일반적인 내진 설계에서는 구조물의 연성적인 거동을 유도하기 위해서 보-기둥 접합부에 인접한 보에 소성힌지가 발생하도록 한다. 따라서 철근콘크리트 부재의 부착강도와 전단강도가 휨강도보다 큰 값을 가져야 하고, 전단이나 부착파괴가 요구된 연성에 도달하기 이전에 발생하지 않아야 한다. 하지만 전단경간비가 짧은 부재의 경우에는 전단이나 부착 거동의 지배를 받는 경우가 많고, 핀칭 효과로 인해 에너지 소산이 비교적 적게 발생하므로 요구된 연성에 도달하지 못하고 파괴될 수 있다. 이 논문에서는 전단경간비가 짧은 철근콘크리트 부재의 거동 분석과 연성 예측, 특히 부착 연성 능력을 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 이것은 반복하중에 의해 저감되는 잠재 전단강도와 잠재부착내력 모델, 그리고 소성힌지 형성에 따른 휨부착응력의 급격한 증대를 도식화하여 나타낼 수 있다. 제안된 해석법은 각 값의 변화 추이를 비교하여 부재의 거동을 파악하고, 부착 거동의 지배를 받는 부재의 경우, 부착내력과 휨부착응력의 값이 만나는 지점까지를 그 부재의 부착 연성으로 평가하는 방법이다. 이 방법은 기존에 수행된 8개의 보, 기둥 시험체를 통해 비교 및 검토하였으며 부재 거동에 대한 예측은 정확히 일치하였으나, 부착 연성 능력에 대해서는 과소평가 되었다. 그 이유는 부재의 부착강도를 실제 부착강도보다 비교적 낮게 예측한 부착강도식에서 찾을 수 있으며, 다른 부착 내력 모델에 대한 부착 연성 평가에 대한 연구가 추후 필요할 것으로 사료된다.
일반적인 내진 설계에서는 구조물의 연성적인 거동을 유도하기 위해서 보-기둥 접합부에 인접한 보에 소성힌지가 발생하도록 한다. 따라서 철근콘크리트 부재의 부착강도와 전단강도가 휨강도보다 큰 값을 가져야 하고, 전단이나 부착파괴가 요구된 연성에 도달하기 이전에 발생하지 않아야 한다. 하지만 전단경간비가 짧은 부재의 경우에는 전단이나 부착 거동의 지배를 받는 경우가 많고, 핀칭 효과로 인해 에너지 소산이 비교적 적게 발생하므로 요구된 연성에 도달하지 못하고 파괴될 수 있다. 이 논문에서는 전단경간비가 짧은 철근콘크리트 부재의 거동 분석과 연성 예측, 특히 부착 연성 능력을 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 이것은 반복하중에 의해 저감되는 잠재 전단강도와 잠재부착내력 모델, 그리고 소성힌지 형성에 따른 휨부착응력의 급격한 증대를 도식화하여 나타낼 수 있다. 제안된 해석법은 각 값의 변화 추이를 비교하여 부재의 거동을 파악하고, 부착 거동의 지배를 받는 부재의 경우, 부착내력과 휨부착응력의 값이 만나는 지점까지를 그 부재의 부착 연성으로 평가하는 방법이다. 이 방법은 기존에 수행된 8개의 보, 기둥 시험체를 통해 비교 및 검토하였으며 부재 거동에 대한 예측은 정확히 일치하였으나, 부착 연성 능력에 대해서는 과소평가 되었다. 그 이유는 부재의 부착강도를 실제 부착강도보다 비교적 낮게 예측한 부착강도식에서 찾을 수 있으며, 다른 부착 내력 모델에 대한 부착 연성 평가에 대한 연구가 추후 필요할 것으로 사료된다.
A general earthquake resistant design philosophy of ductile frame buildings allows beams to form plastic hinges adjacent to beam-column connections. In order to carry out this design philosophy, the ultimate bond or shear strength of the beam should be greater than the flexural yielding force and sh...
