원형 기둥의 나선철근은 축방향 철근의 위치 고정 및 좌굴방지와 코어콘크리트의 충분한 횡구속으로 기둥의 연성거동에 효과적인 역할을 한다. 각국은 기둥에 요구되는 연성을 확보하기 위하여 나선철근의 최소철근비를 제시하고 있다. ACI 318-14와 국내 콘크리트 구조설계 기준에서 제시하는 나선철근 최소철근비는 Richart et al.(1928)의 이론에 기초하여 개발되었으며 현재까지 사용되고 있다. 그러나 Richart et al.(1928)의 이론은 현대의 고강도 콘크리트, 고강도철근 그리고 나선철근의 배근조건 등의 영향을 고려하지 못한다. 이 연구에서는 나선철근으로 구속된 철근콘크리트 원형 기둥의 내력회복 및 연성증진에 요구되는 나선철근에 대한 수정 최소철근비 산정식을 제시한다. 수정 최소철근비 산정식은 콘크리트 압축강도, 나선철근 항복강도, 기둥의 단면적, 나선철근 배근간격, 나선철근 직경의 영향을 고려하고 있다. 이 논문에서는 재료강도 및 나선철근 최적비를 변수로 한 실험체의 일축 압축실험을 통하여 ACI 318-14에 제시하는 나선철근 최소철근비 산정식의 타당성을 검토하고, 그 결과를 토대로 나선철근 최소철근비 산정식의 수정방안을 고찰하였다.
원형 기둥의 나선철근은 축방향 철근의 위치 고정 및 좌굴방지와 코어콘크리트의 충분한 횡구속으로 기둥의 연성거동에 효과적인 역할을 한다. 각국은 기둥에 요구되는 연성을 확보하기 위하여 나선철근의 최소철근비를 제시하고 있다. ACI 318-14와 국내 콘크리트 구조설계 기준에서 제시하는 나선철근 최소철근비는 Richart et al.(1928)의 이론에 기초하여 개발되었으며 현재까지 사용되고 있다. 그러나 Richart et al.(1928)의 이론은 현대의 고강도 콘크리트, 고강도철근 그리고 나선철근의 배근조건 등의 영향을 고려하지 못한다. 이 연구에서는 나선철근으로 구속된 철근콘크리트 원형 기둥의 내력회복 및 연성증진에 요구되는 나선철근에 대한 수정 최소철근비 산정식을 제시한다. 수정 최소철근비 산정식은 콘크리트 압축강도, 나선철근 항복강도, 기둥의 단면적, 나선철근 배근간격, 나선철근 직경의 영향을 고려하고 있다. 이 논문에서는 재료강도 및 나선철근 최적비를 변수로 한 실험체의 일축 압축실험을 통하여 ACI 318-14에 제시하는 나선철근 최소철근비 산정식의 타당성을 검토하고, 그 결과를 토대로 나선철근 최소철근비 산정식의 수정방안을 고찰하였다.
Spiral reinforcement in a circular column plays an effective role in the ductile behavior of a column through position fixing and buckling restraining of the longitudinal reinforcement, and confining core-concrete. Each country has suggested the minimum volumetric ratio of spiral reinforcement in or...
Spiral reinforcement in a circular column plays an effective role in the ductile behavior of a column through position fixing and buckling restraining of the longitudinal reinforcement, and confining core-concrete. Each country has suggested the minimum volumetric ratio of spiral reinforcement in order to secure the ductility of concrete columns. The minimum volumetric ratio of spiral reinforcement suggested by ACI 318-14 and the national concrete structure design standard was developed based on the theory of Richard et al. (1928); furthermore it has been used until now. However, their theory cannot consider the effects of high strength concrete and high strength reinforcement, and arrangement condition of the spiral reinforcement. In this study, a modified minimum volumetric ratio equation is suggested, which is required to improve the ductility of reinforced concrete circular columns and to recover their stress. The modified minimum volumetric ratio equation suggested here considers the effect of the compressive strength of concrete, the yield strength of spiral reinforcement, the cross sectional area of columns, the pitch of spiral reinforcements and the diameter of spiral reinforcement. In this paper, the validity of the minimum volumetric ratios from ACI 318-14 and this study was investigated and compared based on the results of uniaxial compression experiment for specimens in which the material strength and the spiral reinforcements ratio were used as variables. In the end of the study, the modification method for the suggested equation was examined.
