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문제 정의
- 본 연구는 실험결과를 통해 분석된 실험변수에 따른 실험적 기초자료의 제공과 함께 하중단계별 균열거동, 철근의 항복, 파단 등 정량적 수치와 경향을 제공하고 변위연성도 결정방법에 대한 논의를 위한 것이다.
제안 방법
- 8개 실험체의 하중단계별 강도저감 거동을 비교하기 위해 각 실험체의 하중-변위 이력곡선 (hysteresis loops)과 포락곡선 (envelop curves)을 토대로 동일한 변위비 단계에서 공칭 강도를 기준으로 강도저감비율을 분석하여 Table 4에 나타내었다.
- Table 1은 실험체 상세를 정리하여 나타낸 것으로 축방향 철근비, 심부구속철근비, 축력비를 주요 실험변수로 결정하였다. CSP1~2, CSP4~5 실험체는 축방향철근비가 2.
- 5이다. 기초의 높이는 600mm로 기초의 균열, 파괴 등이 교각의 거동에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 충분한 강도를 갖도록 설계하였다. 실험체는 축방향철근의 중심에서 콘크리트 표면까지의 거리는 30.
- 0 이상인 경우를 음영으로 표시하였다. 본 실험에서는 동일한 변위에 대해 각각 2회씩 횡하중이 재하되었고 철근상세에 따라 두 번째 가력 (first cycle loading)시의 횡하중 강도에 대한 첫 번째 가력 (second cycle loading)시의 횡하중 강도를 비교하여 나타내었다. 본 연구에서 수행한 강도저감거동에 대한 주요 변수별 분석내용은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 축방향철근비, 횡방향철근비, 축력비 등을 주요변수로 형상비 4.5인 축소모형 나선철근 실험체 (8개)에 대한 실험을 수행하여 강도저감거동, 변위연성도를 비교, 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 재하실험은 Fig. 4와 같이 유압잭을 이용하여 축력을 가한 상태에서 변위용량이 ±150mm인 500kN Hydraulic actuator를 이용하여 횡방향 하중을 반복 가력하는 준정적 실험을 수행하였다.
- 4와 같이 유압잭을 이용하여 축력을 가한 상태에서 변위용량이 ±150mm인 500kN Hydraulic actuator를 이용하여 횡방향 하중을 반복 가력하는 준정적 실험을 수행하였다. 축력비는 교각에 작용하는 고정하중과 축력재하장비의 용량을 고려하여 0, 0.07, 0.15로 결정하여 축력을 재하하였다. 하중재하방식은 Fig.
- 15로 결정하여 축력을 재하하였다. 하중재하방식은 Fig. 5와 같은 변위제어방식으로서 변위비를 첫 번째 하중은 0.25%로 하고 그 이후 0.5%씩 증가시키며 각각의 변위마다 2 cycle씩 반복 재하 하였다. 변위비 3.
대상 데이터
- 1에 나타내었다. 8개 실험체의 전체 높이는 2,600mm, 기둥길이 2,000mm, 기초상면부터 하중재하 높이까지의 형상비는 4.5이다. 기초의 높이는 600mm로 기초의 균열, 파괴 등이 교각의 거동에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 충분한 강도를 갖도록 설계하였다.
- CSP2와 CSP3 실험체는 항복강도가 각각 482MPa, 381MPa인 축방향철근이 동일한 철근비로 배근되었다. Table 4 및 Fig.
- 017%로 SD40의 D13 철근 20개가 축방향철근으로 배근되었다. CSP3실험체는 축방향철근비가 2.017%로 SD30의 D13 철근 20개가 축방향철근으로 배근되었다. CSP6~8 실험체는 SD40의 D16 철근 20개가 축방향철근으로 배근되었고 축방향철근비는 3.
- 017%로 SD30의 D13 철근 20개가 축방향철근으로 배근되었다. CSP6~8 실험체는 SD40의 D16 철근 20개가 축방향철근으로 배근되었고 축방향철근비는 3.161%이다. CSP2~5 실험체는 160mm 간격으로 횡방향철근이 배근되었고 CSP1 실험체는 120mm 간격으로 배근되었다.
- CSP2~5 실험체는 160mm 간격으로 횡방향철근이 배근되었고 CSP1 실험체는 120mm 간격으로 배근되었다. CSP7 실험체는 105mm 간격으로 배근되었으며 CSP6 실험체는 80mm, CSP8 실험체는 60mm로 배근되었다. 횡철근 간격이 160mm인 경우는 심부구속철근비가 0.
