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문제 정의
- 의미한다. 따라서 본 연구에서는 하이브리드 조립형 보강 기법을적용한 철근콘크리트 보의 연성능력을 평가하였다.
- 본 연구에서는 구조성능 향상 및 시공성이 개선된 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보에 관하여 휨 실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 토대로 휨 강도 및 연성능력, 에너지소산능력을 평가하였다.
- 본 연구에서는 선행 연구7)를 통해 개발된 하이브리드조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보의 휨 성능을 평가하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 신설보의깊이, 바닥판의 두께, 인장보강재의 개수를 변수로 휨 실험을 수행하였으며, 휨 내력 및 연성능력, 에너지소산능력을 통해 휨 성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철큰콘크리트 보의 휨 성능을 평가하기 위해 총 6개의 시험체를 제작하여 휨 실험을 수행하였다. 휨 성능에 영향을 미칠 것으로 예상되는 신설보의 깊이, 바닥 판의 두께, 인장보강재의 개수를 실험 변수로 설정하였다.
- 부착공법은 시간 경과에 따라 부착재료의 열화 및 탈락 등의 문제가 발생할 수 있으며, 단면증설공법은 보강효과는 우수하나 용접 등의 현장 작업으로 인해 시공 기간이 다소 소요되므로 구조물의 사용 제한 등의 어려움이 있다1-3). 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 많은 연구가 진행된 하이브리드 보의 개념을 적용하여 기존 수평부재 보강 공법을 개선하고자 하였다4-6).
제안 방법
- <Fig. 1>과 같은 형상으로 개발하였으며, 유한요소해석을 수행하여 상세를 도출하였다7). 하이브리드조립형 보강 공법은 측판과 하부판, 유공형 보강재가 수직으로 가공된 바닥판으로 구성된다.
- 3) KDS 41 31 00에 따라 합성 단면의 공칭휨강도를소성응력분포법을 이용하여 산정하였다. 공칭휨강도에대한 시험체의 휨 강도비는 평균 0.
- 관하여 휨 실험을 수행하였다. 또한 실험결과를 토대로 휨 강도 및 연성능력, 에너지소산능력을 평가하였다. 연구를 통해 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
- 보강 공법의 강도 산정은 성능평가를 통한 검증 또는설계기준에 따른 산정식을 통해 평가한다. 따라서 본 연구에서 개발한 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한철근콘크리트 보는 국내 강구조 설계기준인 KDS 41 31 00에 따라 소성응력분포법을 이용하여 휨 강도를 평가하였다.
- 본 연구에서는 최대하중의 80%까지 하중이와 실험 항복하중 발생 시 저하되었을 때의 변위 변위 로 나누어 연성을 산정하였으며, 이를 에 정리하였다.
- 5>와 같이 설치하였다. 시험체의 양단에서 200mm 떨어진 지점에 롤러를 설치하고 지점 사이의 거리를 4, 100mm로 하여 2점 가력 휨 실험을 수행하였다. 하중은 600mm 구간에서 5,000kN 용량의 유압식만능시험기(UTM)를 사용하였으며, 가력속도는 항복 이전에는 2mm/min, 항복 이후에는 4mm/min의 속도로재하하였다.
- 휨 성능에 영향을 미칠 것으로 예상되는 신설보의 깊이, 바닥 판의 두께, 인장보강재의 개수를 실험 변수로 설정하였다. 실험 변수로 고려된 신설보의 깊이는 100mm, 150mm이며, 바닥판의 두께는 5mm, 10mm, 인장보강재의 개수는 0개, 2개, 4개로 변화시켰다. 각 변수에 해당하는 부분을 <Fig.
- 에너지소산능력은 시험체의 하중-변위 곡선으로 둘러싸인 면적의 합으로 평가하였다.
- 평가하는 것을 목표로 하였다. 이를 위해 신설보의깊이, 바닥판의 두께, 인장보강재의 개수를 변수로 휨 실험을 수행하였으며, 휨 내력 및 연성능력, 에너지소산능력을 통해 휨 성능을 평가하였다.
- 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보의 휨 강도를 분석하여 에 나타내었다.
- 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보의 휨 거동을 분석하기 위해 콘크리트 상부와 인장철근, 보강 부위 최하단부에 위치한 바닥판에 변형률 게이지를 부착하였다.
- 시험체를 제작하여 휨 실험을 수행하였다. 휨 성능에 영향을 미칠 것으로 예상되는 신설보의 깊이, 바닥 판의 두께, 인장보강재의 개수를 실험 변수로 설정하였다. 실험 변수로 고려된 신설보의 깊이는 100mm, 150mm이며, 바닥판의 두께는 5mm, 10mm, 인장보강재의 개수는 0개, 2개, 4개로 변화시켰다.
대상 데이터
- 스터럽의 지름은 10mm로 200mm 간격으로 배근하여 전단판괴를 방지하였다. 보강을 위해사용된 강판은 SS275(=275MPa)을 적용하였으며, 측판의 두께는 3mm, 하부판의 두께는 5mm로 동일하게제작하였다. 케미칼 앵커 및 볼트는 300mm 간격으로동일하게 배치하였다.
