고강도 전단철근을 사용한 철근콘크리트 전단벽체-기초계면에서의 전단마찰 거동특성에 대한 해석적 연구 Analytical Study on Behavior Characteristic of Shear Friction on Reinforced Concrete Shear Wall-Foundation Interface using High-Strength Reinforcing Bar원문보기
본 연구에서는 550 MPa급 고강도 철근을 사용한 낮은 형상비를 갖는 철근콘크리트 전단벽체의 벽체-기초 접합부에서의 전단마찰 파괴거동을 평가하기 위한 해석적 방안을 마련하는 것을 목표로 한다. 형상비, 경계면에서의 마찰계수, 배근상세, 각 방향으로의 철근비, 재료물성 등의 다양한 변수를 갖는 총 16개의 실험체를 검증 대상으로 선정하여 저자 등에 의해 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)에 콘크리트 구조설계기준(2012)과 CEB-FIP Model code 2010을 바탕으로 경계면에서 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용하여 해석을 수행하였다. 최대 하중에 대한 실험과 해석으로부터의 결과는 평균과 변동계수가 각각 1.04와 17% 정도로 예측하였고 일부 실험체를 제외하고 파괴모드와 파괴시까지의 전반적인 거동 특성을 적절히 평가하였다. 결과를 종합해 볼 때, 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용한 해석프로그램은 해석 결과에 비교적 높은 신뢰도를 확보하고 있는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 550 MPa급 고강도 철근을 사용한 낮은 형상비를 갖는 철근콘크리트 전단벽체의 벽체-기초 접합부에서의 전단마찰 파괴거동을 평가하기 위한 해석적 방안을 마련하는 것을 목표로 한다. 형상비, 경계면에서의 마찰계수, 배근상세, 각 방향으로의 철근비, 재료물성 등의 다양한 변수를 갖는 총 16개의 실험체를 검증 대상으로 선정하여 저자 등에 의해 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)에 콘크리트 구조설계기준(2012)과 CEB-FIP Model code 2010을 바탕으로 경계면에서 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용하여 해석을 수행하였다. 최대 하중에 대한 실험과 해석으로부터의 결과는 평균과 변동계수가 각각 1.04와 17% 정도로 예측하였고 일부 실험체를 제외하고 파괴모드와 파괴시까지의 전반적인 거동 특성을 적절히 평가하였다. 결과를 종합해 볼 때, 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용한 해석프로그램은 해석 결과에 비교적 높은 신뢰도를 확보하고 있는 것으로 판단된다.
The purpose of this study is to provide analytical method to reasonably evaluate the complicated failure behaviors of shear friction of reinforced concrete shear wall specimens using grade 500 MPa high-strength bars. A total of 16 test specimens with a variety of variables such as aspect ratio, fric...
The purpose of this study is to provide analytical method to reasonably evaluate the complicated failure behaviors of shear friction of reinforced concrete shear wall specimens using grade 500 MPa high-strength bars. A total of 16 test specimens with a variety of variables such as aspect ratio, friction coefficient of interface in construction joint, reinforcement details, reinforcement ratio in each direction, material properties were selected and the analysis was performed by using a non-linear finite element analysis program (RCAHEST) applying the modified shear friction constitutive equation in interface based on the concrete design code (KCI, 2012) and CEB-FIP Model code 2010. The mean and coefficient of variation for maximum load from the experiment and analysis results was predicted 1.04 and 17% respectively and properly evaluated failure mode and overall behavior characteristic until failure occur. Based on the results, the analysis program that was applied modified shear friction constitutive equation is judged as having a relatively high reliability for the analysis results.
The purpose of this study is to provide analytical method to reasonably evaluate the complicated failure behaviors of shear friction of reinforced concrete shear wall specimens using grade 500 MPa high-strength bars. A total of 16 test specimens with a variety of variables such as aspect ratio, friction coefficient of interface in construction joint, reinforcement details, reinforcement ratio in each direction, material properties were selected and the analysis was performed by using a non-linear finite element analysis program (RCAHEST) applying the modified shear friction constitutive equation in interface based on the concrete design code (KCI, 2012) and CEB-FIP Model code 2010. The mean and coefficient of variation for maximum load from the experiment and analysis results was predicted 1.04 and 17% respectively and properly evaluated failure mode and overall behavior characteristic until failure occur. Based on the results, the analysis program that was applied modified shear friction constitutive equation is judged as having a relatively high reliability for the analysis results.
