[논문]세장한 대각보강 연결보의 전단강도 예측식

한상환; 강진욱; 한찬희

doi:10.5000/eesk.2016.20.6.361

[국내논문] 세장한 대각보강 연결보의 전단강도 예측식
Shear Strength Equation for Slender Diagonally Reinforced Coupling Beam 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.20 no.6, 2016년, pp.361 - 368

한상환 (한양대학교 건축공학부) , 강진욱 (한양대학교 건축공학부) , 한찬희 (한양대학교 건축공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Coupling beams serve as primary source of energy dissipation in coupled shear wall systems during large earthquakes. However, the overestimation of the shear strength of diagonally reinforced coupling beams may be adverse effect on the seismic performance of coupled shear wall systems. In order to force coupling beams to properly work during earthquakes, coupling beams should be designed with accurate shear strength equations. The objective of this study is to propose the accurate shear strength equation for slender diagonally reinforced coupling beams. For this purpose, experimental tests were conducted using three diagonally reinforced coupling specimens with different amount of transverse reinforcement under reversed cyclic loads to evaluate the hysteretic behavior of the specimens. The test results show that transverse reinforcement of slender diagonally reinforced coupling beam affects the maximum strength and drift ratio.

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AI 본문요약
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문제 정의

이에 따라 이번 연구의 목적은 (1) 기존 전단강도 제안식과 형상비 2에서 4미만인 세장한 대각보강 연결보실험체의 실제 강도 비교, (2) 횡보강근이 대각보강 연결보의 이력거동에 미치는 영향 확인, (3) 세장한 대각보강 연결보의 전단강도 식을 제안을 하는 것이다. 본 연구에서는 실험체를 형상비 3.5로 제작한 세장한 대각보강 연결보에 대한 실험을 수행하였다. 그리고 연결보에 미치는 횡보강근의 영향을 평가하기 위하여 횡보강근의 양을 변수로 선정하였다.
현행 기준 ACI 318-14(2014)[9], KCI(2012) [15]에서는 대각보강 연결보의 전단강도 계산에 오직 대각철근만을 고려하도록 하고 있다. 따라서 이번 연구에서는 대각보강 연결보 구성요소가 전단강도에 미치는 영향을 평가하기 위하여 횡보강근 양 (횡보강근 간격)을 변수로 하여 실험을 진행하였다. Fig.
이번 연구에서는 세장한 연결보의 이력거동에서 횡보강근의 효과에 대해서 알아보았다. 3개의 세장한 대각보강 실험체(형상비= 3.
5)를 횡보강근양(간격)을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 또한 이 연구에서 세장한 대각 보강 연결보의 전단강도식을 제안하였다. 이번 연구로부터의 결론은 다음과 같다.
또한 ACI 318-14에서 제시한 전단강도보다 큰 강도를 보유하고 있다. 이러한 결과로 횡보강근을 줄인 대각보강 연결보의 사용 가능성을 확인했다.
이에 따라 이번 연구의 목적은 (1) 기존 전단강도 제안식과 형상비 2에서 4미만인 세장한 대각보강 연결보실험체의 실제 강도 비교, (2) 횡보강근이 대각보강 연결보의 이력거동에 미치는 영향 확인, (3) 세장한 대각보강 연결보의 전단강도 식을 제안을 하는 것이다. 본 연구에서는 실험체를 형상비 3.

