축소모형 원형기둥 실험체 8개를 제작하여 일정한 축력 하에서 반복 횡하중을 가력하는 실험을 수행하였다. 실험체들은 형상비 4.5인 실험체로 설계되었다. 실험체의 주요변수는 횡방향철근비, 축방향철근비, 축방향철근 항복강도와 축력비이다. 기둥 실험체들의 실험결과들은 축방향철근비, 횡철근비와 축력비에 따라 등가점성비, 잔류변형, 유효강성등과 같은 내진성능이 다르게 나타났다. 낮은 항복강도의 축방향철근이 적용된 실험체는 등가점성감쇠비와 잔류변형과 같은 내진성능이 낮게 나타났다. 국내의 도로교설계기준에 휨 초과강도 규정이 2012년에 채택되었다. 실험결과들은 공칭강도, 비선형 모멘트-곡률 해석 결과, AASHTO LRFD 및 도로교설계기준 (한계상태설계법)과 같은 기준들과 비교하였다.
축소모형 원형기둥 실험체 8개를 제작하여 일정한 축력 하에서 반복 횡하중을 가력하는 실험을 수행하였다. 실험체들은 형상비 4.5인 실험체로 설계되었다. 실험체의 주요변수는 횡방향철근비, 축방향철근비, 축방향철근 항복강도와 축력비이다. 기둥 실험체들의 실험결과들은 축방향철근비, 횡철근비와 축력비에 따라 등가점성비, 잔류변형, 유효강성등과 같은 내진성능이 다르게 나타났다. 낮은 항복강도의 축방향철근이 적용된 실험체는 등가점성감쇠비와 잔류변형과 같은 내진성능이 낮게 나타났다. 국내의 도로교설계기준에 휨 초과강도 규정이 2012년에 채택되었다. 실험결과들은 공칭강도, 비선형 모멘트-곡률 해석 결과, AASHTO LRFD 및 도로교설계기준 (한계상태설계법)과 같은 기준들과 비교하였다.
Eight small scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with constant axial load. Test specimens were designed with 4.5 aspect ratio. The selected test variables are longitudinal steel ratio, transverse steel ratio, yielding strength of longitudinal steel and axi...
Eight small scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with constant axial load. Test specimens were designed with 4.5 aspect ratio. The selected test variables are longitudinal steel ratio, transverse steel ratio, yielding strength of longitudinal steel and axial load ratio. The test results of columns with different longitudinal steel ratio, transverse steel ratio and axial load ratio showed different seismic performance such as equivalent damping ratio, residual displacement and effective stiffness. It was found that the column with low strength of longitudinal steel showed significantly reduced seismic performance, especially for equivalent damping ratio and residual displacement. The regulation of flexural over-strength is adopted by Korea Bridge Design Specifications (Limited state design, 2012). The test results are compared with nominal strength, result of nonlinear moment-curvature analysis and the design specifications such as AASHTO LRFD and Korea Bridge Design Specifications (Limited state design).
Eight small scale circular reinforced concrete columns were tested under cyclic lateral load with constant axial load. Test specimens were designed with 4.5 aspect ratio. The selected test variables are longitudinal steel ratio, transverse steel ratio, yielding strength of longitudinal steel and axial load ratio. The test results of columns with different longitudinal steel ratio, transverse steel ratio and axial load ratio showed different seismic performance such as equivalent damping ratio, residual displacement and effective stiffness. It was found that the column with low strength of longitudinal steel showed significantly reduced seismic performance, especially for equivalent damping ratio and residual displacement. The regulation of flexural over-strength is adopted by Korea Bridge Design Specifications (Limited state design, 2012). The test results are compared with nominal strength, result of nonlinear moment-curvature analysis and the design specifications such as AASHTO LRFD and Korea Bridge Design Specifications (Limited state design).
