[논문]이방향 하중을 받는 모서리 보-기둥 접합부의 내진성능 평가

한상환; 장용석; 이창석

doi:10.5000/eesk.2020.24.4.189

[국내논문] 이방향 하중을 받는 모서리 보-기둥 접합부의 내진성능 평가
Testing of RC Corner Beam-column Joints under Bidirectional Loading 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.24 no.4, 2020년, pp.189 - 196

한상환 (한양대학교 건축공학과) , 장용석 (한양대학교 건축공학과 대학원) , 이창석 (한양대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, two full-scale gravity load-designed reinforced concrete corner beam-column joints were tested by being subjected to uniand bi-directional cyclic lateral loading. The test variable was loading type: uni- or bi-directional loading. To investigate the effect of the loading type on the cyclic behavior of joint specimens, damage progression, force-deformation relation, contribution of joint deformation to total drift, joint stress-strain response, and cumulative energy dissipation were investigated. The test data suggest that bidirectional loading can amplify damage accumulation in the joint region.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이전 문헌에서 발견된 한계점을 해결하기 위해 직각 방향의 횡 보와 바닥 슬래브가 있는 실 크기의 모서리 보-기둥 접합부를 3개 제작하였고, 일방 향과 이방향의 하중을 가력하였다. 또한, 본 연구에서는 중력하중만을 고려하여 설계된 건축물에서 보강되지 않은 모서리 접합부의 내진성능에 대한 이해를 높이는데 초점을 두고 있다. 본 연구의 목적은 이방향으로 반복하중을 받는 비내진 모서리 접합부의 내진성능을 평가하는 것으로, 지진하중에 대한 내력과 변형능력을 분석하였다.
또한, 본 연구에서는 중력하중만을 고려하여 설계된 건축물에서 보강되지 않은 모서리 접합부의 내진성능에 대한 이해를 높이는데 초점을 두고 있다. 본 연구의 목적은 이방향으로 반복하중을 받는 비내진 모서리 접합부의 내진성능을 평가하는 것으로, 지진하중에 대한 내력과 변형능력을 분석하였다.
본 절에서는 보 주근의 변형률 측정을 위해 접합부에서 특정 거리만큼 떨어진 위치에 부착된 스트레인 게이지에 대하여 서술하였다.

가설 설정

여기서 A_c는 기둥의 단면적, f_ck는 28일 양생 후 측정한 콘크리트 공시체의 압축강도이다. 횡하중에 따라 축력이 변동하나 본 논문에서는 축력의 변화는 변수로 고려하지 않았다. 각실험체는 유압 액추에이터를 통해 보 끝단에 수직하중을 가하였으며, 가력 프로토콜은 FEMA 461(2007)[27]의 2.

제안 방법

는 Mander et al.[31]의 콘크리트 재료모델과 탄성-소성 거동을 가정한 철근 재료모델을 사용하여 단면 해석한 값으로, Fig. 4에 나타낸 측정된 콘크리트 압축강도와 철근의 항복강도를 사용하였다. 슬래브가 있는 보의 유효폭은 KCI 2012[25]의 3.
이 연구를 통해서 이방향 하중을 받는 두 실물 보-기둥 모서리 접합부의 내진 성능을 평가하였다. 모서리 접합부의 이력거동, 균열형상, 파괴형상, 보 주근의 항복, 에너지 소산을 확인하였다. 실험을 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
이로 인해 회전하려는 접합부에 대해 보의 연속성으로 구속된 보에 상대적인 전단방향으로의 처짐량이 발생하게 된다. 본 실험연구에서는 기둥에 축력을 가하기 용이하도록 Fig. 2b와 같이 기둥의 횡변위를 구속하는 대신 보에 수직 변위가 발생하도록 가력계획을 수립하였다.
본 장에서는 변위가 증가함에 따라 관찰되는 균열양상을 서술하고, 실험체의 하중-변위비 응답을 분석하였다.
수직하중 가력 중에 발생할 수 있는 동적 효과를 방지하기 위해 실험체에는 매우 천천히 하중이 가해지도록 엑추에이터의 수동제어로 조작하였다. 일방향과 이방향 하중의 가력속도는 둘 다 θ ≤ 1.
이 연구를 통해서 이방향 하중을 받는 두 실물 보-기둥 모서리 접합부의 내진 성능을 평가하였다. 모서리 접합부의 이력거동, 균열형상, 파괴형상, 보 주근의 항복, 에너지 소산을 확인하였다.
이전 문헌에서 발견된 한계점을 해결하기 위해 직각 방향의 횡 보와 바닥 슬래브가 있는 실 크기의 모서리 보-기둥 접합부를 3개 제작하였고, 일방 향과 이방향의 하중을 가력하였다. 또한, 본 연구에서는 중력하중만을 고려하여 설계된 건축물에서 보강되지 않은 모서리 접합부의 내진성능에 대한 이해를 높이는데 초점을 두고 있다.