제안 방법

5로 제작한 세장한 대각보강 연결보에 대한 실험을 수행하였다. 그리고 연결보에 미치는 횡보강근의 영향을 평가하기 위하여 횡보강근의 양을 변수로 선정하였다. 실험 후 세장한 대각보강 연결보의 내진성능을 평가하고자 하중-변위 곡선, 강성저하, 에너지소산능력을 비교하여 성능을 평가했다.
그리고 연결보에 미치는 횡보강근의 영향을 평가하기 위하여 횡보강근의 양을 변수로 선정하였다. 실험 후 세장한 대각보강 연결보의 내진성능을 평가하고자 하중-변위 곡선, 강성저하, 에너지소산능력을 비교하여 성능을 평가했다.
3과 같이 설치하여 로딩프레임의 변형을 막도록 했다. 또한 가이드 프레임에 롤러를 이용하여 상하방향의 변위가 발생하지 않고, 횡변위만 발생하도록 유도했다. 1000 kN의 액츄에이터를 Fig.
가력방법은 변위제어를 통한 준정적 반복하중(Quasi-static reversed cyclic load)으로 하며, Fig. 4(a)와 같이 초기 변위각(drift ratio) 1.5%까지는 0.25% 간격, 4%까지 0.5% 간격, 4%이상은 1%로, 그리고 8% 이후에는 2% 간격으로 하중을 가력했다.
연결보 실험체에 사용한 철근 D13, D25에 대하여 각 시편을 3개씩 제작 하였고, 인장시험을 수행하였다. 각 철근의 응력-변형도 곡선은 Fig.
회귀분석을 통한 강도식을 제안하기 전에, 전단강도에 영향을 미칠 것으로 예상하는 6개의 변수(ρt ,l/h,ρd ,ρl ,d,f′c)에 따라 횡보강근이 연결보전단강도에 미치는 영향을 평가했다 (Fig.
이번 연구에서는 세장한 연결보의 이력거동에서 횡보강근의 효과에 대해서 알아보았다. 3개의 세장한 대각보강 실험체(형상비= 3.5)를 횡보강근양(간격)을 변수로 하여 실험을 수행하였다. 또한 이 연구에서 세장한 대각 보강 연결보의 전단강도식을 제안하였다.
5) ACI 318-14에 따른 형상비 2-4인 세장한 대각보강 연결보의 전단강도를 정확하게 예측하기 위해서, 이번 연구에서는 횡보강근의 전단 기여분을 계산하는 식을 다항 회귀분석을 통해 제안했다. 이는 이전 연구자들의 제안식 보다 더 정확함을 확인했다.

대상 데이터

세장한 대각보강 연결보의 이력거동과 횡보강근이 연결보에 미치는 영향 평가 및 정확한 전단강도 식을 제안하기 위해, 연결보 순수경간(l)에 보의 높이(h)를 나눈 형상비(t/h)가 3.5인 실험체 3개 (S100 N, S50 N, S25 N)를 고려했다. 3개의 실험체 중 S100 N 실험체는 Han et al.
3개의 실험체 중 S100 N 실험체는 Han et al.(2015) [14] 연구에서 사용한 실험체이며, 추가적으로 횡보강근을 줄인 S50 N, S25 N 실험체를 제작했다. 현행 기준 ACI 318-14(2014)[9], KCI(2012) [15]에서는 대각보강 연결보의 전단강도 계산에 오직 대각철근만을 고려하도록 하고 있다.
3개의 실험체 모두 보의 폭 (b), 높이 (h), 순경간 길이 (l)는 각각 250 mm, 300 mm, 1050 mm이다. Harries(2005)[16]는 연결보의 평균전단응력이 #(MPa) 이상이 되면 대각철근 두께가 두꺼워져 배근이 매우 어려 움을 보고한 바 있다.
9°이다. 실험체에 쓰인 콘크리트 압축강도와 철근 인장강도는 3개의 실험체 동일하게 40 MPa와 420 MPa이다.
2(a)). 횡보강근은 D13을 사용했고, 횡보강근 사이 간격은 110 mm이다. S50 N과 S25 N 실험체는 횡보강근 간격이 각각 250 mm와 500 mm인 것을 제외하고, 기준 실험체와 동일한 조건으로 설계하였다.
횡보강근은 D13을 사용했고, 횡보강근 사이 간격은 110 mm이다. S50 N과 S25 N 실험체는 횡보강근 간격이 각각 250 mm와 500 mm인 것을 제외하고, 기준 실험체와 동일한 조건으로 설계하였다. S50 N과 S25 N 실험체의 횡보강근 양은 기준 실험체인 S100 N과 비교 하였을 때 50%, 25%이다.
이번 연구에서 연결보 실험체에 사용된 콘크리트의 압축강도는 40 MPa로 동일하게 계획하였다. 압축강도 측정을 위한 공시체는 직경 100 mm, 높이 200 mm의 원형 공시체를 제작하였으며, 실험체 당 3개의 공시체를 제작하였고, 연결보 실험체와 동일한 조건에서 28일 현장 양생 하였다. 일반 콘크리트 압축강도 시험 결과의 평균값으로 얻은 응력-변형도 곡선은 Fig.
연결보의 기존 전단강도식의 정확도를 연구하기 위해서, 형상비 2~4 사이인 세장한 대각보강 연결보 실험체의 실험 결과를 모았다 (Emilio, 2001, Shimazaki, 2004, Fortney, 2005, 2008, Sonobe, 1995, Naish, 2013, Shin, 2014, Han et al., 2015)[19, 20, 7, 21-23, 11, 12]. 모아진 실험체를 ACI318-14 (2014)[9], Binney(1972)[13]와 Fortney(2005)[7]가 제안한 식 (1), 식 (5)와 (6)으로 계산하여 비교했다.