Spiral reinforcement in a circular column plays an effective role in the ductile behavior of a column through position fixing and buckling restraining of the longitudinal reinforcement, and confining core-concrete. Each country has suggested the minimum volumetric ratio of spiral reinforcement in order to secure the ductility of concrete columns. The minimum volumetric ratio of spiral reinforcement suggested by ACI 318-14 and the national concrete structure design standard was developed based on the theory of Richard et al. (1928); furthermore it has been used until now. However, their theory cannot consider the effects of high strength concrete and high strength reinforcement, and arrangement condition of the spiral reinforcement. In this study, a modified minimum volumetric ratio equation is suggested, which is required to improve the ductility of reinforced concrete circular columns and to recover their stress. The modified minimum volumetric ratio equation suggested here considers the effect of the compressive strength of concrete, the yield strength of spiral reinforcement, the cross sectional area of columns, the pitch of spiral reinforcements and the diameter of spiral reinforcement. In this paper, the validity of the minimum volumetric ratios from ACI 318-14 and this study was investigated and compared based on the results of uniaxial compression experiment for specimens in which the material strength and the spiral reinforcements ratio were used as variables. In the end of the study, the modification method for the suggested equation was examined.
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문제 정의
이 연구에서는 ACI 318-14에서 제시하는 나선철근 최소철 근비 산정식의 한계성를 분석하고, 이를 보완하기 위하여 El-Dash and Ahmad의 이론에 기초한 수정 나선철근 최소철 근비 산정식을 개발하였다.
이 연구에서는 ACI 318-14에서 제시하는 나선철근 최소철 근비에 대한 타당성을 검토하고, 현재 사용되는 고강도 재료의 물리적 성질 및 나선철근의 배근조건을 고려하여 나선철근 최소철근비 산정식의 수정 방안을 고찰하고자 한다.
이 연구에서는 ACI 318-14에서 제시하는 나선철근 최소철 근비와 El-Dash and Ahmad 제안식에 기초한 수정 최소철근비 산정식의 타당성 검토를 위하여 RC기둥에 대한 일축압축 실험을 수행하였다.
이 연구에서는 고강도 재료의 물리적 특성과 나선철근 배근조건이 고려된 수정 나선철근 최소철근비 산정식을 제시하 였으며, 현행 ACI 318-14 규준의 한계성과 수정 나선철근 최소철근비 산정식의 타당성을 검증하기 위하여 나선철근으로 횡보강된 콘크리트 기둥에 대한 일축압축실험을 수행하였다.
가설 설정
RC 기둥에 설계되는 나선철근의 최소철근비 산정식은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 일축압축력을 받는 기둥의 피복콘크리트와 나선철근으로 구속된 코어콘크리트의 힘이 동일하다는 가정으로 성립된다. Fig.
식 8에서 나선철근의 영향이 고려된 힘 k1fl′ 과 피복콘크리트에 작용하는 힘이 동일하다는 가정을 이용하여 나선철근 최소철근비를 유도하였다.
는 나선철근 항복강도이다. 횡구속압(fl)은 나선철근으로 구속된 콘크리트가 최대응 력에 도달하였을 때 나선철근이 항복한다는 가정에 기초한다. ACI 318-14는 식 (1)을 이용하여 나선철근 최소철근비 산정식을 다음과 같이 제시하고 있다.
제안 방법
실험체의 설계에 사용된 주요 변수는 콘크리트 압축강도 및 나선철근 항복강도의 최소철근비로 Table 4 에 실험체 상세를 나타내었다. 나선철근의 최소철근비는 Fig. 5에서 나타낸 바와 같이 ACI 318-14 규준과 제안모델을 이용하여 콘크리트 압축강도와 나선철근 항복강도를 변수로 산정하였으며, 주철근은 모든 실험체에 6대씩 배근하였다. 또한 주철근 및 나선철근의 변형을 계측하기 위하여 Fig.