- 철근 콘크리트 보의 크기는 폭 300mm, 높이 350mm, 길이 4, 500mm로 모두 동일하며, 시험체 제작에 사용된콘크리트의 압축강도는 24MPa을 사용하였다. 철근은항복강도 400MPa을 갖는 이형철근을 사용하였으며, 인장 및 압축철근의 지름은 19mm로 상부에 2개, 하부에 4개를 배치하였다.
- 철근은항복강도 400MPa을 갖는 이형철근을 사용하였으며, 인장 및 압축철근의 지름은 19mm로 상부에 2개, 하부에 4개를 배치하였다. 스터럽의 지름은 10mm로 200mm 간격으로 배근하여 전단판괴를 방지하였다.
이론/모형
- 따른 산정식을 통해 평가한다. 따라서 본 연구에서 개발한 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한철근콘크리트 보는 국내 강구조 설계기준인 KDS 41 31 00에 따라 소성응력분포법을 이용하여 휨 강도를 평가하였다. 합성 단면의 공칭휨강도는 <Fig.
성능/효과
- 1) 휨 실험 결과, 공칭하중에 대한 실험 최대하중의비는 평균 1.02로 나타났으며, 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께가 증가함에 따라 최대하중이 증가하였다. 인장보강재의 유무에 따라 최대하중이 증가하였으며, 인장보강재의 개수가 늘어남에 따라 최대하중의 차이는 없으나 최대처짐이 증가하였다.
- 2) 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께를 변수로 시험체의 파괴 및 균열 양상을 비교한 결과, 모든 시험체는 콘크리트 보 상부의 압괴로 인해 파괴되었으며, 신설보의깊이 및 바닥판의 두께가 두꺼울수록 압괴로 인한 콘크리트의 탈락 및 균열 면적이 증가한 것으로 나타났다.
- 4) 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보의 실험 결과, 바닥판 두께 변화가 연성능력에영향을 주었으며, 신설보의 깊이 및 인장보강재의 개수가 에너지소산능력에 영향을 미치는 주요 인자인 것을확인하였다. 기존 철근콘크리트와 구조 성능을 비교한결과, 휨 강도는 평균 3.
- 공칭휨강도에대한 시험체의 휨 강도비는 평균 0.98로 적절한 안전율을 고려하여 설계한다면 국내설계기준에서 제시하고 있는 휨 강도 평가식을 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 기존 철근콘크리트와 구조 성능을 비교한결과, 휨 강도는 평균 3.3배, 변형능력은 평균 2.55배, 에너지소산능력은 평균 7.34배가 증가하여 충분한 연성능력을 확보할 수 있는 것으로 판단된다.
- 이는 설계기준에 따른 산정식을 통해 강도를 산정할 때 기존 부재와 보강 부위가 일체화되었다는 가정 하에 산정되기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 하이브리드 조립형 보강 기법으로 보강된 철근콘크리트 보의 휨 강도 산정 시 적절한 안전율을 고려하여 보수적인 설계를 한다면 KDS 41 31 00에서 제시하고 있는 합성 단면의 휨 강도 산정식을 통해 휨 강도를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
- 55배 높게 산정되었다. 따라서 하이브리드 조립형 보강 기법을 이용하여 기존 부재를 보강할 경우 높은 연성능력을 발휘할수 있을 것으로 판단된다.
- 인장보강재의 유무에 따라 시험체의 강성이 증가하였으며, 동일한 면적의 인장보강재를 삽입하여도 인장보강재의 개수에 따라 연성능력이 증가하였다. 또한 인장보강재가 없는 경우 최대하중 이후 신설 보에 주입되는 모르타르의 구속이 이루어지지 않아 연성 거동이 불안정한 것을 확인하였다.
- 01로 바닥 판의 두께가 증가함에 따라 연성능력이 저하되는 것을 확인하였다. 또한 인장보강재의 개수가 증가할수록 연성능력이 다소 증가하는 것을 확인하였다.
- 8>은 콘크리트 상부 중앙에 위치한 C1 게이지에 대한 하중-변형률 관계를 나타낸다. 모든 시험체의변형률은 비슷한 양상을 보였으며, 최대하중 인근에서최대압축변형률인 0.003을 초과한 이후 콘크리트 상부의 압괴로 인해 게이지가 손상되었다.
- 30으로 차이가 없는 것으로 나타났다. 바닥 판의 두께에 따른 연성능력은 최소 7.47, 최대 10.01로 바닥 판의 두께가 증가함에 따라 연성능력이 저하되는 것을 확인하였다. 또한 인장보강재의 개수가 증가할수록 연성능력이 다소 증가하는 것을 확인하였다.