이론/모형

항복점에서의 하중과 변위(V ,Θy)는 실험체 별로 다른 강성 값을 갖기 때문에, 같은 방법으로 구한 항복점을 비교하고자 Pan and Moehle(1989) [17]이 사용한 방법에 따라 구했다.
이 연구에서는 또한 ACI 318-14(2014)[9], KCI(2012)[15]의 전단강도식 식 (1)과 (2)를 이용하여 연결보 실험체의 전단강도를 계산했다. ACI 의 전단 강도식은 오직 대각보강근의 기여분만 계산하기 때문에, 3개의 실험체는 횡보강근의 양(간격)에 상관없이 같은 전단 강도를 가지게 된다.

성능/효과

압축 시험을 통하여 얻은 콘크리트 압축강도는 설계 압축강도인 40 MPa 보다 높은 44 MPa로 측정되었으며, 압축강도에 도달했을 때 변형율은 0.23%로 확인했다.
가장 적은 횡보강근을 갖고, 간격이 보통모멘트 골조를 벗어난 S25 N 실험체의 경우 변위각 2%에서 최대강도 290 kN을 가졌다. 최대 변위각은 3%에서 나타났으며, 3.
이와 같은 결과로 대각보강 연결보의 횡보강근 양은 최대강도 및 변위각 에서 상당한 영향이 있는 것으로 나타났다. 실험체 최종 변위각 같은 경우, 횡보강근 간격이 보통 모멘트 골조 이상으로 보강된 S100 N, S50 N의 경우 ASCE 41-13(2013)[18]에서 제시하고 있는 특수모멘트 골조 부재의 최대 변위각인 4% 이상의 변위능력을 갖고 있는 것을 확인했다. 그러므로, 특수모멘트 골조 부재의 성능을 갖기 위해서는 대각보강 연결보의 횡보강근 을 보통모멘트 골조 이상으로 보강해야 된다는 것을 확인했다.
실험체 최종 변위각 같은 경우, 횡보강근 간격이 보통 모멘트 골조 이상으로 보강된 S100 N, S50 N의 경우 ASCE 41-13(2013)[18]에서 제시하고 있는 특수모멘트 골조 부재의 최대 변위각인 4% 이상의 변위능력을 갖고 있는 것을 확인했다. 그러므로, 특수모멘트 골조 부재의 성능을 갖기 위해서는 대각보강 연결보의 횡보강근 을 보통모멘트 골조 이상으로 보강해야 된다는 것을 확인했다. 또한 ACI 318-14(2014)[9], KCI(2012)[15]에서 제안하는 식 (1)로 계산한 전단강도 (V_ACI) 302 kN과 비교 하였을 때 S100 N, S50 N은 각각 약 1.
또한 가장 적은 횡보강근 양을 갖는 S25 N은 ACI 값과 유사한 값을 갖는 것을 확인했다. 이러한 결과로 대각보강 연결보의 전단강도 기여는 대각 철근 뿐만 아니라, 횡보강근의 양도 영향을 미친다는 것을 확인했다.
1% 변위각까지는 3개의 실험체 모두 비슷한 강성 저하를 보였다. 변위각이 증가함에 따라, 3개의 실험체 중 S100 N 실험체가 실험종료 변위각인 10%까지 가장 적은 강성 저하를 보였고, S25 N 실험체는 가장 큰 강성 저하를 보인다 (Fig. 7(a)).
누적 에너지 소산은 하중-변위 곡선이 둘러싸고 있는 면적으로 계산한다. 모든 실험체는 변위각 1%까지는 큰 에너지 소산을 나타내지 않았고, 탄성적 거동을 보인다. S50 N과 S25 N의 에너지 소산 능력은 각각 S100 N의 24.
대각보강한 실험체의 경우 횡보강근의 양이 줄어들수록 강성 저하가 더 급격하게 일어났으며, 누적에너지 소산양도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 대각보강한 연결보에서 횡보강근양은 강성감소와 에너지 소산에 큰 영향을 미치는 것임을 확인 할 수 있다.
대각보강한 실험체의 경우 횡보강근의 양이 줄어들수록 강성 저하가 더 급격하게 일어났으며, 누적에너지 소산양도 감소하는 것으로 나타났다. 따라서 대각보강한 연결보에서 횡보강근양은 강성감소와 에너지 소산에 큰 영향을 미치는 것임을 확인 할 수 있다.