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문제 정의
본 연구에서는 원형 나선철근 교각의 내진성능과 휨 초과강도를 파악하고자 형상비 4.5인 축소모형 실험체를 제작하여 일정한 축력하에서 준정적실험을 수행하였다. 실험결과와 모멘트-곡률 해석, 설계기준에 규정된 초과강도 등을 비교하였다.
제안 방법
161%인 경우에는 횡방향철근비를 변수로 추가하였다. KS B 0801 및 0802 규정에 따라 횡방향철근의 경우 3편, 축방향철근의 경우 3편에 대하여 철근 인장시험을 수행하였고 축방향철근 중 SD40 철근의 항복강도는 482MPa이며 SD30 철근의 항복강도는 381MPa로 계측되었다. 횡방향철근의 항복강도는 421MPa로 계측되었다.
축방향철근으로 D13, D16 철근을 선정하였다. 도로교 설계기준 (한계상태설계법)에서 횡방향철근 지름은 축방향철근 지름의 2/5 이상으로 하는 규정에 맞추기 위해 D10 철근을 가공하여 사용하였다. 철근의 리브 (rib)는 남겨두고 단면적이 47.
(4) 등가 직사각형 응력분포를 사용한 공칭강도, Mander 등의 콘크리트 모델을 사용한 M-φ 비선형 해석, 도로교 설계기준과 AASHTO LRFD 등의 초과강도 규정을 적용하여 실험결과와 비교하였다. 모멘트-곡률 해석결과는 모든 실험결과와 비교하여 안전측으로 예측하였다. 이는 본 연구에서 사용된 모멘트-곡률 해석 프로그램이 설계에 적용될 수 있도록 방대한 국내⋅외의 실험결과들에 대한 분석을 통하여 해석결과의 곡률(또는 변위)이 실험결과의 곡률 (또는 변위)을 과대하게 예측하지 않도록 개발되었기 때문이다.
본 연구에서 사용된 모멘트-곡률 해석 프로그램이 방대한 국내⋅외의 실험결과들에 대한 분석을 통하여 해석결과의 곡률 (또는 변위)이 실험결과의 곡률 (또는 변위)보다 과대하게 예측하지 않도록 처리되었기 때문에 모든 실험결과와 비교하여 안전측으로 예측하였다.
본 연구에서는 Fig. 7과 Table 3에 나타낸 바와 같이 등가 직사각형 응력분포를 사용하여 계산된 공칭강도, Mander 등의 콘크리트 모델을 사용한 M-φ 비선형 해석, 도로교 설계기준과 AASHTO LRFD의 규정 등을 적용하여 각 실험체들의 휨 초과강도를 평가하였다.
본 연구에서는 축방향철근비, 심부구속철근비, 축력비를 주요 실험변수로 결정하여 실험을 수행하였다. Table 1에 실험변수를 정리하여 나타내었다.
본 연구에서는 축방향철근비, 횡방향철근비, 축력비 등을 주요변수로 형상비 4.5인 축소모형 나선철근 실험체에 대한 실험을 수행하여 균열거동, 내진성능, 초과강도 등을 비교, 분석하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
또한, 횡방향철근의 간격은 축방향철근의 좌굴을 방지하기 위해 축방향철근지름의 6배 이하가 되도록 규정하고 있다. 소성힌지구역에서의 심부구속 횡방향철근비를 산정하기 위한 규정들을 Fig. 1에 단면크기별로 비교하여 나타내었다.
5인 축소모형 실험체를 제작하여 일정한 축력하에서 준정적실험을 수행하였다. 실험결과와 모멘트-곡률 해석, 설계기준에 규정된 초과강도 등을 비교하였다.
횡방향 하중을 재하하여 횡변위가 발생되면 축방향 변형률의 발생으로 축하중은 변화하게 된다. 이를 방지하기 위하여 유압조절장치를 이용하여 축력을 일정하게 재하 하였다. 하중재하방식은 변위제어방식으로서 변위비를 첫 번째 하중은 0.
