[논문]소성전단힌지를 갖는 PC 모멘트 골조의 내진성능

임우영; 홍성걸

doi:10.4334/jkci.2015.27.4.353

[국내논문] 소성전단힌지를 갖는 PC 모멘트 골조의 내진성능
Seismic Performance of PC Moment Frame with Plastic Shear Hinge 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.27 no.4, 2015년, pp.353 - 362

초록
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이 연구에서는 소성 전단힌지가 있는 PC 모멘트 프레임의 내진성능을 평가하기 위해 반복 하중실험을 수행하였다. 보의 중간 길이에 설치된 소성 전단 힌지는 PC 골조를 연결하는 역할을 하며, 두 개의 강판으로 구성된다. 각 강판에는 세 개의 전단연결고리가 존재한다. 세 개의 전단 연결고리는 PC 보의 전단강도의 50%, 75%, 그리고 100%에 해당하는 전단강도를 사용하여 설계되었다. 제안된 연결방식은 효율적인 에너지 소산 용량 및 우수한 구조적 성능을 보여주었다. 실험결과, 소성 전단 힌지는 보 전단강도의 100% 미만을 사용하여 설계하는 것이 합리적이라 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Cyclic loading tests for the PC moment frame with plastic shear hinges were performed to evaluate the seismic performance. The plastic shear hinges consisted of two steel plates were installed at the mid-length of the beam to connect the PC frames. Three shear links are existed in each steel plate. The three shear links were designed using shear force corresponding to the shear capacity of 50%, 75%, and 100% of the beam shear capacity. The proposed connections showed an efficient energy dissipation capacity and good structural performance. As a result, it is reasonable to design the plastic shear hinges using design shear capacity less than 100% of the beam shear capacity.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 기존의 연결 방식과는 달리 보 중앙부에 소성전단힌지로 연결된 PC 골조의 내진성능을 반복가력 실험을 통해 알아보고자 한다. 아울러, PC 골조의 보 중앙부 연결부의 설계방법을 제시하여 PC 골조 연결부 연구에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
이 연구에서는 기존의 연결 방식과는 달리 보 중앙부에 소성전단힌지로 연결된 PC 골조의 내진성능을 반복가력 실험을 통해 알아보고자 한다. 아울러, PC 골조의 보 중앙부 연결부의 설계방법을 제시하여 PC 골조 연결부 연구에 대한 기초자료를 제공하고자 한다.
이 연구에서는 보 중앙부 양면에 두 개의 소성전단힌지를 설치한 PC 골조에 대해 반복가력 실험을 수행하였다. 소성전단힌지에는 3개의 전단 연결고리가 있으며, 연결고니는 보에 작용하는 전단력의 50%, 75%, 100%에 해당되는 전단력으로 설계되었다.

가설 설정

)의 50%, 75%, 그리고 100% 수준을 발휘하도록 설계되었다. 이 연구에서는 PC 보의 소성전단강도를 공칭 전단강도(V_pb=V_n)로 가정하였다. 따라서, 소성전단힌지를 설계하기 위한 전단강도는 V_p(50) = 185.