배합강도 별 콘크리트의 역학적 특성을 확인하기 위하여 Φ100 mm×200 mm 크기의 실린더형 공시체를 설계배합강도 별로 15개씩 제작하여, 철근콘크리트 기둥과 동일한 조건으로 양생하였다.
실험체 가력에는 5,000 kN 용량의 유압 만능시험기를 사용하였으며, 기둥 실험체의 내력이 최대내력의 80% 이하로 감소될 때 까지 실험구간에 초당 0.008 mm의 변위가 발생하도록 변위제어 방식으로 재하 하였다.
실험체의 축방향 변위를 계측하기 위하여 실험구간인 실험체 중앙부 500 mm 구간에 변위계(이하 LVDT)를 120°도 간격으로 설치하였다.
대상 데이터
AN60, PN60 실험체(Fig. 8(b))의 실험 당일 콘크리트 압축 강도는 72.
2%이다. 굵은 골재의 최대치수는 모두 16 mm로 사용하였으며, 슬럼프와 플로어는 각각 160 mm 와 580 mm이다. Table 2은 콘크리트 배합 설계를 나타낸다.
이 연구에서는 철근콘크리트 기둥에 배근되는 나선철근의 최소철근비에 대한 ACI 318-14와 수정 최소철근비의 해석결 과를 비교 및 평가하기 위하여, 15 mm의 피복콘크리트를 갖는 직경 250 mm, 높이 1,000 mm의 철근콘크리트 원형기둥 8개를 제작하였다. 실험체의 설계에 사용된 주요 변수는 콘크리트 압축강도 및 나선철근 항복강도의 최소철근비로 Table 4 에 실험체 상세를 나타내었다. 나선철근의 최소철근비는 Fig.
이 연구에서 사용한 콘크리트의 설계 배합강도는 25 MPa 과 60 MPa로 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 물시멘트비는 각각 62.9%와 27.2%이다. 굵은 골재의 최대치수는 모두 16 mm로 사용하였으며, 슬럼프와 플로어는 각각 160 mm 와 580 mm이다.
이 연구에서는 철근콘크리트 기둥에 배근되는 나선철근의 최소철근비에 대한 ACI 318-14와 수정 최소철근비의 해석결 과를 비교 및 평가하기 위하여, 15 mm의 피복콘크리트를 갖는 직경 250 mm, 높이 1,000 mm의 철근콘크리트 원형기둥 8개를 제작하였다. 실험체의 설계에 사용된 주요 변수는 콘크리트 압축강도 및 나선철근 항복강도의 최소철근비로 Table 4 에 실험체 상세를 나타내었다.
이론/모형
5 mm 직경의 원형철근 이다. 철근인장시험은 KS B 0802에 준하여 수행하였으며, 그결과는 Table 3와 Fig. 4에 나타내었다.
배합강도 별 콘크리트의 역학적 특성을 확인하기 위하여 Φ100 mm×200 mm 크기의 실린더형 공시체를 설계배합강도 별로 15개씩 제작하여, 철근콘크리트 기둥과 동일한 조건으로 양생하였다. 콘크리트 압축강도시험은 콘크리트 타설 28일 후 KS F 2405에 준하여 수행하였다. Fig.
성능/효과
PN60 실험체는 최대응력 이후 나선철근의 횡구속 효과에 의한 내력회복은 관찰되지 않았으며, 나선철근의 변형률 또한 실험이 진행되는 동안 낮은 값을 나타내었다. 반면, AN60 실험체는 최대응력 이후 저하된 내력이 2차 최대응력(82.
그러나 두 실험체는 모두 최대응력 이후 저하된 내력의 회복은 나타나지 않았으며, 나선철근의 변형은 매우 작거나 최종파괴 시점에서 나선철근이 항복하는 양상을 나타내었다. 이를 통해 ACI 318-14 규준과 제안모델이 보통강도 콘크리트와 고강도 나선철근을 사용한 철근콘크리트 기둥 실험체에 대한 최소철근비를 과대평가하는 것을 확인하였다.
6배 높게 나타났다. 두 실험체에 배근된 나선철근은 실험체가 파괴되기 전에 모두 항복하였으나, 최대응력 이후 내력이 저하된 이후 나선철근의 횡구속 효과에 의한 내력 회복현상은 나타나지 않았다. 이를 통해 ACI 318-14 규준과 제안모델이 기둥 실험체의 내력회복 및 연성 증진에 요구되는 나선철근 최소철근비를 과대평가하고 있음을 확인하였다.
