휨 항복형 철근콘크리트 전단벽의 경계요소설계를 위한 변위연성비 모델제시 Design Approach for Boundary Element of Flexure-Governed RC Slender Shear Walls Based on Displacement Ductility Ratio원문보기
이 연구에서는 철근콘크리트전단벽의 경계요소의 연성설계를 위한 변위연성비모델을 제시하였다. 부재의 길이에 따른 곡률과 자유단에서의 변위를 산정하기 위한 전단벽의 단면의 변형률 및 내부힘들의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형조건을 이용하여 이상화하였다. 경계요소내의 횡보강근에 의한 구속효과는 Razvi and Saatcioglu에 의해 제시된 콘크리트의 응력-변형률 관계를 이용하여 고려하였다. 항복시 및 최대내력 이후 최대모멘트 80%에서의 곡률은 등가소성 힌지길이 개념을 도입하여 변위값으로 환산하였다. 일반화된 변위연성비의 모델은 다양한 범위에서 수행된 변수연구로부터 얻어진 데이터들의 회귀분석을 통하여 단순식으로 정립되었다. 제시된 단순모델은 실험결과 대비 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.05, 0.19 및 0.18로 대부분의 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 따라서 제시된 모델은 경계요소에서 소요연성비에 따른 횡보강근의 상세를 결정하는데 쉽게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 연구에서는 철근콘크리트 전단벽의 경계요소의 연성설계를 위한 변위연성비모델을 제시하였다. 부재의 길이에 따른 곡률과 자유단에서의 변위를 산정하기 위한 전단벽의 단면의 변형률 및 내부힘들의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형조건을 이용하여 이상화하였다. 경계요소내의 횡보강근에 의한 구속효과는 Razvi and Saatcioglu에 의해 제시된 콘크리트의 응력-변형률 관계를 이용하여 고려하였다. 항복시 및 최대내력 이후 최대모멘트 80%에서의 곡률은 등가소성 힌지길이 개념을 도입하여 변위값으로 환산하였다. 일반화된 변위연성비의 모델은 다양한 범위에서 수행된 변수연구로부터 얻어진 데이터들의 회귀분석을 통하여 단순식으로 정립되었다. 제시된 단순모델은 실험결과 대비 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.05, 0.19 및 0.18로 대부분의 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 따라서 제시된 모델은 경계요소에서 소요연성비에 따른 횡보강근의 상세를 결정하는데 쉽게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
This study established a displacement ductility ratio model for ductile design for the boundary element of shear walls. To determine the curvature distribution along the member length and displacement at the free end of the member, the distributions of strains and internal forces along the shear wal...
This study established a displacement ductility ratio model for ductile design for the boundary element of shear walls. To determine the curvature distribution along the member length and displacement at the free end of the member, the distributions of strains and internal forces along the shear wall section depth were idealized based on the Bernoulli's principle, strain compatibility condition, and equilibrium condition of forces. The confinement effect at the boundary element, provided by transverse reinforcement, was calculated using the stress-strain relationship of confined concrete proposed by Razvi and Saatcioglu. The curvatures corresponding to the initial yielding moment and 80% of the ultimate state after the peak strength were then conversed into displacement values based on the concept of equivalent hinge length. The derived displacement ductility ratio model was simplified by the regression approach using the comprehensive analytical data obtained from the parametric study. The proposed model is in good agreement with test results, indicating that the mean and standard deviation of the ratios between predictions and experiments are 1.05 and 0.19, respectively. Overall, the proposed model is expected to be available for determining the transverse reinforcement ratio at the boundary element for a targeted displacement ductility ratio.
This study established a displacement ductility ratio model for ductile design for the boundary element of shear walls. To determine the curvature distribution along the member length and displacement at the free end of the member, the distributions of strains and internal forces along the shear wall section depth were idealized based on the Bernoulli's principle, strain compatibility condition, and equilibrium condition of forces. The confinement effect at the boundary element, provided by transverse reinforcement, was calculated using the stress-strain relationship of confined concrete proposed by Razvi and Saatcioglu. The curvatures corresponding to the initial yielding moment and 80% of the ultimate state after the peak strength were then conversed into displacement values based on the concept of equivalent hinge length. The derived displacement ductility ratio model was simplified by the regression approach using the comprehensive analytical data obtained from the parametric study. The proposed model is in good agreement with test results, indicating that the mean and standard deviation of the ratios between predictions and experiments are 1.05 and 0.19, respectively. Overall, the proposed model is expected to be available for determining the transverse reinforcement ratio at the boundary element for a targeted displacement ductility ratio.
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문제 정의
본 연구에서는 철근콘크리트 전단벽의 경계요소설계에서 변위연성비를 합리적으로 평가할 수 있는 단순모델을 제시하였다. 적용대상은 대칭형 단면형상, 2.
이 연구의 목적은 철근콘크리트 전단벽의 소요연성에 대한 경계요소 설계의 기초자료로서 활용할 수 있는 변위연성비모델을 제시하는 것이다. 곡률과 변위를 산정하기 위하여 전단벽 단면에서 변형률 분포 및 내부 힘의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형 조건을 이용하여 이상화 하였다.
