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문제 정의
- 이 연구는 기존 연구[1, 2]에서 개발된 삼각망 보강 횡철근을 확장 적용하여 단면을 가로지르는 보강 띠철근의 생략을 실현한 새로운 철근 배근상세와 시공방법을 갖는 중실 철근콘크리트 기둥[3]의 지진응답을 해석적으로 예측하고 그 내진성능을 평가하는데 목적이 있다. 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥은 물량저감을 통한 경제성과 합리성을 가지며 배근작업이 용이하고 급속시공이 가능하다.
- 이 연구에서는 위와 같이 기존의 손상지수를 이용한 내진성능평가 기법[13]을 확장 · 적용하여 지진하중을 받는 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능 평가를 가능하도록 하였다.
- 이 연구에서는 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 지진거동과 내진성능평가를 위한 해석기법과 모델을 제시하였고, 준정적 실험으로 검증된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체의 진동대실험을 모사하기 위한 비선형 지진해석을 수행하였다. 비교․검토된 수치예제로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 이 연구에서는 국내에서 수행된 근단층지반운동에 대한 모델링 연구[7]에서 도출된 지반운동중 근단층운동이 진행하는 방향에 직각인 경우를 이용하여 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥[3]의 비선형 지진해석을 수행하고 그 내진성능을 평가하였다.
- 이 연구에서는 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology) [11-15]에 삼각망 철근상세를 갖는 중실 단면의 구속효과를 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였다. RCAHEST는 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver.
- 철근콘크리트의 비선형 재료모델은 기존의 재료모델[11-15]을 그대로 적용하였으며 중실 단면의 구속효과는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고 축방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander 등의 제안모델[17]을 수정하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 단면의 구속효과를 고려하였다. 이때 삼각구도의 보강횡철근의 양은 x, y 방향으로 각각 나누어 산정하였으며 많은 경우에 대한 해석결과[2], [3], [15]로부터 그 타당성이 검증되었다.
- 지진하중을 받는 철근콘크리트 기둥의 내진성능을 근단층지반운동에 대해서 평가하기 위해 축소모형을 제작하고 축력효과는 프리스트레스에 의해 구현하며 질량 효과는 별도의 질량모사 Fig. 6과 같은 프레임을 제작하여 수행한 실험 및 해석결과[4, 14]를 근거로 진동대 실험을 모사하여 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 비선형 지진해석을 수행하였다.
- 국내에서 중규모지진에 의한 근단층지반운동 모델을 수행하여 얻어진 지반운동 결과[7]를 이용하였고 단계별로 가속도 수준을 높이면서 파괴에 이르도록 하였다. 사용한 근단층지반운동은 중규모지진에 의해서 생성된 것으로 0.0627 g, 0.0803 g, 0.11 g, 0.154 g, 0.22 g, 0.3 g, 0.4 g, 0.5 g, 0.6 g, 0.7 g, 0.8 g, 0.9 g까지 가진을 실시하였다. 즉Fig.
- 즉Fig. 7과 같은 입력지진파의 최대가속도 크기를 조정하여 비선형 지진해석을 위한 지진파를 결정하였다. 이때 입력지진파에 대한 정규화 가속도 응답스펙트럼을 설계응답스펙트럼과 함께 비교하여 Fig.
- 입력지진파에 따른 손상지수의 변화를 성능수준과 함께 Table 5와 같이 비교하고 검토함으로써 중실 철근콘크리트 기둥실험체의 내진성능평가를 수행하였다.
- 3) 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 지진응답을 정확하게 예측하기 위하여 국내 근단층지반운동에 대한 모델링에서 도출된 지반운동중 근단층운동이 진행하는 방향에 직각인 경우의 비선형 지진해석을 수행하였다. 이때 지진하중의 지속시간 및 크기, 감쇠효과 등을 고려하였고, 이를 통해 동적 거동특성을 포함한 지진응답을 비교적 정확하게 예측함으로써 향후 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 국내에서 중규모지진에 의한 근단층지반운동 모델을 수행하여 얻어진 지반운동 결과[7]를 이용하였고 단계별로 가속도 수준을 높이면서 파괴에 이르도록 하였다. 사용한 근단층지반운동은 중규모지진에 의해서 생성된 것으로 0.
대상 데이터
- 이 연구의 목적인 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능을 파악하기 위해서 Table 1에 나타난 것과 같은 선행 연구[3]의 기둥 실험체를 선정하였으며 실험체의 예는 Fig. 2에 나타내었다. 이때 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체의 설계는 현행 도로교설계기준(한계상태설계법)[8], 콘크리트구조기준[9], 그리고 AASHTO LRFD[10]를 근거로 하였다.
- 선정된 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 중실사각형이고 기둥의 하중 재하점까지의 높이는 4,400 mm 로서 휨파괴 거동을 유도하기 위하여 형상비를 4.
이론/모형
- 2에 나타내었다. 이때 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체의 설계는 현행 도로교설계기준(한계상태설계법)[8], 콘크리트구조기준[9], 그리고 AASHTO LRFD[10]를 근거로 하였다.
- 이 연구에서 구조물의 비선형응답은 동적 증분 평형방정식의 수치적분 과정과 수렴에 도달하기 위한 반복계산과정을 거침으로써 해를 구하였으며 실제 많이 이용되고 있는 직접적분해석법인 Hilber-Hughes-Taylor(HHT) 법[18]을 선택하였다. HHT 법은 기존의 Newmark 법이 갖고 있는 단점인 수치적인 감쇠효과를 유도할 때 발생하는 정확도의 감소를 보완한 해석방법으로서 Hughes에 의해 그 수렴성과 안정성이 검증된 직접적분법이다[19].