재하실험은 유압잭을 이용하여 축력을 가한 상태에서 변위용량이 ±150mm인 500kN Hydraulic actuator를 이용하여 횡방향 하중을 반복 가력하는 준정적 실험을 수행하였다.
이를 방지하기 위하여 유압조절장치를 이용하여 축력을 일정하게 재하 하였다. 하중재하방식은 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
CSP2와 CSP3 실험체는 항복강도가 각각 482MPa, 381MPa인 축방향철근이 동일한 철근비로 배근되었다. Fig.
5% 변위비에서 발생되었다. 변위비 4.0% 단계에서 CSP4와 CSP5 실험체는 기초상단부터 200mm와 300mm 구간에 최대 균열폭 2mm와 1mm로 계측되었다.
원형단면 기둥 실험체의 전체높이는 2,600mm, 기둥길이 1,800mm, 형상비 4.5, 지름 400mm인 실험체 8개를 제작하였다. 축방향철근으로 D13, D16 철근을 선정하였다.
5, 지름 400mm인 실험체 8개를 제작하였다. 축방향철근으로 D13, D16 철근을 선정하였다. 도로교 설계기준 (한계상태설계법)에서 횡방향철근 지름은 축방향철근 지름의 2/5 이상으로 하는 규정에 맞추기 위해 D10 철근을 가공하여 사용하였다.
데이터처리
(4) 등가 직사각형 응력분포를 사용한 공칭강도, Mander 등의 콘크리트 모델을 사용한 M-φ 비선형 해석, 도로교 설계기준과 AASHTO LRFD 등의 초과강도 규정을 적용하여 실험결과와 비교하였다.
성능/효과
(1) 모든 실험체에서 초기 거동 (초기 균열 발생 및 균열 진전)과 휨균열 발생은 주요 변수들과 관계없이 대체로 유사한 경향을 나타내었다. 하중-변위 이력곡선에서 1차 강성변화는 피복콘크리트의 균열 발생, 2차 강성변화는 최외곽 인장철근의 항복에 의해 발생되었다.
(2) 축방향철근비가 2.016%인 경우에는 최대 균열폭이 2~3mm로 계측되었으나 축방향철근비가 3.161%인 경우에는 1mm로 계측되었는데 이는 상대적으로 횡방향 철근 배근 간격이 감소한 영향으로 판단된다. 축방향 철근비가 2.
(3) 동일한 축방향철근비를 가지는 실험체들의 등가점성감쇠비 거동은 유사하게 나타났으며 축방향철근비 2.017%인 경우 보다 3.161%인 경우가 10.3% 높은 등가점성감쇠비 성능을 나타내었다. 동일한 변위비에서 축방향 철근 항복강도가 381MPa인 실험체가 482MPa인 실험체 보다 최대 73% 높은 등가점성감쇠 거동을 나타내었고 잔류변형은 동일한 변위비에서 항복강도가 381MPa인 경우가 증가되는 것으로 나타났다.
3에는 각 실험체별로 최종 하중단계의 균열양상을 나타내고 있다. CSP1 실험체는 소성힌지구간에 초기균열이 0.25% 변위비에서 발생된 이후 변위증가에 따라 휨균열이 진전되었으며 변위비 1.0% 단계에서 경사균열이 나타났다. 1.
CSP2, CSP3 실험체는 CSP1 실험체와 휨균열, 경사균열이 발생하는 현상을 보였다. CSP2 실험체는 변위비 4.
횡방향철근 간격이 도로교설계기준에서 요구하는 간격과의 격차가 작을수록 모멘트-곡률 해석 결과와 도로교설계기준의 결과가 유사하게 나타났다. 도로교설계기준과 AASHTO LRFD 기준에 의한 결과 중 도로교설계기준에 의한 결과가 실험결과에 대하여 보다 정확하게 예측하였다.
161%인 실험체들에서 경사균열이 심화된 원인은 축방향철근량의 증가로 상대적인 축강성이 증가되었기 때문으로 판단된다. 도로교설계기준에서 요구하는 심부구속철근비보다 22.3% 증가되어 전단강도가 증대된 CSP8 실험체에서도 동일한 균열양상이 나타났다.
