[논문]보의 휨항복 후 접합부가 파괴하는 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 전단내력 감소에 대한 해석적 연구

박종욱; 윤석광; 김병일; 이정윤

doi:10.4334/jkci.2012.24.4.399

초록
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철근콘크리트 보-기둥 접합부는 구조물 전체의 거동에 가장 크게 영향을 주는 부재 중 하나이다. 보와 기둥의 상대적인 강도 차이가 줄어들면서 지진에 의한 피해가 접합부에도 발생하고 있다. 지진하중과 같은 횡방향 반복하중이 작용하게 되면 접합부는 휨보다는 수직 혹은 수평방향 전단이나 부착에 대한 저항력이 중요하다. 따라서 접합부에 대한 내진설계는 설계자가 의도한 연성에 만족할 때까지 전단이나 부착에 대한 내력이 크게 감소하지 않는 수준의 설계가 요구된다. 하지만 인접보 소성힌지의 변형률 침투와 침투한 변형률의 영향으로 인해서 접합부의 변형이 발생하게 되고 접합부의 내력은 설계자의 요구 수준을 만족하지 못할 수도 있다. 이 논문에서는 부재 각 요소가 내부 접합부에 미치는 변형과 감소하는 전단내력을 파악하고 연성을 계산하는 모델을 제시하였다. 힘의 평형과 변형률 적합조건, 다른 연구자들의 이론을 참고하여 구축하였으며 모델을 실제 실험에 적용하였을 경우 타당한 범위 내에서 평가하였다. 다른 실험 데이터에 대한 추가적인 분석으로 불완전한 부분을 파악하고 개선하여 결과에 대한 오차를 줄이는 연구가 필요하다.

Abstract ▼ AI-Helper

Beam-column joints are generally recognized as the critical regions in the moment resisting reinforced concrete (RC) frames subjected to both lateral and vertical loads. As a result of severe lateral load such as seismic loading, the joint region is subjected to horizontal and vertical shear forces ...

Beam-column joints are generally recognized as the critical regions in the moment resisting reinforced concrete (RC) frames subjected to both lateral and vertical loads. As a result of severe lateral load such as seismic loading, the joint region is subjected to horizontal and vertical shear forces whose magnitudes are many times higher than in column and adjacent beam. Consequently, much larger bond and shear stresses are required to sustain these magnified forces. The critical deterioration of potential shear strength in the joint area should not occur until ductile capacity of adjacent beams reach the design demand. In this study, a method was provided to predict the deformability of reinforced concrete beam-column joints failing in shear after the plastic hinges developed at both ends of the adjacent beams. In order to verify the deformability estimated by the proposed method, an experimental study consisting of three joint specimens with varying tensile reinforcement ratios was carried out. The result between the observed and predicted behavior of the joints showed reasonably good agreement.

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문제 정의

이 연구는 인접보의 휨항복 후 접합부가 전단파괴하는 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 전단내력의 감소와 그에 따른 부재의 연성 예측을 목적으로 한다. 이에 대해 다음과 같은 세부적인 연구를 수행하였다.
이 연구에서는 기존의 많은 연구에서 주목하는 보-기둥 접합부의 최대강도가 아닌 변형능력에 주목하였다. 접합부 패널에 인접한 보의 휨항복이 접합부 내부에 영향을 미쳐 접합부 패널 내에서 전단파괴하는 양상에 대해서는 내력뿐만 아니라 연성까지 고려할 때 구조물 전체의 안정성을 더 정확하게 파악할 수 있기 때문이다.

가설 설정

STEP 2: 회전각 R_bf는 보의 소성힌지 영역의 변형이다. 기둥의 변형이 탄성을 유지하면서 증가한다고 가정할 때, R_bf는 R_m과 같은 값을 가진다(Fig.

