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문제 정의
- 이 연구에서는 중량기둥의 PC화를 위해 기존 제작공법의 문제점을 해소할 수 있는 HPC공법을 개발하였으며, 개발된 HPC기둥의 구조성능을 검토하기 위해 다음과 같은 세부적인 연구를 수행하였다.
가설 설정
- 69%까지 각 단계별 첫 번째 사이클에서 측정한값을 이용하였다. 단면내 변형률 분포는 선형을 가정하였다. 비교를 위해 단면해석을 통해 구한 최외곽 주철근 인장항복시 및 극한변위시의 중립축을 함께 나타내었다.
- 전단철근의 기여도(Vs) 계산시 횡철근의 단면적(Asv)으로 RC는 285.2 mm2(4-D10), HPC1은 570.4 mm2(8-D10)를 사용하였으며, HPC2는 내·외대근 모두 유효하다고 가정하여 142.6 mm2(2-D10)와391.2 mm2(2-D16)를 사용하였다.
제안 방법
- Fig. 7(a)와 같이 HPC1, 2 기둥 하단부로부터 50 mm, 1000 mm, 2000 mm인 지점에, 중공부 내측면에 맞닿아 지름 50 mm, 두께 13 mm의 압력계 3개씩을 각각 매립하였으며, 타설 후 약 540분 동안 연속 측정하였다. Fig.
- 1) 구조성능과 제작성을 고려하여 중공 HPC기둥의 제작방법 2가지를 제안하였다.
- 2) 실물크기의 HPC기둥 2개 및 RC기둥 1개에 대하여 주기하중실험을 실시하였다.
- 3) 실험 결과 분석을 통해, HPC기둥의 초기강성, 강도, 연성, 에너지소산능력 등을 평가하였으며, ACI 374 등에서 요구하는 내진성능을 만족하는지 검토하였다.
- RC 실험체 역시 기초부를 우선 제작하고 이후 RC 기둥을 제작하였다. HPC1과 HPC2 실험체의 심부 콘크리트와 RC 기둥의 콘크리트는 기둥 높이의 약 1/3씩 나누어 번갈아 타설하였고 진동다짐을 하였다.
- HPC기둥의 내진성능을 평가하기 위하여 주기하중실험을 수행하였으며, 비교를 위해 RC기둥도 함께 실험하였다. Fig.
- 기초부에 기둥을 고정시킨 뒤 기초부에 우선 타설을 하였고 이후 HPC1과 HPC2의 중공부에 심부 콘크리트를 타설하였다. RC 실험체 역시 기초부를 우선 제작하고 이후 RC 기둥을 제작하였다. HPC1과 HPC2 실험체의 심부 콘크리트와 RC 기둥의 콘크리트는 기둥 높이의 약 1/3씩 나누어 번갈아 타설하였고 진동다짐을 하였다.
- 중량 PC기둥의 양중부하를 저감하기 위하여, 두 가지 형태의 현장타설 콘크리트 채움 중공 PC기둥인 HPC공법(패널조립형, 안장띠철근형)을 개발하였다. 구조안전성 평가를 위해 주기하중실험을 수행하였으며, 주요 실험결과를 정리하면 다음과 같다.
- 원형단면도 적용가능하며, 중대형단면에 적합하다. 그리고 실제 HPC기둥의 접합으로 겹침이음, 기계식이음을 사용할 수 있으나, 이 연구에서는 연구범위를 기둥 단면의 성능에 초점을 두어, 실제 기둥의 연결부는 고려하지 않았다.
- 기둥실험체 상단에 프레임을 설치한 후 최대용량 1000 kN 유압기 두 대를 이용하여 약 P=0.1Agfc'의 축력을 일정하게 유지하였으며, 최대용량 2000 kN 액츄에이터(최대변위 250 mm)를 이용하여 주기 횡하중을 가하였다.
- 기둥의 횡변위 및 회전각(No. 1, No. 2, No. 3), 그리고 전단변형을(No. 4, No. 5) 측정하기 위하여, 실험체별로 기둥 상단부 및 잠재소성힌지영역(기둥하단부 D/2 구간)에 변위계(LVDT)를 설치하였으며(Fig. 8(a)), 철근의 변형률을 측정하기 위해 변형률계(Strain gauge)를 각 실험체에 설치하였다(RC 12개, HPC1 12개, HPC2 20개).
