최근 몇 년간 보-기둥 접합부에 영향을 줄 수 있는 경사기둥을 포함한 비정형 구조 시스템을 가진 초고층 빌딩이 증가하고 있다. 경사기둥-보 접합부에 외력이 작용 시 전단과 휨 모멘트의 분포가 정형화된 보-기둥 접합부와 상이하여 접합부의 파괴모드, 전단강도, 연성능력 및 에너지소산능력이 변화할 가능성이 크다. 이 연구에서는 6개의 철근콘크리트 경사기둥-보 접합부($90^{\circ}$, $67.5^{\circ}$, $45^{\circ}$) 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 실험 결과에 의하면 경사기둥-보 접합부에서 비대칭 파괴가 발생하였으며 수직기둥-보 접합부에 비해서 최대하중과 에너지소산능력이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 경사기둥으로 인해 발생되는 접합부의 상이한 모멘트 분포와 압축력만 받는 수직기둥과 다르게 경사기둥이 압축력뿐 아니라 인장력도 작용하기 때문이다.
최근 몇 년간 보-기둥 접합부에 영향을 줄 수 있는 경사기둥을 포함한 비정형 구조 시스템을 가진 초고층 빌딩이 증가하고 있다. 경사기둥-보 접합부에 외력이 작용 시 전단과 휨 모멘트의 분포가 정형화된 보-기둥 접합부와 상이하여 접합부의 파괴모드, 전단강도, 연성능력 및 에너지소산능력이 변화할 가능성이 크다. 이 연구에서는 6개의 철근콘크리트 경사기둥-보 접합부($90^{\circ}$, $67.5^{\circ}$, $45^{\circ}$) 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 실험 결과에 의하면 경사기둥-보 접합부에서 비대칭 파괴가 발생하였으며 수직기둥-보 접합부에 비해서 최대하중과 에너지소산능력이 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 경사기둥으로 인해 발생되는 접합부의 상이한 모멘트 분포와 압축력만 받는 수직기둥과 다르게 경사기둥이 압축력뿐 아니라 인장력도 작용하기 때문이다.
In recent years, many high-rise buildings have been constructed in irregular structural system with inclined columns, which may have effect on the structural behavior of beam-column joints. Since the external load leads to shear and flexural forces on the inclined columns in different way from those...
In recent years, many high-rise buildings have been constructed in irregular structural system with inclined columns, which may have effect on the structural behavior of beam-column joints. Since the external load leads to shear and flexural forces on the inclined columns in different way from those on the conventional vertical columns, failure mode, resistant strength, and ductility capacity of the inclined column-beam joints may be different than those of the perpendicular beam-column joints. In this study, six RC inclined beam-column joint specimens were tested. The main parameter of the specimens was the angle between axes of the column and beam (90, 67.5, and 45 degree). Test results indicated that the structural behavior of conventional perpendicular beam-column joint was different to that of the inclined beam-column joints, due to different loading conditions between inclined and perpendicular beam-column joints. Both upper and lower columns of perpendicular beam-column joints were subjected to compressive force, while the upper and lower columns of the inclined beam-column joints were subjected to tensile and compressive forces, respectively.
In recent years, many high-rise buildings have been constructed in irregular structural system with inclined columns, which may have effect on the structural behavior of beam-column joints. Since the external load leads to shear and flexural forces on the inclined columns in different way from those on the conventional vertical columns, failure mode, resistant strength, and ductility capacity of the inclined column-beam joints may be different than those of the perpendicular beam-column joints. In this study, six RC inclined beam-column joint specimens were tested. The main parameter of the specimens was the angle between axes of the column and beam (90, 67.5, and 45 degree). Test results indicated that the structural behavior of conventional perpendicular beam-column joint was different to that of the inclined beam-column joints, due to different loading conditions between inclined and perpendicular beam-column joints. Both upper and lower columns of perpendicular beam-column joints were subjected to compressive force, while the upper and lower columns of the inclined beam-column joints were subjected to tensile and compressive forces, respectively.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이 연구에서는 비정형 구조물에서 경사기둥-보 접합부에 지진 횡하중이 가해졌을 경우 전단강도, 파괴모드, 연성, 에너지소산능력에 어떤 영향을 주는지 평가하였다. 실험과 해석을 통하여 측정한 결론을 요약하여 정리하면 다음과 같다.
이 연구의 주목적은 6개의 철근콘크리트 경사기둥-보 접합부 실험을 통하여 기둥의 경사에 따른 접합부의 구조적 거동을 관찰하고 파괴모드, 강도, 연성, 에너지소산의 변화를 평가하는 것이다.