A general earthquake resistant design philosophy of ductile frame buildings allows beams to form plastic hinges adjacent to beam-column connections. In order to carry out this design philosophy, the ultimate bond or shear strength of the beam should be greater than the flexural yielding force and should not degrade before reaching its required ductility. The behavior of RC members dominated by bond or shear action reveals a dramatic reduction of energy dissipation in the hysteretic response due to the severe pinching effects. In this study, a method was proposed to predict the deformability of reinforced concrete members with short-span-to-depth-ratios, which would result in bond failure after flexural yielding. Repeated or cyclic loading produces a progressive deterioration of bond that may lead to failure at lower cyclic bond stress levels. Accumulation of bond damage is caused by the propagation of micro-cracks and progressive crushing of concrete in front of the lugs. The proposed method takes into account bond deterioration due to the degradation of concrete in the post yield range. In order to verify bond deformability of the proposed method, the predicted results were compared with the experimental results of RC members reported in the technical literature. Comparisons between the observed and calculated bond deformability of the tested RC members showed reasonably good agreement.
A general earthquake resistant design philosophy of ductile frame buildings allows beams to form plastic hinges adjacent to beam-column connections. In order to carry out this design philosophy, the ultimate bond or shear strength of the beam should be greater than the flexural yielding force and should not degrade before reaching its required ductility. The behavior of RC members dominated by bond or shear action reveals a dramatic reduction of energy dissipation in the hysteretic response due to the severe pinching effects. In this study, a method was proposed to predict the deformability of reinforced concrete members with short-span-to-depth-ratios, which would result in bond failure after flexural yielding. Repeated or cyclic loading produces a progressive deterioration of bond that may lead to failure at lower cyclic bond stress levels. Accumulation of bond damage is caused by the propagation of micro-cracks and progressive crushing of concrete in front of the lugs. The proposed method takes into account bond deterioration due to the degradation of concrete in the post yield range. In order to verify bond deformability of the proposed method, the predicted results were compared with the experimental results of RC members reported in the technical literature. Comparisons between the observed and calculated bond deformability of the tested RC members showed reasonably good agreement.
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문제 정의
이 논문에서는 선행연구자의 연구 내용을 기본으로 소성힌지 구역에서의 휨항복 후 부착파괴하는 철근콘크리트 부재의 정확한 부착파괴 거동을 파악하고 그에 대한 합리적인 연성 평가를 다루고자 한다. 해석에서는 콘크리트 커버와 철근의 직경, 위치, 횡보강근의 간격 등을 철근콘크리트 부재의 쪼갬파괴 주요 영향 요인으로 분석한 Morita6)의 연구 결과를 도입하여 실제 부재의 부착성능을 평가하고자 하였다.
하지만 전단경간비가 짧은 부재의 경우에는 전단이나 부착 거동의 지배를 받는 경우가 많고, 핀칭 효과로 인해 에너지 소산이 비교적 적게 발생하므로 요구된 연성에 도달하지 못하고 파괴될 수 있다. 이 논문에서는 전단경간비가 짧은 철근콘크리트 부재의 거동 분석과 연성 예측, 특히 부착 연성 능력을 평가하기 위한 방법을 제안하였다. 이것은 반복하중에 의해 저감되는 잠재 전단강도와 잠재부착내력 모델, 그리고 소성힌지 형성에 따른 휨부착응력의 급격한 증대를 도식화하여 나타낼 수 있다.
이 연구는 휨항복 후 부착파괴하는 철근콘크리트 부재에 대하여 반복하중에 의한 부착내력 감소와 휨부착응력 증대를 고려하여 부착 연성 평가법을 제안하였다. 이 논문의 결론을 요약하면 다음과 같다.