제안 방법

은 보와 기둥을 RC로 제작하고 보 중앙부에 다양한 연결부 철근상세를 가진 PC 골조에 대해 반복가력 실험을 수행하였다. 보의 중앙부에 설치된 현장 타설 연결부는 RC 보-기둥 접합부와 일체형으로 거동을 하도록 설계되었으며, 소성힌지는 기둥면과 연결된 보에서 발생하도록 하였다. 그러나 기존의 PC 골조와 같이 최대 휨모멘트 강도가 발생하는 곳에 소성힌지가 발생하도록 보 중앙부에 현장타설 연결부를 설치하는 경우, 연결부와 PC 골조 사이에서 발생하는 압축력, 인장력 또는 전단력 등의 다양한 힘들을 효율적으로 전달하기 위해 연결부에 다소 복잡한 철근상세가 필요하게 된다.
PC 보-기둥 접합부는 골조 중간에 위치한 소성전단힌지가 항복하기 전까지 파괴되지 않도록 ACI 318-11³⁾과 KCI 2012⁴⁾의 중간모멘트 골조로 설계되었다. Fig.
소성전단힌지의 연결고리는 보의 모멘트 강도가 소성모멘트(plastic moment, M_p)에 도달하기 전에 소성전단힌지에서 발생하는 서로 반대 방향의 전단력에 의하여 연결고리가 소성변형을 일으키도록 설계되었다. AISC⁸⁾에 따르면 연결부 길이는 다음 식(1)과 같이 구할 수 있다.
연결고리의 높이는 보의 소성전단강도(V_pb)의 50%, 75%, 그리고 100% 수준을 발휘하도록 설계되었다. 이 연구에서는 PC 보의 소성전단강도를 공칭 전단강도(V_pb=V_n)로 가정하였다.
5 mm이다. 제작상의 편의를 위해 이 연구에서는 각 계열의 소성전단힌지 높이를 20 mm, 30 mm, 그리고 40 mm로 결정하였다.
지점을 힌지로 설정하기 위해 양쪽 기둥의 하부에 Ø105 mm 강봉을 설치하였다.
설치된 힌지가 극한 상태에 도달하면 PC 보-기둥 접합부는 그대로 두고, 연결부만 교체한 뒤 동일한 방법으로 다시 가력하였다. SP1 실험체에는 SP1-50, SP1-75, SP1-100 연결부 3개를 보 중앙부에 연결한 뒤 반복 가력하였고, SP2 실험체에는 SP2-50, SP2-75(1), SP2-75(2) 순으로, SP3 실험체는 SP3-100에 상응하는 연결부 1개를 연결하여 실험을 수행하였다. 실험체 명에 표기되어 있는 50, 75, 100은 보 전단강도의 50%, 75%, 그리고 100%에 상응하는 전단강도로 설계된 소성전단힌지라는 것을 뜻한다.
6은 실험체 설치 상황을 보여준다. 두 개의 2,000 kN 엑츄에이터를 설치하여 변위제어방식으로 서로 반대 방향으로 동시에 가력하였다. 지점을 힌지로 설정하기 위해 양쪽 기둥의 하부에 Ø105 mm 강봉을 설치하였다.
7은 하중 프로토콜을 보여준다. 실험체가 최종 파괴될 때까지 층간변위비 0.1% (2.6 mm), 0.2% (5.2 mm), 0.3% (7.8 mm), 0.5% (13.0 mm), 0.75% (19.5 mm), 1.0% (26.0 mm), 1.5% (39.0 mm), 2.0% (52.0 mm), 2.5% (65.0 mm), 3.0% (78.0 mm) 순으로 3회씩 반복 가력하였다. 이 때 두 개의 엑츄에이터의 하중가력이력은 모두 동일하다.
철근과 강판의 인장응력을 측정하기 위해 강재의 인장 실험을 수행하였다. Fig.
이 연구에서는 보 중앙부 양면에 두 개의 소성전단힌지를 설치한 PC 골조에 대해 반복가력 실험을 수행하였다. 소성전단힌지에는 3개의 전단 연결고리가 있으며, 연결고니는 보에 작용하는 전단력의 50%, 75%, 100%에 해당되는 전단력으로 설계되었다. PC 골조에 성능이 다른 소성 전단힌지를 반복해서 설치한 후 소성전단힌지의 성능을 알아보았다.
소성전단힌지에는 3개의 전단 연결고리가 있으며, 연결고니는 보에 작용하는 전단력의 50%, 75%, 100%에 해당되는 전단력으로 설계되었다. PC 골조에 성능이 다른 소성 전단힌지를 반복해서 설치한 후 소성전단힌지의 성능을 알아보았다. 이 연구에서 얻은 결론은 다음과 같다.

