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문제 정의
- 따라서 이 연구에서는 형상비 2.67인 휨-전단 실험체와 형상비 2.25인 전단거동이 예상되는 실험체를 제작하여 형상비 변화에 따른 거동특성 변화를 관찰하였다.
- 2m의 초대형 실물크기 실험체와 1/2로 축소한 축소모형 실험체를 같이 제작하고, 내진성능 실험을 동시에 실시하여 주철근 겹침이음과 형상비 변화에 따른 철근콘크리트 교각의 파괴형태 변화와 내진성능 등을 조사하였다. 또한 실험결과 주철근 겹침이음, 형상비, 주철근비에 따른 원형단면 철근콘크리트 교각의 항복변위 및 극한변위 산정식을 제안하여 향후 내진성능이 부족하다고 판단되는 교각들에 대한 내진성능 조사 및 합리적인 보수 보강설계 등에 반영하고자 하였다.
- 과거 국내 도로교 설계기준 내진설계편에도 이에 대한 제한이 없어 국내에 현존하는 상당수 교각들이 주철근 겹침이음을 시공 편의상 많이 하였다고 판단된다. 이 연구에서는 실험을 통하여 소성힌지 영역 내에 겹침이음이 교각의 연성도에 미치는 영향을 조사하였다.
가설 설정
- 먼저, 항복변위 산정식을 제안하기 위하여 집중하중을 받는 켄틸레버보의 처짐관계식(Δα=(PL3)/(3EI)) 등을 참조하여 식 (1)과 같이 항복변위(Δy)를 본체높이(H)와 형상비 (H/D) 관계식으로 가정하였다.
제안 방법
- (8),(9) 이 사업에서 일반국도 및 지방도 도로망의 확대와 개량을 목적으로 각 노선 공사에 필요한 도로 및 교량 설계가 실시되었으며, Fig .1과 같이 이때 작성된 설계도면중에서 원형단면 교각 또는 유사 원형단면 교각이 포함된 교량을 선별하여 분석하였다.
- 1992년 내진설계 도입 이전에 시공된 일부의 비내진 교량의 내진특성을 분석하기 위해 과거 건설교통부에서 일반 국도와 지방도를 대상으로 시행한 도로개량 및 포장설계 사업(Road Improvement Project, 1975년 ADB, 1981년 IBRD)을 분석하였다.(8),(9) 이 사업에서 일반국도 및 지방도 도로망의 확대와 개량을 목적으로 각 노선 공사에 필요한 도로 및 교량 설계가 실시되었으며, Fig .
- 4. 상기 실험결과 및 연구결과들로 부터 원형 철근콘크리트 교각의 항복변위 산정식과 극한변위 산정식을 제안하였으며, 이 식을 이용하여 내진실험을 실시하지 않고도 그 교각의 내진성능을 파악하고자 하였다. 이는 추후 비내진으로 분류되는 실제 교량의 보수보강을 위한 내진성능 조사에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
- 다음단계로 식 (4)와 같이 앞서 형상비 계수를 구하는 방식과 같은 방식으로 겹침이음에 대한 계수(By)과 주철근비에 대한 계수(Cy)를 각각 추가로 구하고 신뢰성 분석을 실시하여 가장 신뢰성이 높은 β=1, γ=5일 때의 By와 Cy를 각각 구하였다.
- 따라서 이 연구에서는 교각 형상비의 미세 변화에도 파괴거동 특성이 민감하게 변화할 것으로 예측되는 형상비 2.5내외의 원형단면 철근콘크리트 교각을 가진 교량들을 조사하여 대상교량을 선정하였다. 대상교량은 8경간 연속교인 창촌교(인천-간성간 국도)로서 고정단인 P4(형상비 2.
- 휨-전단 또는 전단 지배적인 교각의 경우, 실험 시작 이전의 수치해석에 의한 거동 예측이 휨 거동 교각의 경우보다 신뢰성이 낮고 소성힌지 생성구간의 파악에도 어려움이 있다. 따라서 횡방향 하중가력방법에 있어 이 실험에서는 기존의 항복변위에 따른 변위이력과는 달리 Fig. 4와 같이 교각 실험체의 높이에 대한 수평방향의 Drift level로 횡방향 하중을 가력하는 방법을 사용하였으며(11), 실제 실험에 적용된 Drift level의 변위값은 Table 5와 같다.
- 또한 Fig 15와 같이 겹침이음이 0%, 50%, 100%인 경우에 대하여 실물크기 실험체와 축소모형 실험체의 Drift level별 에너지 흡수량을 비교하였다.