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문제 정의
550MPa급 고강도 철근이 배근된 철근콘크리트 전단벽체 실험체를 검증 대상으로 시공이음부에서의 전단마찰 파괴거동 특성을 보다 합리적으로 예측할 수 있는 해석적 방안을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 저자 등3)에 의해 수행된 총 16개의 대상 실험체를 대상으로 새로이 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용한 비선형 유한요소 해석 프로그램(RCAHEST)을 통한 적용성과 타당성에 대한 검증을 수행하였다.
본 연구에서는 저자 등에 의해 수행된 550 MPa급 고강도 철근이 사용된 철근콘크리트 전단벽체 실험체를 검증 대상으로 시공이음부에서의 복잡한 전단마찰 파괴거동 특성을 보다 합리적으로 예측할 수 있는 해석적 방안을 제시하는 것을 목표로 한다.
가설 설정
Fig. 2에서와 같이 경계면에서의 전단전달강도(fsk)가 90%에 도달했을 때 파괴가 발생하고 철근의 다웰 효과는 smax까지 작용한다고 가정한 후, 콘크리트 표면 마찰계수(μ)가 1 이상인 경우에 대하여 실험체 시공이음부의 파괴 이후 전단전달강도는 0.8fsk로 취함으로써 전체 전단마찰저항에 있어서 콘크리트의 전단마찰저항이 더 큰 기여를 하도록 하였다.
제안 방법
550 MPa급 고강도 철근이 적용된 낮은 형상비(hw/lw)를 갖는 철근콘크리트 전단벽체의 시공이음부에서의 전단마찰성능에 대한 해석적 평가를 위한 철근콘크리트 요소 구성방정식은 Fig. 1에서와 같이 저자 등12-13)에 의해 기존에 개발된 분산균열 개념에 근거한 콘크리트의 압축모델, 균열 직각 방향의 인장모델 그리고 콘크리트에 포함된 철근모델로 각각 구성되어있다. 여기에, 서로 다른 시간에 타설된 기초와 벽체 콘크리트 경계면에서의 재하 및 재재하시 전단마찰 효과를 고려할 수 있도록 저자 등에 의해 새로이 수정된 전단전달모델을 적용하였다.
4(d)와 같이 배근하였다. Fig. 5에서와 같이 실험체를 설치한 후 200 mm의 일정한 벽체 두께를 갖는 실험체에 압축력(Acfck)의 약 7% 수준으로 일정하게 축력을 재하하면서 동시에 횡방향으로 반복가력을 통해 파괴시까지 실험을 수행하였다.
SF0.5-L, SF0.5-LL, SF0.33D-L 및 SF0.33-L의 경우 철근비에 따른 거동특성을 검증하기 위해 최대수평철근비(ρh) 보다 작은 철근비로 설계하였으며, 이를 제외한 나머지 실험체는 최대수평철근비(ρh)를 적용하였다.
검증 대상 실험체에 대해 Fig. 7과 같이 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소와 하중이 작용하는 상부보에 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위한 탄소성 평면응력 요소를 사용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 여기에, 타설 방법 및 경계면에서의 계면처리에 따른 전단마찰 효과와 이에 따른 불연속 변위를 모사하기 위해 기초와 벽체 경계면에는 본 연구에서 저자 등이 새로이 수정한 구성관계식을 적용한 6절점 경계면요소(Interface element)를 사용하였다.
대상 실험체의 경계면에서의 콘크리트마찰계수는 일체 타설한 실험체의 경우 1.4, SF0.33-S 실험체를 제외한 나머지 이중타설한 실험체에 대해서는 0.6 및 계면을 거칠게 처리한 SF0.33-S 실험체에 대해서는 1.0을 각각 적용함으로써 실험과 유사한 계면조건을 모사하도록 하였다.
또한, Fig. 3에서와 같이 콘크리트의 마찰계수(μ)가 1 미만인 경우, 파괴 이후 경계면에서의 전단 전달강도는 0.6fsk로 함으로써 철근의 다웰 효과가 전단 저항에 보다 더 큰 기여를 하도록 하였다.
본 연구에서는 CEB-FIP Model code14)에 철근의 다웰 효과를 고려하기 위한 제안식을 수정하여 식 (7)과 같이 제안하였다. 하중 재하 및 재재하에 따른 철근의 피로저감효과를 고려하기 위해 단조증가하중의 경우 1.
