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문제 정의
- 본 연구에서는 고강도 철근이 배근된 철근콘크리트 전단벽체 실험체에 대하여 균열의 발생에서부터 철근의 항복과 콘크리트의 파쇄에 이르는 전반적인 거동 특성과 함께 내진성능 평가 예측을 위한 합리적인 해석적 방안을 마련하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 저자 등에 의해 수행된 총 8개의 검증 실험체를 대상으로 새로이 수정된 구성관계식을 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 통한 적용성과 타당성에 대한 검증을 수행하였다.
- 본 연구에서는 철근의 효율적인 사용을 위해 원전구조물 콘크리트 벽체에 적용되는 철근의 최대허용 항복강도를 증가 시키고자 저자 등에 의해 기존에 수행된 고강도 철근(550 MPa)이 사용된 철근콘크리트 전단벽체 실험체를 대상으로 내진성능평가를 위한 보다 합리적인 해석적 방안을 제시하는 것을 목표로 한다.
- Table 3에는 실험과 해석으로부터 전단벽체 실험체에 대한 최대하중과 이에 대응되는 변위 및 파괴모드를 각각 비교하여 나타내었다. 여기에, 고강도 철근을 적용한 경우의 전단강도에 대한 적절성을 검토하기 위해 대표적으로 ACI 349에 따른 설계전단강도도 비교하여 함께 나타내었다. 모든 대상 실험체들에 대한 최대하중 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.
제안 방법
- Fig. 4 및 Fig. 5에서와 같이 실험체를 설치한 후 단면 형상(직사각형 또는 단부 바벨형)에 따른 압축력(Acfck)의 약 7%수준으로 일정하게 축력을 재하하면서 동시에 횡방향으로의 반복가력(±0.05%, ±0.075%, ±0.1%, ±0.15% ․ ․ ․ ±4%)을 통해 최종 파괴시까지 단계별 실험과 관찰 결과로부터 거동특성 차이에 대한 비교‧분석을 수행하였다.
- 각 실험체의 수평철근비에 따라 복부수직철근비를 결정하였으며 ACI 318 및 ACI 349에 따른 최소철근간격을 만족하도록 설계하였다.
- 검증 대상 실험체에 대해 Fig. 6과 같이 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소와 하중이 작용하는 상부보에 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위한 탄소성 평면응력 요소를 사용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 여기에, 기초와 벽체 경계면에는 불연속 변위를 모사하기 6절점 경계면요소(Interface element)를 사용하였다.
- 실험체 S3과 S6은 각각 같은 배근 상세를 갖는 S1과 S5 실험체에 대해 콘크리트 압축강도가 전단강도에 미치는 영향을 검증하기 위해 70 MPa의 고강도 콘크리트를 적용하였다.
- , 2012). 여기에, 고강도 콘크리트의 재료특성을 감안할 수 있도록 저자 등에 의해 새로이 수정된 이차원 평면응력 요소를 적용하였으며, 선행 연구 수행을 통해 다양한 하중을 받는 고강도 콘크리트 기둥의 내진거동 해석에 적용하여 해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하였다(Seong et al., 2011). 또한, 저자 등에 의해 수행된 고강도 철근이 배근된 총 12개의 철근콘크리트 패널 실험체를 대상으로 파괴시까지의 극한거동 특성을 보다 합리적으로 예측함으로써 그 적용성과 타당성을 검증하였다(Cheon et al.
- 6과 같이 8절점 철근콘크리트 평면응력 요소와 하중이 작용하는 상부보에 콘크리트의 국부파괴를 방지하기 위한 탄소성 평면응력 요소를 사용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 여기에, 기초와 벽체 경계면에는 불연속 변위를 모사하기 6절점 경계면요소(Interface element)를 사용하였다.
- 본 연구에서는 고강도 철근이 배근된 철근콘크리트 전단벽체 실험체에 대하여 균열의 발생에서부터 철근의 항복과 콘크리트의 파쇄에 이르는 전반적인 거동 특성과 함께 내진성능 평가 예측을 위한 합리적인 해석적 방안을 마련하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 저자 등에 의해 수행된 총 8개의 검증 실험체를 대상으로 새로이 수정된 구성관계식을 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 통한 적용성과 타당성에 대한 검증을 수행하였다. 일정한 형상비(hω/lω=1.
- 일정한 형상비(hω/lω=1.0)를 갖는 대상 실험체는 각 방향으로 철근의 항복강도와 철근비, 콘크리트 설계 강도, 단부형상 및 단부 횡구속 후프(Hoop) 여부 등을 주요 변수로 실험을 수행하였다.
- 철근 및 콘크리트에 대한 재료 물성은 Table 1에 나타낸 것과 같은 실제의 재료 물성 값을 그대로 적용하였으며, Fig. 4 및 Fig. 5에서와 같이 실험과 같은 하중 가력 조건을 만족하도록 하중을 가하면서 해석을 수행하였다.