반면, 휨부착파괴는 소성힌지 확장에 따른 부착응력의 감소, 반복하중으로 인한 부착내력 저감 형태 등에 의하여 영향을 받는다. 이 연구에서는 휨부착파괴에 대해 앞서 언급한 정보를 제공하고 더불어 파괴 양상에 대한 정확한 거동을 파악하며 그에 따른 연성 평가 방법을 제시하는 것을 목적으로 하고 있다.
과 같다. 이와 같은 기존의 보 실험들은 부착파괴는 물론, 전단파괴에 대한 정보를 얻기 위함이므로 이 연구에서는 부착파괴를 보인 시험체에 한하여 검증 과정을 거치도록 하였다.
이 논문에서는 선행연구자의 연구 내용을 기본으로 소성힌지 구역에서의 휨항복 후 부착파괴하는 철근콘크리트 부재의 정확한 부착파괴 거동을 파악하고 그에 대한 합리적인 연성 평가를 다루고자 한다. 해석에서는 콘크리트 커버와 철근의 직경, 위치, 횡보강근의 간격 등을 철근콘크리트 부재의 쪼갬파괴 주요 영향 요인으로 분석한 Morita6)의 연구 결과를 도입하여 실제 부재의 부착성능을 평가하고자 하였다.
제안 방법
1) 휨항복 이후 철근콘크리트 부재의 부착내력 감소와 휨부착응력의 증대를 고려하여 부착 연성 평가법을 제안하였다. 또한 부재의 부착 거동을 잠재전단강도와 부착강도의 저감 추이의 비교를 통해 파악하였다.
2) 휨부착응력이 증가하면서 부재의 부착내력보다 커지게 되는 지점까지를 부재의 부착 연성 능력으로 평가하였다. 해석 결과를 부착파괴하는 보와 기둥의 실험 결과와 비교하여 제안된 평가법이 일정 범위까지 부재의 부착연성능력을 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다.
이에 기존 연구자 Eligenhausen 등2)은 실험을 통해 반복하 중을 받는 부재의 부착강도 저감에 대한 모델을 제안하였고, 이 논문에서는 이에 대한 해석부분을 일부 수정하여 적용하였다. Eligenhausen 부착 모델의 부착강도 감소 계수는 손상계수(damage factor) #로 제안되었으나, 이 논문에서는 이를 일부 수정한 계수인식 (8)을 사용하였다.
Step 4에서 구한 부착강도는 전단력으로 환산하여 부재의 휨항복시의 전단력 Vflexure과의 비교를 통해 부재의 거동이 휨항복 이후에 파괴하도록 검토하였고(Step 6), 휨부착응력의 경우 외력으로서 부재의 부착파괴를 유도할 수 있어야 하므로 Vflexure보다 큰 경우에 계속하여 해석을 진행하였다(Step 7). 최종적으로 해석에서 구해진 Vbu와 Vfl이 같아지는 지점의 부재회전각을 그 부재의 최대 연성으로 간주하였다(Step 9).
5%가 도입된 2개의 기둥 시험체는 모두 부착 거동의 지배를 받는다. 따라서 4장의 부착 연성 평가 방법으로 연성 능력을 평가하였다. 먼저 각 시험체의 잠재부착내력은 각 사이클당 일정한 값을 갖게 되는데, 이 값들을 연결한 선을 부착내력 감소곡선이라 하였다.
의 반복하중 모델에 따라 저감 하게 되고, 휨부착응력은 소성힌지 길이 확장과 주인장 철근의 항복강도 증가에 따라 증가하게 된다. 따라서 이 연구에서는 이 두 값을 각각 부재의 부착내력과 외력으로 간주하여 두 값이 만나는 지점을 부재의 부착 연성 성능으로 평가하였다.