대상 데이터

5 MPa였다. 이형 철근은 SD400 강종을 사용하였으며, 설계 항복강도(f_y)는 400 MPa이다. 보의 주철근은 2-D32가, 기둥에는 8-D32가 사용되었다.
실험체는 3개 세트, 총 7개로 구성되어 있다. 동일한 크기의 PC 보-기둥 접합부에 소성전단힌지를 설치하여 반복 가력하였다.
실험체의 변형을 측정하기 위해 총 10개의 LVDT를 설치하였다. Fig.
3.2 재료실험

실험체에 사용된 콘크리트의 강도는 1,000 kN 용량 UTM을 사용해서 측정되었다. 압축강도 실험에서 구한 콘크리트의 평균 압축강도(f_ck)는 38.
이 연구에서 사용된 대상 실험체에 대해 전단변형각을 구하기 위해 PC 골조의 기둥 사이의 거리(L)는 4,520 mm, 기둥의 높이(h_c)는 2,600 mm, 그리고 연결보이 길이(e)는 100 mm를 적용하였다. 횡변위(△)는 Fig.

성능/효과

실험결과, 50% 성능을 가진 전단소성힌지는 층간변위비 약 0.1~0.2%에서, 75% 전단소성힌지는 약 0.5%에서, 그리고 100% 힌지는 약 0.75%에서 항복하는 것으로 나타났다. 그리고 50% 소성힌지는 약 0.
75%에서 항복하는 것으로 나타났다. 그리고 50% 소성힌지는 약 0.75~0.82%에서, 75% 성능을 가진 연결부는 약 0.75~1.0%에서, 그리고 100% 성능을 가진 접합부는 약 1.5%에서 최대 강도에 도달하였다. 대부분의 실험체는 최대강도가 발생된 층간변위비에서 파괴되었으나 SP3-100 실험체의 경우, 최대강도 도달이후 약 2.
50% 전단소성힌지의 연성능력이 다른 연결부보다 크게 나타난 것은 연결고리의 전단거동과 더불어 인장력에 의한 변형이 추가로 발생하였기 때문으로 판단된다. 50% 힌지는 100% 힌지와는 다르게 연결고리 단부에서의 비틀림보다는 연결부의 상대변형으로 인해 발생하는 인장력으로 인해 인장파괴가 발생하는 것으로 나타났다.
SP1-50의 경우 접합부 연결부분이 보 크기에 비해 매우 작아 그 거동이 다소 불규칙하게 나타났으나 연결고리의 항복 이후 급격히 하중감소가 발생하였다. 이후 동일한 실험체에 전단 연결부만 교체하여(SP1-75) 똑같은 방식으로 가력한 결과 층간변위비 0.5%에서 항복하였다. SP1-100 전단연결부의 경우 층간변위비 0.
연결고리의 변형률을 측정한 결과 대체로 연결고리가 있는 소성전단힌지는 x방향의 변형률이 y방향의 변형률보다 크게 나타났다. 이러한 실험 결과는 보 중앙부의 소성전단힌지는 전단력, 휨모멘트, 그리고 인장력을 고려하여 설계되어야 한다는 것을 보여준다.
연결고리의 변형률을 측정한 결과 대체로 연결고리가 있는 소성전단힌지는 x방향의 변형률이 y방향의 변형률보다 크게 나타났다. 이러한 실험 결과는 보 중앙부의 소성전단힌지는 전단력, 휨모멘트, 그리고 인장력을 고려하여 설계되어야 한다는 것을 보여준다.
Table 4에 나타나 있는 항복 변형률과 항복강도는 각 연결고리의 변형률이 항복 변형률(E_y)에 도달했을 때를 기준으로 한다. 50% 성능을 가진 접합부는 층간변위비 0.15% 내외에서 항복하였으며 75% 성능을 가진 접합부는 0.75% 내외에서 그리고 100% 성능을 가진 접합부는 0.75~1.0% 내외에서 항복하는 것으로 나타났다. 이 때 보의 주철근의 변형률은 실험 종료시까지 모두 탄성상태에 있는 것으로 나타났다.
각 실험체별 층간변위비에 대한 최대 에너지 소산능력을 비교한 결과, SP1-100 실험체의 에너지 소산능력을 기준으로 SP1 계열 실험체의 에너지 소산능력을 비교한 결과 SP1-50의 에너지 소산능력은 SP1-100에 비해 13.4%, SP1-75는 46.0% 정도로 나타났다. SP3-100의 에너지 소산능력은 SP1-100 실험체의 에너지 소산능력에 비해 약 21%정도 큰 값을 보여주었는데 이는 PC 보 주철근의 변형률의 영향이 있는 것으로 판단된다.
0% 정도로 나타났다. SP3-100의 에너지 소산능력은 SP1-100 실험체의 에너지 소산능력에 비해 약 21%정도 큰 값을 보여주었는데 이는 PC 보 주철근의 변형률의 영향이 있는 것으로 판단된다.