성능/효과
- 삼각망 철근상세를 갖는 중실 기둥 실험체의 고유진동수를 측정한 해석 결과를 비교하여 Table 2에 나타내었고 감쇠는 3%로 하여 산정한 결과이다. 이러한 고유진동수는 비교․검증을 위한 기존 중실 철근콘크리트 기둥 실험체 및 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체의 비탄성 동적거동 특성을 잘 나타내고 있으며 유사한 응답특성을 갖고 있음을 확인 할 수 있다.
- 11에 나타내었으며 지진응답특성을 전반적으로 잘 나타내고 있음을 알 수 있다. 또한 해석결과는 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥이 기존 중실 철근콘크리트 기둥과 변위와 하중의 주기 및 전체적인 동적거동특성이 유사함을 확인할 수 있다.
- 3과 거의 유사한 결과를 보이고 있음을 알 수 있다. 즉 기존 철근상세를 갖는 실험체(SRSC-80)의 복원력 해석결과는 814.3 kN이며 실험값은 816.6 kN이고, 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 실험체(S-RST-80)의 복원력 해석결과는 914.0 kN이며 실험값은 923.1 kN이다. 또한 축방향철근의 항복 이후에 잔류변형이 크게 발생하는 등의 비선형 거동특성을 잘 나타내고 있으며 이를통해 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥은 기존 단면을 가로지르는 보강띠철근을 갖는 중실 철근콘크리트 기둥과 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 동등 이상의 성능을 보임을 확인할 수 있다.
- 1 kN이다. 또한 축방향철근의 항복 이후에 잔류변형이 크게 발생하는 등의 비선형 거동특성을 잘 나타내고 있으며 이를통해 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥은 기존 단면을 가로지르는 보강띠철근을 갖는 중실 철근콘크리트 기둥과 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 동등 이상의 성능을 보임을 확인할 수 있다.
- 68이다. 즉 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 S-RST-80 실험체가 기존 철근상세를 갖는 S-RSC-80 실험체보다 동일한 입력지진파에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다. 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.
- Fig. 15와 같이 기존 중실 철근콘크리트 기둥 실험체 및 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 실험체 모두 유사한 손상진전을 보여주고 있으며 인공지진파에 대해 6가지 경우 모두충분한 내진성능을 나타내고 있음을 확인 할 수 있다.
- 비선형 지진해석 결과의 입력지진파에 따른 손상지수 값을 확인해보면 0.11 g에서 S-RSC-80 실험체는 0.03, S-RST-80 실험체는 0.03, S-RSC-120 실험체는 0.03, S-RST-120 실험체는 0.03, S-RSC-240 실험체는 0.04, S-RST-240 실험체는 0.04이다. 0.
- 1) 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥은 실험적, 해석적 연구 결과 설계된 값을 잘 반영하고 있으며 기존 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥과 비교하여 동등 이상의 소요성능을 갖고 있는 것으로 확인되었다.
- 2) 이 연구에서 제안한 해석기법과 모델은 삼각망 철근상세를 갖는 중실철근콘크리트 기둥 구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있으며 전반적으로 실험결과를 잘추적하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 향후 이러한 중실 기둥구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 진동대 실험은 국내에 있는 진동대 용량의 한계로 기둥의 축소모형의 경우도 수행이 쉽게 이루어지기 힘든 여건이다. 따라서 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 진동대 실험를 대체할 수 있는 비선형 지진해석 기법 개발이 이루어진다면, 여러 형태의 기둥에 대한 비선형 지진해석을 실시하여 미처 다루지 못한 형태를 갖는 기둥들의 내진성능평가가 가능할 것이다.
- 위와 같이 이 연구에서 수정하여 제안하고 있는 손상지수에 의한 내진성능평가 방법은 지진하중에 의한 삼각망 철근상세를 갖는 철근콘크리트 기둥의 비탄성 이력거동을 적절히 평가하고 있으며, 해석적 방법에 의한 기존 중실 철근콘크리트 기둥 및 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
- 2) 이 연구에서 제안한 해석기법과 모델은 삼각망 철근상세를 갖는 중실철근콘크리트 기둥 구조의 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있으며 전반적으로 실험결과를 잘추적하고 있음이 확인되었다. 이를 통해 향후 이러한 중실 기둥구조의 정밀해석이 가능할 것으로 판단된다.
- 3) 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 지진응답을 정확하게 예측하기 위하여 국내 근단층지반운동에 대한 모델링에서 도출된 지반운동중 근단층운동이 진행하는 방향에 직각인 경우의 비선형 지진해석을 수행하였다. 이때 지진하중의 지속시간 및 크기, 감쇠효과 등을 고려하였고, 이를 통해 동적 거동특성을 포함한 지진응답을 비교적 정확하게 예측함으로써 향후 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 현행 내진설계 규정에 만족하지 않는 기존의 중실 철근콘크리트 기둥에 대한 보수 · 보강의 판단 등에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이때 지진하중의 지속시간 및 크기, 감쇠효과 등을 고려하였고, 이를 통해 동적 거동특성을 포함한 지진응답을 비교적 정확하게 예측함으로써 향후 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥 시스템의 내진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 또한 현행 내진설계 규정에 만족하지 않는 기존의 중실 철근콘크리트 기둥에 대한 보수 · 보강의 판단 등에도 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 4) 삼각망 철근상세를 갖는 중실 철근콘크리트 기둥의 성능평가를 위한 비선형 지진해석을 성능기반 내진설계개념에 접목하여 향후 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
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