[논문]보강띠철근의 상세에 따른 중공 사각형 교각 압축부의 파괴 거동

이재훈; 김호영; 곽임종

doi:10.5000/eesk.2017.21.1.021

[국내논문] 보강띠철근의 상세에 따른 중공 사각형 교각 압축부의 파괴 거동
Behavior of Rectangular Hollow Bridge Compression Section by Detail of Cross-tie 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.21 no.1, 2017년, pp.21 - 29

이재훈 (영남대학교 건설시스템공학과) , 김호영 (영남대학교 건설시스템공학과) , 곽임종 (한국건설기술연구원 구조융합연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose of this study is to investigate structural behavior of the rectangular hollow column with various transverse reinforcement details. Experimental variables are diameter, arrangement details and lateral spacing of cross tie. A total of 66 column specimens have been prepared and tested under axial compressive load. Test results showed that behaviors of column specimens were different depending on the cross tie details. Specimens with cross tie wrapping longitudinal steel and transverse steel have greater strength and ductility than specimens with cross tie wrapping the longitudinal steel.

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문제 정의

하지만 중공 사각형 단면의 철근콘크리트 교각의 소성설계기준에 대한 연구는 아직 미흡한 실정이다. 이 연구의 목적은 중공 사각형 철근콘크리트 교각의 연성능력 확보를 위한 내진상세를 개발하는 것이다. 이를 위해 크게 두 가지의 연구로 진행하였다.
첫 번째는 파괴 때 중립축이 중공 내부에 위치하는 압축지배단면을 대상으로 압축영역의 콘크리트 단면을 요소단위로 제작하여 일축 압축 실험을 수행하고, 두 번째는 요소단면 압축실험의 결과를 바탕으로 교각의 준정적 내진성능 실험으로 검증하는 것이다. 이 논문에서는 압축지배단면 중공 사각형 철근콘크리트 교각의 요소단면 압축실험에 대한 연구결과를 나타내었다.

가설 설정

하지만 현재 국내에는 중공교각의 압축지배단면 전체를 가력할 실험장비가 없는 실정이다. 따라서, Fig. 7과 같이 실험체 제작은 사각형 중공교각에서 파괴 때 중립축이 중공내부에 위치하는 압축지배단면임을 가정하고 중립축을 기준으로 순수 압축력을 받는 전체단면으로 하였다.

