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문제 정의
- 기둥에 작용하는 상재하중으로 발생하는 Punching Shear를 일반 기초판과 중공형 Base Plate를 적용한 기초판에 정량적으로 알아보기 위하여 실내 실험을 실시 하였다.
- 본 논문에서는 RC기둥과 그 보다 더 큰 단면적의 Base Plate를 가장 효율적인 단면으로 기둥과 기초의 접합부에 적용하여, 기둥이 받는 축력을 비교적 원활하게 기초로 분산 전달 할 수 있는 성능을 평가하는 것이다.
제안 방법
- Base Plate 내민길이가 100mm, 150mm인 실험체의 내측(기둥방향)과 외측에 strain gauge를 설치하여 하중 재하시각 Base Plate의 거동을 확인하였다. strain gauge는 내민길이 50mm 마다 설치를 하였고 Base Plate 외측부분과 중간 부분의 거동을 확인한 결과 각각 압축과 인장이 발생하며 응력이 증가함에 따라 변형률 또한 점차 증가하였으나, 내민길이 100mm의 경우 내측 및 외측의 변형률 변화폭이 거의 없이 거동하였으나 내민길이 150mm의 경우 압축 및 인장의 발생에 따라 변형률 변화폭이 Base Plate의 내민부분 외측면으로 갈수록 급격히 작아짐을 확인하였다.
- 휨모멘트는 위험단면에 대한 휨모멘트로 설계 하였으며 기둥의 경계면에서 산정하였다. Base Plate를 갖는 기둥에 대해서는 기둥 외면과 Base Plate단부와의 중간면에서 결정하였다. 전단력은 1방향 전단 위험단면과 2방향 뚫림전단 위험단면에 대한 전단력으로 설계하였다.
- Base Plate의 두께와 기초판 두께의 변화에 따른 응력 전달평가를 위해 1800×1800의 기초판에 접합된 기둥의 크기를 2가지 (300×300, 400×400, 사각형 단면)로 구분하여 기준 (Control)으로 하였으며, 이에 따른 실험체의 변수는 Base Plate의 가로, 세로, 두께, 보강여부에 따른 기초판의 두께 등을 변수로 하였다.
- 신규 4부터 6까지는 PC기둥의 크기가 가로, 세로 400mm이며 같은 방법으로 내민길이에 변화를 두었다. 그 외 BF와 NF 실험체는 Base Plate의 보강 유무에 따른 분류이고, NF 실험체 중 보강형식, 보강재의 두께, 내민길이에 따라 각각 구분하였다.
- 기초판은 휨모멘트와 전단력을 고려하여 설계하였다. 휨모멘트는 위험단면에 대한 휨모멘트로 설계 하였으며 기둥의 경계면에서 산정하였다.
- Base Plate 설치시 압축응력 분산 영역은 Base Plate의 단부까지 확대 되었다. 범용 구조해석 프로그램을 이용하여 일반 무보강 기초와 폐쇄형 및 중공형 Base Plate를 설치한 기초의 압축응력 분산을 비교하였다. 미설치된 기초의 경우 응력 분산지역이 위험단면의 바로 아래방향으로 좁게 나타났으나 폐쇄형과 중공형 Base Plate가 적용된 기초는 응력이 분산되는 양상의 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 설계강도 fck=27MPa, fy=400MPa, Axial P=1100kN (ØVc=825kN, Vu=825/0.75=1100kN, 콘크리트 구조설계2007) 기준으로 제작하였으며 실험 시 가력하는 하중에 의해 실험체가 파괴될 때 까지 실험을 실시하여 파괴시 균열양상을 확인하였다.
- 중공형 Base Plate 설치위치는 RC 기둥-기초 접합부이며, 재료는 일반구조용강 (SS400)으로 하였다. 설치 시 기초 콘크리트를 따로 제작하고 PC기둥 타설시 Base Plate를 같이 일체형으로 제작한 뒤 기초판 콘크리트 내부에 앵커를 삽입할 수 있는 홀을 뚫어 볼트로 연결하는 구조로 하였다. Base Plate는 PC기둥의 축방향 주철근에 간섭이 없고, 단면적 최소화를 위하여 기둥의 피복두께 내부는 중공단면으로 제작하였다.