3% 높은 등가점성감쇠비 성능을 나타내었다. 동일한 변위비에서 축방향 철근 항복강도가 381MPa인 실험체가 482MPa인 실험체 보다 최대 73% 높은 등가점성감쇠 거동을 나타내었고 잔류변형은 동일한 변위비에서 항복강도가 381MPa인 경우가 증가되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 변위비에서 축력비가 작을수록 등가점성감쇠비는 높게 나타났다.
또한 동일한 변위비에서 축력비가 작을수록 등가점성감쇠비는 높게 나타났다. 본 연구에서는 나선철근 간격에 따른 등가점성감쇠비와 유효강성의 차이는 축방향철근 항복강도와 축력비에 따른 등가점성감쇠비와 유효강성의 차이보다 작게 나타났다.
축력비 15%를 재하한 CSP5는 최대 횡력강도에 도달된 이후에 급격한 강성저하 거동을 나타내었다. 축력비가 증가할수록 최대 횡력강도는 증가하며 연성능력은 감소하는 경향을 나타내었다.
모든 실험체의 최대 횡하중은 공칭 휨 횡력강도를 초과하였다. 횡방향철근 간격이 증가될수록 최대 횡력강도에 도달된 이후에 횡력 강도저감이 심화되었으며 축력비가 증가될수록 횡력강도는 증가되는 경향이 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
형상비 4.5인 축소모형 나선철근 실험체에 대한 여러가지 주요변수 실험 결과는 어떠한가?
(1) 모든 실험체에서 초기 거동 (초기 균열 발생 및 균열 진전)과 휨균열 발생은 주요 변수들과 관계없이 대체로 유사한 경향을 나타내었다. 하중-변위 이력곡선에서 1차 강성변화는 피복콘크리트의 균열 발생, 2차 강성변화는 최외곽 인장철근의 항복에 의해 발생되었다. 모든 실험체의 최대 횡하중은 공칭 휨 횡력강도를 초과하였다. 횡방향철근 간격이 증가될수록 최대 횡력강도에 도달된 이후에 횡력 강도저감이 심화되었으며 축력비가 증가될수록 횡력강도는 증가되는 경향이 나타났다.
(2) 축방향철근비가 2.016%인 경우에는 최대 균열폭이 2~3mm로 계측되었으나 축방향철근비가 3.161%인 경우에는 1mm로 계측되었는데 이는 상대적으로 횡방향 철근 배근 간격이 감소한 영향으로 판단된다. 축방향 철근비가 2.016%인 실험체들 보다 3.161%인 실험체들에서 경사균열이 심화된 원인은 축방향철근량의 증가로 상대적인 축강성이 증가되었기 때문으로 판단된다. 도로교설계기준에서 요구하는 심부구속철근비보다 22.3% 증가되어 전단강도가 증대된 CSP8 실험체에서도 동일한 균열양상이 나타났다.
(3) 동일한 축방향철근비를 가지는 실험체들의 등가점성감쇠비 거동은 유사하게 나타났으며 축방향철근비 2.017%인 경우 보다 3.161%인 경우가 10.3% 높은 등가점성감쇠비 성능을 나타내었다. 동일한 변위비에서 축방향 철근 항복강도가 381MPa인 실험체가 482MPa인 실험체 보다 최대 73% 높은 등가점성감쇠 거동을 나타내었고 잔류변형은 동일한 변위비에서 항복강도가 381MPa인 경우가 증가되는 것으로 나타났다. 또한 동일한 변위비에서 축력비가 작을수록 등가점성감쇠비는 높게 나타났다. 본 연구에서는 나선철근 간격에 따른 등가점성감쇠비와 유효강성의 차이는 축방향철근 항복강도와 축력비에 따른 등가점성감쇠비와 유효강성의 차이보다 작게 나타났다.