- 13>은 바닥판의 두께를 변수로 작성된 하중-처짐 곡선을 나타낸다. 바닥판의 두께가 증가함에 따라 시험체의 최대하중이 증가하였으나, 바닥판의 두께가 얇은 시험체에 비해 연성능력이 부족한 것으로 확인된다. 이는 바닥판의 두께 증가로 인해 인장력이 증가하고 부재의 휨 내력이 증가하여 최대하중이 증가하였으나, 인장력이 증가됨에 따라 소성중립축이 낮아져 비교적 취성적인 거동이 이루어진 것으로 판단된다.
- 16>과 같이 정리하였다. 본 연구에서 수행한 시험체의 에너지소산능력은최소 54.87kN-m, 최대 77.44kN-m로 평균 65.9kN-m 로 산정하였다. 철근콘크리트 보에 비해 약 7.
- 신설보 깊이 변화에 따른 연성능력은 최소 10.01, 최대 10.30으로 차이가 없는 것으로 나타났다. 바닥 판의 두께에 따른 연성능력은 최소 7.
- 11>과 같이 나타내었다. 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께, 인장보강재의 유무에 따라 시험체의 강성이 증가하였으며, 모든 시험체는 최대하중 이후 충분한 연성 거동을 보이고 있다. 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보와 기존 철근콘크리트 보를 비교하였을 때 최대하중비는 최소 2.
- 55kN-m로 나타났다. 신설보의 깊이, 인장보강재의 개수에 따라 증가하였고, 바닥판 두께에 따른 차이는 미미한 것으로 확인하였다.
- 12>는 신설보 깊이 변화에 따른 하중-처짐 곡선을 나타낸다. 신설보의 깊이에 따른 시험체의 거동은 차이가 없으며, 신설보가 깊어짐에 따라 시험체의 강성이 증가하였다. 그러나 신설보 깊이가 150mm인 경우 초기 선형 구간에서 하중이 급격하게 저하되는 구간이 발생하는 것으로 보아 신설보의 깊이가 증가할수록 보강 부위의 모르타르가 파괴되어 휨 저항성능이 저하되는 것으로 판단된다.
- 실험 결과, 공칭하중에 대한 실험 최대하중의 비 은 최소 0.92, 최대 1.24이며 평균 1.02로 나타났다. 실험 항복하중에 대한 실험 최대하중의 비 는 최소 1.
- 3배 증가하였다. 실험 종료 시 처짐비는 최소 1.86, 최대 2.16으로 평균 2.01배 증가하였다.
- 02로 나타났다. 실험 항복하중에 대한 실험 최대하중의 비 는 최소 1.25, 최대 1.41이며 평균 1.34로 나타났다. 이를 통해 하이브리드 조립형 보강 기법으로 보강된철근콘크리트 보는 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께, 인장보강재의 개수 등에 따라 부재의 내력이 안정적으로증가한 것으로 판단된다.
- 에너지소산능력을 분석한 결과, 신설보 깊이가 증가함에 따라 61.61kN-m, 77.44kN-m로 나타났으며, 바닥 판의 두께 증가 시 61.61kN-m, 64.02kN-m로 나타났다. 인장보강재의 개수에 따른 에너지소산능력은 54.
- 34로 나타났다. 이를 통해 하이브리드 조립형 보강 기법으로 보강된철근콘크리트 보는 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께, 인장보강재의 개수 등에 따라 부재의 내력이 안정적으로증가한 것으로 판단된다.
- 14>는 인장보강재의 개수에 따른 하중-처짐 곡선을 나타낸다. 인장보강재의 유무에 따라 시험체의 강성이 증가하였으며, 동일한 면적의 인장보강재를 삽입하여도 인장보강재의 개수에 따라 연성능력이 증가하였다. 또한 인장보강재가 없는 경우 최대하중 이후 신설 보에 주입되는 모르타르의 구속이 이루어지지 않아 연성 거동이 불안정한 것을 확인하였다.
- 02로 나타났으며, 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께가 증가함에 따라 최대하중이 증가하였다. 인장보강재의 유무에 따라 최대하중이 증가하였으며, 인장보강재의 개수가 늘어남에 따라 최대하중의 차이는 없으나 최대처짐이 증가하였다.
- 9kN-m 로 산정하였다. 철근콘크리트 보에 비해 약 7.34배 높은에너지소산능력을 보였다.
- 신설보의 깊이 및 바닥판의 두께, 인장보강재의 유무에 따라 시험체의 강성이 증가하였으며, 모든 시험체는 최대하중 이후 충분한 연성 거동을 보이고 있다. 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트 보와 기존 철근콘크리트 보를 비교하였을 때 최대하중비는 최소 2.96, 최대 3.55로 평균 3.3배 증가하였다. 실험 종료 시 처짐비는 최소 1.
- 하이브리드 조립형 보강 기법을 적용한 철근콘크리트보의 연성능력은 최소 7.47, 최대 10.30이며, 평균 9.14 로 철근콘크리트 보와 비교하였을 때 약 2.55배 높게 산정되었다. 따라서 하이브리드 조립형 보강 기법을 이용하여 기존 부재를 보강할 경우 높은 연성능력을 발휘할수 있을 것으로 판단된다.
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