제안 방법

현재 국내·외 설계기준에 제시된 심부구속 철근량을 산정하는 계산식은 중실단면의 교각을 중심으로 제시되어 있다. 기존의 심부구속 철근량을 산정하는 계산식은 중공단면을 위한 계산식이 아니기 때문에 중공교각에 적용하기 위하여 실험적 검증이 필요하였다. 이에 여러 연구자[4-6]들에 의하여 원형단면 중공교각의 거동특성을 파악하고 심부구속 철근량을 산정하는 계산식의 검증을 위한 연구가 수행되었다[4-6].
이를 위해 크게 두 가지의 연구로 진행하였다. 첫 번째는 파괴 때 중립축이 중공 내부에 위치하는 압축지배단면을 대상으로 압축영역의 콘크리트 단면을 요소단위로 제작하여 일축 압축 실험을 수행하고, 두 번째는 요소단면 압축실험의 결과를 바탕으로 교각의 준정적 내진성능 실험으로 검증하는 것이다. 이 논문에서는 압축지배단면 중공 사각형 철근콘크리트 교각의 요소단면 압축실험에 대한 연구결과를 나타내었다.
Table 1은 실험변수에 대해 나타내고 있다. 요소실험의 주요변수는 보강띠 철근의 배치형태와 수평간격, 보강띠철근의 직경으로 설정하였다. 보강띠 철근의 배치형태는 Fig.
1 mm(D19)로 하였다. 보강띠철근의 수평간격은 도로교설계기준에서 제시하는 350 mm를 각 철근의 직경에서 기준 실험체로 하고, 보강띠철근 직경의 비율로 조정하였다. 실험체 명은 횡방향 철근과보강띠철근의 직경과 수평간격을 의미한다.
실험체에 재하되는 하중은 실험장비에 내장된 Load-cell에서 계측된 값으로 하였고, 축방향 변형률은 실험체의 실험구간 벽체면에 설치된 50 mm LVDT 6개를 통하여 계측하였다. Fig.
10과 같이 축방향 변형률 계측을 위한 LVDT는 실험구간의 정면과 후면 벽체의 경우 측면 양쪽 단부에서 실험 구간 폭의 1/5지점에 하나씩 설치를 하고, 측면의 경우 측면의 중심부에 하나씩 설치를 하였다. LVDT는 실험체 제작 중에 벽체내부에 전산볼트를 매립하여 나사산이 있는 강봉과 결합하고, 전산볼트와 결합된 강봉에 LVDT를 설치하였다.
변수 당 동일하게 3개씩 제작된 실험체에서 실험수행 중 편심하중이 작용한 실험체는 분석에서 제외하였다. 실험체의 극한변형률은 최대하중 이후에 최대하중의 70%까지 감소했을 때의 변형률로 결정 하였다. 실험이 시작하여 실험종료 된 시점까지 가력부와 반력부에서는 파괴가 발생하지 않았다.
강도분석은 실험으로 계측된 최대응력과 설계기준에서 제시하고 있는 식 (1)로 계산된 축강도를 응력으로 환산하여, 이를 기준으로 한 응력비율로 나타내었다. 이 논문에서는 식 (1)과 같이 0.85를 포함하여 축압축 강도를 분석하였는데 이유는 0.85를 제외한 식으로 분석한 것과 거의 유사하게 나타났기 때문에 설계기준에서 제시하는 식으로 분석을 하였다. 연성분석은 각 실험체의 극한변형률로 하였고, 극한변형률은 최대하중 이후에 최대하중의 30%까지 하중이 떨어졌을 때의 변형률로 하였다.
85를 제외한 식으로 분석한 것과 거의 유사하게 나타났기 때문에 설계기준에서 제시하는 식으로 분석을 하였다. 연성분석은 각 실험체의 극한변형률로 하였고, 극한변형률은 최대하중 이후에 최대하중의 30%까지 하중이 떨어졌을 때의 변형률로 하였다.
각 변수에 따른 연성에 대한 분석은 극한변형률로 하였다. 연성에 대한 분석은 강도 분석과 마찬가지로 보강띠철근의 직경별로 나눈 분석과 모든 실험 자료를 동시에 모아서 분석을 하였다.
각 변수에 따른 연성에 대한 분석은 극한변형률로 하였다. 연성에 대한 분석은 강도 분석과 마찬가지로 보강띠철근의 직경별로 나눈 분석과 모든 실험 자료를 동시에 모아서 분석을 하였다. Fig.
사각형 중공 철근콘크리트 교각에 적용할 철근상세를 개발하기 위하여, 보강띠철근의 직경, 배치형태, 수평간격의 변수를 갖는 요소단면 실험체 66기를 제작하여 압축실험을 수행하였다. 연구결과와 내용을 요약하면 다음과 같다.

대상 데이터

실험체는 콘크리트 압축강도의 변동성을 고려하여 22개의 변수마다 3개씩 총 66개를 제작 하였다. Fig.
보강띠철근의 갈고리 형태는 현장의 시공성을 고려하여 현행 설계기준에서 제시하는 대로 한쪽은 135도로 하고 다른 한쪽은 90도로 하였다. 보강띠철근의 직경은 실험체 제작 여건을 고려하여 12.7mm(D13), 15.9 mm(D16), 19.1 mm(D19)로 하였다. 보강띠철근의 수평간격은 도로교설계기준에서 제시하는 350 mm를 각 철근의 직경에서 기준 실험체로 하고, 보강띠철근 직경의 비율로 조정하였다.
실험결과는 축압축강도와 연성을 대상으로 분석하였다. 여기서 Dc는 보강띠철근의 중심간 거리이다.