- 이 때 모든 기둥 실험체의 주철근은 기초부 바닥까지 연장되어 기초부와 연결된다. 기초부에 기둥을 고정시킨 뒤 기초부에 우선 타설을 하였고 이후 HPC1과 HPC2의 중공부에 심부 콘크리트를 타설하였다. RC 실험체 역시 기초부를 우선 제작하고 이후 RC 기둥을 제작하였다.
- 외부몰드는 유로폼을 이용하였으며, 내부몰드는 20 mm두께의 각형강관을 이용하였다. 내부몰드의 용이한 탈형을 위해 스티로폼을 강관 바깥쪽으로 설치하였으며, 스티로폼의 흡수를 방지하기 위해 비닐을 추가설치하였다.
- 다만, 안장띠철근을 정착하는 HPC2 내대근에는 D16(SD400)이 사용되었으며, 내부몰드 설치를 위해 90° 표준갈고리를 사용하여 겹친 후 모살용접하였다.
- 단면해석(P-M상관곡선)을 통해 최대모멘트강도 Mf를 산정하였고, Mf를 기둥의 순높이 h′(기둥하단부에서 가력점까지의 거리, 3700 mm)로 나누어 최대횡하중 Vf를 계산하였다.
- 15는 층간변위비에 따른 주철근의 변형률과 중립축 깊이의 변화를 나타낸다. 변형률 측정은 최외곽 주철근에 부착된 변형률계를 이용하였으며, 층간변위비 0.25%에서 1.69%까지 각 단계별 첫 번째 사이클에서 측정한값을 이용하였다. 단면내 변형률 분포는 선형을 가정하였다.
- 단면내 변형률 분포는 선형을 가정하였다. 비교를 위해 단면해석을 통해 구한 최외곽 주철근 인장항복시 및 극한변위시의 중립축을 함께 나타내었다.
- 실험세팅을 위해 실험체 하단부에 기초부를 보강하였다. 이 때 모든 기둥 실험체의 주철근은 기초부 바닥까지 연장되어 기초부와 연결된다.
- 잠재소성힌지영역에 대각방향으로 설치한 변위계 2개의(No. 4, No. 5) 계측값을 이용하여, 전단변형 r을 계산하였다.
- 1Agfc'의 축력을 일정하게 유지하였으며, 최대용량 2000 kN 액츄에이터(최대변위 250 mm)를 이용하여 주기 횡하중을 가하였다. 주기 횡하중은 변위제어방식으로 반복가력하였으며 ACI 374.1-059)에서 제안하는 하중이력을 사용하였다(Table 4).
- 중량 PC기둥의 양중부하를 저감하기 위하여, 두 가지 형태의 현장타설 콘크리트 채움 중공 PC기둥인 HPC공법(패널조립형, 안장띠철근형)을 개발하였다. 구조안전성 평가를 위해 주기하중실험을 수행하였으며, 주요 실험결과를 정리하면 다음과 같다.
- 측압 예측식의 정확도를 평가하고, 심부타설시 측압의 특성을 파악하기 위하여, 압력계를 이용하여 측압을 측정하였다. Fig.
- 층간변위비(가력점에서의 횡변위를 기둥의 유효높이 3700 mm로 나눈 값) 0.25%부터 1.00%까지는 0.25%씩, 이후에는 이전 층간변위비의 1.3배씩 층간변위비를 증가시켰으며, 모든 단계에서 세 사이클씩 반복가력하였다. 실험은 최대하중의 75%이하로 저감되는 시점에서 종료하였다.
- 5일이 소요된다. 콘크리트간 부착강도를 확보하기 위해 HPC1의 분리타설면은 레이턴스가 없도록 깨끗이 한 후 6 mm 거친면처리를 실시하였으며, 추가적으로 신구접착제 또는 강섬유를 사용하는 것도 가능하다. 안장띠철근형 HPC2는 철근조립망을 먼저 제작한 후(Fig.