즉, 부재의 거동이 전단이 아니라 부착에 의해 지배된다. 따라서 이 연구에서는 쪼갬파괴의 양상을 나타내는 휨부착파괴 부재의 정확한 강도를 구하기 위해서 Morita 등6)의 제안식을 적용하였고, 부착 모델 역시 실험 결과 수치에 근거하여 Eligenhausen의 반복 모델에 제안된 부착강도와 미끌림(slip) 간의 관계를 도입하였다. 이 모델은 다음과 같이 주인장철근과 횡보강 철근의 배근 상세에 대한 관계로 표현되어 있다(식 (3)~(7)).
1) 휨항복 이후 철근콘크리트 부재의 부착내력 감소와 휨부착응력의 증대를 고려하여 부착 연성 평가법을 제안하였다. 또한 부재의 부착 거동을 잠재전단강도와 부착강도의 저감 추이의 비교를 통해 파악하였다.
5이고, 주요 변수는 주인장 철근비와 전단 보강근비 및 간격이다. 실험에서는 소성힌지 구간에 8개의 변위 측정기를 설치하여 소성힌지 구간의 휨변형, 부재 축방향 변형률, 부재축과 직각되는 방향의 변형률 및 전단 변형률을 측정하였다. 시험체는 역대칭 모멘트를 받도록 가력되었다.
먼저 각 시험체의 잠재부착내력은 각 사이클당 일정한 값을 갖게 되는데, 이 값들을 연결한 선을 부착내력 감소곡선이라 하였다. 이 곡선과 콘크리트에 묻혀있는 철근의 항복강도 증가 및 소성힌지 발생으로 인해 점차 증가하는 휨부착응력이 만나는 지점까지를 이 부재의 부착 연성 능력으로 평가하였다.
이 해석에서는 콘크리트에 묻혀 있는 철근의 평균응력-변형률 곡선을 적용하였다. Hsu 등8)의 실험 결과에 의하면 철근의 평균항복강도(fsn)와 항복강도(fy)의 관계는 식 (9)와 같다.
따라서 철근콘크리트 부재의 설계 시에는 부재의 휨모멘트와 전단을 고려해야 한다. 이를 위해 철근콘크리트 부재 설계시 트러스 메커니즘과 휨부착 메커니즘을 조합하여 설계해야 한다.7)
이것은 반복하중에 의해 저감되는 잠재 전단강도와 잠재부착내력 모델, 그리고 소성힌지 형성에 따른 휨부착응력의 급격한 증대를 도식화하여 나타낼 수 있다. 제안된 해석법은 각 값의 변화 추이를 비교하여 부재의 거동을 파악하고, 부착 거동의 지배를 받는 부재의 경우, 부착내력과 휨부착응력의 값이 만나는 지점까지를 그 부재의 부착 연성으로 평가하는 방법이다. 이 방법은 기존에 수행된 8개의 보, 기둥 시험체를 통해 비교 및 검토하였으며 부재 거동에 대한 예측은 정확히 일치하였으나, 부착 연성 능력에 대해서는 과소평가되었다.
이 연구에서 제안된 해석법의 계산 과정을 요약하면 다음과 같다. 해석은 Lee13)의 잠재전단강도 저하에 따른 연성 능력 평가 방법과 유사하게 반복에 따라 감소하는 부착강도와 휨부착응력이 같아지는 지점을 최대 연성 능력으로 평가하는 방법을 적용하였다.
대상 데이터
의 경우는 시험체의 단면이 250 ×250 (mm)이고, 전단 경간비는 2, 주요 변수는 전단 보강근의 양과 축하중비이다. 보 실험과 마찬가지로 시험체는 역대칭 모멘트를 받으며, 부착파괴한 시험체를 대상으로 하였다. Table 1은 시험체의 특성을 나타낸다.
데이터처리
제안된 평가법에 대한 검증은 1998년 Lee13)와 1989년 Toshiyuki 등의 보 실험,16) 그리고 1995년 ACI에 제출된 Ichinose의 기둥 실험5) 등의 실험 결과와의 비교 및 검토를 통해 이루어졌다. 먼저 Lee13)의 실험은 시험체 단면이 150 × 300 (mm), 전단경간비는 1.