대상 데이터

실험체 제작에는 두 종류의 이형철근이 사용되었다. SD400 D19 철근(d_b=19.1 mm)이 보와 기둥의 주근으로 사용되었고 SD400 D10 철근(d_b=19.1 mm)이 보와 기둥의 횡보강근, 슬래브 철근으로 사용되었다. 여기서 d_b는 철근의 지름을 의미한다.
1에 나타내었다. 모든 실험체 JO-U, JO-B는 형상 및 치수가 동일하며 서로 수직방향으로 배치된 두 개의 2750 mm 길이의 보와 3500 mm 길이의 기둥으로 구성되었다. 실험체 JO-U와 JO-B는 KCI[25]를 준수하였으며, 지진하중은 고려되지 않았다[26].
모든 실험체는 현장시공 과정을 재현하기 위해 세워진채로 제작되었으며, 콘크리트의 28일 공칭 압축강도는 24 MPa이다.
모든 실험체 JO-U, JO-B는 형상 및 치수가 동일하며 서로 수직방향으로 배치된 두 개의 2750 mm 길이의 보와 3500 mm 길이의 기둥으로 구성되었다. 실험체 JO-U와 JO-B는 KCI[25]를 준수하였으며, 지진하중은 고려되지 않았다[26].
실험체 제작에는 두 종류의 이형철근이 사용되었다. SD400 D19 철근(d_b=19.

이론/모형

D19 주근과 D10 횡보강근의 직접 인장시험이 KS B 0802[30]에 따라 수행되었으며, Fig. 4b에서 철근의 응력-변형률 곡선을 나타내었다. D19와 D10의 평균 항복강도는 각각 429 MPa와 467 MPa로, 공칭 항복강도 400 MPa를 초과하였다.
횡하중에 따라 축력이 변동하나 본 논문에서는 축력의 변화는 변수로 고려하지 않았다. 각실험체는 유압 액추에이터를 통해 보 끝단에 수직하중을 가하였으며, 가력 프로토콜은 FEMA 461(2007)[27]의 2.9.2장에 따랐다(Fig. 3b).
모든 실험체에 대한 콘크리트 압축강도는 KS F 2405[28]와 KS F 2403[29]에 따라 100 mm 지름과 200 mm 높이의 원형 공시체 3개를 UTM으로 평가하였다. Fig.
4에 나타낸 측정된 콘크리트 압축강도와 철근의 항복강도를 사용하였다. 슬래브가 있는 보의 유효폭은 KCI 2012[25]의 3.4.8장에 따라 680 mm로 계산하고 유효폭 길이 내의 슬라브 철근 또한 단면 해석에서 고려하였다. F_fl는 M_n,b을 보의 순 길이 2585 mm로 나눈 값으로 계산하였다.

