[논문]철근콘크리트 보-기둥 접합부 전단강도 평가

최하영; 김병일; 이정윤

doi:10.4334/jkci.2012.24.2.185

[국내논문] 철근콘크리트 보-기둥 접합부 전단강도 평가
Estimation of Shear Strength of Beam-Column Joints 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.24 no.2, 2012년, pp.185 - 193

최하영 (성균관대학교 건축공학과) , 김병일 (성균관대학교 건축공학과) , 이정윤 (성균관대학교 건축공학과)

초록
AI-Helper

이 연구에서는 인접한 보에 소성힌지가 발생하기 전에 접합부에서 전단파괴가 발생하는 내부 보-기둥 접합부의 전단강도를 평가하기 위해서 식을 제안하였다. ACI와 AIJ의 기존 기준식은 콘크리트의 압축강도만을 고려하여 평가하지만 제안식은 트러스 작용 또한 고려하고 있다. 제안식은 콘크리트의 연화효과를 반영하기 위해 적용하는 콘크리트 유효압축계수를 구할 때 수직, 수평 철근을 고려하여 접합부의 전단강도를 평가한다. 그 결과, $V_{test}/V_{cal}$의 평균은 1.14, 변동계수는 20%이고 ACI와 AIJ에 의한 평가보다 비교적 향상된 결과를 보였다. $V_{test}/V_{cal}$는 각 방향의 철근비에 따라 비슷한 경향을 보이고 있음을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an estimation equation was proposed to predict the shear strength of RC interior beam-column connections. The proposed equation considered the effect of both truss and arch mechanisms, while the existing equations in the ACI and AIJ design codes consider only arch mechanism. In addition, the proposed equation estimates the shear strength of RC joints by considering the contribution of the vertical and horizontal steel bars on the effective compressive strength of concrete. The shear strength of RC joints calculated by the proposed equation was compared with the test results of 54 RC joints, which failed in shear before plastic hinges developed at the end of the adjacent beams. The comparison study showed that the proposed equation estimated the strength of the 54 specimens with a mean value of 1.14 and the coefficient of variation of 20%. The proposed equation provides improved prediction compared to those obtained from the equations in the ACI and AIJ design codes.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 보의 주철근이 항복하기 이전에 파괴하는 J-파괴 접합부의 내력을 평가하였다. 아치 기구와 트러스 기구에 근거하여 J-파괴 접합부의 내력평가식을 제안하였고, 제안된 평가식은 아치 기구와 트러스기구의 콘크리트 응력의 합을 이용하여 접합부의 내력을 평가하였다.
이 연구에서는 아치 메커니즘과 트러스 메커니즘을 동시에 사용한 접합부 내력 평가식을 제안하고자 한다.

가설 설정

4) 장부작용과 골재의 맞물림 작용은 직접적으로 고려하지 않는다.

제안 방법

제안된 모델에서는 접합부 내의 콘크리트의 유효압축강도를 이용하여 두 모델을 하나로 연결한 평가식을 제안하였다. 기존 연구자들의 실험에 의해 인접한 보가 항복하기 이전에 보-기둥 접합부에서 전단파괴(J-파괴)를 일으킨 54개의 실험체를 바탕으로 제안식을 비교 분석하였다.
뉴질랜드 NZS 기준에서는 보의 소성힌지의 항복 내력을 고려하여 접합부에 요구되는 보강철근의 양을 평가하고 있으며 접합부의 내력을 직접 계산하는 것은 제안되어 있지 않기 때문에 이 연구에서는 ACI 기준과 AIJ 기준만 비교 평가하였다.
또한 Meinheit과 Hatamoto의 실험체를 제외한 나머지 실험체는 직교하는 보가 없음을 고려하여 ACI에서 규정한 계수 γ를 적용하였다.
이 연구에서는 인접한 보가 항복하기 전 접합부가 전단파괴(J-파괴)하는 기존 연구자들의 실험체 54개를 바탕으로 실험값과 제안식에 의한 값을 비교하였다. 수집된 자료는 Table 2와 같고 V_test/V_cal를 통해서 실험값과 제안 식에 의한 전단강도 값이 어느 정도 일치하는지 확인하였다. 첫 번째 Teraoka⁹⁾ 실험체의 실험값과 계산값을 비교한 결과를 보면 거의 30%이상 차이 나는 것으로 나타나지만 나머지 실험체들에서는 대부분이 20%이하로 차이가 나는 것을 확인할 수 있다.
이 연구에서는 보의 주철근이 항복하기 이전에 파괴하는 J-파괴 접합부의 내력을 평가하였다. 아치 기구와 트러스 기구에 근거하여 J-파괴 접합부의 내력평가식을 제안하였고, 제안된 평가식은 아치 기구와 트러스기구의 콘크리트 응력의 합을 이용하여 접합부의 내력을 평가하였다. 이 연구의 결과를 요약하여 정리하면 다음과 같다.
이 연구에서는 인접한 보가 항복하기 전 접합부가 전단파괴(J-파괴)하는 기존 연구자들의 실험체 54개를 바탕으로 실험값과 제안식에 의한 값을 비교하였다. 수집된 자료는 Table 2와 같고 V_test/V_cal를 통해서 실험값과 제안 식에 의한 전단강도 값이 어느 정도 일치하는지 확인하였다.
이 연구에서는 아치 메커니즘과 트러스 메커니즘을 동시에 사용한 접합부 내력 평가식을 제안하고자 한다. 제안된 모델에서는 접합부 내의 콘크리트의 유효압축강도를 이용하여 두 모델을 하나로 연결한 평가식을 제안하였다. 기존 연구자들의 실험에 의해 인접한 보가 항복하기 이전에 보-기둥 접합부에서 전단파괴(J-파괴)를 일으킨 54개의 실험체를 바탕으로 제안식을 비교 분석하였다.
제안식에 의한 접합부 전단강도 평가가 타당한지 검토하기 위해서 앞서 설명한 기존의 ACI¹⁾와 AIJ 접합부 설계기준²⁾에 의한 결과와 비교평가 하였다. 실험체는 Table 2와 같이 54개에 대해서 평가하였고 3개의 기준식으로 각각 평가된 계산값과 실험값을 비교하고 있다.
제안식에서는 콘크리트 압축 스트럿 작용만 고려하지 않고 식 (11)에서처럼 수평수직 철근의 역할을 고려한 트러스 작용을 함께 적용하였다. 접합부의 전단강도 발현에서 철근의 역할이 유효 압축강도를 결정하는 연화계수 ν를 결정하는데 부가적으로 고려되어 실제 실험에 의한 전단강도에 더 근접한 결과를 나타내었다.