- 총 8기 검증대상 철근콘크리트 전단벽체는 모두 일정한 축력하에서 같은 형상비(hω/lω) 1.0을 갖으며, 수평/수직/단부휨철근비(ρ), 콘크리트와 각 방향으로의 철근 재료물성과 배근상세, 단부형상 및 단부 횡구속 후프(Hoop) 여부 등을 주요 변수로 설계·제작하여 반복이력하에서 파괴시까지 실험을 수행하였다.
- 최근에 저자 등에 의해 고강도 철근이 사용된 철근콘크리트 패널 및 기초와 벽체가 이중 타설된 벽체를 대상으로 파괴에 이르기까지의 전반적인 거동특성을 합리적으로 예측할 수 있는 해석적 방안을 제시하고 해석결과에 대한 적용성을 검증하였다(Cheon et al., 2015a; Cheon et al., 2016b).
- 현재 원전구조물에서 콘크리트 벽체에 대한 전단설계는 ACI 318, ACI 349 및 콘크리트구조설계기준과 KEPIC SNC을 근간으로 하여 전단강도 Vn을 콘크리트에 의한 강도 Vc와수평철근에 의한 강도 Vs의 합으로 식 (1)~(3)으로부터 계산하고 있으며, 대상 실험체에 이를 적용하여 전단설계를 수행하였다 (Park et al., 2015; ACI 318; ACI 349).
- 휨강도가 전단강도의 약 2배가 되도록 함으로써 휨항복전에 전단파괴가 발생하도록 설계된 실험체(S1~S7)에 대해 벽체단부에 휨철근과 복부수직철근을 각각 배치하였고, 휨항복 실험체 S8에 대해서는 8-D35의 단부 휨철근 대신에 8-D16을 사용함으로 설계전단강도와 설계휨강도가 동일하도록 설계하여 전단파괴전에 휨항복의 발생여부를 검증하였다.
대상 데이터
- 검증 대상 실험체는 Fig. 4에서와 같이 1,500×1,500 mm의 직사각형 벽체에 200 mm의 일정한 두께 단면을 갖는 실험체(S1, S2, S3, S5, S6, S7 및 S8)와 같은 크기의 직사각형 벽체에 대하여 단면형태에 따른 전단강도에 대한 영향을 검증하기 위해 200×300 mm의 바벨형 단면 단부를 갖는 실험체(S4)로 크게 구분되며, 기초부와 상부보의 두께는 각각 1,000 mm와 500 mm이다.
- 4에서와 같이 1,500×1,500 mm의 직사각형 벽체에 200 mm의 일정한 두께 단면을 갖는 실험체(S1, S2, S3, S5, S6, S7 및 S8)와 같은 크기의 직사각형 벽체에 대하여 단면형태에 따른 전단강도에 대한 영향을 검증하기 위해 200×300 mm의 바벨형 단면 단부를 갖는 실험체(S4)로 크게 구분되며, 기초부와 상부보의 두께는 각각 1,000 mm와 500 mm이다. 수평철근의 항복강도에 따른 전단강도에 대한 영향을 검증하기 위해 420 MPa급 D13 수평철근을 적용한 S2 실험체를 제외한 모든 실험체는 수평철근(D13), 복부수직철근(D16) 및 단부휨철근(D35 또는 D16)에 550 MPa의 철근을 각각 사용하였다.
데이터처리
- 이를 위하여 그 동안 저자 등에 의해 개발된 비선형유한요소해석 프로그램(RCAHEST)을 사용하였으며 총 8개의 실험체에 대한 검증 수행을 통해 해석 결과에 대한 적용성과 타당성을 검증하였다(Park et al., 2015; cheon et al., 2015).
이론/모형
- 고강도 철근을 적용한 철근콘크리트 전단벽체의 내진거동 특성을 파악하기 위하여 Table 1에서와 같은 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST(Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)를 사용하였다. 해석프로그램(RCAHEST)은 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver.
성능/효과
- 1) 최초 휨 균열의 발생 이후 최종적으로 복부 콘크리트 압괴가 발생하는 전형적인 휨-전단파괴 양상을 나타내며 상대적으로 높은 연성도를 확보하고 있는 일부 실험체를 제외하고는 모두 최초의 대각전단균열의 발생과 반복 재하이력 동안의 대각균열의 확대 이후 단부와 복부에서의 콘크리트 압괴로 최종 파괴되는 전단파괴 양상을 나타내었다. 해석 결과 역시 일반적으로 균열의 발생과 파괴시까지의 비탄성영역에 대한 전반적인 거동 특성을 비교적 적절히 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
- 2) 모든 검증 대상 실험체에 대한 실험과 해석으로부터의 최대 하중은 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.05와 9% 및 8%정도로서 최대하중 예측에 대한 해석결과는 높은 신뢰도를 확보하고 있고 있음을 알 수 있다. 특히, 설계기준(ACI 349)에 따른 설계전단강도와 실험으로부터의 최대하중은 평균과 변동계수가 각각 0.