15 rad 지점을 기둥의 부착 연성 능력으로 평가할 수 있다. 해석 결과는 8개 시험체의 부착 연성 능력을 일정 범위까지는 예측할 수 있었으며 전반적으로 다소 과소평가하였다. 이는 해석에 따른 부재의 연성 능력이 안전율이 반영된 측면에서 평가된 것으로 사료되며, 그 원인은 초기 잠재부착내력을 구하는데 있어서 기존의 다른 부착 강도식에 비해 비교적 낮게 평가하는 Morita 등4)의 부착강도식에서 기인한 것이라 판단되었다.
이론/모형
먼저 소성힌지 발생 시기와 소성힌지 길이의 확장 양상은 OU 등11)의 소성힌지 길이 모델식과 예시 시험체를 이용하였다. 즉, 주인장철근이 항복강도에 도달한 직후 회전각 0.
부재회전 각이 주어지면 부재회전각의 함수인 부재 축방향 변형률 εl을 부재회전각 증가에 따라 Lee13)가 제안한 부재회전각과 변형률의 관계를 이용하여 구하였다(Step 2).
의 연구 내용을 바탕으로 하였다. 부착내력은 Morita와 Fujii6)에 의해 제안된 식을 이용하여 구하였고, 반복에 의한 부착강도의 저감은 Eligenhausen 등2) 의 반복 해석 모델을 참조하였다.
이 논문의 부착내력 해석 모델은 기존 연구자 Eligenhausen 등2)과 Morita 등6)의 연구 내용을 바탕으로 하였다. 부착내력은 Morita와 Fujii6)에 의해 제안된 식을 이용하여 구하였고, 반복에 의한 부착강도의 저감은 Eligenhausen 등2) 의 반복 해석 모델을 참조하였다.
성능/효과
3) 이 연구에서 제안한 부착 연성 평가법은 실험값을 다소 과소평가하였으며, 그 이유는 해석에 적용한 잠재부착강도식이 실제 부착강도보다 낮기 때문으로 판단된다. 따라서 제안된 평가법은 사용한 잠재 부착강도식 등을 보완함으로써 그 예측 정도가 향상될 것으로 판단되며 현 시점에서는 기존에 거의 다루어지지 않았던 휨항복 후에 부착파괴하는 부재의 연성을 평가할 수 있는 기법을 제안함에 그 의의를 둘 수 있을 것으로 판단된다.
시험체 (e)와 (f)의 경우, 초기 전단강도가 비교적 작은 값을 갖게 되는데, 이것은 타 시험체에 비해 횡보강근의 강도가 작기 때문이며, 부재회전각 증가에 따라 부착강도가 더 큰 폭으로 감소하여 부착파괴가 선행됨을 알 수 있다. 이로서 8개의 시험체 모두 부착 거동을 보이는 부재임을 알 수 있고, 이는 기존 연구를 통해 발표된 각 부재의 실험 결과와 일치한다.
의 소성힌지 길이 모델식과 예시 시험체를 이용하였다. 즉, 주인장철근이 항복강도에 도달한 직후 회전각 0.01 rad 이내에서 소성힌지 길이가 순간적으로 형성된 실험 결과를 도입하였고, 이로써 소성힌지 발생 시의 실험체 변형률과 소성힌지 증가에 따른 부재 유효 정착길이 감소 정도를 예측할 수 있었다. 또한 부재의 유효정착길이 le는 주인장철근 항복에 따른 소성힌지 형성 여부에 따라 l~(l − lp), 즉, 부재의 전체 길이부터 한쪽의 소성힌지 길이를 뺀 값까지를 경우에 따라 적용할 수 있다.
