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문제 정의
- 이 연구에서는 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 성능검증을 위하여 중실 사각형 철근콘크리트 기둥 실험체에 대한 실험적, 해석적 연구가 수행되었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이 연구에서는 위와 같이 기존의 손상지수를 이용한 내진성능평가 기법12)을 확장하고 적용하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능 평가를 가능하도록 하였다.
- 이 연구에서는 중실 철근콘크리트 기둥의 철근상세의 개선방안을 도출하기 위해서 기존 연구3,4)에서 개발된 삼 각망 보강 횡철근을 수정하여 적용, 단면을 가로지르는 보강 띠철근의 생략을 실현한 철근 배근상세와 시공방법 을 새롭게 개발하였다.
제안 방법
- 6) 이 연구에서는 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타낼 수 있는 손상지수에 의한 내진성능평가기법을 이용하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능을 비교적 정확하게 평가하였다. 이를 통해 성능기반 내진설계개념에 접목하여 비선형 유한요소해석을 이용한 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- Fig. 1(b)와 같이 축방향으로 배근되는 외측 축방향철근과 2본 또는 3본의 외측 축방향철근 사이에 위치하도록 배근되는 내측 축방향 철근, 외측 축방향철근 바깥을 둘러 감으면서 배근되는 외측 횡철근과 외측 축방향철근과 내측 축방향철근을 삼각망으로 연결하는 보강 횡철근을 주요 특징으로 하는 물량저감 철근상세를 개발하였다. 이때 내측 축방향 철근은 기둥 축방향 철근으로 설계되는 것은 물론, 단지 외측 축방향철근과 삼각 구도를 형성시키기 위한 조립철근으로 강성에 포함되지 않게 단순조립철근으로 설계하는 것도 가능하다.
- 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 성능을 평가하기 위하여 국내외 중실 사각단면의 기둥 사례를 비교 · 분석하여 도출된 대표단면을 근거로 Fig.2의 예와 같이 설계하였다.
- 5와 같이 변형률 게이지를 부착하였다. 그리고 하중 재하점의 수평변위와 수평하중은 가력기에 설치된 변위계와 로드셀에 의해 계측하였으며, 가력부 및 기둥 중앙부의 하중 재하시 예상치 못한 기초부위의 수평변위나 들림을 변위계를 이용하여 측정하였다.
- 기둥 실험체의 거동특성을 살펴보기 위하여 준정적(QuasiStatic) 실험을 수행하였으며 수평력은 Fig. 4와 같이 최대변위 ±600 mm인 3,500 kN 유압가력기(actuator)를 이용하여 재하 하였다.
- 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체의 설계는 도로교설계기준(한계상태 설계법),1) 콘크리트구조기준,2) 그리고 AASHTO LRFD5)를 근거로 하였으며 부재의 제작과정을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검토하여 반영하였다.
- 이 연구에서 수행된 내진성능평가 예로서 단부구역에 내측 횡철근을 약 70% 감축하여 배근한 기존 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥 실험체(S-RSC-240)의 실험결과를 재하 단계별로 기술하면 다음과 같다(Table3). Drift 0.
- 이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 그리고 경계면요소 등9-14)을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver. 7.215)에 이식하여 모듈화 된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis inHigher Evaluation System Technology)에 삼각망 철근상세를 갖는 중실 단면의 구속효과를 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다(Fig. 13). 이때 철근콘크리트의 비선형재료모델은 저자 등에 의한 재료모델9-14)을 그대로 적용하기로 하며 중실 단면의 구속효과는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 축방향 철근 및 구속철근의양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander et al.
- 이때 모델의 단면은 1100 mm × 1100 mm인 중실 사각형이고 기둥의 하중 재하점까지의 높이는 4,400 mm로서 휨파괴 거동을 유도하기 위하여 형상비를 4.0로 결정하였다.
- 13). 이때 철근콘크리트의 비선형재료모델은 저자 등에 의한 재료모델9-14)을 그대로 적용하기로 하며 중실 단면의 구속효과는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 축방향 철근 및 구속철근의양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander et al.16)의 제안모델을 수정하여 이식하였다.
- 축력은 현재 일정하중 유지장치로 재하가 가능한 최대인 기둥단면 축강도의 7.0%를 변화가 없도록 재하 하였고 변위진폭은 drift ratio ±0.25%, ±0.5%, ±1.0%,±1.5%, ±2.0%, ±2.5%, ±3.0%, ±3.5%, ±4.0%, ±4.5%, ±5.0%,±5.5%로 증가시켰다.
대상 데이터
- 기둥 실험체는 비교 ․ 검증을 위하여 기존 철근상세를 갖는 실험체[S-RSC-80, S-RSC-120, S-RSC-240]와 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 실험체[S-RST-80, S-RST-120, S-RST-240]로 구성되며 제원은 Table 1에 나타내었다. 이때 모델의 단면은 1100 mm × 1100 mm인 중실 사각형이고 기둥의 하중 재하점까지의 높이는 4,400 mm로서 휨파괴 거동을 유도하기 위하여 형상비를 4.
성능/효과
- 1) 실험적, 해석적 연구로부터 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥은 설계된 값을 잘 반영하고 있으며 삼각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 방지하는 뛰어난 거동특성으로 기존 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트기둥에 비해 동등 이상의 소요성능을 갖고 있는 것으로 확인되었다.