- 5% 변위비에서 최대하중과 피복박리가 계측되었다. 변위비 4.0% 단계에서 CSP4 및 CSP5 실험체는 기초상단부터 200mm와 300mm 구간에 축방향철근 좌굴과 피복탈락이 관찰되었으며 균열폭이 최대 2mm와 1mm로 계측되었다. CSP4 및 CSP5 실험체는 6% 변위비에서 소성힌지부의 피복이 완전히 탈락되었으며 저주파피로에 의한 축방향철근이 각각 4개와 5개 파단되었다.
- 실험체 제작에 사용된 철근의 재료특성 파악을 위해 KS B 0801 및 0802규정에 따라 횡방향철근의 경우 3편, 축방향철근의 경우 3편에 대하여 Fig. 2와 같이 철근 인장시험을 수행하여 결과를 Fig. 3에 나타내었다. 항복강도는 횡방향철근의 경우 421MPa, SD300 축방향철근의 경우 381MPa, SD400축방향철근의 경우 482MPa로 계측되었다.
- 기초의 높이는 600mm로 기초의 균열, 파괴 등이 교각의 거동에 영향을 미치는 것을 방지하기 위해 충분한 강도를 갖도록 설계하였다. 실험체는 축방향철근의 중심에서 콘크리트 표면까지의 거리는 30.4mm로서 축방향철근 공칭지름 (dbl)의 2.39배이고 횡방향철근의 외측표면에서 콘크리트 표면까지의 피복두께는 18mm이다. 모든 실험체의 횡방향철근으로 나선철근이 배근되었다.
- 지름 400mm의 원형단면 기둥 실험체 8개를 제작하였다. 실험체 중 일부를 Fig.
- 횡방향철근은 축방향철근 공칭단면적과의 비율을 고려하여 SD40의 D10 철근을 밀링머신을 이용하여 축선방향의 리브 (rib)는 남겨지고 단면 폭이 6.05mm되도록 가공하였으며 가공된 횡방향철근의 철근리브와 마디를 제외한 단면적은 47.73mm2이다. 횡방향철근과 D13 축방향철근의 단면적 비율은 0.
성능/효과
- (1) 주요 변수들과 무관하게 모든 실험체에서 초기 균열은 0.25% 변위비에서 발생되었고 휨균열은 0.5% 변위비에서 발생되었다. 모든 실험체들의 축방향철근 항복과 경사균열은 1.
- (10) 동일한 변위에 대해 반복하중 재하시 두 번째 가력이 완료될 때까지 철근파단 또는 80%의 횡력감소가 발생하지 않는 이력변위를 극한변위로 결정하는 방법이 합리적이라고 판단된다. 만약 두 번째 가력시 철근이 파단될 경우, 그 이전의 변위이력에서 두 번째 가력까지 완전하게 이루어진 변위단계를 극한변위로 산정하는 방법이다.
- (2) 축력비가 0인 CSP4 실험체는 45° 경사균열이 변위비 1.5%에서 발생되었고 CSP8 실험체는 2.5% 변위비에서 발생되었고 다른 실험체들은 2.0% 변위비에서 발생되었다.
- (3) 축방향철근의 항복강도가 낮은 경우에 변위비 4%부터 횡력강도가 급격히 저감하는 경향을 나타내었다. 축력비가 0 및 0.
- (4) 동일한 축방향철근 상세를 가지는 경우 심부구속철근량이 증가할수록 연성능력이 증가되고 횡력강도 감소 비율 또한 감소되었다.
- (5) 하중 반복횟수에 따른 횡력강도의 강도저감비율을 분석한 결과 실험체의 최종파괴가 발생되기 이전까지의 두 번째 가력시 횡력강도는 첫 번째 가력시 횡력강도의 82% 이상의 값을 나타내었다. 횡철근 간격이 160mm인 경우를 제외하면 93% 이상의 값을 나타내었다.
- (8) 본 연구에서는 동일한 실험체에서 가장 큰 편차를 보이는 변위연성도는 2.18~8.0이고 가장 작은 편차를 보이는 변위연성도는 1.06~3.66으로 분석되었으나 변위 연성도와 응답수정계수를 사용하기 위해 선택을 할 경우에는 매우 신중하게 선택을 해야할 것이다. 모든 실험체의 변위연성도 변동계수는 0.
- (9) 본 연구에서 얻은 기둥부재의 하중변위 곡선과 각각의 항복변위 값을 비교⋅분석한 결과, Y1, Y2, Y5의 경우는 항복상태가 과소평가되었고, Y3과 Y4의 경우는 항복변위가 적절하게 평가되었다.
- 1.5% 변위비에서 소성힌지구간의 경사균열이 S2, S4면에서 교차되었고 경사균열이 45°로 진전되었다.