대상 데이터

2) 기존 연구자들에 의해 수행된 J-파괴하는 54개의 실험체를 이용하여 제안식의 성능을 검증하였다.
에 의한 결과와 비교평가 하였다. 실험체는 Table 2와 같이 54개에 대해서 평가하였고 3개의 기준식으로 각각 평가된 계산값과 실험값을 비교하고 있다. ACI 기준식에 의한 전단강도는 식 (1)에 의해 계산되었고 비내진구역(Type 1)에 대한 계수 γ를 사용하였다.

이론/모형

접합부의 내력에 대해서는 연구자마다 의견이 달라지며 ACI-ASCE Committee 352R-02¹⁾와 AIJ 2010 설계기준²⁾에서는 아치작용만에 근거하지만, NZS 설계기준³⁾은 콘크리트의 아치작용과 함께 트러스작용도 고려한다. 이 연구에서는 전단내력과 부착내력을 비교 평가할 수 있는 NZS 설계기준³⁾에 근거하여 접합부의 수평전단력을 아치작용 메커니즘과 트러스작용 메커니즘을 합한 식 (11)로 계산하였다.

성능/효과

1) 접합부 내의 콘크리트 주압축응력의 방향과 사인장 균열의 방향이 동일하다.
1) 접합부의 재료 조건을 변수로 하여 분석한 결과에의하면, 제안식에 의해 계산된 Vtest/Vcal는 콘크리트압축강도, 무차원화된 fck/ρxfxy에 대해서 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있다.
3) 균열이 발생한 이후의 접합부 내의 콘크리트의 인장강도는 매우 작아 무시한다(f₁^c=0).
에 대해서 비슷한 경향을 보이는 것을 알 수 있다. 또한 x방향 철근비의 경우 0.04, y방향 철근비의 경우 0.025를 기준으로 철근비가 그 이상 증가할수록 실험값보다 제안식에 의해 계산된 전단강도가 더 작게 평가됨을 확인할 수 있다.
세 개의 평가식 모두 실험값보다 작게 평가하는 경향이 있으며 이 연구에서 제안한 평가식이 비교적 잘 평가하고 있음을 나타내고 있다. 또한 철근의 영향에 대해 비교한 두 번째 그래프에서 ACI와 AIJ기준에 의한 평가보다 작게 평가하는 경향이 있지만 실험값에 비교적 근접하게 평가하고 있음을 확인할 수 있다.
10(a), (b)로 나타낸 것이다. 세 개의 평가식 모두 실험값보다 작게 평가하는 경향이 있으며 이 연구에서 제안한 평가식이 비교적 잘 평가하고 있음을 나타내고 있다. 또한 철근의 영향에 대해 비교한 두 번째 그래프에서 ACI와 AIJ기준에 의한 평가보다 작게 평가하는 경향이 있지만 실험값에 비교적 근접하게 평가하고 있음을 확인할 수 있다.
2) 기존 연구자들에 의해 수행된 J-파괴하는 54개의 실험체를 이용하여 제안식의 성능을 검증하였다. 제안된 평가식의 정확성(변동계수 20%)은 변동계수 22%, 25%로 평가한 ACI,¹⁾ AIJ²⁾ 기준식보다 약간 우수하다. 그러나 제안식은 아치 기구와 트러스 기구의 영향을 동시에 고려하여 향후에 부착파괴하는 접합부의 내력과 연성을 보다 합리적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.
(a)는 콘크리트 압축강도가 증가함에 따라 V_test/V_cal가 감소하는 경향을 보이고 (d), (e)는 x, y방향 철근비가 증가함에 따라 V_test/V_cal 또한 증가하는 경향이 나타나므로 (b), (c) 그래프가 나타내는 결과는 적절하다. 제안식에 의한 전단강도 평가는 실험값에 대해 평균 1.14, 변동계수 20%로 평가되었다.
주인장변형률이 증가함에 따라 콘크리트의 유효강도가 낮아지는 것을 확인할 수 있으며 인장변형률이 철근의 항복변형률의 약 2배가 되면 압축강도는 거의 반으로 감소함을 알 수 있다.
