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문제 정의
- 이후 Chopra와 Goel(2001)에 의해 제안된 비탄성 스펙트럼을 적용한 방법을 제안하였는데, 전반적인 과정은 Kowalsky가 제안한 직접변위기반 설계법과 유사하나, 비선형 하중-변위 관계를 등가선형 시스템으로 고려하고, 연성효 과를 고려한 비탄성 설계 응답스펙트럼을 사용함으로써 실제 지진발생시 비선형거동과 그에 따른 최대변위를 보다 정히 예측할 수 있는 방법이다.7)8) 따라서, 본 연구에서는 직접변위기반 설계법을 적용하여 SRC 합성기둥의 비탄성 거동과 최대 변위를 보다 정확히 예측하고, SRC 합성기둥에 대한 성능개선 변위기반 내진 설계법을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 강재 매입형 SRC 합성기둥에 대하여 직접변위기반 설계법(DDM)을 적용하여 SRC 합성기둥의 내진성능개선 설계를 위한 성능설계 방법을 제시한 것으로 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 장에서는 SRC 합성기둥의 내진성능개선을 위한 성능설계를 위하여 직접변위기반 설계법의 기본 개념을 이용하여 SRC 합성기둥의 목표 성능향상을 위한 성능설계법을 제시하도록 하였다.
제안 방법
- SRC 합성기둥은 와 같이 RC 기둥과의 비교를 위해 기존 RC 기둥과 H형강을 강축과 약축으로 매입한 SRC-HS, SRC-HW 2개와 원형 중공강관을 매입한 SRC-C의 총 4개 모델을 선정하여 축하중 667kN을 작용시켜 해석하였다.
- SRC 합성기둥의 휨에 대한 P-M상관도와 단면의 공칭성능을 분석하기 위하여 유한요소 프로그램인 CSICOL(Analysis and Design of Reinforced and Composite Columns)10)을 이용하여 해석을 수행하였다. 콘크리트 설계강도(f ck = 24MPa), 철근은 SD 30(f y = 300MPa)을 사용하였고, 강재는 일반 구조용 강재인 SS400(f y = 235MPa)을 사용하였다.
- 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥에 대한 P-M상관 도를 통하여 기둥별 최대 축력과 모멘트와의 관계를 비교 분석하였다. 기둥은 축력과 모멘트를 동시에 받는 구조 요소이므로 기둥 설계시 축력과 모멘트의 합성작용에 대한 P-M 상관도를 통하여 기둥 강도를 검토한다. 세장비가 큰 기둥에 대한 강도 검토에도 P-M 상관도를 이용하게 되는데, 기둥 길이의 영향으로 인한 2차 모멘트 P - ∆를 산정하여 극한하중에 의한 단면력을 기둥 단면강도와 비교하는 개념이 적용되고 있다.
- 기존 RC 기둥 및 SRC-HW, SRC-HS, SRC-C에 대하여 등가선형시스템의 연성도와 유효 감쇠비에 따른 항복후 강성비 α = 0.195로 추정하여 유효 감쇠비를 각각 #=22.9%, # =25.9%, # =27.5%, # =26.2%로 산정하였고, 각각의 기둥에 따라 가속도, 속도, 변위에 대한 증폭계수는 와 같으며, 이를 적용한 응답변수에 따른 N-H 삼원 설계스펙트럼, 변위, 가속도 스펙트럼을 , , 에 도시하였다.
- 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥에 대한 P-M상관 도를 통하여 기둥별 최대 축력과 모멘트와의 관계를 비교 분석하였다. 기둥은 축력과 모멘트를 동시에 받는 구조 요소이므로 기둥 설계시 축력과 모멘트의 합성작용에 대한 P-M 상관도를 통하여 기둥 강도를 검토한다.
- <그림 9>는 x축과 y축의 공칭모멘트 Mnx-Mny 곡선을 통해 모멘트에 저항하는 기둥의 성능을 비교 분석하였다. Mnx-Mny의 최대값을 비교해 보면 RC 기둥과 SRC-C은 Mnx-Mny에서 x,y축에서 동일하다.
- 또한, 직접변위기반 설계법에 의해 추정된 설계결과에 대하여 변위계수법(Displacement Coefficient Method, DCM)11)을 적용하여 동일한 최대 설계지반 가속도에 대해 성능평가 목표 변위값을 추정하여 비교 검토하여 에 나타내었다.