제안 방법
변위연성비의 기본모델은 주요변수의 영향을 평가하기 위해서 변수연구를 수행하였다. 선택된 변수들의 범위는 다음과 같다.
곡률은 Yang에 의해 제시된 중립축깊이모델과 변형률 적합조건과 힘의 평형 조건에 의해 산정된 압축연단 콘크리트변형률로부터 유도되었다. 특히, 최대내력 이후 최대모멘트 80%에서의 압축연단 콘크리트변형률은 Razvi and Saatcioglu의 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계의 하강기울기를 이용하여 경계요소내의 구속효과와 최대내력 이후의 콘크리트의 감소 효과를 반영하였다. 변위연성비의 기본모델은 부재길이에 따른 이상화된 곡률분포와 등가소성힌지길이를 이용하여 유도하였으며, 변수연구로부터 횡보강근체적지수(ωhs), 인장철근(ωs) 및 수직철근지수(ωv), 인장철근항복강도(fy) 및 축력비(Nu/Agfck)의 함수로 단순화할 수 있었다.
대상 데이터
본 연구에서는 철근콘크리트 전단벽의 경계요소설계에서 변위연성비를 합리적으로 평가할 수 있는 단순모델을 제시하였다. 적용대상은 대칭형 단면형상, 2.0이상의 형상비 및 0.2이하의 축력비를 갖는 취성파괴가 배제된 휨 항복형 철근콘크리트 전단벽이다. 곡률은 Yang에 의해 제시된 중립축깊이모델과 변형률 적합조건과 힘의 평형 조건에 의해 산정된 압축연단 콘크리트변형률로부터 유도되었다.
데이터처리
이와 같이 μΔ은 다양한 변수들로 구성되어 있어 계산과정이 복잡하므로 이전의 절 변수연구에서 평가된 주요변수들의 영향들을 회귀분석하여 식을 단순화 하였다.
곡률과 변위를 산정하기 위하여 전단벽 단면에서 변형률 분포 및 내부 힘의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형 조건을 이용하여 이상화 하였다. 경계요소에서 횡보강근에 의한 콘크리트의 구속효과는 Razvi and Saatcioglu8)의 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계의 모델을 이용하여 산정하였다. 항복시점 및 최대내력의 80%에서의 곡률은 등가소성힌지길이 개념을 이용하여 부재 변위로 환산되었다.
이 연구의 목적은 철근콘크리트 전단벽의 소요연성에 대한 경계요소 설계의 기초자료로서 활용할 수 있는 변위연성비모델을 제시하는 것이다. 곡률과 변위를 산정하기 위하여 전단벽 단면에서 변형률 분포 및 내부 힘의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형 조건을 이용하여 이상화 하였다. 경계요소에서 횡보강근에 의한 콘크리트의 구속효과는 Razvi and Saatcioglu8)의 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계의 모델을 이용하여 산정하였다.
2이하의 축력비를 갖는 취성파괴가 배제된 휨 항복형 철근콘크리트 전단벽이다. 곡률은 Yang에 의해 제시된 중립축깊이모델과 변형률 적합조건과 힘의 평형 조건에 의해 산정된 압축연단 콘크리트변형률로부터 유도되었다. 특히, 최대내력 이후 최대모멘트 80%에서의 압축연단 콘크리트변형률은 Razvi and Saatcioglu의 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계의 하강기울기를 이용하여 경계요소내의 구속효과와 최대내력 이후의 콘크리트의 감소 효과를 반영하였다.
또한, c80은 단면내 힘들의 평형조건과 구속된 콘크리트 응력의 감소계수(Ψ)를 도입하여 유도된 Yang10)모델을 이용하여 산정할 수 있다.
성능/효과
10) 곡률산정을 위한 기본가정은 다음과 같다. 1) 부재의 항복은 경계요소내 인장철근이 항복변형률에 도달하는 시점으로 정의되며, 이때 재료들의 변형률은 탄성상태이다. 2) 최대내력 이후 최대모멘트 80%의 모든 철근은 모두 항복상태이다.
1) 부재의 항복은 경계요소내 인장철근이 항복변형률에 도달하는 시점으로 정의되며, 이때 재료들의 변형률은 탄성상태이다. 2) 최대내력 이후 최대모멘트 80%의 모든 철근은 모두 항복상태이다. 3) 경계요소내 콘크리트의 구속효과 및 최대내력 이후 압축응력이 저하되는 효과를 고려한다.
5(a)). 또한 전단벽의 변위연성비는 동일한 변수에서 경계요소내 인장철근 및 수직철근 지수에 현저한 영향을 받았다. 인장철근지수 및 수직철근지수가 각각 0.
