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원형 RC 기둥의 내진성능과 휨 초과강도
Seismic Performance and Flexural Over-strength of Circular RC Column 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.17 no.5, 2013년, pp.49 - 58  

고성현 (제주국제대학교 토목공학과)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

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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.
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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.
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참고문헌 (11)

  1. AASHTO, LRFD Bridge Design Specifications, American Association of State Highway and Transportation Officials, SI Unit, 3rd ed., Washington, DC, USA, 2005. 

  2. AASHTO, Standard Specifications for Highway Bridges, American Association of State Highway and Transportation Officials, 17th ed., Washington, DC, USA, 2002. 

  3. ATC/MCEER, Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of Highway Bridges, Part I : Specifications, Part II : Commentary and Appendices, 2001. 

  4. ATC-32, Improved Seismic Design Criteria for California Bridges, Provisional Recommendations, Applied Technology Council, Redwood City, California, 1996. 

  5. CALTRANS, Caltrans Seismic Design Criteria, Version 1.3, California Department of Transportation, Sacramento, USA, December, 2002. 

  6. CEN, Design Provisions for Earthquake Resistance of Structures - Bridges, Eurocode 8 Part 2, European Committee for Standardization, 1996. 

  7. 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). 

  8. 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). 

  9. 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. 

  10. Ministry of Construction & Transportation, Korea Bridge Design Specifications (Limited state design), Korea, 2012 (in Korean). 

  11. Transit New Zealand, Bridge Manual, plus amendment No. 1, Wellington, New Zealand, 1994. 

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