실험체는 형상비(hw/lw=0.33, 0.5 및 1.0), 벽체-기초 시공이음에서의 계면처리에 따른 경계면 마찰계수, 수평․수직 철근비(ρh/ρv), 재료물성 및 축력 재하 여부를 주요 변수로 실험을 수행하였으며 실제 실험과 같은 조건하에서 해석을 수행하였다.
1에서와 같이 저자 등12-13)에 의해 기존에 개발된 분산균열 개념에 근거한 콘크리트의 압축모델, 균열 직각 방향의 인장모델 그리고 콘크리트에 포함된 철근모델로 각각 구성되어있다. 여기에, 서로 다른 시간에 타설된 기초와 벽체 콘크리트 경계면에서의 재하 및 재재하시 전단마찰 효과를 고려할 수 있도록 저자 등에 의해 새로이 수정된 전단전달모델을 적용하였다.
7과 같이 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소와 하중이 작용하는 상부보에 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위한 탄소성 평면응력 요소를 사용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 여기에, 타설 방법 및 경계면에서의 계면처리에 따른 전단마찰 효과와 이에 따른 불연속 변위를 모사하기 위해 기초와 벽체 경계면에는 본 연구에서 저자 등이 새로이 수정한 구성관계식을 적용한 6절점 경계면요소(Interface element)를 사용하였다. 철근 및 콘크리트에 대한 재료 물성은 Table 1에 나타낸 것과 같은 실제의 재료 물성 값을 그대로 적용하였으며, Fig.
이들의 영향을 고려하기 위해서 콘크리트 구조설계기준5)과 CEB-FIP Model code14)를 참고로 콘크리트 경계면에서의 표면조건을 고려하기 위한 전단마찰 파라미터 γts와 반복하중 효과(cyclic mixed effect) 파라미터 γtc를 적용하여 식 (3)~(6)으로부터 철근콘크리트 요소의 균열 평행방향으로의 전단응력과 전단 전달로 인한 압축응력을 각각 산정하였다.
550MPa급 고강도 철근이 배근된 철근콘크리트 전단벽체 실험체를 검증 대상으로 시공이음부에서의 전단마찰 파괴거동 특성을 보다 합리적으로 예측할 수 있는 해석적 방안을 제시하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 저자 등3)에 의해 수행된 총 16개의 대상 실험체를 대상으로 새로이 수정된 전단마찰 구성관계식을 적용한 비선형 유한요소 해석 프로그램(RCAHEST)을 통한 적용성과 타당성에 대한 검증을 수행하였다. 실험체는 형상비(hw/lw=0.
이를 위해, 저자 등12-13)에 의해 그 동안 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)에 CEB-FIP Model code14)을 근간으로 경계면에서의 콘크리트 전단마찰과 철근의 다웰 작용(dowel action)에 관한 구성관계식을 새로이 수정하여 실험결과와의 비교․분석을 통해 해석 결과에 대한 적용성과 타당성을 검증하였다.
일체 타설 및 이중 타설에 따른 계면처리 여부에 따라 철근의 항복강도(420MPa 및 550 MPa)을 변수로 ACI 3497) 기준을 만족하는 수평·수직 철근 비(ρh/ρv)를 각각 계산하여 적용하였다.
여기에, 타설 방법 및 경계면에서의 계면처리에 따른 전단마찰 효과와 이에 따른 불연속 변위를 모사하기 위해 기초와 벽체 경계면에는 본 연구에서 저자 등이 새로이 수정한 구성관계식을 적용한 6절점 경계면요소(Interface element)를 사용하였다. 철근 및 콘크리트에 대한 재료 물성은 Table 1에 나타낸 것과 같은 실제의 재료 물성 값을 그대로 적용하였으며, Fig. 5 및 Fig. 6에서와 같이 실험과 같은 하중 가력 조건을 만족하도록 하중을 가하면서 해석을 수행하였다.
하중 재하 및 재재하에 따른 철근의 피로저감효과를 고려하기 위해 단조증가하중의 경우 1.0, 반복하중의 경우 0.8을 적용하였으며, 휨 저항계수(γtd)는 Randl16)의 연구 결과와 비교·분석을 근거로 1.5를 적용하였다.