- 63%의 강재비를 사용하였다. 매입강재의 형상 및 배치 구조를 달리하여 기둥에 적합한 강재 형상 및 강재의 배치 형태를 결정하도록 하였다. 주철근은 SD30의 D16 철근을 설계기준의 최소요구량인 8개를 배근하였고, 횡방향 철근은 D10 철근을 30m m 간격으로 배근하였다.
- 본 연구에서는 탄성 설계 스펙트럼의 작성을 위하여 Newmark-Hall(1982)이 제안한 삼원 탄성 설계스펙트럼(N-H스펙트럼)을 적용하였고, 최대 지반가속도(PGA)값을 0.4g인 경우를 고려하여 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥에 대하여 가속도, 속도, 변위 증폭계수 αA, αV, αD를 감쇠비 ζ에 따라 산정하여 설정된 변위 목표에 따라 설계 변위스펙트럼을 작성하여 각 기둥별로 시스템의 감쇠비에 따른 고유주기를 산정하였다.
- 이상에서 소개된 변위기반 설계방법을 SRC 합성 기둥의 설계개념을 적용하여 SRC 합성기둥에 대한 직접변위기반 내진성능 설계의 알고리즘을 와 같이 제시하였다.
- 직접변위기반 설계법에 의해 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥에 대하여 최대지반가속도 0.4g을 적용하여 내진성능을 비교 검토하였다. 목표변위에 대해 초기 항복 변위값을 가정하여 수렴한 결과를 얻을 때까지 반복하였다.
- 목표변위에 대해 초기 항복 변위값을 가정하여 수렴한 결과를 얻을 때까지 반복하였다. 직접변위기반 설계법에 의해 목표 변위값의 수렴후 결과를 이용하여 최대 지반 가속도에 따라 비선형 정적해석을 실시하였다.
대상 데이터
- 매입강재의 형상 및 배치 구조를 달리하여 기둥에 적합한 강재 형상 및 강재의 배치 형태를 결정하도록 하였다. 주철근은 SD30의 D16 철근을 설계기준의 최소요구량인 8개를 배근하였고, 횡방향 철근은 D10 철근을 30m m 간격으로 배근하였다.
- 을 이용하여 해석을 수행하였다. 콘크리트 설계강도(f ck = 24MPa), 철근은 SD 30(f y = 300MPa)을 사용하였고, 강재는 일반 구조용 강재인 SS400(f y = 235MPa)을 사용하였다.
이론/모형
- 직접변위기반 설계법의 적용을 위해 본 연구에서는 Newmark9) 등(1982)이 제안한 탄성 설계스펙트럼에 대하여 연성비(μ)로부터 산정되는 식(1)의 항복강도 감소계수 R y 에 의해 비탄성 설계스펙트럼을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥의 구조성능을 분석한 결과 P-M 상관도에서 SRC 합성기둥이 축력은 최대 65%정도의 성능 향상을 나타내었다. 이는 SRC 합성기둥이 높은 연성과 에너지 흡수능력을 지님으로써 내진에 대한 저항성능이 뛰어남을 알 수 있었다.
- SRC 합성기둥은 매입강재와 콘크리트 두 재료의 취약점을 상호 보완하는 효과를 갖음으로써 기둥의 축력 및 휨에 대한 높은 강성과 강도를 확보할 수 있으며, 기존 연구에서 SRC 합성 기둥의 압축, 휨, 전단실험을 통하여 SRC 합성기둥의 우수한 구조적인 거동을 확인하였다.1)2) 또한, SRC 합성기둥의 거동에 관한 실험과 해석에 의해 RC 기둥보다 휨강도와 연성도 측면에서 우수한 성능을 나타며, 요구되는 성능기준에 중요한 연성 확보가 용이한 것으로 조사되었다.3)4) 따라서, SRC 합성기둥에 대한 내진 성능 개선을 고려할 경우 개선된 설계 기법의 적용이 필요하다.
- 2) 내진설계 및 평가에 쉽게 적용할 수 있는 직접 변위기반 설계법을 이용한 결과 RC 기둥에 비해 SRC 합성기둥의 유효 감쇠비, 가속도, 속도, 변위의 증폭계수는 약 7∼20% 증가하였으며, 이를 바탕으로 설계 스펙트럼, 고유주기, 유효강성 및 요구되는 항복강도를 결정하고 비선형 정적해석을 실시하여 목표변위에 대해 내진성능을 평가할 수 있었다.