대상 데이터
- Table 2는 실험체에 사용된 콘크리트의 재료물성치이다. 28일재령 설계압축강도 fck=40 MPa의 콘크리트가 사용되었으며, 실험당일 측정된 공시체강도는 분리타설된 HPC1의 제 1, 2 PC면의 경우 fck=45.3 MPa, 제 3 PC면의경우 43.3 MPa, 제 4 PC면의 경우 39.6 MPa이었다. HPC2의 PC부는 fck=37.
- HPC1, 2 실험체의 강도예측시 콘크리트 강도는 PC부 최소 강도를 사용하였으며, 이에 따라 fck=39.6 MPa(HPC1, 정가력방향이 제 4 PC면) 및 37.7 MPa(HPC2)을 사용하였다.
- RC 실험체의 경우에는 fck= 40.1 MPa을 사용하였으며, 세 실험체 모두 인장시험결과 얻어진 철근의 항복강도를 그대로 사용하였다.
- 6(c)). 외부몰드는 유로폼을 이용하였으며, 내부몰드는 20 mm두께의 각형강관을 이용하였다. 내부몰드의 용이한 탈형을 위해 스티로폼을 강관 바깥쪽으로 설치하였으며, 스티로폼의 흡수를 방지하기 위해 비닐을 추가설치하였다.
- 주철근은 20-D25(SD400)가 사용되었으며(주철근비 약2.16%), 기초하단에 매립된 20 mm 강판에 용접하여 정착하였다(Fig. 4).
- 1 MPa이다. 참고로 HPC1의 제 4 PC면과 HPC2의 PC부에는, 용이한 타설을 위해 최대골재치수가 20 mm로 제어된 고유동콘크리트를 사용하였다.
- 5와 6은 각각 HPC1과 HPC2 실험체의 제작 과정을 보여준다. 패널조립형 HPC1은 4면 분리타설방식으로, 총 3회 중력타설을 통해 제작하였다. 먼저 조립철근망 반절이 설치된 PC패널 한 쌍을 선제작하였다(Fig.
- 횡철근은 D10(SD400)이 사용되었다. 다만, 안장띠철근을 정착하는 HPC2 내대근에는 D16(SD400)이 사용되었으며, 내부몰드 설치를 위해 90° 표준갈고리를 사용하여 겹친 후 모살용접하였다.
이론/모형
- 단면해석(P-M상관곡선)을 통해 최대모멘트강도 Mf를 산정하였고, Mf를 기둥의 순높이 h′(기둥하단부에서 가력점까지의 거리, 3700 mm)로 나누어 최대횡하중 Vf를 계산하였다. 단면의 전단강도 Vn=Vc+Vs은 KCI 기준에 따라 계산하였다. HPC1, 2 실험체의 강도예측시 콘크리트 강도는 PC부 최소 강도를 사용하였으며, 이에 따라 fck=39.
성능/효과
- 2) 개발된 두 가지 형태의 HPC기둥은 현행 설계기준의 철근상세를 만족한다. 패널조립형 HPC1은, 비록 회전 및 분리타설이 요구되지만, 중공율을 극대화할 수 있으며, 안장띠철근형 HPC2는 단면을 관통하는 띠철근이 없으므로 제작성이 높다.
- 3) HPC1과 HPC2 실험체는 초기강성, 강도, 연성 등 구조성능면에서 RC 실험체와 거의 유사한 거동을보였다.
- 4) 항복변위에서의 초기강성은 RC 실험체와 거의 동일하였으며, 정가력시 기둥의 최대강도는 설계강도대비HPC1는 102%, HPC2는 101%로써 예상강도와 거의 일치하는 결과를 보였다.
- 5) HPC1과 HPC2 실험체는 최대강도 도달이후 층간변위비 4.83%까지 최대강도의 75% 이상을 유지하였고, 층간변위비 3.5%에서 ACI 374의 에너지소산비율 기준을 만족하는 등 연성거동을 보였지만, HPC2 실험체의 경우 주철근 좌굴이후에는 RC대비 연성능력과 에너지소산능력 등이 다소 떨어지는 결과를보였다.
- 6) HPC1의 파괴모드에서 HPC1의 PC부가 일체로 박리되는 현상이 발생하였다. 하지만 이러한 박리현상은 최대 변형 근처에서 발생한 것으로 실험체의 강도와 변형능력에 미치는 영향은 크지 않았다.