5에는 각 주요변수에 따른 변위연성비를 나타내었다. 인장철근 및 수직철근지수가 각각 0.03과 0.04인 전단벽에서의 변위연성비는 횡보강근 체적지수가 0.1에서 0.35로 증가될 때에 3.5배 증가하였으며, 동일한 횡보강근 체적지수에서 축력비가 0에서 0.2로 증가될 때에는 약 42% 수준으로 급격히 감소하였다(Fig. 5(a)).
또한 전단벽의 변위연성비는 동일한 변수에서 경계요소내 인장철근 및 수직철근 지수에 현저한 영향을 받았다. 인장철근지수 및 수직철근지수가 각각 0.03에서 0.10로, 0.04에서 0.14로 약 3.5배 증가하면, 변위연성비는 약 0.73% 수준으로 감소하였다(Fig. 5(b), (c)).
제시된 모델은 ωhs가 0.35이상인 높은 영역에서 다소 불안전측으로 예측되는 값들이 다소 존재하지만, 실험결과 대비 평균, 표준편차 및 변동계수가 1.05, 0.19 및 0.18으로 대부분의 실험결과를 안전측으로 예측하였다.
변위연성비의 기본모델은 부재길이에 따른 이상화된 곡률분포와 등가소성힌지길이를 이용하여 유도하였으며, 변수연구로부터 횡보강근체적지수(ωhs), 인장철근(ωs) 및 수직철근지수(ωv), 인장철근항복강도(fy) 및 축력비(Nu/Agfck)의 함수로 단순화할 수 있었다. 제시된 변위연성비의 단순모델은 실험결과 대비 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.05, 0.19 및 0.18로서 대부분 실험결과를 안전측으로 예측하였는데, 특히 고축력과 콘크리트 고강도 영역에서 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 이에 따라 제시된 변위연성비 모델은 철근콘크리트 전단벽의 연성을 합리적으로 평가할 수 있으며, 횡보강근의 체적지수의 함수를 포함함으로서 소요연성에 대한 경계요소설계에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
18으로 대부분의 실험결과를 안전측으로 예측하였다. 특히 축력비가 0.2이상이거나 콘크리트 압축강도가 50 MPa 이상인 고강도 영역에서 실험결과의 경향을 대체적으로 잘 예측하였다. 하지만, 제안모델은 0.
2이상이거나 콘크리트 압축강도가 50 MPa 이상인 고강도 영역에서 실험결과의 경향을 대체적으로 잘 예측하였다. 하지만, 제안모델은 0.360의 매우 높은 축력지수를 갖는 실험체인 Zhang and Wang)의 SW8 실험체를 약 71% 과소평가하였다.
후속연구
18로서 대부분 실험결과를 안전측으로 예측하였는데, 특히 고축력과 콘크리트 고강도 영역에서 실험결과의 경향을 잘 예측하였다. 이에 따라 제시된 변위연성비 모델은 철근콘크리트 전단벽의 연성을 합리적으로 평가할 수 있으며, 횡보강근의 체적지수의 함수를 포함함으로서 소요연성에 대한 경계요소설계에 쉽게 이용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
휨 항복형 철근콘크리트 전단벽의 내진설계에서 휨 내력과 함께 중요하게 고려되어야 하는 것은 무엇인가?
휨 항복형 철근콘크리트 전단벽의 내진설계에서 연성은 휨 내력과 함께 중요하게 고려되어야 한다.1-3) 이에 기존 내진설계기준들4,5)은 연성을 확보하기 위해서 단면의 단부콘크리트를 횡보강근으로 구속하는 경계요소에 대한 상세를 제시하고 있다.
경계요소에서 횡보강근에 의한 콘크리트의 구속효과는 어떤 모델을 이용하여 산정하였는가?
곡률과 변위를 산정하기 위하여 전단벽 단면에서 변형률 분포 및 내부 힘의 분포는 베르누이(Bernoulli)의 정리, 변형률 적합조건 및 힘의 평형 조건을 이용하여 이상화 하였다. 경계요소에서 횡보강근에 의한 콘크리트의 구속효과는 Razvi and Saatcioglu8)의 구속된 콘크리트의 응력-변형률 관계의 모델을 이용하여 산정 하였다. 항복시점 및 최대내력의 80%에서의 곡률은 등가소성힌지길이 개념을 이용하여 부재 변위로 환산되었다.
휨 항복형 철근콘크리트 전단벽의 경계요소길이와 횡보강근의 설계기준의 한계는 무엇인가?
휨 항복형 철근콘크리트 전단벽의 경계요소길이와 횡보강근 설계에 대해 ACI 318-114)은 단면의 응력 및 소요횡변위 설계개념에 기반하는 반면, EC 85)은 고연성 전단벽에서 소요곡률연성계수를 도입하고 있다. 이들 설계기준들은 간접적으로 소요연성을 확보하고 있지만, 단면상세에 따른 연성 평가방법은 아직 부족하다. 특히 EC 85)에서 제시하고 있는 소요곡률연성계수도 전단벽 시스템의 종류와 지반조건에 따라 결정된 포괄적인 개념으로 연성을 직접적으로 산정하기에는 무리이다.
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