두 실험체에 배근된 나선철근은 실험체가 파괴되는 시점까지 모두 항복하지 않아 나선철근의 횡구속 효가가 미미하였음을 알 수 있었다. 하지만 실제 콘크리트 압축강도에 따른 철근비에 비하여 나선철근이 적게 배근된 점을 고려한다면, 제안모델의 최소철근비 산정결과가 나선철근 최소철근비의 요구조건에 근접하다는 것을 확인 할 수 있다.
두 실험체의 최대응력은 각각 80.7 MPa, 88.1 MPa로 계측 되었으며, 최대응력 시 축변형률은 각각 0.0026, 0.0035로 나타났다. 연성지수는 나선철근 철근비가 약 28% 높게 적용된 AN60실험체가 PN60실험체에 비하여 약 1.
따라서, ACI 318-14는 보통강도 나선철근과 고강도 콘크리트를 사용한 원형기둥의 최소철근 비를 과소평가하며, 고강도 나선철근과 고강도 콘크리트를 사용한 원형기둥의 최소철근비를 과대평가하고 있음을 알 수있다. 또한, 수정 최소철근비 산정식은 보통강도 나선철근과 고강도 나선철근을 사용한 고강도 콘크리트 원형기둥의 최소 철근비를 과대평가하고 있음을 확인하였다.
실험결과, 현행 ACI 318-14 규준은 보통강도 콘크리트를 사용한 철근콘크리트 기둥의 피복콘크리트 박리 이후 저하된 내력의 회복과 연성적 거동 확보에 필요한 나선철근에 대한 최소철근비를 항복강도의 높고 낮음에 상관없이 과대평가하는 반면, 고강도 콘크리트를 사용한 기둥의 경우에는 보통강도 나선철근의 철근비는 과소평가하고 있으며, 고강도 나선 철근의 철근비는 과대평가하는 경향을 보였다. 또한, 실험결 과로부터 이 연구의 수정 나선철근 최소철근비 산정식이 ACI 318-14와 비교하여 나선철근의 횡구속 효과에 의한 내력회복및 연성적 거동 확보에 요구되는 철근비에 보다 근사한 값을 제시하고 있음을 확인하였다.
보통강도 콘크리트(25.6 MPa)와 고강도 나선철근(827.3 MPa) 인 사용한 AH25, PH25 실험체의 최대응력는 각각 32.8 MPa, 33.8 MPa로, 최대응력 시 축변형률은 각각 0.0025, 0.0030으로 유사하게 계측되었으나, 연성지수는 나선철근 철근비가약 70% 높은 PH25 실험체가 AH25실험체에 비하여 약 2.7배높게 나타났다.
실험결과, 현행 ACI 318-14 규준은 보통강도 콘크리트를 사용한 철근콘크리트 기둥의 피복콘크리트 박리 이후 저하된 내력의 회복과 연성적 거동 확보에 필요한 나선철근에 대한 최소철근비를 항복강도의 높고 낮음에 상관없이 과대평가하는 반면, 고강도 콘크리트를 사용한 기둥의 경우에는 보통강도 나선철근의 철근비는 과소평가하고 있으며, 고강도 나선 철근의 철근비는 과대평가하는 경향을 보였다. 또한, 실험결 과로부터 이 연구의 수정 나선철근 최소철근비 산정식이 ACI 318-14와 비교하여 나선철근의 횡구속 효과에 의한 내력회복및 연성적 거동 확보에 요구되는 철근비에 보다 근사한 값을 제시하고 있음을 확인하였다.
0035로 나타났다. 연성지수는 나선철근 철근비가 약 28% 높게 적용된 AN60실험체가 PN60실험체에 비하여 약 1.5배 높게 나타났다.
두 실험체에 배근된 나선철근은 실험체가 파괴되기 전에 모두 항복하였으나, 최대응력 이후 내력이 저하된 이후 나선철근의 횡구속 효과에 의한 내력 회복현상은 나타나지 않았다. 이를 통해 ACI 318-14 규준과 제안모델이 기둥 실험체의 내력회복 및 연성 증진에 요구되는 나선철근 최소철근비를 과대평가하고 있음을 확인하였다.