- 3) 본 연구에서 적용된 직접변위기반 내진성능 평가방법에 의한 RC 기둥 및 SRC 합성기둥의 내진성능개선 설계 및 성능 평가 방법은 내진 성능개선 목표의 설계변위값이 성능평가에 대하여 합리적이고 간편한 방법이다. 기존 RC 기둥과 비교하여 최대 내진성능효과를 나타내는 SRC–HS 합성기둥은 항복변위 20%, 목표변위 33%, 항복력 48%로 크게 개선된 내진성능 결과를 제공해 주었다.
- 기존 RC 기둥과 비교하여 최대 내진성능효과를 나타내는 SRC–HS 합성기둥은 항복변위 20%, 목표변위 33%, 항복력 48%로 크게 개선된 내진성능 결과를 제공해 주었다.
- 직접변위기반 설계법에 의한 내진성능설계 결과는 <표 2>와 같이 정리된다. 따라서, 기존 RC 기둥에 비해 SRC 합성기둥이 더 향상된 축력과 휨에 대한 내력을 가지고, 높은 연성과 에너지 흡수능력을 지님으로써 내진에 대한 저항성이 뛰어남을 알 수 있었다. 특히, H형강을 강축으로 매입한 SRC-HS가 가장 좋은 성능을 나타내었다.
- <그림 8>은 기둥별 P-M 상관도를 분석한 것이며 H형 강재를 매입한 SRC 합성기둥이 RC 기둥보다 축력은 65% 정도의 성능향상을 보인다. 또한, SRC -HW에 비해 SRC-HS은 축력의 변화는 작지만 P-M 상관도에서 같은 축력하에서 모멘트를 더 많이 받을 수 있는 것으로 나타났다. SRC-C은 RC 기둥보다 45%정도의 성능향상을 기대할 수 있음을 알 수있다.
- SRC-C은 RC 기둥보다 45%정도의 성능향상을 기대할 수 있음을 알 수있다. 또한, SRC-C은 SRC-HS 비해 축력은 20% 정도 성능이 떨어지지만 모멘트 저항능력은 상대적으로 차이가 적은 것으로 나타났다. SRC-C가 비록 축력에 저항하는 성능이 SRC-HS 미치지 못하지만, 형강의 배치 각도에 따라 성능의 차이가 나는 H형강을 매입한 SRC 합성기둥에 비해 어떠한 방향에서도 동일한 성능을 내는 원형강관을 매입한 SRC-C가 실제 시공상에서는 장점이 될 수도 있을 것으로 판단된다.
- 1) 기존 RC 기둥과 SRC 합성기둥의 구조성능을 분석한 결과 P-M 상관도에서 SRC 합성기둥이 축력은 최대 65%정도의 성능 향상을 나타내었다. 이는 SRC 합성기둥이 높은 연성과 에너지 흡수능력을 지님으로써 내진에 대한 저항성능이 뛰어남을 알 수 있었다.
- 을 적용하여 동일한 최대 설계지반 가속도에 대해 성능평가 목표 변위값을 추정하여 비교 검토하여 <표 3>에 나타내었다. 최대 설계 지반가속도에 대해 성능평가 목표 변위값의 추정결과 DDM의 목표 성능값의 최대 63%에 미치지 못하는 것으로 나타났다. DCM은 항복 전 항복강도의 60%에 해당하는 점에서의 유효강성을 사용하고, 산정된 유효강성과 유효주기에 의한 목표변위를 추정하는 반면, DDM은 항복 후의 강성비를 고려한 유효 할선 탄성계수 및 변위 연성도에 의한 유효 탄성 계수를 고려하고 있어 목표 변위에 따른 성능 설계 평가에 있어서 높은 연성비의 거동에 대해서도 타당성 있게 반영되는 것으로 평가된다.
- 따라서, 기존 RC 기둥에 비해 SRC 합성기둥이 더 향상된 축력과 휨에 대한 내력을 가지고, 높은 연성과 에너지 흡수능력을 지님으로써 내진에 대한 저항성이 뛰어남을 알 수 있었다. 특히, H형강을 강축으로 매입한 SRC-HS가 가장 좋은 성능을 나타내었다.
후속연구
- SRC-HW, SRC-HS의 Mnx-Mny 곡선을 살펴보면 x,y축에 따라 모멘트에 저항하는 성능이 최대 20%까지 차이가 나는 것을 볼 수 가 있다. 이를 통해 H형강이 매입되는 기둥에서는 주축이 되는 방향에 따라 철근의 배치 각도를 달리하는 것이 시공 시 기둥의 능력을 최대로 활용하는 방법이 될 수 있을 것으로 판단된다.
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