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문제 정의
- 그리고 공장 생산이 가능함에 따라 현장에서 발생할 수 있는 시공 오차를 줄일 수 있으며, 일정한 품질을 유지할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 묶음 대각철근의 시공성을 더욱 확보하기 위해 연결보 실험체를 프리캐스트 부재로 제작하여 연결보의 프리캐스트 부재 생산 가능성을 평가하고자 하였다.
- BD는 기준 실험체의 대각철근과 같은 직경의 철근을 상하로 결속한 묶음 대각철근을 사용한 실험체이다. 이 실험체를 통하여 묶음 대각철근을 적용한 연결보와 기준에 적합한 연결보의 이력거동 차이를 비교하고, 유사한 내진성능을 발휘하는지 평가하고자 하였다. 실험체는 최대평균전단응력이 #이 되도록 D22(22mm)철근을 사용하여 대각 철근량을 결정하였다.
- 본 연구에서는 현행 ACI 318(2011)에서 요구하는 대각철근을 갖는 철근콘크리트 연결보의 시공을 더욱 용이하게 하기 위하여 묶음대각철근을 갖는 연결보를 제안하였다. 연결보의 묶음 대각철근 상세의 적용 가능성을 확인하고자 실험을 통하여 내진성능을 평가하였다.
제안 방법
- 1(a))에 대해 고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 적용하여 연결보 실험을 수행하였고, 권현욱 등 (2013)[13]은 두 번째 대각철근 상세(Fig. 1(b))에 대해 고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 적용하여 단순화된 철근상세를 갖는 연결보의 성능을 평가하였다. 본 연구에서는 ACI 318(2011)의 두 번째 대각 철근 상세를 갖는 연결보를 대상으로 시공성 향상을 위해 묶음대각철근(Bundled diagonally reinforcement)를 사용하여 실험을 수행하였다.
- 1(b))에 대해 고성능 섬유보강 시멘트 복합체를 적용하여 단순화된 철근상세를 갖는 연결보의 성능을 평가하였다. 본 연구에서는 ACI 318(2011)의 두 번째 대각 철근 상세를 갖는 연결보를 대상으로 시공성 향상을 위해 묶음대각철근(Bundled diagonally reinforcement)를 사용하여 실험을 수행하였다. 묶음 대각철근을 적용하였을 경우, 대각철근 그룹의 철근 간격 조정 및 유지를 위한 간격재 미설치로 시공성이 개선된다.
- 5로 보고하고 있다. 이를 고려하여 본 연구에서는 형상비 2.0을 대상으로 기준에 준수한 일반 대각철근을 갖는 연결보와 Fig. 2와 같이 묶음 대각철근을 갖는 연결보를 실험체를 제작하였다. 실험 수행을 통하여 대각철근 상세에 따른 두 실험체의 이력거동을 비교하고, 묶음 대각철근을 갖는 연결보의 구조성능을 평가하였다.
- 2와 같이 묶음 대각철근을 갖는 연결보를 실험체를 제작하였다. 실험 수행을 통하여 대각철근 상세에 따른 두 실험체의 이력거동을 비교하고, 묶음 대각철근을 갖는 연결보의 구조성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 반복하중에 대한 연결보의 내진성능을 평가하기 위하여 Table 1과 같이 1/2로 축소한 형상비 2.0의 연결보 실험체를 계획하였다. 대각철근 상세는 ACI 318-11에서 제안된 Fig.
- 프리캐스트 연결보와 스터브 간의 일체화를 통한 원활한 하중 전달을 보장하기 위해 연결보의 양 끝단에 50mm의 전단키(shear key)를 설치하고, 단면 중심에 ‘U’형 철근을 추가로 배근하여 접합부를 보강하였다.