수집된 자료는 Table 2와 같고 V_test/V_cal를 통해서 실험값과 제안 식에 의한 전단강도 값이 어느 정도 일치하는지 확인하였다. 첫 번째 Teraoka⁹⁾ 실험체의 실험값과 계산값을 비교한 결과를 보면 거의 30%이상 차이 나는 것으로 나타나지만 나머지 실험체들에서는 대부분이 20%이하로 차이가 나는 것을 확인할 수 있다. 제안식에 의한 결과가 어떤 변수에 영향을 많이 받는지 알아보기 위해서 여러 가지 변수 f_ck, ρ_xf_xy, ρ_yf_yy와 V_test/V_cal의 관계를 Fig.
콘크리트 강도만을 고려한 ACI 식과 AIJ 식을 통한 전단강도 평가는 V_test/V_cal의 평균값이 제안식보다 클 뿐만 아니라, 변동계수가 각각 22%, 25%로 제안식에 의한 평가결과 20%보다 큰 값을 가지므로 기존의 평가식보다 전단강도를 타당하게 평가하고 있다. Fig.

후속연구

제안된 평가식의 정확성(변동계수 20%)은 변동계수 22%, 25%로 평가한 ACI,¹⁾ AIJ²⁾ 기준식보다 약간 우수하다. 그러나 제안식은 아치 기구와 트러스 기구의 영향을 동시에 고려하여 향후에 부착파괴하는 접합부의 내력과 연성을 보다 합리적으로 평가할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 보-기둥 접합부의 역할은 무엇인가?	철근콘크리트 보-기둥 접합부는 1960년대 중반 이후지진에 의한 피해가 늘어나면서 연성 모멘트 골조의 거동에 중요한 영향을 미치는 요소로 인식되어, 횡하중을받는 보-기둥 접합부 거동을 평가하기 위한 많은 연구가 이루어졌다. 철근콘크리트 보-기둥 접합부는 중력하중이나 지진하중과 같은 반복하중을 받을 때 적절한 구조적 성능을 발휘하여 구조물의 안정성을 확보해야하는 중요한 구조 부재이다. 모멘트 저항 골조에서 지진이 발생할경우 보의 소성힌지가 적절히 설계되었을 때는 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 에너지 소산능력이 크기 때문에 그에 대응하는 만큼 변형 능력이 커서 안전한 거동이 가능하다.
	보-기둥 접합부의 내력 평가 어떻게 구별되는가?	보-기둥 접합부의 내력 평가는 아치 메커니즘을 근거로 한 평가와 트러스 메커니즘을 근거로 한 평가로 구별할 수 있다. ACI, AIJ 기준은 주로 아치 메커니즘을근거로 하여 제안된 평가식을 사용하고 있으며 NZS 기준식3)은 아치 메커니즘과 트러스 메커니즘을 동시에 사용한 평가식이라 할 수 있다.
	ACI와 AIJ 설계기준에 따른 보-기둥 접합부의 내력 평가는 주로 어떤 메커니즘을 근거하여 평가식을 사용하고 있는가?	보-기둥 접합부의 내력 평가는 아치 메커니즘을 근거로 한 평가와 트러스 메커니즘을 근거로 한 평가로 구별할 수 있다. ACI, AIJ 기준은 주로 아치 메커니즘을근거로 하여 제안된 평가식을 사용하고 있으며 NZS 기준식3)은 아치 메커니즘과 트러스 메커니즘을 동시에 사용한 평가식이라 할 수 있다. 아치 메커니즘만을 사용할 경우에는 비교적 간단하게 접합부의 내력을 평가할 수있지만 부착이나 접합부 내의 전단보강철근의 영향을 직접적으로 반영하기가 어렵다.

참고문헌 (18)

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상세보기
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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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