이 30mm보다 작게 배근되어 실험체 제작에 어려움이 있어서 D13 철근을 적용하였다.
0의 교각에 대해서 내진성능실험을 수행한 바 있다. 이 연구의 시험체는 단면직경이 600mm이며, 축방향철근은 D10을 사용하고 겹침이음 길이는 270mm이다. 실험결과 변위연성도는 1.
축방향철근의 겹침이음길이에 따른 교각의 거동을 파악하기 위해서 축소율이 1/3인 축소모형 실험체 8기를 제작하였다. 기존 교량의 제원특성을 고려하여 원형(Prototype) 교각의 단면은 원형으로 하고 직경(D)은 2.
축방향철근의 겹침이음길이에 따른 거동특성을 살펴보기 위하여 축소 모델 실험을 실시하였다. 축소모델은 총 8기로 단면은 중실원형이며 직경은 650mm, 800mm, 1,000mm이다. 겹침이음은 B급 및 C급 이음으로 하였으며 겹침이음길이는 374mm~800mm에 분포한다.

성능/효과

1) 동일한 직경의 모델에서 겹침이음길이(l_sp)가 길어질수록 변형성능이 증가하였다.
2) 실험체의 최종 파괴모드는 겹침이음길이(l_sp) 보다는 단면직경에 대한 겹침이음길이의 비(l_sp/D)에 따라 결정되었다. 겹침이음길이의 비가 0.
3) 변위연성도의 경우 겹침이음길이(l_sp) 보다는 단면직경에 따른 겹침이 음길이의 비(l_sp/D)와 큰 상관관계를 보였다. 겹침이음길이의 비(l_sp/D)가 증가할수록 변위연성도도 거의 선형적으로 증가하였다.
4) 극한소산에너지 비 및 누적소산에너지 비도 겹침이음길이의 비(l_sp/D)가 증가할수록 선형적으로 증가하였다. 겹침이음길이 비(l_sp/D)가 작은그룹(GroupⅠ: l_sp/D≤0.
/D)와 큰 상관관계를 보였다. 겹침이음길이의 비(l_sp/D)가 증가할수록 변위연성도도 거의 선형적으로 증가하였다. 겹침이음길이가 작은 그룹(GroupⅠ:0.
기존 교량이 대상인 점을 감안하여 콘크리트의 설계강도(f_ck)는 21MPa을 적용하였고 철근의 항복강도(f_y)는 300MPa을 적용하였으나, 재하실험 당시 콘크리트 압축강도 테스트를 수행한 결과 콘크리트의 강도는 약 27MPa로 나타났고 철근은 약 380～400MPa로 다소 크게 측정되었다.
본 실험 결과로부터 겹침이음이 있는 실험체의 최종 파괴모드는 겹침이음길이 비(l_sp/D)와 매우 밀접한 관계가 있음이 확인되었다. 겹침이음길이 비가 약 0.
이 연구의 시험체는 단면직경이 600mm이며, 축방향철근은 D10을 사용하고 겹침이음 길이는 270mm이다. 실험결과 변위연성도는 1.6, 에너지연성도는 2.1로 나타났다. 김태훈 등(2003)[10]은 겹침이음 철근요소를 개발하여 실험결과와 비교하여 타당성을 검증하였으며, 단면직경이 1200mm, 축방향철근 D25, 겹침이음길이가 600mm 인 시험체는 축방향철근이 항복하기 전에 부착파괴가 발생하였음을 확인하였다.
(1996)[2]는 겹침이음이 있는 원형단면 기둥에 대한 준정적 실험을 수행하였으며, 이런 철근상세가 지진하중과 같은 반복하중이 작용하면 겹침이음부의 부착파괴로 인한 취성적인 파괴형태를 보이는 것으로 보고하고 있다. 이 실험결과에 의하면 반복하중에 의해 겹침이음부의 인장 내력이 저하되어 변위연성도 1.5이상에서는 급격한 하중저하가 발생하는 것으로 나타났다. Chai et al.
Wallace(2004)[6]는 압축 겹침이음길이로 설계된 기존 콘크리트 기둥의 지진시 성능을 확인하기 위하여 축력과 형상비, 하중재하방법을 변수로 겹침이음 길이가 20d_b인 시험체 6기에 대해서 실험을 수행하였다. 축방향철근은 D25를 사용하였으며, 실험결과 드리프트 비(drift ratio)가 1.0~1.5%에서 부착파괴에 의한 급격한 강도저하가 발생하는 것을 확인하였다. Kumar K.

후속연구

5) 기존교량의 내진성능평가요령에서는 겹침이음의 유무에 따라 최대변위 연성도를 1.8로 제한하여(원형단면의 경우) 변위연성도를 평가하고 있으나, 향후 단면직경에 따른 겹침이음길이의 비(l_sp/D)에 따라 변위연성도를 평가하는 것이 합리적인 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	1992년 이전에 설계된 교량은 어떻게 설계되었을 것으로 추정되는가?	횡철근이 충분하지 않은 교각의 경우 교각의 하단부에 축방향철근이 겹쳐 이어져 있으면 불충분한 횡 구속에 의해 교각이 충분한 연성을 발휘하기 전에 겹침이음부의 조기 부착 파괴가 발생한다. 우리나라의 경우 내진설계가 도입되기 전인 1992년 이전에 설계된 교량의 경우, 교각을 압축부재로 간주하여 축방향철근의 겹침이 음길이는 압축철근의 겹침이음길이를 적용하였을 것으로 판단되며 모든 축방향철근은 교각의 하단영역에서 겹침이음 되었을 것으로 추정된다. 1992년 이후 내진설계가 적용된 교량에서는 교각을 인장부재로 간주하여 인장철근의 겹침이음길이를 적용하였을 것이며 축방향철근의 겹침이음 비율도 100%(모든 철근이 겹침이음 됨) 또는 50%(하나 걸러서 겹침이음 됨)를 적용하였을 것으로 추정된다.
	RC 교각의 내진성능은 무엇에 따라 크게 차이가 나는가?	RC 교각의 내진성능은 축방향철근의 겹침이음과 심부콘크리트를 횡구속하는 횡철근 양에 따라 크게 차이가 나타난다. 횡철근이 충분하지 않은 교각의 경우 교각의 하단부에 축방향철근이 겹쳐 이어져 있으면 불충분한 횡 구속에 의해 교각이 충분한 연성을 발휘하기 전에 겹침이음부의 조기 부착 파괴가 발생한다.
	겹침이음이 있는 원형단면 기둥에 대한 준정적 실험 결과는 어떻게 나타났는가?	(1996)[2]는 겹침이음이 있는 원형단면 기둥에 대한 준정적 실험을 수행하였으며, 이런 철근상세가 지진하중과 같은 반복하중이 작용하면 겹침이음부의 부착파괴로 인한 취성적인 파괴형태를 보이는 것으로 보고하고 있다. 이 실험결과에 의하면 반복하중에 의해 겹침이음부의 인장 내력이 저하되어 변위연성도 1.5이상에서는 급격한 하중저하가 발생하는 것으로 나타났다. Chai et al.

참고문헌 (15)

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Paulay T, Priestley MJN. Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings. John Wiley & Sons, Inc. New York. 1992.

저자의 다른 논문 :

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