(1) 보의 전단성능에 대해 50% 성능을 가진 접합부는 층간변위비 0.15% 내외에서 항복하였으며 75% 성능을 가진 접합부는 0.75% 내외에서 그리고 100% 성능을 가진 접합부는 0.75~1.0% 내외에서 항복하는 것으로 나타났다. 최종 파괴시의 층간변위비는 50%의 성능을 가진 접합부는 약 0.
0% 내외에서 항복하는 것으로 나타났다. 최종 파괴시의 층간변위비는 50%의 성능을 가진 접합부는 약 0.75~0.82%, 75% 성능을 가진 접합부는 약 1.0%, 그리고 100% 성능을 가진 접합부는 최대 약 2.5%로 나타났다.
(2) 모든 실험체의 소성전단힌지는 보의 인장 철근이 항복하기 전 최종 파괴에 이르렀다. 반면에, 성능이 서로 다른 전단소성힌지를 반복해서 설치한 후 실험을 수행한 결과 PC 부재의 주철근은 항복하지 않았다.
(2) 모든 실험체의 소성전단힌지는 보의 인장 철근이 항복하기 전 최종 파괴에 이르렀다. 반면에, 성능이 서로 다른 전단소성힌지를 반복해서 설치한 후 실험을 수행한 결과 PC 부재의 주철근은 항복하지 않았다. PC 부재의 경우 보의 전단성능의 75% 성능을 가진 접합부가 설치되었을 때 균열은 보에서만 발생하였다.
(3) 보 중앙부에 설치되는 소성전단힌지는 전단력뿐만 아니라 휨모멘트와 인장력에 의해 설계되어야 한다. 연결고리에서 변형률을 측정한 결과, 연결고리 길이방향의 변형률이 수직방향의 변형률보다 크게 나타났다.
(3) 보 중앙부에 설치되는 소성전단힌지는 전단력뿐만 아니라 휨모멘트와 인장력에 의해 설계되어야 한다. 연결고리에서 변형률을 측정한 결과, 연결고리 길이방향의 변형률이 수직방향의 변형률보다 크게 나타났다. 따라서 연결부에 발생하는 인장력은 소성힌지설계에 반영되어야할 것으로 판단된다.
(4) 각 실험체의 에너지 소산능력은 전단 연결고리의 높이에 따라 차이를 보였다. 보 전단성능의 50%, 75%의 성능을 가진 소성전단힌지의 에너지 소산능력을 상호 비교한 결과, 보 전단성능의 100%의 성능을 가진 전단소성힌지의 에너지 소산능력에 대한 50%와 75%의 성능을 가진 전단소성힌지의 에너지 소산능력은 100% 소성전단힌지의 약 13.
(4) 각 실험체의 에너지 소산능력은 전단 연결고리의 높이에 따라 차이를 보였다. 보 전단성능의 50%, 75%의 성능을 가진 소성전단힌지의 에너지 소산능력을 상호 비교한 결과, 보 전단성능의 100%의 성능을 가진 전단소성힌지의 에너지 소산능력에 대한 50%와 75%의 성능을 가진 전단소성힌지의 에너지 소산능력은 100% 소성전단힌지의 약 13.4%와 46.0% 수준으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	현장타설 접합부가 있는 PC 보-기둥 접합부 또는 PC 골조는 무엇을 요구하는가?	프리캐스트 콘크리트(이하 PC) 골조는 보-기둥 접합부의 접합 방법에 따라 다양한 구조성능을 나타낸다. 특히, 현장타설 접합부가 있는 PC 보-기둥 접합부 또는 PC 골조는 강도, 강성, 연성도, 그리고 에너지 소산 능력 등이 철근콘크리트(이하 RC) 구조 수준으로 설계하도록 요구되고 있다.1,2) ACI 318-113)과 KCI 20124)에서는 PC 부재를 접합하는 데 여러 가지 접합상세를 허용하고 있으며 부재와 동일한 힘 또는 부재면에 수직되는 힘 등이 전달되도록 설계하도록 규정하고 있다.
	프리캐스트 콘크리트는 어떤 방법에 따라 다양한 구조성능을 나타내는가?	프리캐스트 콘크리트(이하 PC) 골조는 보-기둥 접합부의 접합 방법에 따라 다양한 구조성능을 나타낸다. 특히, 현장타설 접합부가 있는 PC 보-기둥 접합부 또는 PC 골조는 강도, 강성, 연성도, 그리고 에너지 소산 능력 등이 철근콘크리트(이하 RC) 구조 수준으로 설계하도록 요구되고 있다.
	ACI 318-113)과 KCI 20124)에서는 프리캐스트 콘크리트 부재를 접합하는데 무엇을 허용하며 규정하고 있는가?	특히, 현장타설 접합부가 있는 PC 보-기둥 접합부 또는 PC 골조는 강도, 강성, 연성도, 그리고 에너지 소산 능력 등이 철근콘크리트(이하 RC) 구조 수준으로 설계하도록 요구되고 있다.1,2) ACI 318-113)과 KCI 20124)에서는 PC 부재를 접합하는 데 여러 가지 접합상세를 허용하고 있으며 부재와 동일한 힘 또는 부재면에 수직되는 힘 등이 전달되도록 설계하도록 규정하고 있다.