- 7) 단면을 관통하는 띠철근이 없는 HPC2의 경우, 충분한 연성능력을 확보하기 위해서는 가급적 고강도 대구경 내대근을 사용하는 것이 바람직하다.
- 5% 세 번째 사이클에서 최대하중의 75% 하중재하능력을 보여야 한다고 명시하고 있다.8) 실험 결과 세 실험체 모두 층간변위비3.5%에서도 최대강도의 75% 이상 강도를 유지하였다. RC 실험체는 정·부가력 모두 층간변위비 ±4.
- 83% 세 번째 싸이클에서 최대강도의 75% 이하로 강도가 저감되었다. HPC1 실험체는 +4.83% 두 번째 싸이클 및 -4.83% 세번째 싸이클에서, 그리고 HPC2 실험체는 +4.83% 첫 번째 싸이클 및 -4.83% 두 번째 싸이클에서 최대강도의75% 이하로 강도가 저감되었다.
- HPC1과 HPC2의 최대강도를 RC의 최대강도와 비교하면(Vmax. HPC/Vmax. RC),각각 정가력일 때 약 98.2%, 94.7%, 부가력일 때는 약101.6%, 87.1% 수준으로 나타났으며, 각 실험체의 최대강도를 Table 1에서 제시한 정가력시 예측강도와 비교하면(Vmax/Vf), RC는 104%, HPC1는 102%, HPC2는 101%수준이었다.
- HPC1실험체의 최대강도는 2.20%에서 Vmax+ =454.5 kN, -3.71%에서 Vmax-=-488.3 kN이었으며, HPC2 실험체의 최대강도는 3.71%에서 Vmax+ =438.5 kN, -2.86%에서 Vmax -=-418.6kN이었다.
- RC 실험체는 정·부가력 모두 층간변위비 ±4.83% 세 번째 싸이클에서 최대강도의 75% 이하로 강도가 저감되었다.
- 분석 결과, HPC1 및 HPC2 실험체는 강성, 강도, 연성등의 구조성능면에서 전체적으로 RC 실험체와 유사한 경향을 보였다. 특히 패널조립형 HPC1은 RC와 거의 동일한 성능을 보였다.
- 14는 소성힌지 영역에서의 하중-전단변형 관계를 보여준다. 실험 결과, 심부를 관통하는 띠철근이 있는HPC1 실험체의 전단 변형이 가장 작게 나타났다. HPC1실험체의 전단 변형이 RC 실험체에 비해 작게 나타난 이유는 Table 1에서 보이는 바와 같이 심부를 관통하는 내부 띠철근이 RC보다 증가하였기 때문이다.
- 13(b)에 나타내었다. 전체적으로 각 실험체의 에너지소산비율은 유사하였으며, 층간변위비 3.5%에서 이력거동에 의한 에너지소산비율이 0.125보다 크도록 요구하고 있는 ACI 3749)의 요구조건을 모두 만족하였다.
- 7(b), (c)는 각 위치별로 측정된 시간에 따른 콘크리트 측압을 나타낸다. 측압은 타설 직후 급속히 증가하다가 시간이 경과함에 따라 서서히 감소하였으며, 위치가 낮을수록 높았다.
- 048 MPa로 예측된다. 측정된 최대측압과 비교하면(HPC1의 경우, CH10.048 MPa, CH2 0.049 MPa, CH3 0.034 MPa, HPC2의 경우 CH4 측정실패, CH5 0.084 MPa, CH6 0.035 MPa), CH5를 제외하고 예측값은 전체적으로 측압을 안전측으로 과대평가하였다.
- 횡철근의 변형률을 분석한 결과 RC와 HPC1의 띠철근은 항복하지 않았으며, HPC2의 내 · 외대근은 최대 강도에 도달했을 때 모두 항복하였다.
후속연구
- 8) 종합적으로 HPC1과 HPC2 실험체는 RC 실험체와 유사한 구조성능을 보였지만, 높은 압축력 하에서는 횡구속력 차이에 의한 거동의 차이가 발생할 수 있으므로 이에 대한 추가 실험연구가 필요하다.
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