(4) 등가 직사각형 응력분포를 사용한 공칭강도, Mander 등의 콘크리트 모델을 사용한 M-φ 비선형 해석, 도로교 설계기준과 AASHTO LRFD 등의 초과강도 규정을 적용하여 실험결과와 비교하였다. 모멘트-곡률 해석결과는 모든 실험결과와 비교하여 안전측으로 예측하였다. 이는 본 연구에서 사용된 모멘트-곡률 해석 프로그램이 설계에 적용될 수 있도록 방대한 국내⋅외의 실험결과들에 대한 분석을 통하여 해석결과의 곡률(또는 변위)이 실험결과의 곡률 (또는 변위)을 과대하게 예측하지 않도록 개발되었기 때문이다. 횡방향철근간격이 도로교설계기준에서 요구하는 간격과의 격차가 작을수록 모멘트-곡률 해석 결과와 도로교설계기준의 결과가 유사하게 나타났다. 도로교설계기준과 AASHTO LRFD 기준에 의한 결과 중 도로교설계기준에 의한 결과가 실험결과에 대하여 보다 정확하게 예측하였다.
철근콘크리트 교각의 최대 소성모멘트는 어디서 발생하는가?
성능보장설계는 교량이 지진운동의 영향을 받을 경우에 교각이 완전한 소성회전성능을 발휘할 때까지 다른 구조요소들 또는 교각 자체가 취성파괴 되지 않도록 설계하여 전체 교량 시스템은 연성파괴 되도록 설계하는 것을 의미한다. 철근콘크리트 교각의 최대 소성모멘트는 지진하중에 의하여 교각이 휨 작용으로 파괴되는 위치인 소성힌지구역에서 발생된다. 따라서 최대소성모멘트는 축방향철근과 횡방향철근이 가장 많이 배근된 소성힌지구역의 단면에서 발생될 수 있는 최대 휨강도이다.
성능보장설계는 무엇을 의미하는가?
성능보장설계는 AASHTO (2002), AASHTO LRFD (2005), ATC-32 (1996), CALTRANS (2002), Eurocode 8 (1996), NZ code (1994), ATC/MCEER (2001) 등과 같은 대부분의 기술선진국의 교량 내진설계기준들에 채택되어 있다. 성능보장설계는 교량이 지진운동의 영향을 받을 경우에 교각이 완전한 소성회전성능을 발휘할 때까지 다른 구조요소들 또는 교각 자체가 취성파괴 되지 않도록 설계하여 전체 교량 시스템은 연성파괴 되도록 설계하는 것을 의미한다. 철근콘크리트 교각의 최대 소성모멘트는 지진하중에 의하여 교각이 휨 작용으로 파괴되는 위치인 소성힌지구역에서 발생된다.
참고문헌 (11)
AASHTO, LRFD Bridge Design Specifications, American Association of State Highway and Transportation Officials, SI Unit, 3rd ed., Washington, DC, USA, 2005.
AASHTO, Standard Specifications for Highway Bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials, 17th ed., Washington, DC, USA, 2002.
ATC/MCEER, Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of Highway Bridges, Part I : Specifications, Part II : Commentary and Appendices, 2001.
ATC-32, Improved Seismic Design Criteria for California Bridges, Provisional Recommendations, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996.
CALTRANS, Caltrans Seismic Design Criteria, Version 1.3, California Department of Transportation, Sacramento, USA, December, 2002.
CEN, Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures - Bridges, Eurocode 8 Part 2, European Committee for Standardization, 1996.
Ko, S. H., "Displacement Ductility of Circular RC Column according to the Spacing of Spirals", Journal of Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, KSMI, Vol. 17, No. 2, 2012, pp.71-82 (in Korean).
Ko, S. H., "Seismic Performance of Square RC Column Confined with Spirals", Journal of Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, KSMI, Vol. 16, No. 5, 2012, pp.88-97 (in Korean).
Mander, J. B., Priestley, M. J. N. and Park, R., "Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 114, No. 8, August 1988, pp.1804-1826.
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