대상 데이터
Fig. 4에서와 같이 저자 등3)에 의해 수행된 형상비(hw/lw=0.33, 0.5 및 1.0), 벽체-기초의 시공이음에서의 계면처리에 따른 경계면의 마찰계수, 수평․수직 철근비(ρh/ρv), 재료 물성 및 축력 재하 여부를 주요 변수로 갖는 철근콘크리트 전단벽체 총 16기를 대상으로 검증을 수행하였으며, 각 실험체에 대한 단면 형상 및 배근 상세와 주요 실험변수에 따른 실제 재료 물성 값을 각각 Fig. 4와 Table 1에 나타내었다.
그 이외에 형상비(hw/lw) 0.5와 0.33을 갖는 전단벽체(SF0.5, SF0.5-L, SF0.5-LL, SF0.33, SF0.33D, SF0.33D-L, SF0.33-L 및 SF0.33-S) 8기에 대해서는 기초콘크리트 타설 후 거칠게 계면처리를 하지 않은 이중 타설된 실험체로 각각 설계·제작하였다.
4와 Table 1에 나타내었다. 실험체는 형상비(hw/lw=1.0)를 갖는 일체 타설된 전단벽체(HS1, NS1, HF1 및 NF1)와 Fig. 4(b)에서와 같이 계면의 미끄러짐을 방지하기 위해 의도적으로 시공 줄눈을 기초깊이 방향으로 약 50 mm 이동시켜 일체 타설된 콘크리트로 간주되는 형상비(hw/lw=0.5)을 갖는 전단벽체(HS0.5, NS0.5, HF0.5 및 NF0.5)로 구분된다.
이론/모형
본 연구에서는 저자 등12-13)에 의하여 그동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소 등을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP에 이식하여 모듈화 된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)를 사용하였다.
연구에서 균열 면에서의 전단전달모델은 Li 등15)의 연구를 적용하였다. 다만, Li 등은 일체 타설된 콘크리트에 균열을 유발시켜 균열 폭과 미끄러짐의 관계를 모델링한 것으로 일체 타설되지 않은 콘크리트 표면 및 철근의 다웰효과가 고려되고 있지 않다.
성능/효과
1) 검증대상 실험체는 일체타설 및 이중타설에 따른 경계면에서의 콘크리트 표면 처리에 따라 전단, 전단-휨 및 미끄러짐 파괴양상을 나타내었으며, 일부 실험체를 제외하고는 해석 결과 역시 주요 실험변수에 따른 파괴모드 예측과 최대하중 이후의 파괴시까지의 비탄성영역에 대한 전반적인 거동 특성을 비교적 적절히 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
2) 이중타설 실험체들에 대한 최대하중 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.16과 0.15로서 일체타설 실험체보다 약간 큰 변동성을 보이고 있으나 모든 대상 실험체들에 대한 평균 및 변동계수는 각각 1.04와 0.17로서 최대하중 예측에 대한 해석결과는 비교적 높은 신뢰도를 확보하고 있는 것으로 판단된다.
3) 최대하중에 대응되는 변위에 대한 예측은 일부 이중 타설 실험체들의 경우 경계면에서의 불확실성으로 인해 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 최대 하중 예측결과에 비해 상당히 큰 오차를 보이고 있으나 전반적으로 볼 때, 본 연구에서 적용한 해석프로그램을 통한 해석 결과는 주요 실험변수에 대한 영향을 비교적 적절히 예측하고 있는 것으로 판단된다.
Table 2에는 실험과 해석으로부터 일체타설 및 이중타설 철근콘크리트 전단벽체 실험체에 대한 파괴모드 및 최대하중과 이에 대응되는 변위를 각각 비교하여 나타내었다. 모든 대상 실험체들에 대한 최대하중 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.04와 0.17로써 해석결과는 실험결과를 비교적 적절히 예측하고 있음을 알 수 있다. 일체타설 실험체들의 최대하중에 대한 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 0.
33-S의 파괴모드는 실험에서 경계면에서의 미끄러짐(sliding)에 의한 파괴와는 달리 이에 대해 예측하고 있지 못함을 알 수 있다. 이들 실험체를 제외한 나머지 이중타설 실험체들의 경우 실험 및 해석으로부터 결과는 모두 경계면에서의 미끄러짐(sliding) 파괴양상을 보였으며 최대하중과 그 이후 파괴시까지의 변형거동 특성을 비교적 적절히 추적하고 있음을 확인할 수 있다.