제안 방법

2) 접합부에 인접한 보에 소성힌지가 발생한 이후 접합부의 전단내력이 점점 감소하여 파괴하는 과정을 수치적인 방법으로 분석한다.
3) 이를 실제 실험 결과와 비교하여 타당성을 평가한다.
STEP 10: 이 연구에서는 접합부의 잠재전단강도를 산정하는데 아치작용(arch action)과 트러스작용(truss action)을 모두 고려하였다. 외력이 작용하고 나서 접합부에 발생하는 힘과 영역이 Fig.
앞 절에서 설명한 연성 평가 모델의 유효함을 파악하기 위해서 횡하중이 작용하는 철근콘크리트 보-기둥 실험체를 검토하였다. 해석대상은 Lee 등⁹⁾의 3개 실험체, Kaku 등¹³⁾의 2개 실험체, Hayashi 등¹⁴⁾의 1개 실험체, Yoshino 등¹⁵⁾의 2개 실험체로서 보와 접합부 내부가 동시에 파괴한 실험체로 하였다.
그래프에서 흰색 원으로 표시된 부분은 실험에서 얻은 최대 층간 전단력 값이다. 흰색 사각형으로 표시된 부분은 평가모델을 통해서 구하였으며, 이 값은 인접보의 주철근이 항복할 때의 층간 전단력이다. 검은 도형들은 각 흰 도형의 85%에 대응하는 값으로, 연성을 구하는 방법 중에서 Paulay와 Priestley¹²⁾가 제안한 방법을 참고하여 정한 비교 기준점이다.
접합부 패널에 인접한 보의 휨항복이 접합부 내부에 영향을 미쳐 접합부 패널 내에서 전단파괴하는 양상에 대해서는 내력뿐만 아니라 연성까지 고려할 때 구조물 전체의 안정성을 더 정확하게 파악할 수 있기 때문이다. 이를 위해서 연성을 파악하는 방법을 제시하고 실제 실험 결과에 적용하여 비교하였을 때, 실제 실험체의 층간변위에 따른 전단 내력의 변화를 납득할 수 있는 오차 아래 어느 정도 일치하는 결과를 보여주었다. 이는 보-기둥 접합부의 전단 강도 예측에서 이전과는 다른 방향의 성과를 보여준다고 할 수 있다.
1) 연성 평가 모델은 부재의 회전각을 변수로 하여 회전각이 늘어남에 따라 작아지는 접합부의 전단 내력을 힘의 평형과 변형률 적합조건, 기존 접합부의 변형과 콘크리트의 강도에 관련한 이론 등을 이용하여 예측하였다.
2) 이 연구에서 구축한 모델은 아치작용과 트러스작용을 모두 고려하였으며 이는 실제 경우를 잘 반영하였다. 두 작용에 적용되는 강도저감계수는 인접보의 변형률이 침투한 비율의 영향을 받는데, 이 비율은 기존 문헌을 참조하여 V_jby에 대한 V_j1의 비로 결정하였다.

대상 데이터

1) 해석 대상은 ACI 352R-02¹⁾에서 권고하는 접합부의 전단력을 만족하는 부재로 한다.
앞 절에서 설명한 연성 평가 모델의 유효함을 파악하기 위해서 횡하중이 작용하는 철근콘크리트 보-기둥 실험체를 검토하였다. 해석대상은 Lee 등⁹⁾의 3개 실험체, Kaku 등¹³⁾의 2개 실험체, Hayashi 등¹⁴⁾의 1개 실험체, Yoshino 등¹⁵⁾의 2개 실험체로서 보와 접합부 내부가 동시에 파괴한 실험체로 하였다.
대상이 된 접합부는 인접보가 항복할 때의 전단강도 V_jby가 ACI 352R-02¹⁾에서 제안하는 Type 1에 대한 강도 V_j1에 대한 비율이 0.8~1.2로 설계되었다. Lee 등⁹⁾과 Yoshino 등¹⁵⁾은 보의 주인장철근비가 실험 변수가 되어 실험체별로 보의 내력이 다른 실험이다.
Kaku 등¹³⁾은 기둥의 전단보강근 철근비와 보의 구속이 변수로 설정된 실험으로서 이 논문에서 채택한 실험체는 물성은 동일하나 보의 구속력이 다른 두 실험체이다. Hayashi 등¹⁴⁾의 실험은 부착파괴와 보의 전단파괴 등 다양한 파괴를 관찰한 실험이었는데 이 논문에서는 보와 접합부 내부가 파괴한 실험체를 분석대상으로 삼았다. 최대 하중 및 최대 응력, 항복변위, K의 계산 결과를 Table 2에 정리하였다.