제안 방법
기둥과 보가 교차하는 접합부 부분과 접합부와 인접 보의 소성힌지 구역 주인장 철근의 변형률을 측정하기 위하여 접합부내 상부와 하부 보 주철근에 각각 3개의 게이지와 기둥면에서 보 방향으로 30 mm 떨어진 위치에 철근변형률 게이지를 부착하였다. 또한 접합부 횡보강근과 보 전단철근 항복여부를 위해 각각 2개의 철근 변형률 게이지를 설치하였다.
기둥과 보가 교차하는 접합부 부분과 접합부와 인접 보의 소성힌지 구역 주인장 철근의 변형률을 측정하기 위하여 접합부내 상부와 하부 보 주철근에 각각 3개의 게이지와 기둥면에서 보 방향으로 30 mm 떨어진 위치에 철근변형률 게이지를 부착하였다. 또한 접합부 횡보강근과 보 전단철근 항복여부를 위해 각각 2개의 철근 변형률 게이지를 설치하였다. 보-기둥 접합부와 보의 소성힌지 구역 변형을 측정하기 위해 Fig.
모든 설험체에 대해 강도 예측이 비교적 정확하며 보가 휨 항복에 도달하기 전에 접합부가 파괴되는 J파괴를 유도하였으며 주요 변수는 기둥의 경사각도(90°, 67.5°, 45°)로 각각 2개씩 제작하였다.
접합부 전체 변위에 대해서는 2개의 와이어 게이지를 이용해 측정하였다. 보 양단과 기둥하부에 철물을 이용하여 힌지를 설치하였고 Fig. 6과 같이 보 양단은 각각 강봉 2개, 기둥 하부는 타설시 커플러를 매입한 후 4개의 가공볼트를 이용해 접합하였다.
소성힌지 발생 이후 변위가 계속해서 증가하게 되면 소성힌지 영역의 주인장철근 변형률이 급속하게 증가하게 되고 이 변형률이 접합부 내부의 변형률에 영향을 미치게 된다. 실험에서는 접합부를 관통하는 보 상부 주인장철근에 용접을 통한 LVDT를 설치하였고 LVDT 데이터를 통해 철근의 변형률을 측정하였다. 측정지점은총 6지점으로 접합부 내 2지점, 소성힌지 구역 좌, 우 각 1지점, 소성힌지 바깥 구역 2지점이다.
이 연구에서는 총 6개의 철근콘크리트 보-기둥 접합부를 제작하여 실험을 수행하였다. 모든 설험체에 대해 강도 예측이 비교적 정확하며 보가 휨 항복에 도달하기 전에 접합부가 파괴되는 J파괴를 유도하였으며 주요 변수는 기둥의 경사각도(90°, 67.
5와 같이 타설할 때 콘크리트에 앵커를 매입, 접합부 구역에 10개의 콘크리트 LVDT를 설치하였다. 접합부 내 부착능력 감소로 발생하는 각 구간의 미끄러짐에 의한 철근 뽑힘 현상 측정을 위해 철근 용접을 통해 Fig. 3과 같이 6개의 철근 LVDT를 설치하였다. 접합부 전체 변위에 대해서는 2개의 와이어 게이지를 이용해 측정하였다.
접합부 내부에 설치한 LVDT를 이용하여 접합부 구역의 변형률을 측정하였다. Fig.
19는 경사각 45° 실험체를 모델링한 그림이다. 지점이 설치된 구간에는 지지대 역할을 할 수 있도록 강도가 높은 콘크리트로 모델링하였다.
대상 데이터
2와 같다. 기둥과 양방향 보의 총 길이는 각각 1,400 mm, 2,540 mm이며 지점간 길이는 기둥 1,400 mm(150 mm의 철물 힌지 접합부 포함), 보 2,240 mm이다. 기둥의 단면 크기는 220 × 220 (mm), 보 단면 크기는 160 × 240 (mm)이다.
또한 접합부 횡보강근과 보 전단철근 항복여부를 위해 각각 2개의 철근 변형률 게이지를 설치하였다. 보-기둥 접합부와 보의 소성힌지 구역 변형을 측정하기 위해 Fig. 5와 같이 타설할 때 콘크리트에 앵커를 매입, 접합부 구역에 10개의 콘크리트 LVDT를 설치하였다. 접합부 내 부착능력 감소로 발생하는 각 구간의 미끄러짐에 의한 철근 뽑힘 현상 측정을 위해 철근 용접을 통해 Fig.