8(a)는 기준 실험체인 S100 N의 대각철근과 횡보강근의 변형도를 측정한 것이다. 변위각 5%까지 측정하였을 때, 대각철근은 변위각 4%에서 항복하는 반면 횡보강근은 5% 변위각에서도 항복강도의 60%까지만 도달하는 것을 확인하였다. 또한 S100 N의 횡보강근은 실험종료 변위각인 10%까지도 항복하지 않았다.
S25 N 실험체가 하중-변위각 그래프(Fig. 6(c))에서 최대 변위각인 2%에 도달하는 순간, 대각철근과 횡보강근은 둘 다 항복한다는 것을 확인할 수 있다. 이것은 연결보에서 횡보강근의 전단강도 기여도는 횡보강근 양에 따라 달라짐을 나타낸다.
10(b), (c)는 각각 Binney(1972) [13] 와 Fortney(2005)[7]의 제안식이다. 이 연구자들은 횡보강근이 항복하는 가정하에 전단강도식을 제안하였기 때문에, 횡보강근이 적게 배치된 몇 개의 실험체를 제외하고는 모두 강도를 과대 평가하는 것으로 나타났다. Fig.
10(d)는 식 (11)로 구한 V_Pr 과 실제 전단강도를 비교한 그래프이다. 횡보강근의 실제 기여도에 대한 고려를 했기 때문에, 다른 연구자들의 제안식보다 더 정확하게 전단강도를 예측한다는 것을 확인 할 수 있다.
1) 대각보강 연결보의 이력거동에서 횡보강근의 양(간격)은 최대변위각, 강도, 강성, 에너지 소산 능력 등에 대해 영향을 주는 것으로 확인 했다.
2) ACI 318-14가 제안하는 대각보강 상세를 갖는 형상비 3.5인 연결보는 뛰어난 이력 거동을 보였다. 또한 큰 강도 저하 없이 변위각 10%까지 우수한 내진성능을 보유한 것으로 나타났다.
5인 연결보는 뛰어난 이력 거동을 보였다. 또한 큰 강도 저하 없이 변위각 10%까지 우수한 내진성능을 보유한 것으로 나타났다.
3) 기준 실험체에서 횡보강근을 1/2 줄인 실험체의 경우, 변위각 6%까지 강도 저하 없이 내진성능을 유지했다. 또한 ACI 318-14에서 제시한 전단강도보다 큰 강도를 보유하고 있다.
4) ACI 318-14에서 제시한 대각보강 연결보의 전단강도 식은 오직 대각 철근의 기여분만 고려했기 때문에 강도를 과소평가하는 경향이 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조적 퓨즈란?	병렬전단벽 (Coupled shear wall)은 독립된 여러 전단벽에 비해 횡력을 효율적으로 저항 할 수 있다. 병렬전단벽 시스템에 큰 지진이 발생했을 때, 적절한 상세의 연결보는 상당한 비탄성 변형을 견디는 “구조적 퓨즈 (Structural fuses)” 역할을 한다. 그러므로, 큰 지진이 발생하는 동안 연결 보는 병렬전단벽 시스템에서 에너지 소산의 주된 역할을 한다 (Paulay and Priestley, 1992)[1].
	세장한 연결보의 필요성이 커지는 이유는?	최근 병렬전단벽 시스템에서 제한된 층고와 건설비용 때문에 세장한 연결보의 필요성이 커지고 있다 (Naish et al., 2009)[10].
	구조적 퓨즈의 역할은?	병렬전단벽 시스템에 큰 지진이 발생했을 때, 적절한 상세의 연결보는 상당한 비탄성 변형을 견디는 “구조적 퓨즈 (Structural fuses)” 역할을 한다. 그러므로, 큰 지진이 발생하는 동안 연결 보는 병렬전단벽 시스템에서 에너지 소산의 주된 역할을 한다 (Paulay and Priestley, 1992)[1].

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