2) 휨부착응력이 증가하면서 부재의 부착내력보다 커지게 되는 지점까지를 부재의 부착 연성 능력으로 평가하였다. 해석 결과를 부착파괴하는 보와 기둥의 실험 결과와 비교하여 제안된 평가법이 일정 범위까지 부재의 부착연성능력을 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
이 방법은 기존에 수행된 8개의 보, 기둥 시험체를 통해 비교 및 검토하였으며 부재 거동에 대한 예측은 정확히 일치하였으나, 부착 연성 능력에 대해서는 과소평가되었다. 그 이유는 부재의 부착강도를 실제 부착강도보다 비교적 낮게 예측한 부착강도식에서 찾을 수 있으며, 다른 부착 내력 모델에 대한 부착 연성 평가에 대한 연구가 추후 필요할 것으로 사료된다 .
이는 해석에 따른 부재의 연성 능력이 안전율이 반영된 측면에서 평가된 것으로 사료되며, 그 원인은 초기 잠재부착내력을 구하는데 있어서 기존의 다른 부착 강도식에 비해 비교적 낮게 평가하는 Morita 등4)의 부착강도식에서 기인한 것이라 판단되었다. 그러므로 잠재부착강도를 구하는 기존의 많은 부착강도식에 따라 각각에 맞는 부착 연성 평가 모델이 필요하며, 이를 통해 보다 정확한 연성 능력 평가가 가능할 것이라 사료된다.
이와 같은 파괴는 구조물이 단조하중을 받을 때에는 발생 가능성이 적지만, 지진 하중과 같은 반복하중을 받을 때에는 발생 가능성이 높아진다. 따라서 반복 횡하중이 작용할 때 구조물의 거동을 보다 정확하게 파악하고, 그 파괴 양상에 대해 미리 가늠하기 위해서는 철근콘크리트 부재의 전단 성능과 부착성능에 대한 연구가 필요하다.
3) 이 연구에서 제안한 부착 연성 평가법은 실험값을 다소 과소평가하였으며, 그 이유는 해석에 적용한 잠재부착강도식이 실제 부착강도보다 낮기 때문으로 판단된다. 따라서 제안된 평가법은 사용한 잠재 부착강도식 등을 보완함으로써 그 예측 정도가 향상될 것으로 판단되며 현 시점에서는 기존에 거의 다루어지지 않았던 휨항복 후에 부착파괴하는 부재의 연성을 평가할 수 있는 기법을 제안함에 그 의의를 둘 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
반복하중을 받는 철근콘크리트 보의 부착파괴 형태는 어떻게 나뉘는가?
반복하중을 받는 철근콘크리트 보의 부착파괴 형태는 주로 소성힌지구역에서 파괴가 집중되는 전단부착파괴와 부재 길이방향을 따라 균열이 집중적으로 발생하는 휨부착파괴로 나뉜다. 따라서 철근콘크리트 부재의 설계 시에는 부재의 휨모멘트와 전단을 고려해야 한다.
일반적인 내진 설계의 기본 개념은 무엇인가?
일반적인 내진 설계의 기본 개념은 강기둥-약보로 하여 보의 휨파괴가 선행하도록 한다. 이를 위해서는 부재가 가진 전단강도와 부착강도를 휨강도보다 더 크게 설계해야 하며, 구조물의 연성적인 거동을 유도하기 위해서 보-기둥 접합부와 인접한 보에 소성힌지가 발생하도록 설계한다.
보의 휨파괴가 선행되도록 하기 위해 어떻게 내진 설계가 이루어져야 하는가?
일반적인 내진 설계의 기본 개념은 강기둥-약보로 하여 보의 휨파괴가 선행하도록 한다. 이를 위해서는 부재가 가진 전단강도와 부착강도를 휨강도보다 더 크게 설계해야 하며, 구조물의 연성적인 거동을 유도하기 위해서 보-기둥 접합부와 인접한 보에 소성힌지가 발생하도록 설계한다. 하지만 전단경간비가 작고, 철근 배근 방향이 주응력 방향에 수직하는 보의 경우는 보의 휨항복이 선행된 이후에도 전단이나 부착거동의 지배를 받는다.
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