3 mm2)이 주인장철근으로 다단 배근되었다. 실험체 제작에 사용된 콘크리트의 압축강도는 49 MPa이었다.
실험에서는 접합부를 관통하는 보 상부 주인장철근에 용접을 통한 LVDT를 설치하였고 LVDT 데이터를 통해 철근의 변형률을 측정하였다. 측정지점은총 6지점으로 접합부 내 2지점, 소성힌지 구역 좌, 우 각 1지점, 소성힌지 바깥 구역 2지점이다. Fig.
데이터처리
비선형 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 실제 실험과 동일한 조건 하에서의 해석 결과와 실험 결과를 강도와 연성, 파괴모드에 대해서 비교 및 분석하였다. 사용한 프로그램은 VecTor29)로서 Collins의 MCFT10)(modified compression field theory) 이론과 Vecchio가 개발한 해석모델 DSFM(disturbed stress field model)을 기반으로 하는 비선형 유한요소 해석 프로그램이다.
이론/모형
Fig. 12는 Paulay 등7)의 제안모델을 사용하여 변위 연성계수 µ△(△85% /△y)를 정방향 가력 시 최대 하중 대비 85% 하중이 감소한 시점의 변위에 대한 최대 하중 대비 75%에 도달한 하중과 최대 하중 접선의 교차점의 변위의 비로 나타내었다.
또한 철근의 이력거동은 Seckin12)에 의해 제안된 Bauschinger 효과를 사용한 모델을 사용하였다, Fig. 19는 경사각 45° 실험체를 모델링한 그림이다.
비선형 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 실제 실험과 동일한 조건 하에서의 해석 결과와 실험 결과를 강도와 연성, 파괴모드에 대해서 비교 및 분석하였다. 사용한 프로그램은 VecTor29)로서 Collins의 MCFT10)(modified compression field theory) 이론과 Vecchio가 개발한 해석모델 DSFM(disturbed stress field model)을 기반으로 하는 비선형 유한요소 해석 프로그램이다.
해석에 사용된 모델은 콘크리트 압축강도가 최대에 도달하기 이전에는 Hognestad의 제안식을 사용하였으며 압축강도가 최대에 도달한 이후의 거동에 대해서는 Kent와 Park11)의 제안식에서 수정된 모델인 Modified Park-Kent의 제안식을 적용하여 해석에 수행하였다. 또한 철근의 이력거동은 Seckin12)에 의해 제안된 Bauschinger 효과를 사용한 모델을 사용하였다, Fig.
성능/효과
1) 모든 실험체에서 반복하중이 진행되는 동안 접합부의 전단파괴가 발생하였고 모서리 또는 접합부내에 균열이 집중되어 X형의 전단균열이 발생하였다. 수직기둥-보 접합부의 경우 J파괴가 발생하였으나 경사각이 작은 실험체일수록 접합부내 균열폭이 작고 경사 배면쪽 보에서 파괴가 동시에 진행되는 BJ파괴가 관찰되었다.
수직기둥-보 접합부의 경우 J파괴가 발생하였으나 경사각이 작은 실험체일수록 접합부내 균열폭이 작고 경사 배면쪽 보에서 파괴가 동시에 진행되는 BJ파괴가 관찰되었다.2) 경사기둥-보 접합부의 경우 정형적인 접합부와 상이한 모멘트 분포가 형성되어 경사 배면방향 보에서 파괴가 발생하고 이로 인해 비대칭형 파괴가 발생하는 변화를 나타내었다. 또한 최대하중은 45° 실험체가 수직기둥 실험체에 비해 22% 감소하였으며 변위 연성계수는 33% 증가하였다.
3) 접합부를 관통하는 보 주철근의 변형률은 경사기둥-보 접합부의 경우 보 소성힌지로부터 발생된 항복 침투 영향으로 접합부 내 변형률이 점차 증가하고 접합부 전단강도는 감소한 것으로 보인다. 또한 경사기둥의 영향으로 접합부 콘크리트 스트럿의 인장 변형은 기둥의 경사각이 감소함에 따라 감소하였다.
4) ACI 352R-021) 설계에 의해 동일한 전단강도비로 설계되었음에도 경사기둥 배면의 보에서 소성힌지가 발생하고 접합부의 변형이 영향을 받으면서 경사각이 작아질수록 접합부 변형이 감소함을 나타내었다. 또한 경사각이 작아질수록 소성힌지 구역에서 경사 배면방향 보에서의 변형률이 증가하였으며 경사방향 보에서는 변형률의 큰 변화가 없었다.