- )로 나타낸다. 6.1, 6.2절에 언급한 바와 같이 변위연성도는 항복변위 및 극한변위의 정의에 따라 변위연성도의 정량적인 값이 크게 달라진다.
- 6에는 각 실험체의 최종 하중단계를 나타내고 있다. CSP1 실험체는 소성힌지구간에 초기균열이 0.25% 변위비에서 발생된 이후 0.5% 변위비에서 휨균열이 발생되었고 변위증가에 따라 휨균열이 높이 750mm까지 발생 및 진전되었으며 변위비 1.0% 단계에서 경사균열이 나타났다. 1.
- CSP2, CSP3 실험체는 CSP1 실험체와 휨균열, 경사균열, 축방향철근 좌굴과 피복콘크리트 탈락 거동이 동일한 변위비에서 발생하는 현상을 보였다. 다만 CSP1 및 CSP3 실험체는 3% 변위비에서 최대하중이 계측되었으나 CSP2 실험체는 2% 변위비에서 최대하중이 계측되었다.
- CSP4 및 CSP5 실험체는 CSP1, CSP2, CSP3 실험체와 유사한 휨균열과 초기 경사균열 거동을 보였다. 1.
- CSP6, CSP7 실험체는 2.0% 변위비에서 경사균열이 45°로 발생 및 진전되었고 CSP8 실험체는 2.5% 변위비에서 경사 균열이 45°로 발생 및 진전되었다.
- 5% 변위비에서 경사 균열이 45°로 발생 및 진전되었다. CSP6, CSP7 실험체는 4.0% 변위비, CSP8 실험체는 5.0% 변위비에서 최대하중이 계측되었다. CSP6, CSP7 실험체는 5.
- CSP6, CSP7, CSP8 실험체는 0.5% 변위비에서 소성힌지 구간에 휨균열이 발생하였고 변위비 1.5% 단계에서 축방향 철근이 항복하였으며 소성힌지부에 경사균열이 나타났고 변위비가 증가됨에 따라 심화되어 S2, S4면에서 교차되었다. CSP6, CSP7 실험체는 2.
- CSP6, CSP7, CSP8 실험체는 균열폭이 최대 1mm로 계측되었고 CSP7 실험체만 축방향철근이 3개 파단되었다. CSP6, CSP7 및 CSP8 실험체는 초기 경사균열 발생과 축방향철근의 좌굴 시점이 CSP1~5 실험체들보다 0.
- 5% 변위비에서 발생되었다. CSP6, CSP7, CSP8 실험체는 축방향철근비가 3.161%로 증가되어 항복에 도달하는 변위비가 지연되었고 CSP5 실험체는 축력비가 증가된 영향으로 판단된다.
- 나선철근 간격이 120mm 또는 160mm인 CSP1~CSP5 실험체의 경우에는 최대횡하중 값 이후에 변위비 4~6%부터 횡력강도 (Vexp)의 값이 공칭횡력강도 (Vn, code)보다 작게 나타났다. 나선철근 간격이 80mm, 105mm, 60mm인 CSP6, CSP7, CSP8 실험체의 경우에는 변위비 7%까지 횡력강도 (Vexp)의 값이 공칭횡력강도 (Vn, code)보다 크게 나타났다.
- 0% 단계에서 하중재하방향 면 (S1, S3)의 기초상단에서 100mm까지 박리가 관찰되었다. 변위비 4.0% 단계에서 기초상단부터 200mm 구간에 축방향철근 좌굴과 피복탈락이 관찰되었다.
- 0 이상인 경우의 공칭횡력강도 Vn, code를 유지하는 변위는 축방향철근량, 심부구속철근량, 축력비 등에 따라 다르다. 전반적으로 축방향철근량과 심부구속철근량이 높을수록 공칭횡력강도 Vn, code를 유지하는 변위가 크고 감소폭도 미미하였다. 나선철근 간격이 120mm 또는 160mm인 CSP1~CSP5 실험체의 경우에는 최대횡하중 값 이후에 변위비 4~6%부터 횡력강도 (Vexp)의 값이 공칭횡력강도 (Vn, code)보다 작게 나타났다.
- 0%를 기준으로 공칭횡력강도보다 크게 나타난다. 횡력강도 실험값 Vexp의 최대값은 실험체의 상세 및 축력에 따라 다소간의 차이는 있지만 대략 2~4% 변위비 범위에서 발생하였으며, 첫 번째 가력시를 기준으로 공칭횡력강도 Vn, code의 1.02~1.46배의 횡력강도를 보였다. 최대 횡력강도 이후에는 변위증가에 따라 횡력강도가 서서히 감소하는데, Table 5에서 강도비율이 1.
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