그러나 두 실험체는 모두 최대응력 이후 저하된 내력의 회복은 나타나지 않았으며, 나선철근의 변형은 매우 작거나 최종파괴 시점에서 나선철근이 항복하는 양상을 나타내었다. 이를 통해 ACI 318-14 규준과 제안모델이 보통강도 콘크리트와 고강도 나선철근을 사용한 철근콘크리트 기둥 실험체에 대한 최소철근비를 과대평가하는 것을 확인하였다. Fig.
0027로 유사하게 계측되 었다. 철근비가 11% 높게 적용된 PH60실험체의 연성지수는 AH60실험체에 비하여 약 2.1배 높게 나타났다. PH60 실험체의 경우 최대응력 이후 저하된 내력의 회복을 보였으나 회복 되는 내력의 정도는 크지 않았다.
최대응력 시 축변형률 대비 내력이 최대응력의 85%이하로 저하되는 시점의 축변형률의 비 εcc,85 /εcc (이하, 연성지수)는나선철근의 최소철근비가 약 20% 높은 PN25 실험체가 AN25 실험체에 비하여 약 1.6배 높게 나타났다.
후속연구
의 이론에 기초하고 있어 최근 사용되는 고강도 재료의 물리적 특성 및 기둥의 단면조건과 나선철근의 배근 조건에 대한 영향을 제대로 반영하지 못하고 있다. 기둥에 배근되는 나선철근 최소철근비는 현재 사용되는 재료 강도 영역에서 나선철근의 횡구속 효과를 반영할 수 있어야 하며, 이에 대한 기초적인 연구가 필요하다고 판단된다.
추후연구에서는 나선철근으로 구속된 철근콘크리트 원형 기둥의 이상적인 거동에 요구되는 나선철근의 적정 철근비 산정을 위한 연구와 고강도 재료의 물리적 특성 및 배근조건이 반영된 나선철근 최소철근비 산정식 개발에 대한 심도 있는 검증이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트기둥이란 무엇인가?
철근콘크리트(이하 RC) 기둥은 구조물의 하중을 부담하는 부재로 콘크리트와 축방향 철근이 대부분 그 역할을 하며, 지진 및 풍하중 등으로부터 유사시 인명피해를 최소화하기 위하여 각국에서는 횡보강근(띠철근 및 나선철근)의 최소철근 비를 제시하여 기둥의 안전성을 확보하고 있다. 특히 나선철 근은 띠철근에 비하여 콘크리트의 횡팽창을 효과적으로 억제 하고 연성적인 거동을 보일뿐만 아니라 시공성이 비교적 우수한 것으로 보고(Lee, 2013)되고 있다.
원형 기둥의 나선철근은 어떤 부분에서 효과적인 역할을 하는가?
원형 기둥의 나선철근은 축방향 철근의 위치 고정 및 좌굴방지와 코어콘크리트의 충분한 횡구속으로 기둥의 연성거동에 효과적인 역할을 한다. 각국은 기둥에 요구되는 연성을 확보하기 위하여 나선철근의 최소철근비를 제시하고 있다.
RC 기둥에 설계되는 나선철근의 최대응력도달 이후의 거동은 어떠한가?
띠철근으로 구속된 기둥은 횡구속 효과가 미미하여 최대응력에 도달한 후 피복콘크리트의 박리와 동시에 취성적 파괴거동을 보인다. 반면, 상대적으로 횡구속 효과가 우수한 나선철근으로 구속된 기둥은 최대응력에 도달한 이후 피복콘크리트의 박리와 동시에 내력 저하가 발생하지만 횡구속 효과로 인하여 2차 최대응력까지 내력이 회복되며 연성거동을 보인다.
참고문헌 (12)
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Kent, D. C. and Park, R. (1971), Flexural members with confined concrete, J. Struct. Div. ASCE, 97(7), 1969-1990.
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Richart, F. E., Brandzaeg, A., and Brown, R. L. (1928), A study of the failure of concrete under combined compressive stresses, Bull. No. 185, University of Illinois, Engineering Experimenntal Station, Urbana, Ill., 74.
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