- 연결보의 프리캐스트 부재 생산 가능성을 확인하고자 연결보 부분을 먼저 제작하고, 양단의 전단벽을 대신하는 스터브를 2차로 타설하였다. 프리캐스트 연결보와 스터브 간의 일체화를 통한 원활한 하중 전달을 보장하기 위해 연결보의 양 끝단에 50mm의 전단키(shear key)를 설치하고, 단면 중심에 ‘U’형 철근을 추가로 배근하여 접합부를 보강하였다.
- 프리캐스트 연결보와 스터브 간의 일체화를 통한 원활한 하중 전달을 보장하기 위해 연결보의 양 끝단에 50mm의 전단키(shear key)를 설치하고, 단면 중심에 ‘U’형 철근을 추가로 배근하여 접합부를 보강하였다. 스터브가 실험중 연결보보다 먼저 파괴되지 않도록 충분한 철근을 배근하였고, 압축강도도 연결보 실험체의 압축강도 40MPa 보다 높은 60MPa로 제작하였다.
- 이는 연결보 양단에 발생하는 같은 크기의 휨 모멘트에 의해 복곡률(double curvature) 상태를 나타내어 연결보 중앙부에서 모멘트가 발생하지 않도록 하는 것이다. 또한, 횡하중 가력시 상부 스터브가 회전하여 연결보의 국부적인 파괴를 방지하기 위해 프레임의 양단에 롤러(roller)를 이용하여 회전을 구속하고 수평 이동만 가능하게 하였다. 그리고 실험체의 미끄러짐(slip)을 방지하고자 상하부 스터브에 스토퍼 (stopper)를 설치하였다.
- 가력방법은 변위제어를 통한 준정적 반복하중(quasi- static reversed cyclic load)하에서 Fig. 5와 같이 변위각 1.5%까지는 0.25% 간격, 4.0%까지는 0.5% 간격, 변위각 4.0% 이상은 1.0%간격으로 최대 8.0%까지 하중을 재하하였다. 모든 실험체에 동일한 하중이력을 적용하였고, 하중 재하에 따른 강성 및 강도 감소를 평가하기 위해 사이클별 각 2회씩 반복 가력하였다.
- 하부 스터브의 미끄러짐(slip)을 확인하기 위해 하부에도 LVDT를 설치하였다. 연결보의 휨 변형과 전단 변형을 측정하고자 수직 및 대각 LVDT를 연결보 부재 내측에 설치하였으며, 부재 외측에 LVDT를 통해 연결보와 스터브 접합면에서 스터브의 미끄러짐이나 회전을 측정하였다. 그리고 철근의 변형률, 항복 상태를 파악하기 위해서 대각 철근, 수직철근, 그리고 수평철근에 변형률 게이지(strain gauge)를 Fig.
- 연결보의 휨 변형과 전단 변형을 측정하고자 수직 및 대각 LVDT를 연결보 부재 내측에 설치하였으며, 부재 외측에 LVDT를 통해 연결보와 스터브 접합면에서 스터브의 미끄러짐이나 회전을 측정하였다. 그리고 철근의 변형률, 항복 상태를 파악하기 위해서 대각 철근, 수직철근, 그리고 수평철근에 변형률 게이지(strain gauge)를 Fig. 3과 같이 부착하였다.
- 0% 이후에는 유사한 강성저하 특성을 나타내었다. 묶음 대각철근이 강성변화에 크게 영향을 미치지 않은 것을 알 수 있지만 기준 실험체와 유사한 성능을 보유하여 철근 상세 대체 가능성을 확인하였다.
- 본 연구에서는 현행 ACI 318(2011)에서 요구하는 대각철근을 갖는 철근콘크리트 연결보의 시공을 더욱 용이하게 하기 위하여 묶음대각철근을 갖는 연결보를 제안하였다. 연결보의 묶음 대각철근 상세의 적용 가능성을 확인하고자 실험을 통하여 내진성능을 평가하였다. 연구결과는 다음과 같다.