16(b)는 경사방향의 보와 연결된 소성힌지 부분의 LVDT 변형률을 비교한 그래프이다. 그래프를 보면 경사의 영향으로 파괴가 집중된 경사 반대방향 소성힌지 구간에서 경사가 작아질수록 변형률이 증가한 것을 확인할 수 있다. 반면에 경사가 감소함에 따라 파괴가 감소한 경사방향 소성힌지 구간에서는 경사에 관계없이 변형률에 큰 변화가 없는 것을 그래프에서 확인할 수 있다.
설계에 의해 동일한 전단강도비로 설계되었음에도 경사기둥 배면의 보에서 소성힌지가 발생하고 접합부의 변형이 영향을 받으면서 경사각이 작아질수록 접합부 변형이 감소함을 나타내었다. 또한 경사각이 작아질수록 소성힌지 구역에서 경사 배면방향 보에서의 변형률이 증가하였으며 경사방향 보에서는 변형률의 큰 변화가 없었다.
실험체의 전체 변위가 증가함에 따라 접합부에 인접한 보의 철근변형률이 크게 증가하였고 접합부 내부 철근이 인접보 소성힌지 변형률의 영향을 받아 비례적으로 증가하였다. 또한 경사기둥의 경우 보 소성힌지부분에서의 항복침투 영향으로 접합부 내 변형률이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
2) 경사기둥-보 접합부의 경우 정형적인 접합부와 상이한 모멘트 분포가 형성되어 경사 배면방향 보에서 파괴가 발생하고 이로 인해 비대칭형 파괴가 발생하는 변화를 나타내었다. 또한 최대하중은 45° 실험체가 수직기둥 실험체에 비해 22% 감소하였으며 변위 연성계수는 33% 증가하였다. 이는 경사기둥이 있는 접합부의 경우 접합부 전단파괴 이전에 보에서 휨 파괴하였기 때문이다.
모든 실험체의 에너지소산량은 각 스텝의 두 번째 싸이클에서 상당히 감소하였으며, 두 번째 싸이클 에너지 소산량은 첫 번째 싸이클 에너지소산량의 57~84%를 보였다. Fig.
x축은 LVDT의 위치를 나타내며, y축은 LVDT에 의해 측정된 변위를 철근의 길이로 나눈 구간별 철근 변형률을 나타낸다. 실험체의 전체 변위가 증가함에 따라 접합부에 인접한 보의 철근변형률이 크게 증가하였고 접합부 내부 철근이 인접보 소성힌지 변형률의 영향을 받아 비례적으로 증가하였다. 또한 경사기둥의 경우 보 소성힌지부분에서의 항복침투 영향으로 접합부 내 변형률이 점차 증가하는 것을 확인할 수 있다.
소성힌지 발생 후에는 소성힌지의 영향에 의하여 접합부의 균열 방향 및 균열과 직각방향의 변형률이 증가함에 따라 접합부의 내력 및 변형은 감소하게 된다. 이 연구에서 실행한 4개의 경사기둥-보 접합부 실험체 중 J3 실험체를 제외한 3개 실험체가 ACI 352R-021) 설계에 의해 동일한 전단강도비로 설계되었음에도 경사기둥 배면의 보에서 소성힌지가 발생하고 접합부의 변형이 영향을 받으면서 Fig. 15에 나타난 바와 같이 접합부 변형률이 감소함을 나타내었다.
후속연구
철근콘크리트 구조물의 경사기둥-보 접합부의 경우 기둥과 보의 경사각도 변화로 인해 외력에 의해 형성되는 전단력과 휨 모멘트가 정형적인 접합부와 상이하며 횡력에 의해 상부기둥에 인장력이 작용하고 하부기둥에 압축력이 작용한다. 또한 접합부 중립축 깊이 변화와 P-△효과, 기둥의 깊이 감소로 접합부의 파괴모드, 강도, 연성, 에너지소산능력 등이 다를 것으로 예상되며 이것에 대한 이론과 실험의 연구가 필요하다.
따라서 불리하게 작용한 경사배면방향 소성힌지 부분에 추가적인 보강이 필요하다고 판단된다. 이 연구에서는 경사기둥을 가진 접합부 실험체에서 접합부와 보에서 파괴가 동시에 발생하였지만 보 파괴 이전에 접합부가 전단파괴하는 경사기둥-보 접합부를 설계하여 경사기둥을 가진 접합부의 강도를 보다 정확하게 판단할 필요가 있다. 또한 축력을 받는 경사기둥-보 접합부의 연구를 통해 실제 경사기둥-보 접합부의 강도 및 연성을 평가하고 직접적이고 구체적인 가이드라인을 제시해야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트 초고층빌딩이 증가하는 이유는?