- 실험체 가력 하중은 2,000kN급 유압프레스를 사용하여 중심축 하중으로 재하하였으며, 100mm 용량의 LVDT 변위계를 이용하여 재하단계별 처짐을 측정하였다. 스트레인 게이지는 각 Base Plate의 가로, 세로 방향으로 중앙부에 부착하여 측정하였고, 각 부분의 거동을 동시에 모니터링하기 위하여 Data Logger에 일괄적으로 센서를 연결하여 하나의 그래프로 확인 가능하도록 실험을 진행하였다. 축하중 가력시 수직 및 하중편재를 방지하기 위하여 가력지점에 힌지를 두었으며, 가력방법은 실험체가 최대 하중에 이를 때 까지 가력하는 것으로 하였다.
- 보강 실험체는 보강효과를 고려하여 기초 두께를 감소하였다. 실험체 가력 하중은 2,000kN급 유압프레스를 사용하여 중심축 하중으로 재하하였으며, 100mm 용량의 LVDT 변위계를 이용하여 재하단계별 처짐을 측정하였다. 스트레인 게이지는 각 Base Plate의 가로, 세로 방향으로 중앙부에 부착하여 측정하였고, 각 부분의 거동을 동시에 모니터링하기 위하여 Data Logger에 일괄적으로 센서를 연결하여 하나의 그래프로 확인 가능하도록 실험을 진행하였다.
- 실험체에 폐쇄형 (Fill)과 중공형 Base Plate를 각각 실험체에 보강 후 같은 조건에서 실험을 실시하였다. 결과적으로 중공형 (No.
- 일반 기초판의 축소 모델과 기초판에 적용된 Base Plate의 확장 Size별 축소 실험체를 각각 제작하여 각 하중별 처짐과 변형률을 측정하였다. Base Plate의 두께와 기초판 두께의 변화에 따른 응력 전달평가를 위해 1800×1800의 기초판에 접합된 기둥의 크기를 2가지 (300×300, 400×400, 사각형 단면)로 구분하여 기준 (Control)으로 하였으며, 이에 따른 실험체의 변수는 Base Plate의 가로, 세로, 두께, 보강여부에 따른 기초판의 두께 등을 변수로 하였다.
- Base Plate를 갖는 기둥에 대해서는 기둥 외면과 Base Plate단부와의 중간면에서 결정하였다. 전단력은 1방향 전단 위험단면과 2방향 뚫림전단 위험단면에 대한 전단력으로 설계하였다. 1방향 전단의 경우 기둥 외면으로부터 기초높이 d만큼 떨어진 지점으로 하였으며 2방향 뚫림전단의 경우는 기둥 외면으로부터 d/2~d만큼 떨어진 지점으로 하였다.
- 스트레인 게이지는 각 Base Plate의 가로, 세로 방향으로 중앙부에 부착하여 측정하였고, 각 부분의 거동을 동시에 모니터링하기 위하여 Data Logger에 일괄적으로 센서를 연결하여 하나의 그래프로 확인 가능하도록 실험을 진행하였다. 축하중 가력시 수직 및 하중편재를 방지하기 위하여 가력지점에 힌지를 두었으며, 가력방법은 실험체가 최대 하중에 이를 때 까지 가력하는 것으로 하였다.
대상 데이터
- 기둥-기초판 연결부 보강이 없는 일반 실험체와 내민 길이가 50, 100, 150mm의 중공형 Base Plate를 보강한 실험체를 제작하였다. 보강 실험체는 보강효과를 고려하여 기초 두께를 감소하였다.
