선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이에 따라 본 연구에서는 축하중과 반복된 횡력 작용시 헤드형 크로스타이의 기둥 횡보강 효과를 실험적으로 연구하고자 한다. 또한 철근콘크리트 기둥의 횡보강근 형태를 변수로 하여 이러한 요인이 작용할 때 구조성능에 미치는 영향을 규명하고자 한다.
- 본 연구에서는 구조실험을 통하여 헤드형 크로스타이의 횡구속기여도와 실제 기둥의 이력거동에 미치는 영향을 파악하고자 한다.
- 이에 따라 본 연구에서는 축하중과 반복된 횡력 작용시 헤드형 크로스타이의 기둥 횡보강 효과를 실험적으로 연구하고자 한다. 또한 철근콘크리트 기둥의 횡보강근 형태를 변수로 하여 이러한 요인이 작용할 때 구조성능에 미치는 영향을 규명하고자 한다.
제안 방법
- 기둥에 발생되는 횡변위를 측정하기 위하여 실험체의 가력점에 LVDT 1개를 설치하여 횡변위를 측정하였으며, 소성힌지가 발생되는 지점의 기둥 양단에 2개의 LVDT를 설치하여 소성힌지 부분에서의 곡률을 측정하였다. 소성힌지 내의 주철근과 횡보강근의 변형률은 실험체 제작시 미리 매설된 변형도 게이지(Wire Strain Gauge)로부터 측정하였다.
- 하중제어를 하면서 500kN 엑츄에이터에 의해 서로 반대로 정(+), 부(-)의 반복 횡하중을 가력하였다. 기초 콘크리트의 국부적인 파괴를 방지하기 위하여 실험체의 기초부에 철판으로 제작된 보강철물을 씌워서 단부보강을 하였고, 기둥이 횡력과 축력에 의해 실험체가 움직이지 않도록 기둥하단부분을 고정하였다. 점증하는 횡력작용시 면외방향의 변형을 방지하기 위하여 실험체의 양측면에 베어링을 설치하여 한방향으로 변형이 발생하도록 하였다.
- 본 실험에 사용된 변위이력은 Fig. 5와 같은 변위이력에 따라 이전 변위각의 5/4이상, 최대 3/2를 넘지 않도록 최초 변위각 0.1%에서 시작하여 최대 변위각 5%까지 총 12 Step으로 계획하고 각 Cycle별 동일 최대 변위를 3회씩 점증반복가력 하였다. 변위각 5%까지 반복가력한 뒤에도 파괴되지 않는 경우에는 정방향 단조가력형태로 최종파괴에 이를 때까지 횡변위를 증가시켰다.
- 기둥에 발생되는 횡변위를 측정하기 위하여 실험체의 가력점에 LVDT 1개를 설치하여 횡변위를 측정하였으며, 소성힌지가 발생되는 지점의 기둥 양단에 2개의 LVDT를 설치하여 소성힌지 부분에서의 곡률을 측정하였다. 소성힌지 내의 주철근과 횡보강근의 변형률은 실험체 제작시 미리 매설된 변형도 게이지(Wire Strain Gauge)로부터 측정하였다. Fig.
- 실험은 한국교통대학교 소재 국제공인시험연구센터 구조실험실에서 실시하였으며, 실험체에 작용하는 가력은 반복하중 500kN 용량의 스크류 엑츄에이터(Screw Actuator)를 사용하고, 축력은 1000kN 용량의 엑츄에이터를 이용하여 일정하게 축력을 유지하도록 하였다. 하중제어를 하면서 500kN 엑츄에이터에 의해 서로 반대로 정(+), 부(-)의 반복 횡하중을 가력하였다.
- 일정 축력이 작용하는 상태에서 반복된 점증횡력에 대한 기둥의 거동을 관찰하기 위한 실험을 계획하고 횡보강근 상세와 축응력을 변수로 하여 총 5개의 기둥 실험체를 제작하였다. 횡보강으로서 띠철근만 있는 경우, 띠철근과 갈고리형 크로스타이 그리고 띠철근과 헤드형 크로스타이가 있는 세가지의 경우로 계획하였으며 축력은 축응력이 콘크리트 압축강도의 10%와 20%인 경우로 계획하였다.