- 0%까지 하중을 재하하였다. 모든 실험체에 동일한 하중이력을 적용하였고, 하중 재하에 따른 강성 및 강도 감소를 평가하기 위해 사이클별 각 2회씩 반복 가력하였다. 횡하중의 계측은 액츄에이터에 장착된 로드셀을 통하여 확보하였다.
대상 데이터
- 실험체 SD는 ACI 318의 연결보 설계 기준에 따라 제작된 실험체이다. BD는 기준 실험체의 대각철근과 같은 직경의 철근을 상하로 결속한 묶음 대각철근을 사용한 실험체이다.
- 대각 철근을 묶음대각철근으로 사용하는 경우 정착 길이를 ACI 318에 규정된 내진설계용 철근의 정착 길이를 적용하여 산정하였지만, 본 연구에서는 정착 길이가 주요변수가 아니므로 요구되는 값보다 충분한 정착 길이를 확보하였다. 그리고 실험체의 수평근과 횡구속 철근은 D13(13mm)을 사용하였고, 횡구속 철근 간격은 120mm로 제작하였다. 대각철근 경사각은 SD 실험체는 20.
- 연결보 실험체에 사용된 콘크리트는 설계압축강도 40MPa로 계획하였다. 압축강도 시험체는 직경 100mm, 높이 200mm의 공시체로 제작하였으며, 연결보 실험체와 동일한 조건 하에서 현장 양생하였다.
- 연결보 실험체에 사용된 콘크리트는 설계압축강도 40MPa로 계획하였다. 압축강도 시험체는 직경 100mm, 높이 200mm의 공시체로 제작하였으며, 연결보 실험체와 동일한 조건 하에서 현장 양생하였다. 압축강도 시험 결과의 평균값으로 얻은 응력-변형률곡선을 Fig.
- 6(a)에 나타내었고, 압축강도는 기준압축강도 40MPa를 상회하는 것으로 나타났다. 연결보 실험체는 항복강도420MPa의 D13(12.7mm), D22(22.2mm) 철근을 사용하였다. 철근 인장시험을 얻은 철근의 응력-변형률곡선은 Fig.
데이터처리
- 12에 나타내 었다. 강성 값은 이력곡선의 첫 번째 사이클에서 측정된 정가력과 부가력 시 최대하중 절대값의 합을 해당 변위의 절대값 합으로 나눈값(peak-to-peak stiffness)으로 산정하고, 초기 강성에 대한 비율로 평가하였다.
이론/모형
- 0의 연결보 실험체를 계획하였다. 대각철근 상세는 ACI 318-11에서 제안된 Fig. 1(b)에 나타난 배근 방법인 연결보 전체 단면에 수평 및 수직철근을 배근하여 횡구속하는 방법을 기초로 하였다. Fig.
- 항복변위각과 최대변위각은 Pan and Moehle(1989)[15]가 사용한 방법에 따라 산정되었다. 최대하중의 2/3에 해당하는 점과 원점을 지나는 직선이 최대강도 시 횡축에 평행한 직선과 접하는 교점에 해당하는 변위각을 항복변위각으로 산정하였다.
성능/효과
- 실험체는 최대평균전단응력이 #이 되도록 D22(22mm)철근을 사용하여 대각 철근량을 결정하였다. 대각 철근을 묶음대각철근으로 사용하는 경우 정착 길이를 ACI 318에 규정된 내진설계용 철근의 정착 길이를 적용하여 산정하였지만, 본 연구에서는 정착 길이가 주요변수가 아니므로 요구되는 값보다 충분한 정착 길이를 확보하였다. 그리고 실험체의 수평근과 횡구속 철근은 D13(13mm)을 사용하였고, 횡구속 철근 간격은 120mm로 제작하였다.
- ACI 318의 두 번째 연결보 철근상세에 따른 기준 실험체 SD는 변위각 4.0%까지 강도의 저감없이 안정적인 이력거동을 보였다. 최대 강도 발휘 후 강도가 감소되는 거동을 보였으며, 최종파괴는 변위각 7.