- 실험체명은 보강 여부-기둥규격-기초두께-보강재 두께-보강재 내민길이로 표기하였다. 실험체 중 신규 1부터 3까지는 PC기둥 단면크기가 가로, 세로 300mm이며 접합부에서 Base Plate의 내민길이를 점차적으로 증가시켜 설치하였고. 신규 4부터 6까지는 PC기둥의 크기가 가로, 세로 400mm이며 같은 방법으로 내민길이에 변화를 두었다.
- 실험체는 신규 1에서 신규 6까지 6개와 1에서 5까지 5개를 포함하여 총 11개를 실험하여 결과를 확인하였다. 다음예 (BF 30-27-20-150)와 같은 실험체의 표기법은 Base Plate 보강 여부와 기둥 단면크기-기초판 두께-Base Plate 두께-Base Plate 내민길이 순으로 정보를 제공한다.
- 4는 실험체 상세도 및 실물 모습이다. 실험체명은 보강 여부-기둥규격-기초두께-보강재 두께-보강재 내민길이로 표기하였다. 실험체 중 신규 1부터 3까지는 PC기둥 단면크기가 가로, 세로 300mm이며 접합부에서 Base Plate의 내민길이를 점차적으로 증가시켜 설치하였고.
- 중공형 Base Plate 설치위치는 RC 기둥-기초 접합부이며, 재료는 일반구조용강 (SS400)으로 하였다. 설치 시 기초 콘크리트를 따로 제작하고 PC기둥 타설시 Base Plate를 같이 일체형으로 제작한 뒤 기초판 콘크리트 내부에 앵커를 삽입할 수 있는 홀을 뚫어 볼트로 연결하는 구조로 하였다.
- Base Plate의 두께와 기초판 두께의 변화에 따른 응력 전달평가를 위해 1800×1800의 기초판에 접합된 기둥의 크기를 2가지 (300×300, 400×400, 사각형 단면)로 구분하여 기준 (Control)으로 하였으며, 이에 따른 실험체의 변수는 Base Plate의 가로, 세로, 두께, 보강여부에 따른 기초판의 두께 등을 변수로 하였다. 추가적으로 실험전 구조해석을 통해 응력의 분산도가 크게 차이가 없음을 확인한 폐쇄형 Base Plate 를 적용한 기초판을 실험을 통해 확인하기 위하여 중공형과 같은 조건으로 추가로 1기 제작하였다. 설계강도 fck=27MPa, fy=400MPa, Axial P=1100kN (ØVc=825kN, Vu=825/0.
성능/효과
- 일반적으로 400mm의 기둥에서 응력 분산을 위한 접합단면의 크기가 커짐에 따라 최대하중의 성능이 상향되었고, 보강재의 내민길이가 100m인 경우가 150mm 보다 성능이 좋은 것으로 판단된다. Base Plate의 보강유무로 인한 실험체의 전체적인 보강효과가 나타나는 것을 정량적으로 확인하였다.
- Base Plate 내민길이가 100mm, 150mm인 실험체의 내측(기둥방향)과 외측에 strain gauge를 설치하여 하중 재하시각 Base Plate의 거동을 확인하였다. strain gauge는 내민길이 50mm 마다 설치를 하였고 Base Plate 외측부분과 중간 부분의 거동을 확인한 결과 각각 압축과 인장이 발생하며 응력이 증가함에 따라 변형률 또한 점차 증가하였으나, 내민길이 100mm의 경우 내측 및 외측의 변형률 변화폭이 거의 없이 거동하였으나 내민길이 150mm의 경우 압축 및 인장의 발생에 따라 변형률 변화폭이 Base Plate의 내민부분 외측면으로 갈수록 급격히 작아짐을 확인하였다. 실험체의 전체적인 거동은 Base Plate의 내민길이가 100mm인 경우에 조금 더 효과적인 것을 확인하였다.