1980년 전까지는 많은 초고층 건물이 강재에 의하여 건설되었지만 80년대 이후에는 콘크리트 압축강도의 증가, 원자재의 부족, 경제성 등의 이유로 철근콘크리트 초고층빌딩이 증가하고 있다. 근래까지 시공된 대다수의 초고층 빌딩의 구조는 일반적으로 경제적인 기능을 우선으로 하여 설계 및 시공이 간단한 정형 구조물의 형태를 가진다.
철근콘크리트 보-기둥 접합부는 어떤 것을 결정하는가?
철근콘크리트 보-기둥 접합부는 중력하중과 함께 지진하중과 같은 반복하중을 받을 경우에 구조물의 안전성을 결정하게 되는 중요한 부분이다. 구조물에 작용하는 수평하중에 의해 접합부는 휨모멘트보다는 전단력과 부착력에 의한 지배를 받게 되며 인접한 보와 기둥의 전단력보다 큰 수평, 수직 전단력이 작용하여 콘크리트 압괴에 의한 전단파괴나 부착파괴가 발생할 가능성이 높다.
보-기둥 접합부를 일반적으로 3가지 파괴모드로 분류하면?
보-기둥 접합부는 일반적으로 3가지 파괴모드로 구분할 수 있다. 인접보가 휨 항복에 도달하기 이전에 접합부가 파괴되는 J파괴, 인접보의 주인장철근이 항복하여 소성힌지가 형성된 이후 접합부가 파괴되는 BJ파괴, 보의 소성힌지 발생 후 휨 파괴되기까지 접합부가 탄성 상태를 유지하는 B파괴로 분류할 수 있다. J-파괴 형태의 경우 기존의 연구 결과를 통한 예측식이 상당히 잘 일치하며 B파괴 형태의 경우 보의 휨강도와 연성예측을 통해 예측이 가능하다.
참고문헌 (12)
Joint ACI-ASCE Committee 352, Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2003, pp. 1-37.
Fujii, S. and Morita, S., "Comparison Between Interior and Exterior RC Beam-Column Joint Behavior," ACI SP-123, 1991, pp. 145-166.
Ehasani, M. R., Moussa, A. E., and Valenilla, C. R., "Comparison of Inelastic Behavior of Reinforced Ordinary and High Strength Concrete Frames," ACI Structural Journal, Vol. 84, No. 2, 1987, pp. 161-169.
Durrani, A. J. and Wight, J. K., "Behavior of Interior Beam to Column Connections under Earthquake Type Loading," ACI Journal Proceeding, Vol. 82, No. 3, 1985, pp. 343-349.
Attaalla, S. A., "General Analytical Model for Nominal Shear Stress of Type 2 Normal-and High-Strength Concrete Beam-Column Joints," ACI Structural Journal, Vol. 101, No. 101-S08, 2004, pp. 65-75.
김진영, 반복하중을 받는 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 연성평가, 성균관대학교, 2007, 7 pp.
Paulay, T. and Priestley, M. J. N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, Jogn Wiley and Sons, New York, 1992, pp. 136-142.
Hwang, S. J. and Lee, H. J., "Analytical Model for Predicting Shear Strengths of Interior Reinforced Concrete Beam-Column joints for Seismic Resistance," ACI Structural Journal, Vol. 97, No. 1, 2000, pp. 35-44.
Vecchio, F. J. and Wong, P. S., "VecTor2 & Form Works User's Manual," Department of Civil Enginerring, University of Toronto, 2002, pp. 128-202.
Vecchio, F. J. and Collins, M. P., "The Modified Compression-Field Theory for Reinforced Concrete Elements Subjected to Shear," ACI Structural Journal, Vol. 83, No. 2, 1989, pp. 219-231.
Kent, D. C. and Park, R., "Flexural Members with Confined Concrete," ASCE Journal of the Structural Division, Vol. 97, No. ST7, Proc. Paper 8243, 1981, pp. 1341-1360.
Seckin, M., "Hysteretic Behaviour of Cast-in-Place Exterior Beam-Column-Slab Subassemblies," Ph.D. Thesis, Department of Civil Engineering, University of Toronto, 1981, 266 pp.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.