- 또한 항복변위 산정식과 마찬가지로 극한변위 산정식을 식 (8)과 같이 제안하였으며, 특히 극한변위 산정식에는 추가로 심부구속철근비(ρs)에 대한 영향을 추가로 고려하였다.
- 식의 제안 과정은 형상비와 본체높이 대한 기본식을 가정한 후 형상비, 겹침이음, 주철근비에 대한 영향계수를 각 단계별로 설정하고, 각 단계별 신뢰성 분석을 실시하여(12) 가장 신뢰도가 높은 각각의 영향계수 값을 결정하였다.
- 이 연구에서는 교각의 내진성능 파악을 위하여 준정적실험(Quasi Static Test)을 실시하였다. 실험은 Fig. 4, 5와 같이 축방향 하중은 3,500kN 능력의 Actuator를 사용하여 2,000kN의 축력을 일정하게 재하하였으며, 횡방향 하중은 3,500kN 능력의 Actuator를 사용하여 가력하였다.
- 67인 축소모형 교각실험체의 준정적 실험결과이다. 실험은 실물크기 실험체와 동일한 비율의 Drift level로 수평 변위를 가하였다. 겹침이음이 없는 M-H-LS000의 경우 매우 안정적인 하중-변위 이력곡선을 보여주고 있으며 상당한 연성을 발휘하고 있음을 알 수 있다.
- 실험체의 단면은 모두 원형 충전단면(Circular Solid Type)이며 주철근 겹침이음의 영향을 고려하여 각각 소성 힌지구간에 겹침이음이 없는 경우(0%)와 50%, 100%의 겹침이음을 둔 실험체를 제작하였다.
- 국내에서 수행되었던 교각의 실험연구는 대부분 축소모형에 의한 것이었으며, 축소모형 실험에 의한 내진성능 평가 시에는 축소에 따른 크기효과가 개입되어 평가결과가 왜곡될 우려가 있다. 이 실험에서는 실물크기 휨-전단 실험체를 1/2로 축소한 축소모형 실험체를 제작한 후 내진실험을 실시하여 거동을 서로 비교하였다.
- 이 연구에서는 교각 형상비의 미세 변화에도 파괴거동 특성이 민감하게 변화할 것으로 예측되는 원형단면 철근콘크리트 교각을 대상으로, 휨-전단 복합거동이 예측되는 형상비 2.67의 실물크기 실험체와 전단거동이 예측되는 형상비 2.25의 실물크기 실험체 및 형상비 2.67의 축소모형 실험체를 같이 제작하여 내진성능 실험을 실시하였으며, 주철근 겹침이음과 형상비 변화에 따른 파괴거동을 분석하여 상기 실험결과 및 분석결과들로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이 연구에서는 교각의 내진성능 파악을 위하여 준정적실험(Quasi Static Test)을 실시하였다. 실험은 Fig.
- 최근에 국내외에서 실시된 철근콘크리트 교각의 내진성능 실험에 대하여 각 실험체의 직경에 대한 본체 높이의 비, 즉 형상비와 주철근비, 심부구속철근비, 축하중 등을 조사하였다. 지금까지 실시된 원형 콘크리트 교각 실험체를 조사한 결과, 조사대상인 89개(국내 63개, 국외 26개)의 실험체 중 형상비가 3.
- 실물크기의 교각 실험체의 철근은 설계도면 및 KS D3504에 의한 SD30의 D25의 상용철근을 주철근으로, 횡철근은 D13을 사용하였다. 축소모형 실험체의 경우 Table 3과 같이 실물크기의 1/2로 축소하였는데 주철근은 D13, 횡철근은 D6을 사용하여 철근비, 개수, 배근간격에서 완전한 상사가 되도록 하여 보다 정밀한 실험결과 값을 얻고자 하였다.
- 축소율만큼 원래 크기의 물리량으로 환산하여 실물크기 실험체와 비교하였다. 비교분석 결과, 축소모형 실험체의 연성이 실물크기 실험체보다 크게 평가되는 것을 관찰할 수 있다.
대상 데이터
- 5내외의 원형단면 철근콘크리트 교각을 가진 교량들을 조사하여 대상교량을 선정하였다. 대상교량은 8경간 연속교인 창촌교(인천-간성간 국도)로서 고정단인 P4(형상비 2.67)를 실험대상으로 지름 1.2m의 초대형 실물크기 실험체와 1/2로 축소한 축소모형 실험체를 같이 제작하고, 내진성능 실험을 동시에 실시하여 주철근 겹침이음과 형상비 변화에 따른 철근콘크리트 교각의 파괴형태 변화와 내진성능 등을 조사하였다. 또한 실험결과 주철근 겹침이음, 형상비, 주철근비에 따른 원형단면 철근콘크리트 교각의 항복변위 및 극한변위 산정식을 제안하여 향후 내진성능이 부족하다고 판단되는 교각들에 대한 내진성능 조사 및 합리적인 보수 보강설계 등에 반영하고자 하였다.