17로써 해석결과는 실험결과를 비교적 적절히 예측하고 있음을 알 수 있다. 일체타설 실험체들의 최대하중에 대한 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 0.93과 0.08인데 반하여 이중타설 실험체들에 대한 예측은 각각 1.16과 0.15로써 일체타설 실험체보다 약간 큰 변동성을 보이고 있으며 이는 이중타설 실험체의 경계면에서의 불확실성에 기인한 것으로 판단된다.
최대하중에 대응되는 변위에 대한 예측은 실험의 계측 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.66과 1.05로서 최대하중 예측결과에 비해 상당히 큰 오차를 보이고 있다. 이는 앞서의 설명에서와 같이 이중타설 실험체들의 경우 경계면에서의 불확실성으로 인한 미끄러짐 발생과 강도저하에 기인한 것으로써 이에 대한 추가적인 원인 분석 연구가 필요한 것으로 판단된다.
8에 총 16개의 검증 대상 전단벽체 실험체에 대한 실험 및 해석으로부터의 하중-변위 결과를 비교하여 각각 나타내었다. 콘크리트 표면 마찰계수 1.4를 적용한 일체타설 실험체 중 HS1, NS1, HS0.5 및 NS0.5의 경우 실험과 해석에서 모두 최대하중 이후 급격하게 파괴되는 전형적인 전단파괴양상을 보였으며 HF1, NF1, HF0.5 및 NF0.5의 경우 최대하중에 도달하였을 때 휨 파괴가 우선적으로 발생하여 휨에 대한 연성으로 변형 능력이 증가하고 전단파괴가 발생한 휨-전단파괴로 실험결과와 같은 파괴 거동을 비교적 정확히 예측하고 있음을 확인하였다.
후속연구
4) 추가적인 실험체의 확보와 함께 연구 수행을 통해 보다 명확한 전단마찰 구성관계식의 마련이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 연구 수행 결과들은 향후, 고강도 철근의 적용과 관련된 설계기준 마련과 함께 원전 격납조물의 시공성과 경제성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
05로서 최대하중 예측결과에 비해 상당히 큰 오차를 보이고 있다. 이는 앞서의 설명에서와 같이 이중타설 실험체들의 경우 경계면에서의 불확실성으로 인한 미끄러짐 발생과 강도저하에 기인한 것으로써 이에 대한 추가적인 원인 분석 연구가 필요한 것으로 판단된다.
4) 추가적인 실험체의 확보와 함께 연구 수행을 통해 보다 명확한 전단마찰 구성관계식의 마련이 필요할 것으로 판단된다. 이러한 연구 수행 결과들은 향후, 고강도 철근의 적용과 관련된 설계기준 마련과 함께 원전 격납조물의 시공성과 경제성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
국내 원전은 어디서 설계 되는가?
국내 원전은 KEPIC (Korea Electric Power Industry Code, 한국전력산업기술기준)에 의해서 설계되고 있으며, 벽체-기초 미끄러짐에 대한 설계는 Birkeland 등4)이 선행 연구자들의 실험 결과와 전단마찰유사론에 근거하여 제안한 식 (1)의 전단마찰강도식(KCI 20125), ACI3186) 및 ACI3497)) 을 적용하고 있다.
원전구조물은 철근 과밀 배근 문제가 왜 생기는가?
원전구조물에는 매우 높은 수준의 구조안전성이 요구되고 있으며 이를 만족하기위해 상대적으로 매우 많은 양의 철근이 소요되는 보수적인 설계가 이루어지고 있으며, 이로 인해 철근 과밀 배근에 의한 시공성 저하와 경제성이 큰 문제로 제기되고 있는 실정이다.
철근 과밀 배근에 의한 시공성 저하와 경제성문제를 해결하고자 무엇을 하는가?
이러한 문제를 해결하고자 최근에는 기존의 420MPa급 철근을 대신해 550MPa급 고강도철근의 사용가능성과 적용을 위한 연구1-3)가 수행되고 있으며, 특히 원전구조물에 많이 사용되는 낮은 형상비를 갖는 전단벽체는 지진과 같은 반복하중을 경험할 경우 시공이음부에서의 미끄러짐 파괴로 인한 구조안전성에 큰 문제가 발생할 수 있다.
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