- 기초 콘크리트의 국부적인 파괴를 방지하기 위하여 실험체의 기초부에 철판으로 제작된 보강철물을 씌워서 단부보강을 하였고, 기둥이 횡력과 축력에 의해 실험체가 움직이지 않도록 기둥하단부분을 고정하였다. 점증하는 횡력작용시 면외방향의 변형을 방지하기 위하여 실험체의 양측면에 베어링을 설치하여 한방향으로 변형이 발생하도록 하였다. Fig.
- 실험은 한국교통대학교 소재 국제공인시험연구센터 구조실험실에서 실시하였으며, 실험체에 작용하는 가력은 반복하중 500kN 용량의 스크류 엑츄에이터(Screw Actuator)를 사용하고, 축력은 1000kN 용량의 엑츄에이터를 이용하여 일정하게 축력을 유지하도록 하였다. 하중제어를 하면서 500kN 엑츄에이터에 의해 서로 반대로 정(+), 부(-)의 반복 횡하중을 가력하였다. 기초 콘크리트의 국부적인 파괴를 방지하기 위하여 실험체의 기초부에 철판으로 제작된 보강철물을 씌워서 단부보강을 하였고, 기둥이 횡력과 축력에 의해 실험체가 움직이지 않도록 기둥하단부분을 고정하였다.
- 일정 축력이 작용하는 상태에서 반복된 점증횡력에 대한 기둥의 거동을 관찰하기 위한 실험을 계획하고 횡보강근 상세와 축응력을 변수로 하여 총 5개의 기둥 실험체를 제작하였다. 횡보강으로서 띠철근만 있는 경우, 띠철근과 갈고리형 크로스타이 그리고 띠철근과 헤드형 크로스타이가 있는 세가지의 경우로 계획하였으며 축력은 축응력이 콘크리트 압축강도의 10%와 20%인 경우로 계획하였다. Table 1은 실험체 일람을 나타내며, 실험체의 형상 및 배근상세는 Fig.
대상 데이터
- 본 연구에서 구조실험용으로 제작된 실험체는 실험장치의 용량을 고려하여 크기 300mm⨯300mm⨯1050mm로 제작하였으며 주근은 12-D19(SD400), 띠철근은 D10을 사용하였다. 기둥의 접합부 파괴를 방지하기 위해 기초를 제작하고, 횡력이 작용하는 상부에는 띠철근을 70mm 간격으로 배근하여 가력부를 보강하였다.
성능/효과
- (1) 크로스타이가 없이 띠철근만으로 횡보강된 기둥은, 낮은 횡력에서 균열과 함께 띠철근이 휨변형한 뒤 코아 콘크리트가 탈락되는 파괴양상을 보인 반면에 크로스타이가 있는 기둥은 균열이 발생한 이후에도 코아 콘크리트를 효과적으로 구속하여 내력 및 연성을 증진시키는 것으로 나타났다.
- (2) 횡방향 대변형시, 갈고리형 크로스타이는 90° 갈고리 부분이 펴지면서 코아 콘크리트가 탈락되는 양상을 보이지만 헤드형 크로스타이는 대변형 시에도 헤드가 매우 효과적으로 띠철근과 주근을 구속하여 높은 내력과 연성능력을 발휘하는 것으로 나타났다.
- (3) 크로스타이가 있음으로서 기둥의 내력과 연성비는 각각 1.5배와 2.7배 이상 상승되며 특히 갈고리형에 비하여 헤드형 크로스타이를 사용할 경우, 내력과 연성비가 각각 1.2배와 1.3배 이상 증진되는 것으로 나타났다. 이로부터 헤드형 크로스타이가 코아 콘크리트의 횡구속에 매우 효과적임을 알 수 있다.
- 12는 각 실험체의 하중-변위 곡선을 나타낸다. A-01N실험체를 제외한 모든 실험체가 변위각 5% (R=42.5mm, 1/20) 이후 최대하중에 도달하여 우수한 구조성능을 보였음을 알 수 있다. 특히 헤드형 크로스타이가 있는 C시리즈 실험체가 높은 내력 및 변형능력을 나타내었다.