- 25로 제작하였다. 또한 형상비 2.67인 실물크기 실험체에 대한 축소모형실험체 3개를 제작하였다.
- 설계 도면에 포함된 전체 교량 중 검토 대상 단면 교각이 포함된 교량은 32개이고 총 교각 수는 156개이다. 분석결과 T형 원형단면과 Π형 원형단면 교각이 대부분을 차지하는 것으로 파악되었으며, Table 2와 같이 교각의 내진특성에 큰 영향을 미치는 소성힌지 영역에서의 주철근 겹칩이음이 존재하는 교량이 32개의 조사대상 교량중 15개로 나타났다.
- 실물크기의 교각 실험체의 철근은 설계도면 및 KS D3504에 의한 SD30의 D25의 상용철근을 주철근으로, 횡철근은 D13을 사용하였다. 축소모형 실험체의 경우 Table 3과 같이 실물크기의 1/2로 축소하였는데 주철근은 D13, 횡철근은 D6을 사용하여 철근비, 개수, 배근간격에서 완전한 상사가 되도록 하여 보다 정밀한 실험결과 값을 얻고자 하였다.
- 실험체는 Table 4와 같이 실물크기와 축소모형 모두 9개이며, 형상비를 달리하여 실물크기 실험체 6개중 3개는 휨-전단 파괴거동이 예상되는 형상비인 2.67로 제작하였고, 3개는 전단파괴 거동이 예상되는 형상비인 2.25로 제작하였다. 또한 형상비 2.
- 이 실험에서 선정한 교각은 형상비가 2.67인 원형단면 교각으로서 약간의 형상비 변화 및 상세 변화에도 거동 특성이 민감하게 변한다. 만일 비내진 상세를 갖는 교각에 대해 내진보강을 실시하는데 있어 근거로 삼은 예측된 내진거동특성이 실제 지진 발생시의 거동과 다를 수도 있다면 내진성능이 제대로 향상된 것이라 할 수 없을 것이다.
- 축소모형 실험체는 형상비 2.67인 실물크기 실험체를 1/2로 축소 제작한 것이다. Fig.
성능/효과
- Fig. 10(a)에서 주철근을 100% 겹침이음한 FS-H-LS100이 가장 열악한 연성 거동을 나타내었고, 겹침이음이 없는 FS-H-LS000는 안정적인 연성 거동을 보였다. 주철근 중 절반만 연속철근을 사용한 FS-H-LS050은 앞의 두 경우의 중간 정도의 연성 거동을 나타내었다.
- 1. 실험결과 휨-전단 파괴가 예상된 형상비 2.67의 교각은 휨-전단으로 파괴되었으나, 형상비 2.25인 교각은 전단으로 파괴되었다. 이와 같이 휨-전단거동이 예상되는 형상비 2.
- 18과 같이 회귀표준화잔차(Δu,eq-Δu,test)의 관측누적확률과 기대누적확률이 정규분포상에 집중되어 두 값의 상관도를 나타내는 상관계수(R)는 0.732로 나타났으며, 신뢰도는 0.845로 나타나 항복변위에 대한 제안식값과 실험값의 비교 신뢰성이 높은 것으로 판단되었다.
- 2. 주철근 겹침이음이 0% , 50%, 100%로 증가할수록 주철근 부착파괴가 휨이나 전단파괴보다 먼저 발생하였다. 따라서 주철근 겹침이음이 50% 이상일 경우 낮은 형상비에 따른 전단보강만 실시해서는 안되며, 주철근 부착파괴에 대비한 휨 연성 보강을 동시에 실시해야 할 것을 판단되었다.
- 3. 주철근 겹침이음이 없는 휨-전단 교각은 축소모형 실험 시 최종 파괴형태가 휨-전단 또는 전단 파괴인 실물과 달리 휨 파괴로만 왜곡되어 나타날 수 있음을 확인하였다. 이처럼 축소모형으로 교각의 내진성능을 평가할 경우에는 그 평가결과가 왜곡될 우려가 있으므로 형상비와 크기효과, 주철근 겹침이음 등의 파괴 변화요소를 감안하여 실험에 의한 평가결과도 적절히 보정하여 사용해야 할 것으로 판단된다.
- 3(a))이다. Drift level 개념을 도입한 이 실험연구의 경우 항복변위 결정에 영향을 미칠 수 있는 요인을 사전에 배제하고, 실험결과에 근거한 항복변위를 결정해야 하므로 기존의 여러 방법 중 이 방법이 가장 합리적으로 평가되었다.