데이터처리

11~Fig. 13의 응력-변형률 이력곡선에서 변형률은 설치된 6개의 LVDT의 평균값을 사용하였다. 최대 압축응력은 실험변수에 따라서 근소한 차이를 보이지만, 뚜렷한 경향은 나타나지 않았다.

이론/모형

철근 직경 뒤에 따르는 숫자의 의미는 보강띠철근 직경의 배율을 나타내는 것이다. 횡방향철근량은 현행 도로교설계기준 [10]에서 제시하고 있는 설계식을 적용하여 산정하였다. 각 실험체의 변수에 따른 거동특성을 확인하기 위하여 횡방향철근과 콘크리트 단면의 면적비(Ash/s hc)는 동일하게 하였다.

성능/효과

실험이 시작하여 실험종료 된 시점까지 가력부와 반력부에서는 파괴가 발생하지 않았다. 실험결과, 모든 실험체는 축방향철근의 좌굴에 의한 내하력이 저하되는 파괴거동을 보였고, 축방향철근과 횡방향철근, 보강 띠철근의 파단은 발생하지 않았다. Fig.
17은 보강띠철근의 직경에 상관없이 모든 실험 자료를 나타내었다. 분석결과, 보강띠철근의 배치형태와 상관없이 모든 실험체의 축압축강도는 식(1)과 같이 구속효과를 고려하지 않은 축강도 계산식으로 구한 값과 비교하였을 때 약10%이내 범위에서 크게 나타났다. 그리고 보강띠철근의 배치형태와 수평간격에 따른 강도비율은 거의 유사하게 나타났다.
Fig. 18 (a)와 같이 보강띠철근이 축방향철근에 배치된 L-Type 실험체에서 12.7 mm(D13) 보강띠철근이 배치된 실험체는 보강띠철근의 수평간격이 커짐에 따라서 극한변형률이 다소 증가하는 경향을 보였다. (b)의 그림은 15.
19에 나타는 것처럼 연성능력은 보강띠철근이 축방향철근에 배치된 L-Type 실험체의 경우 보강띠철근의 수평간격이 커짐에도 불구하고 극한변형률의 차이는 거의 나지 않았다. 하지만 보강띠철근이 축방향철근과 횡방향철근에 배치된 LT-Type 실험체는 보강띠철근의 수평간격이 좁을수록 극한변형률은 점점 더 증가하는 경향을 보였고, 최대 두 배정도 극한변형률의 차이를 보였다. 이는 실험종료 후 실험체의 실험 구간 파괴거동을 관찰하였을 때 LT-Type의 실험체들은 L-Type의 실험체와 달리 축방향철근의 좌굴에 의해 벌어지는 횡방향철근을 보강띠철근이 잡아주기 때문인 것으로 판단된다.
1) 국내·외 설계기준을 살펴보았을 때, 사각형 중공 철근콘크리트 교각 의 철근상세에 대한 기준은 존재하지 않음을 확인하였다.
2) 축압축 실험에서 보강띠철근이 축방향철근을 감싸는 상세를 가진 실험체는 축방향철근의 좌굴에 의해 횡방향철근이 벌어지면서 심부콘크리트가 파괴되는 거동을 나타내었다.
3) 축압축 실험에서 보강띠철근이 축방향철근과 횡방향철근을 감싸는 상세를 가진 실험체는 보강띠철근의 갈고리가 횡방향 후프띠철근의 변형을 억제하여 심부콘크리트의 파괴가 거의 발생하지 않음을 관찰하였다.
4) 축압축강도를 비교하였을 때, 변수에 따른 각 부재의 압축강도는 10% 내외의 범위로 큰 차이가 없었다.
5) 실험으로 계측된 압축강도와 구속효과가 고려되지 않은 축압축강도 계산식으로 구한 압축강도 비율 역시 10%내외의 범위로 나타났다. 이유는 사각형 단면이 얇을수록 보강띠철근의 사이에 발생하는 구속되지 않은 콘크리트의 면적과 보강띠철근에 의해 구속되는 콘크리트 면적의 비율이 증가하기 때문인 것으로 판단된다.
6) 각 변수에 따른 극한변형률을 비교하였을 때, 보강띠철근이 축방향철근과 횡방향철근을 감싸는 철근상세를 갖는 실험체의 극한변형률이 3)과 같은 거동으로 축방향철근에 배치된 실험체의 극한변형률보다 최대 2배까지 더 크게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건설기술의 발전으로 교량은 어떻게 변화하고 있는가?	건설기술이 점점 발전하면서 교량의 경우 상부구조는 점점 장대화 되고 있고, 하부구조에서 교각은 점점 높아지고 있다. 이와 더불어 철도교의 경우에는 상부구조의 고정하중과 활하중이 일반 도로교 보다 크기 때문에 교각의 단면이 커지게 된다.
	중공교각의 장점은?	이를 대체하기 위해 개발된 교각이 단면내부가 비어있는 중공교각이다. 중공교각은 교각의 자중감소로 설계 지진하중을 감소시킬 수 있고, 단면이 축소됨으로 재료비용 및 수화열을 감소시킬 수 있는 장점을 가지고 있으며 동일한 단면적을 갖는 중실교각과 내진성능이 유사하다[1-3]. 현재 국내·외 설계기준에 제시된 심부구속 철근량을 산정하는 계산식은 중실단면의 교각을 중심으로 제시되어 있다.
	철도교 건설현장에서 주로 쓰이는 중실교각이 효율적이지 못한 이유는?	이와 더불어 철도교의 경우에는 상부구조의 고정하중과 활하중이 일반 도로교 보다 크기 때문에 교각의 단면이 커지게 된다. 이 때, 철도교 특성상 큰 상부구조와 교각 때문에 설계 지진하중이 증가하는 문제점이 발생한다. 이런 문제점 때문에 현장에서 주로 쓰이는 단면내부가 꽉 찬 중실교각은 효율적이지 못하다.