- 각 실험체의 정방향 가력에 대한 연성비의 경우에는 크로스타이가 없는 A-01N 실험체에 비하여 B-01N 실험체는 2.7배, 그리고 C-01N 실험체는 3.7배 높은 것으로 나타났다. 세 실험체의 항복변위가 유사하기 때문에 결국 크로스타이가 있음으로서 비탄성변형 능력이 향상되는 것으로 볼 수 있으며, 특히 헤드형 크로스타이를 사용할 경우 변형능력이 현저히 향상됨을 알 수 있다.
- 6%)에서 항복하였으나 이때의 내력은 A-01N 실험체에 비하여 30% 낮은 것으로 나타났다. 그러나 항복 이후에도 강성저하가 거의 발생하지 않은 상태로 최대내력에 도달하였으며 최대내력에 도달한 뒤에도 급격한 내력저하를 보이지 않고 일정변위 동안 하중을 지지한 뒤 내력이 저하되는 안정된 이력양상을 보였다.
- 띠철근만 있는 A-01N실험체의 최종적인 파괴양상은 Fig. 7(a)에서 볼 수 있듯이, 소성힌지 구간의 띠철근이 바깥쪽으로 볼록해지면서 주근이 활대 모양으로 좌굴이 일어났으며, 최종파괴시에는 135° 띠철근의 갈고리가 펴지면서 주근의 좌굴현상이 발생되었다.
- 7배 높은 것으로 나타났다. 세 실험체의 항복변위가 유사하기 때문에 결국 크로스타이가 있음으로서 비탄성변형 능력이 향상되는 것으로 볼 수 있으며, 특히 헤드형 크로스타이를 사용할 경우 변형능력이 현저히 향상됨을 알 수 있다. 이와 같은 관계는 축응력이 0.
- 2fck로 증가함에 따라 B 시리즈 실험체에서는 약 12%의 내력저하가 발생하였으나, C시리즈 실험체에서는 약 40%의 내력저하가 발생하였다. 실제 파괴상황을 관찰한 결과 C-02N 실험체의 코아 콘크리트에 비록 균열이 발생하였지만 크로스타이에 의해 적절히 구속되어 있는 것으로 나타났다. 따라서 이와 같은 내력저하는 사용된 콘크리트의 재료적 오차 등에 기인한 것으로 예측될 수 있기 때문에 추후 보완적인 연구 등이 필요한 것으로 판단된다.
- 실험체 제작에 사용된 콘크리트에 대한 재료시험을 실시한 결과 콘크리트는 28일 표준압축강도가 21MPa로 나타났으며, 탄성계수는 2.4×104MPa로 나타났다.
- 헤드형 크로스타이를 사용한 C시리즈 실험체의 최종적인 파괴양상은 소성힌지 구간의 크로스타이가 주근 및 코아 콘크리트를 효과적으로 구속함에 따라 주근좌굴현상이 심각하지 않고 또한 피복콘크리트의 박리도 심하지 않은 것으로 나타났다. 최종 파괴시까지 크로스타이의 헤드부분이 콘크리트를 효과적으로 구속하여, 상하 띠철근 사이의 주근이 좌굴되어 파단되면서 파괴되는 양상을 보였다.
- 최종파괴시 까지 가력한 정방향에 대한 최대내력의 경우 헤드형 크로스타이를 사용한 C-01N실험체가 A-01N 실험체의 1.94배, 갈고리형 크로스타이를 사용한 B-01N 실험체는 A-01N 실험체의 1.5배 높은 내력을 보여, 크로스타이가 있음으로 기둥의 횡력에 대한 내력을 상승시킬 수 있음을 알 수 있다.
- 축응력이 0.1fck인 실험체들 사이에서 정방향 최대내력 시의 변형능력을 보면, 크로스타이가 없는 A-01N 실험체가 3.3%로 가장 낮고 헤드형 크로스타이가 있는 C-01N이 11.6%로서 A-01N에 비하여 4배, B-01N실험체는 9.2%로서 약 3.5배 가량 높은 것으로 나타났다. 이로부터 띠철근과 크로스타이로 횡보강될 경우 코아 콘크리트의 효과적인 구속에 의해 내력 및 변형능력이 향상될 수 있음을 알 수 있다.
- 축응력이 0.2fck인 B-02N과 C-02N 실험체는 축응력이 0.1fck인 실험체들과 기본적인 파괴양상은 유사하나 높은 축응력에 의하여 코아콘크리트의 손상상태가 다소 심각한 것으로 나타났다.