- 2) 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 단면은 기존 철근상세를 갖는 중실 기둥단면과 동등 이상의 연성능력을 나타내고 있으며, 최대하중 도달 후 하중의 급격한 감소현상을 보이지 않고 있다.
- 3) 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥 실험체는 기존 철근상세를 갖는 중실사각형 철근콘크리트 기둥 실험체에 비해 하중단계별로 동등 이상의 에너지 소산능력을 보이고 있는 것으로 나타나고 있다.
- 4) 개발된 삼각망 철근상세를 하중단계별 철근의 변형률 변화 등을 통해 기존 철근상세와 비교 · 분석한 결과 전반적으로 유사한 거동특성을 보이고 있어 그 적용성이 확인되었으며 경제적인 중실 단면의 도출로 중실 기둥의 물량감축을 실현할 수 있고 이에 따라 시공원가를 절감하고 탄소배출을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 5) 이 연구에서 비선형 유한요소해석 결과는 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 제안한 해석기법과 모델은 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었으며 향후 이러한 중실 기둥구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
- 이때 경계면 요소의 총 전단변위는 접합면에서의 미끄러짐과 국소적인 응력집중의 영향으로 인한 변위의 합으로 표현하였다. 그리고 사용된 유한요소망은 일반 탄성해석과의 수렴성 시험(convergence test) 결과 형상비(aspect ratio)에 의한 영향은1.0% 미만이었으며 이는 콘크리트 구조의 비선형해석에서 예상되는 오차에 비하여 매우 작은 것으로 나타나 그 타당성이 검증되었다.
- 즉 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 S-RST-80 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-RSC-80 실험체보다 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 S-RST-120 실험체 및 S-RST-240 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-RSC-120 실험체 및 S-RSC-240 실험체보다 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 손상의 주요 원인이 축방향 철근의 좌굴에 의한 것인데 삼각망 철근상세를 갖는 실험체는 삼각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 직접적으로 방지하고 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험변수인 외측 구속철근의 간격, 그리고 보강띠철근의 형태와 개수 및 간격에 따라 요구연성도의 특성이 잘 나타나고 있으며 특히, 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥 실험체의 경우는 횡방향철근량의 약 60% 만 배근하였음에도 단주의 요구연성도5를 대략 만족하고 있음이 확인되었다.
- 위와 같은 실험결과의 분석을 통해 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥은 삼각망 보강 횡철근에 의해 축방향 철근의 좌굴을 방지하는 뛰어난 거동특성으로 기존 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트기둥과 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 동등 이상의 우수한 성능을 보이고 있음이 확인되었다
- 위와 같은 해석결과로 부터 개발된 삼각망 물량저감 철근상세는 기존 철근상세와 강도, 연성 등의 면에서 동등이상의 성능을 보이고 있으며 그 적용성이 확인되었다.
- 이를 통해 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 기둥이 기존 철근상세를 갖는 기둥에 비해 동등이상의 우수한 성능을 보이고 있음을 확인할 수 있다.
- 즉 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 S-RST-80 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-RSC-80 실험체보다 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 S-RST-120 실험체 및 S-RST-240 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-RSC-120 실험체 및 S-RSC-240 실험체보다 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있었다.
후속연구
- 7) 향후 삼각망 철근상세를 갖는 중실단면의 내진설계기준을 정립하기 위해서는 단면형상, 축력비, 축방향철근비 등 제원특성에 따른 매개변수 연구를 통하여 거동특성을 심도 있게 규명할 필요가 있다. 그리고 개발기술의 적용과 성능향상을 통하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥의 설계 및 시공기법을 완성할 수 있을 것으로 기대된다.
- 7) 향후 삼각망 철근상세를 갖는 중실단면의 내진설계기준을 정립하기 위해서는 단면형상, 축력비, 축방향철근비 등 제원특성에 따른 매개변수 연구를 통하여 거동특성을 심도 있게 규명할 필요가 있다. 그리고 개발기술의 적용과 성능향상을 통하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 사각형 철근콘크리트 기둥의 설계 및 시공기법을 완성할 수 있을 것으로 기대된다.
- 4) 개발된 삼각망 철근상세를 하중단계별 철근의 변형률 변화 등을 통해 기존 철근상세와 비교 · 분석한 결과 전반적으로 유사한 거동특성을 보이고 있어 그 적용성이 확인되었으며 경제적인 중실 단면의 도출로 중실 기둥의 물량감축을 실현할 수 있고 이에 따라 시공원가를 절감하고 탄소배출을 줄일 수 있을 것으로 판단된다. 또한 배근작업이 불편한 보강 띠철근을 생략 내지 감축할 수 있기 때문에 시공과정에서 철근배근의 시공성을 향상시킬 수 있으며, 공기 단축을 실현할 수 있을 것으로 판단된다.
- 실험결과와 해석결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 삼각망철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 비탄성 이력거동을 적절히 평가하고 있으며, 개발된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 이용함으로써, 해석적 방법에 의한 신설 또는 기존 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
- 6) 이 연구에서는 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타낼 수 있는 손상지수에 의한 내진성능평가기법을 이용하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능을 비교적 정확하게 평가하였다. 이를 통해 성능기반 내진설계개념에 접목하여 비선형 유한요소해석을 이용한 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 5) 이 연구에서 비선형 유한요소해석 결과는 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 제안한 해석기법과 모델은 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었으며 향후 이러한 중실 기둥구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
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