이론/모형

STEP 7: 전단 변형에 의해 추가적으로 발생한 주인장 변형률은 Attaalla⁶⁾가 제안한 식을 참고하였다.
Table 1은 실험체의 재료 물성치와 분석에 사용된 변수를 보여준다. 실험체들의 전단내력은 ACI 352R-021)에서 제시하고 있는 식 (11)에 기초하여 설계되었다.

성능/효과

실험체들은 인접보가 항복한 후 최대 하중을 지나 점점 내력이 감소하는 형태의 파괴모드를 가졌다. 해석을 통해서 구한 감소곡선은 대상 실험체의 내력을 의미하므로 이 곡선과 실험에서 나타난 이력곡선의 포락선의 차이를 비교해서 평가 모델 알고리즘의 유효함을 평가할 수 있다. 그래프에서 흰색 원으로 표시된 부분은 실험에서 얻은 최대 층간 전단력 값이다.
9(a)의 실험 결과를 해석 결과로 나눈 값으로서 V_j1/V_jby에 따라 나타낸 그래프이다. 8개 실험체의 평균은 1.21, 표준편차는 0.34, 변동계수는 0.28로 계산되었다.
3) 연성 평가 모델을 실제 실험 결과와 비교했을 때 크지 않은 오차범위 내에서 접합부를 평가하였으며 해석과 실험의 연성율의 비율은 0.5~1.5에서 형성되었으며 평균은 0.97, 표준편차는 0.23, 변동계수는 0.24로 계산되었다.
해석 결과와 실험 결과의 일치 정도는 해석 알고리즘을 통해서 구한 잠재 전단강도 감소 곡선(Fig. 7의 점선)의 기울기와 실험에서 획득하는 층간 전단력-층간 변위 이력곡선(Fig. 7의 실선)의 포락선 기울기와 관계가 있다. 보와 접합부 내부가 동시에 파괴되는 파괴 메커니즘을 가지고 있다고 하더라도 접합부 패널의 파괴 정도 즉, 변형률의 침투 정도에 따라서 이력곡선에서 나타나는 형태가 많이 다를 수 있다.

후속연구

4) 기존 접합부의 내력에 대한 실험 데이터를 더 모집하여 이 연구에서 제안한 연성 평가 모델에서 불완전한 부분을 파악하고 개선하여 오차를 줄여 나가는 추가적인 연구가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철근콘크리트 보-기둥 접합부의 특징은?	철근콘크리트 보-기둥 접합부는 모멘트저항골조에 하중이 작용할 때 구조물의 연성능력에 영향을 주는 중요한 부재 중의 하나이다. 접합부에 횡하중이 작용하면 접합부에 인접한 좌우 보(내부 접합부의 경우)와 상하기둥에는 동일 방향의 모멘트가 발생하게 된다.
	지진하중과 같은 횡방향 반복하중이 작용하게 되면 접합부에서 중요한 것?	보와 기둥의 상대적인 강도 차이가 줄어들면서 지진에 의한 피해가 접합부에도 발생하고 있다. 지진하중과 같은 횡방향 반복하중이 작용하게 되면 접합부는 휨보다는 수직 혹은 수평방향 전단이나 부착에 대한 저항력이 중요하다. 따라서 접합부에 대한 내진설계는 설계자가 의도한 연성에 만족할 때까지 전단이나 부착에 대한 내력이 크게 감소하지 않는 수준의 설계가 요구된다.
	접합부에 횡하중이 작용하면 모멘트로 인해 접합부 내에 작용하는 힘은 어떻게 변화하는가?	접합부에 횡하중이 작용하면 접합부에 인접한 좌우 보(내부 접합부의 경우)와 상하기둥에는 동일 방향의 모멘트가 발생하게 된다. 이로 인해서 접합부 내에는 중력하중만이 작용할 때와 비교하여 큰 수직, 수평 전단력이 작용하게 된다. 특히 지진하중과 같은 횡하중이 작용할 때에는 접합부를 가로지르는 큰 전단력에 대한 내력 설계가 내진설계의 관건이 되며 접합부의 내력이 외력에 대응하는 수준에 도달하지 못하면 접합부 내부에서 전단파괴나 부착파괴 같은 취성적인 파괴 가능성을 만든다.