참고문헌 (10)

Park, R., "A Perspective on the Seismic Design of Precast Concrete Structures in New Zealand," PCI Journal, Vol.40, No.3, May-June 1995, pp.40-60.
Guidelines for the Use of Structural Precast Concrete in Buildings Second Edition, Report of a Study Group of the New Zealand Concrete Society and the New Zealand Society for Earthquake Engineering, Centre for Advanced Engineering, University of Canterbury Christchurch, New Zealand, 1999. p.143.
ACI 318-11, Building Code Requirements for Structural Concrete and Commentary, ACI Committee 318, American Concrete Institute, 2011, pp.
Korea Concrete Institute, Concrete Design Code and Commentary, Kimoondang Publishing Company, Seoul, Korea, 2012, p.599.
Restrepo, J. I., Park, R., and Buchanan, A. H., "Tests on Connections of Earthquake Resisting Precast Reinforced Concrete Perimeter Frames of Buildings," PCI Journal, July-August 1995, pp.44-61.
Bruneau, M., Uang, C. M., and Whittaker, A., Ductile Design of Steel Structures, McGraw-Hill, New York, NY, USA, 1998. pp.201-265.
Daniel n. Manheim and Egor P. Popov, "Plastic Shear Hinges in Steel Frames," Journal of structural Engineering, Vol.109, No.10, 1983, pp.2404-2419.

상세보기
AISC, Manual of Steel Construction - Load and Resistance Factor Design - Third Edition, AISC, Inc., Chicago, IL, 2002.
ASCE 41-13, Seismic Evaluation and Retrofit of Existing Buildings, American Society of Civil Engineers, Virginia, USA, 2014. p.518.
Chen, W. F. and Sohal, I., Plastic Design and Second-Order Analysis of Steel Frames, Springer-Verlag New York Inc., New York, USA, p.509.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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