- 0%까지 강도의 저감없이 안정적인 이력거동을 보였다. 최대 강도 발휘 후 강도가 감소되는 거동을 보였으며, 최종파괴는 변위각 7.0%에서 발생하였다.
- 0%에서 발생하였다. 하중-변위 곡선에서 나타난 바와 같이 일반 대각철근을 묶음 대각철근으로 대체하여도 기준에 적합한 실험체와 유사한 거동을 보이는 것으로 관측되었다. 이는 묶음대각철근의 대체 가능성을 보여준다.
- 8(e)). 최종적으로 변위각 7.0%에서 콘크리트 피복이 박리되고 대각철근이 파단된 것으로 관측되었다. Fig.
- 10은 연결보 실험체의 강도 변화를 비교하기 위해 이력곡선에서 포락선(envelope curve)를 나타내었다. 묶음 대각철근을 적용한 연결보 실험체는 현행 기준식에 의한 대각철근 보강 상세를 갖는 기준 실험체와 비교하여 동등 이상의 전단강도를 보유하고 있는 것으로 관측되었다.
- 1) ACI 318(2011)에서 요구하는 상세에 따른 철근콘크리트 연결보 실험체는 기준에서 제시하는 공칭전단강도이상의 전단강도를 발휘하고, 변위각 5%까지 변형능력을 보유하여 우수한 성능을 나타내었다.
- 2) 일반 대각철근을 묶음 대각철근으로 대체하여 제작한 실험체는 기준실험체와 유사한 변형능력, 에너지소산능력을 보유한 것으로 나타났다. 또한 묶음 대각철근을 적용함에 따라 대각철근의 경사각이 커지면서 연결보의 전단강도가 증가하였다.
- 3) 묶음 대각철근을 사용함으로써 연결보의 내부 공간을 확보할 수 있고, 횡보강 철근과의 간섭이 감소되어 철근 배근이 상대적으로 어려운 형상 비가 큰 연결보에 대해서도 시공성을 개선할 수 있다. 그리고 대각철근의 경사각 증가에 따른 공칭전단강도도 증가하기 때문에 전단강도가 크게 요구되는 단면에 대해서도 강도와 연성을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 4) 병렬전단벽 시스템에서 지진 발생 시 높은 전단력을 받은 연결보의 일반 대각철근 상세를 묶음 대각철근으로 대체하여 실험적으로 비교 분석한 결과, 기준에 따른 철근 상세를 갖는 연결보와 유사한 내진성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 또한, 배근 상세의 단순화, 프리캐스트 부재로 생산함으로써 시공성 개선 및 공기단축, 연결보 품질 확보의 가능성을 확인하였다.
- 4) 병렬전단벽 시스템에서 지진 발생 시 높은 전단력을 받은 연결보의 일반 대각철근 상세를 묶음 대각철근으로 대체하여 실험적으로 비교 분석한 결과, 기준에 따른 철근 상세를 갖는 연결보와 유사한 내진성능을 나타내는 것으로 평가되었다. 또한, 배근 상세의 단순화, 프리캐스트 부재로 생산함으로써 시공성 개선 및 공기단축, 연결보 품질 확보의 가능성을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제한하는 묶음 대각철근 상세를 적용한 철근콘크리트 연결보 시스템은 내진 성능 확보와 시공성 증진을 위해 활용 가능성이 높은 시스템이라 할 수 있다.
후속연구
- 또한, 배근 상세의 단순화, 프리캐스트 부재로 생산함으로써 시공성 개선 및 공기단축, 연결보 품질 확보의 가능성을 확인하였다. 따라서 본 연구에서 제한하는 묶음 대각철근 상세를 적용한 철근콘크리트 연결보 시스템은 내진 성능 확보와 시공성 증진을 위해 활용 가능성이 높은 시스템이라 할 수 있다.
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