- 극한변위값의 비교에서는 회귀표준화잔차의 관측누적확률과 기대누적확률이 정규분포상에 집중되어 두 값의 상관도를 나타내는 상관계수(R)는 0.896으로 나타났으며, 신뢰도는 0.945로 나타나 극한변위에 대한 제안식값과 실험값의 비교 신뢰성 역시 높은 것으로 판단되었다.
- 콘크리트의 28일 평균압축강도는 25MPa로서 설계기준강도 24MPa에 근접한 값을 얻었다. 또한 철근 D25, D13, D6의 평균항복강도는 인장실험결과 각각 337.8Mpa, 332.6MPa, 327.0MPa로 나타났다.
- 분석결과 T형 원형단면과 Π형 원형단면 교각이 대부분을 차지하는 것으로 파악되었으며, Table 2와 같이 교각의 내진특성에 큰 영향을 미치는 소성힌지 영역에서의 주철근 겹칩이음이 존재하는 교량이 32개의 조사대상 교량중 15개로 나타났다.
- 축소율만큼 원래 크기의 물리량으로 환산하여 실물크기 실험체와 비교하였다. 비교분석 결과, 축소모형 실험체의 연성이 실물크기 실험체보다 크게 평가되는 것을 관찰할 수 있다.
- 10(a)～10(c)에 나타내었다. 실험체별 각각의 에너지 흡수량을 비교한 결과, 주철근 겹침이음이 적을수록 에너지 흡수량이 늘어나는 것을 관찰할 수 있다.
- 25인 교각은 전단으로 파괴되었다. 이와 같이 휨-전단거동이 예상되는 형상비 2.5 부근의 교각은 형상비 변화 및 상세 변화에도 거동 특성이 민감하게 변하는 것을 확인하였다.
- 특히 1992년 이전 내진설계기준이 정립되지 못한 시기에 건설된 교량의 철근콘크리트 교각이 보유한 내진성능을 평가하기 위하여 많은 실험연구가 있었으며(1-3), 그 결과 부족한 내진성능을 보강하기 위한 개선된 설계기법과 보수 보강기법들이 제시되었으나 문제점들도 발견되었다. 즉, 철근콘크리트 교량의 설계 및 시공시 완전 연성개념의 AASHTO를 바탕으로 만들어진 국내 도로교 내진설계기준을 따른 결과, 철근콘크리트 교각에 과도한 횡구속 철근으로 인한 시공의 어려움을 겪는 사례가 많이 발견되었다. 이는 완전 연성이 필요하지 않는 경우에도 완전 연성 확보를 위하여 과도한 심부 구속철근이 배근되기 때문이다.
- 겹침이음이 없는 M-H-LS000의 경우 매우 안정적인 하중-변위 이력곡선을 보여주고 있으며 상당한 연성을 발휘하고 있음을 알 수 있다. 하지만 Drift level 증가에 따른 파괴형태는 실물크기 실험체와는 다르게 나타났는데, 실물모형 실험체의 휨-전단 파괴형태와 달리 축소모형 실험체는 휨 지배적인 거동을 보이다가 최종적으로 휨에 의한 파괴가 발생하였다.
후속연구
- 이처럼 축소모형으로 교각의 내진성능을 평가할 경우에는 그 평가결과가 왜곡될 우려가 있으므로 형상비와 크기효과, 주철근 겹침이음 등의 파괴 변화요소를 감안하여 실험에 의한 평가결과도 적절히 보정하여 사용해야 할 것으로 판단된다.
- 따라서, 추후 비내진 교각에 대한 내진보강을 실시할 경우 특히 주철근 겹침이음이 많아지는 경우에는 전단보강만 실시해서는 안되고 휨 연성 보강을 동시에 실시해야 전체적인 내진성능이 향상될 것으로 판단된다.
- 상기 항복변위와 극한변위 산정식의 제안으로 식 (6)과 식 (8)을 이용하여 실제 실험을 실시하지 않고도 원형단면 철근콘크리트 교각에 대한 항복변위와 극한변위를 구할 수 있으며, 또한 두 변위에 따른 변위연성도를 구할 수 있어 추후 비내진으로 분류되는 실제 교량의 내진성능 파악에 많은 도움이 될 것이다.
- 상기 실험결과 및 연구결과들로 부터 원형 철근콘크리트 교각의 항복변위 산정식과 극한변위 산정식을 제안하였으며, 이 식을 이용하여 내진실험을 실시하지 않고도 그 교각의 내진성능을 파악하고자 하였다. 이는 추후 비내진으로 분류되는 실제 교량의 보수보강을 위한 내진성능 조사에 많은 도움이 될 것으로 판단된다.
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