참고문헌 (15)

Joint ACI-ASCE Committee 352, Recommendations for Design of Beam-Column Connections in Monolithic Reinforced Concrete Structures, American Concrete Institute, Farmington Hills, Michigan, 2003, 37 pp.
AIJ, Design Guidelines for Earthquake Resistance Reinforced Concrete Buildings Based on Inelastic Displacement Concept, AIJ, 1999, 440 pp.
NZS, The Design of Concrete Structures, NZS, 1982, 127 pp.
Fujii, S. and Morita, S., Comparison between Interior and Exterior RC Beam-Column Joint Behavior, ACI SP-123, 1991, pp. 145-166.
Durrani, A. J. and Wight, J. K., "Behavior of Interior Beam to Column Connections under Earthquake Type Loading," ACI Journal Proceeding, Vol. 82, 1985, pp. 343-349.

상세보기
Attaalla, S. A., "Deformation Characteristics of Reinforced Concrete Beam-Column Joint Cores under Earthquake Loading," Advanced in Structural Engineering, Vol. 6, No. 1, 2003, pp. 15-21.

상세보기
Kim, J., LaFave, J. M., and Song, J., "A New Statistical Approach for Joint Shear Strength Determination of RC Beam-Column Connections Subjected to Lateral Earthquake Loading," Structural Engineering and Mechanics, Vol. 27, No. 4, 2007, pp. 439-456.

상세보기
Kim, J. H. and Lafave, J. M., "Key Influence Parameters for the Joint Shear Behaviour of Reinforced Concrete RC Beam-Column Connections," Engineering Structures, Vol. 29, Issue 10, 2009, pp. 2523-2539.
Lee, J. Y., Kim, J. Y., and Oh, G. J., "Strength Deterioration of Reinforced Concrete Beam-Column Joints Subjected to Cyclic Loading," Engineering Structures, Vol. 31, Issue 9, 2009, pp. 2070-2085.

상세보기
Lee, J. Y. and Watanabe, F., "Predicting the Longitudinal Axial Strain in the Plastic Hinge Regions of Reinforced Concrete Beams Subjected to Reversed Cyclic Loading," Engineering Structures, Vol. 25, Issue 7, 2003 pp. 927-939.

상세보기
Belarbi, A. and Hsu, T. T. C., "Constitutive Laws of Softened Concrete in Biaxial Tension-Compression," ACI Structural Journal, Vol. 92, No. 5, 1995, pp. 562-573.

상세보기
Paulay, T. and Priestley, M. J. N., Seismic Design of Reinforced Concrete and Masonry Buildings, John Wiley & Sons, New Jersey, 1992, pp. 136-142.
Kaku, T., Maso, K., and Muguruma, T., "Experimental Study about Deformation Characteristic of Beam Column Connection in RC Structure (in Japanese)," Proceeding of the Japan Concrete Institute, Vol. 15, No. 2, 1993, pp. 559-564.
Hayashi, K., Teraoka, M., Mollick, A. A., and Kana, Y., "Bond Characteristic of Interior RC Beam-Column Connections Using High Strength Materials (in Japanese)," Proceeding of the Japan Concrete Institute, Vol. 15, No. 2, 1993, pp. 583-588.
Yoshino, M., Takeda, S., and Kamimura, T., "Behavior of Interior RC Beam-Column Connections after Yielding of Longitudinal Beam Reinforcement (in Japanese)," Proceedings of the Japan Concrete Institute, Vol. 19, No. 2, pp. 987-992.

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