- 3) 최대하중에 대응되는 변위에 대한 실험과 해석으로부터의 결과는 평균, 표준편차 및 변동계수가 각각 1.17과 22% 및 19%정도로서 최대강도 예측 결과에 비해 다소 변동성이 있으나 전반적으로 볼 때, 이 연구에서 적용한 비선형유한요소 해석프로그램을 통한 변위 예측 결과에도 최대하중 예측에서와 같이 높은 신뢰도를 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
- 4) 실험과 해석 모두에서 주요 변수인 철근의 항복강도가 최대내력과 연성도의 증가에 미치는 영향은 미미함을 확인하였지만 발생 균열의 분포와 균열의 진전 및 균열 폭에는 상당한 영향을 미치고 있는 것을 실험으로부터 확인하였다.
- 여기에, 고강도 철근을 적용한 경우의 전단강도에 대한 적절성을 검토하기 위해 대표적으로 ACI 349에 따른 설계전단강도도 비교하여 함께 나타내었다. 모든 대상 실험체들에 대한 최대하중 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.05와 약 8%로써 해석결과는 실험결과를 적절히 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 전단철근비가 Vs ≃ Vsmax/2으로 작은 경우에 대해 콘크리트 압축강도가 각각 40 MPa와 70 MPa인 두 실험체 S5와 S6은 앞에서의 결과와 달리 약 27% 이상의 강도 증가를 나타내었으며, 해석결과 역시 이러한 경향을 적절히 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 최대하중에 대응되는 변위에 대한 예측은 실험 결과와 비교하여 평균 및 변동계수는 각각 1.17과 약 19%정도로서 최대하중 예측결과와 유사하게 이에 대응되는 변위 예측에도 비교적 큰 신뢰도를 확보하고 있는 것을 확인할 수 있다.
- 콘크리트 압축강도가 각각 40 MPa와 70 MPa이며 전단철근에 의한 전단강도가 Vs ≃ Vsmax으로 설계된 두 실험체 S1과 S3은 실험으로부터의 최대 강도는 각각 2,158 kN과 2,085 kN으로써 550 MPa급의 고강도 철근이 적용된 경우에 대해 콘크리트 압축강도가 전단강도 증가에 미치는 영향은 미미하며 해석결과 역시 이에 대한 영향을 비교적 적절히 예측하고 있음을 알 수 있다.
- 05와 9% 및 8%정도로서 최대하중 예측에 대한 해석결과는 높은 신뢰도를 확보하고 있고 있음을 알 수 있다. 특히, 설계기준(ACI 349)에 따른 설계전단강도와 실험으로부터의 최대하중은 평균과 변동계수가 각각 0.57과 약 24%정도로서 기존의 여러 연구결과에서와 같이 설계기준에 따른 전단강도 예측결과는 전반적으로 상당히 보수적임을 알 수 있다.
- 한편, ACI 349에 따른 전단강도에 대한 실험으로부터의 최대하중은 평균과 변동계수가 각각 0.57과 약 24%정도로서 형상비(hω/lω) 1.0의 전단벽체에 550 MPa급 고강도 철근을 사용하였을 경우에도 보통강도의 철근을 적용한 기존의 여러 연구결과에서와 같이 설계기준에 따른 전단강도 예측결과는 전반적으로 상당히 보수적임을 알 수 있으며, 특히 단면 단부가 바벨형인 경우에는 강도 예측이 36%정도에 불과한 것으로 보아 현행의 설계기준에서는 이에 대한 영향을 적절히 반영하고 있지 못하고 있는 것으로 판단된다.
- 1) 최초 휨 균열의 발생 이후 최종적으로 복부 콘크리트 압괴가 발생하는 전형적인 휨-전단파괴 양상을 나타내며 상대적으로 높은 연성도를 확보하고 있는 일부 실험체를 제외하고는 모두 최초의 대각전단균열의 발생과 반복 재하이력 동안의 대각균열의 확대 이후 단부와 복부에서의 콘크리트 압괴로 최종 파괴되는 전단파괴 양상을 나타내었다. 해석 결과 역시 일반적으로 균열의 발생과 파괴시까지의 비탄성영역에 대한 전반적인 거동 특성을 비교적 적절히 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
- 휨항복 실험체인 S8의 경우에는 초기 휨균열의 발생 이후, 대각경사균열의 발생과 확대로 복부 콘크리트 압괴가 발생하는 전형적인 휨-전단파괴모드로 휨항복 후 전단파괴에 이르기까지 상대적으로 높은 연성도를 확보하고 있으며 해석에서도 실험에서와 같은 파괴거동 특성을 비교적 정확히 예측하고 있음을 확인하였다.
후속연구
- 5) 고강도 철근의 적용과 관련된 국내외 설계기준 보완과 반영 및 시공성과 경제성 향상을 위한 기초자료로 활용될 수 있도록 다양한 형상비와 재료 물성 및 설계기준에 따른 배근 상세 등을 변수로 갖는 전단벽체에 대한 실험체의 확보와 함께 추후 연구 수행을 통해 보다 명확한 구성관계식의 마련이 필요할 것으로 판단된다.
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