- 기존의 실험체에 비하여 Base Plate 보강 후 기초두께는 15% 이상 줄어들었으나 뚫림전단 저항내력이 최대하중 대비 약 7% 정도 상승하여 최대처짐량이 줄어들었다. 기둥의 크기가 클수록 최대하중이 소폭 상승하였으며, 기초판의 두께에 따라 작용하는 최대하중의 크기가 비례함을 알 수 있었다. 또한, 기둥의 단면크기가 300mm, 400mm에서 유사한 거동을 보였다.
- 모든 실험체의 상부면에서 지압강도의 작용으로 인해 하중접지면적에 해당되는 부위가 국부적으로 하중 작용방향으로 함몰되어 급작스럽게 파괴되는 뚫림전단 파괴 양상을 보였다. 기존의 실험체에 비하여 Base Plate 보강 후 기초두께는 15% 이상 줄어들었으나 뚫림전단 저항내력이 최대하중 대비 약 7% 정도 상승하여 최대처짐량이 줄어들었다. 기둥의 크기가 클수록 최대하중이 소폭 상승하였으며, 기초판의 두께에 따라 작용하는 최대하중의 크기가 비례함을 알 수 있었다.
- 내민길이를 갖는 중공형 Base Plate를 사용하여 기둥-기초 연결부에 보강할 경우, 축하중이 지배적인 구조물의 기둥-기초 연결부에 뚫림전단에 대한 강성증가와 함게 집중응력의 분산, 연성거동으로의 유도 등의 효과로 저항내력을 증가시켜 콘크리트 기초 두께 감소가 가능해짐에 따라 효율적인 설계와 시공이 가능할 것이라고 판단된다. 기초 내력의 증가율은 실험으로부터 최소 5.53%에서 최대 6.65%까지 향상되는 것을 확인하였으며 이에 따른 기초 두께감소율은 최소 15.6%에서 17.1%까지 향상됨을 확인하였다. 구조물의 기초 크기 감소는 경제적인 문제해결 뿐만 아니라 복잡한 지중 환경 및 지반조건에 따른 기초의 활용에 기술적인 도움을 제공할 것으로 판단된다.
- 기초 두께의 증가에 따른 문제점으로는 1일 타설량 한계로 인한 불가피한 시공 조인트의 발생과 과도한 최소철근량, 수화열 문제 (수화열에 의한 온도상승→온도균열 발생→미관, 안전상의 문제, 철근부식에 따른 내구성저하, 누수문제), 기초 지반이 암반일 경우 기초공간 확보로 인한 지하공간의 제한 등 어려움이 많이 발생한다. 따라서 기초 두께를 감소시키게 되면 1일 콘크리트 타설 면적량 확대로 인한 시공 조인트 최소화, 터파기량 감소, 콘크리트 및 철근량 감소, 수화열 감소 등의 공기, 품질 및 경제성 향상을 실현 할 수 있다. 구조물이 고층화, 거대화 될수록 기둥이 기초에 전달하는 축하중이 증가하며 일부 기둥에 응력이 집중될 수 있다.
- 실험체는 작용하중이 증가함에 따라서 기초 외측부에서 초기균열이 발생하였고 뚫림 전단 파괴와 기초판 하부면에 균열이 발생하였다. 모든 실험체의 상부면에서 지압강도의 작용으로 인해 하중접지면적에 해당되는 부위가 국부적으로 하중 작용방향으로 함몰되어 급작스럽게 파괴되는 뚫림전단 파괴 양상을 보였다. 기존의 실험체에 비하여 Base Plate 보강 후 기초두께는 15% 이상 줄어들었으나 뚫림전단 저항내력이 최대하중 대비 약 7% 정도 상승하여 최대처짐량이 줄어들었다.
- 범용 구조해석 프로그램을 이용하여 일반 무보강 기초와 폐쇄형 및 중공형 Base Plate를 설치한 기초의 압축응력 분산을 비교하였다. 미설치된 기초의 경우 응력 분산지역이 위험단면의 바로 아래방향으로 좁게 나타났으나 폐쇄형과 중공형 Base Plate가 적용된 기초는 응력이 분산되는 양상의 큰 차이가 없음을 확인하였다.