참고문헌 (11)

Yeh YK, Mo YL, Yang Y. Seismic performance of hollow circular bridge piers. ACI Structural Journal. 98(6);862-871:2001.
Sun CH, Kim IH. Seismic Characteristics of Hollow Rectangular Sectional Piers with Reduced Lateral Reinforcements. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 13(3);51-65:2009.
Kim TH, Lee JH, Shin HM. Development of Hollow Reinforced Concrete Bridge Column Sections with Reinforcement Details for Material Quantity Reduction. Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea. 17(3);107-115:2013.

원문보기 상세보기
Korea Expressway Corporation, Yeungnam Univ., Sungkyunkwan Univ. Experimental Study on the Correlations Between Ductility and Design Variables for Hollow Circular RC Piers. Korea Expressway Corporation Research Institute Report. c2010.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea Rail Network, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology. Study on Enhancement of Railroad Construction Technology : Bridge Engineering. Korea Rail Network Report. c2013.
Lee JH, Choi JH, Hwang DK, Kwahk IJ. Seismic Performance of Circular Hollow RC Bridge Columns. KSCE Journal of Civil Engineering. 2015;19(5):1456-1467.

상세보기
Korea Rail Network, Korea Railroad Design Code(Subbase Volume), c2013.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea Institute of Bridge and Structural Engineers, Korea Highway Bridge Design Code(LSD), c2015.
AASHTO, LRFD Bridge Design Specification, 5th edition, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington D.C., USA, c2010.
European Committee for Standardiztion. Eurocode8 Design of Structures for Earthquake Resistance - Part.2: Bridge EN1998-2. Brussel. c2005.
JSCE. Standard Specification for Concrete Structures-2007, Design, JSCE Guidelines for Concrete No. 15, Japan Society of Civil Engineers. Japan. c2007.

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