- 반면에 B-01N과 C-01N 실험체는 정방향가력시 크로스타이에 의해 지지되는 후프근이 지속적으로 증가하는 콘크리트측압에 대하여 꾸준히 변형을 일으킴으로써 효과적으로 저항하고 있음을 알 수 있다. 특히 C-01N 실험체의 띠철근이 최종단계에는 높은 변형율을 보이는 것으로 보아, 최종파괴시 매우 효과적으로 코아 콘크리트를 구속한 것으로 사료된다.
- 5%)로 역시 A-01N 실험체와 유사한 변위에서 항복에 도달하였으며 항복내력은 B-01N 실험체보다는 다소 높은 양상을 보였다. 항복이후 정, 부방향 모두 강성저하없이 최대내력에 도달하였으며, 최대내력은 B-01N 실험체에 비하여 약 1.3배 이상 높은 값으로 나타났다. 최대내력에 도달한 뒤에도 소정의 비탄성 변형을 보인 뒤 파괴에 도달하였다.
- 헤드형 크로스타이를 사용한 C-01N실험체의 항복은 정방향 13.3mm (R=1/64, 1.6%), 부방향 13.1mm (R=1/65, 1.5%)로 역시 A-01N 실험체와 유사한 변위에서 항복에 도달하였으며 항복내력은 B-01N 실험체보다는 다소 높은 양상을 보였다. 항복이후 정, 부방향 모두 강성저하없이 최대내력에 도달하였으며, 최대내력은 B-01N 실험체에 비하여 약 1.
- 헤드형 크로스타이를 사용한 C시리즈 실험체의 최종적인 파괴양상은 소성힌지 구간의 크로스타이가 주근 및 코아 콘크리트를 효과적으로 구속함에 따라 주근좌굴현상이 심각하지 않고 또한 피복콘크리트의 박리도 심하지 않은 것으로 나타났다. 최종 파괴시까지 크로스타이의 헤드부분이 콘크리트를 효과적으로 구속하여, 상하 띠철근 사이의 주근이 좌굴되어 파단되면서 파괴되는 양상을 보였다.
후속연구
- (3) 헤드형 크로스 타이는 기둥의 최종파괴시, 즉 횡방향 대변형이 발생하는 경우에도 헤드가 띠철근 및 코아 콘크리트를 효과적으로 구속하기 때문에 높은 축응력이 작용하는 고강도 콘크리트 등에 매우 효과적일 것으로 사료되므로 추후 이에 대한 지속적이 연구가 요망된다. 또한 추가적인 실험을 통하여 헤드에 의한 횡구속효과를 적절히 반영할 수 있는 구속모델의 개발이 필요한 것으로 사료된다.
- 윤승조 등(2009)은 기계적 정착장치가 있는 헤드형 크로스타이를 사용한 기둥에 대하여 압축성능 평가 실험을 실시하여 헤드형 크로스타이를 횡보강근으로 사용할 경우 기둥의 횡구속 효과가 상승됨을 밝혔다. 그러나 이 연구는 단지 연직압축응력을 받는 경우만을 대상으로 하고있어, 실제 지진과 같이 반복된 횡력이 작용할 경우는 그 효과의 유무와 정도에 대해서 추가적인 연구가 필요한 상황이다.
- 실제 파괴상황을 관찰한 결과 C-02N 실험체의 코아 콘크리트에 비록 균열이 발생하였지만 크로스타이에 의해 적절히 구속되어 있는 것으로 나타났다. 따라서 이와 같은 내력저하는 사용된 콘크리트의 재료적 오차 등에 기인한 것으로 예측될 수 있기 때문에 추후 보완적인 연구 등이 필요한 것으로 판단된다.
- (3) 헤드형 크로스 타이는 기둥의 최종파괴시, 즉 횡방향 대변형이 발생하는 경우에도 헤드가 띠철근 및 코아 콘크리트를 효과적으로 구속하기 때문에 높은 축응력이 작용하는 고강도 콘크리트 등에 매우 효과적일 것으로 사료되므로 추후 이에 대한 지속적이 연구가 요망된다. 또한 추가적인 실험을 통하여 헤드에 의한 횡구속효과를 적절히 반영할 수 있는 구속모델의 개발이 필요한 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.