- 이는 위험단면에 응력이 집중되어 파괴되던 무보강 실험체와 달리 응력 집중현상을 방지하여 기초 전부분에 균일한 응력 분배 효과를 갖는 것으로 판단된다. 보강된 실험체의 실험 후 균열양상은 무보강 실험체에 비하여 균열폭 및 균열 개소에 대해 매우 양호하였다.
- 152mm로 완만한 곡선을 나타냈다. 실험 비교 결과 폐쇄형의 경우 기둥-기초 접합부가 보강된 폐쇄형 Base Plate에 의해 일체가 되지 못하여, 연속되지 못한 상태에서 보강된 Base Plate시공부위 주위로 응력집중현상이 발생하는데 비해 중공형의 경우에는 기둥에서 전달되는 지압강도에 대하여 기초판까지 연속적으로 분산이 되어 뚫림전단 저항내력이 최대로 나타난 것으로 보인다.
- strain gauge는 내민길이 50mm 마다 설치를 하였고 Base Plate 외측부분과 중간 부분의 거동을 확인한 결과 각각 압축과 인장이 발생하며 응력이 증가함에 따라 변형률 또한 점차 증가하였으나, 내민길이 100mm의 경우 내측 및 외측의 변형률 변화폭이 거의 없이 거동하였으나 내민길이 150mm의 경우 압축 및 인장의 발생에 따라 변형률 변화폭이 Base Plate의 내민부분 외측면으로 갈수록 급격히 작아짐을 확인하였다. 실험체의 전체적인 거동은 Base Plate의 내민길이가 100mm인 경우에 조금 더 효과적인 것을 확인하였다. Base Plate의 면적이 증가함에 따라 기초의 지압강도에 대하여 부담하는 변형률이 커지고 따라서 Base Plate의 내민길이가 기초판을 비롯한 구조물 전체 거동에 영향을 줄 수 있다고 판단된다.
- 그래프의 곡선 아래면적을 통해 거동특성에 따라 에너지 흡수량을 하중-변위 곡선으로부터 구할 수 있었다. 이러한 에너지 흡수량은 구조물 연성능력의 정량적 평가에 기준이 되는데, 실험에서 Base Plate의 두께에 따라 실험체의 연성능력도 달라짐을 확인하였다. 각 실험체의 최대처짐은 다소 차이가 있으며 이는 각 실험체의 휨강성 때문에 차이를 보인다.
- 대부분의 실험체는 최대하중이 약 700kN 정도에서 기초 측면의 외측부에서 초기균열이 발생하였으며, 점차적인 하중 증가와 더불어 기초-기둥 접합부로 균열이 진행되면서 균열폭이 증가하였다. 하중이 증가함에 따라 변위도 일정구간까지 비례하여 증가하고 점차적으로 기초 하부의 기둥 바로 밑 부분으로 균열이 집중되며 기초바닥판에서 X형을 띄면서 기초 전 구간으로 균열이 확대되어 파괴되는 양상을 보였다. X 형으로 교차되는 중심점에 응력이 집중되며 바닥면에 균열의 교차형상을 나타내었다.
후속연구
- 1%까지 향상됨을 확인하였다. 구조물의 기초 크기 감소는 경제적인 문제해결 뿐만 아니라 복잡한 지중 환경 및 지반조건에 따른 기초의 활용에 기술적인 도움을 제공할 것으로 판단된다. 차후에 현장적용과 기초지반의 지지조건에 따른 변화요인 등 세부적 변수에 대하여 확대검증 및 실험평가가 필요할 것으로 판단된다.
- 구조물의 기초 크기 감소는 경제적인 문제해결 뿐만 아니라 복잡한 지중 환경 및 지반조건에 따른 기초의 활용에 기술적인 도움을 제공할 것으로 판단된다. 차후에 현장적용과 기초지반의 지지조건에 따른 변화요인 등 세부적 변수에 대하여 확대검증 및 실험평가가 필요할 것으로 판단된다.
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