성능/효과

48%에서 보 하부 철근이 접합부에서 0 mm, 220 mm 떨어진 위치에서 항복에 도달하였다. Fig. 5a에서도 확인할 수 있듯이, 플라스틱 힌지 길이 0.5h_b 이상의 휨균열이 보-접합부 연결부로부터 1000 mm까지 분포해 있어 위에서 관측된 결과와 일치하고 BJ-파괴(보-접합부 파괴)임을 확인할 수 있었다.
JO-B는 보 휨 철근의 항복 이전에 접합부 대각균열로 인해 내력이 저하되었으므로 J-파괴(접합부 파괴)에 해당한다[1]. JO-U와 JO-B를 비교하였을 때, 이방향 하중으로 인해 실험체가 취성적으로 거동할 수 있다는 사실을 확인하였다.
JO-U의 에너지 소산량은 26.1 kNm로, 이방향 하중을 받은 JO-B에 비해 1.6배 높은 값을 보였다. 이것은 Fig.
넷째, 두 실험체 모두 내력저하가 발생하는 시점에 접합부 전단 변형이 전체 변형에 기여하는 정도가 급격히 증가하여 접합부 파괴가 발생하였다. 접합부 변형이 기여한 정도는 JO-B가 JO-U보다 크게 나타났다.
셋째, 접합부에서 기둥 주근의 좌굴은 발생하지 않았다. 넷째, 보-기둥 이음부에서는 JO-U보다 더 심한 손상이 관찰되었다.
셋째, 접합부에서 기둥 주근의 좌굴은 발생하지 않았다. 넷째, 보-기둥 이음부에서의 균열 폭은 크게 확대되지 않았다.
다섯째, 일방향 실험체가 이방향 실험체에 비해 동일한 변위비에서 누적에너지 소산량이 더 큰 것으로 나타났고, 이는 이방향 실험체에서 내력과 강성 감소가 변위하중에 따라 더 큰 것에서 기인한 것이라 할 수 있다.
둘째, 두 실험체 모두 접합부 패널존에서 정가력과 부가력으로 인한 대각 균열이 교차할 때 내력저하가 시작되었다. 따라서 모든 실험체에서 접합부 파괴가 발생하였다고 할 수 있다.
첫째, 내부 접합부와 다르게 모서리 접합부는 단 두 개의 보로 구속되어 있다. 둘째, 모서리 기둥에서의 축 하중은 횡하중에 의해 발생하는 전도 효과로 인해 내부 접합부보다 큰 축력이 가해질 수 있다. 셋째, 모서리 접합부는 직교한 두보로부터 이방향으로 하중을 전달받을 수 있다.
첫째, 보-기둥 접합부의 내진거동에 대한 대부분의 문헌들은 내부와 외부 접합부 위주로 되어 있다[1]. 둘째, 접합부의 거동에 상당한 영향을 줄 수 있는 단일 슬래브와 횡 보의 효과가 고려되지 않았다[1, 3]. 이러한 평면상의 외부 접합부는 실제 건축물에서는 거의 존재 하지 않는다[10].
이는 보 상단에 존재하는 슬래브로 인해 철근 단면적과 보 유효 폭이 증가하기 때문이다. 둘째, 접합부의 전단파괴로 인해 내력저하가 발생하는 것이 확인되었다. 이는 내력저하가 발생하는 가력 사이클과 접합부에 대각균열이 발생하는 사이클이 동일하다는 사실로부터 확인하였다.
보에서의 첫 잔균열, 접합부 패널존의 대각균열, 접합부 패널존 대각균열의 교차, 콘크리트 피복 탈락 시점은 JO-B에서 JO-U보다 더 먼저 발생한 것으로 관찰되었다.
셋째, 동일한 상세를 가진 실험체에 이방향 하중이 가해질 경우 접합부에 집중적으로 손상이 발생하였고 보의 손상은 JO-U에 비해 상대적으로 줄어들었다. 이로 인해 보의 휨철근 항복 이전에 접합부 대각균열로 인한 내력저하가 발생하였다.
둘째, 접합부 측면에서 경미한 콘크리트 탈락이 발생하였다. 셋째, 접합부에서 기둥 주근의 좌굴은 발생하지 않았다. 넷째, 보-기둥 이음부에서의 균열 폭은 크게 확대되지 않았다.
이러한 평면상의 외부 접합부는 실제 건축물에서는 거의 존재 하지 않는다[10]. 셋째, 접합부에서 이방향 하중은 과거 실험 연구에서 거의 고려되지 않았다[3].
66배에 해당한다. 실험체 JO-B에서는 슬라브를 고려했을 경우가 고려하지 않았을 경우보다 정방향과 부방향에서 각각 6%, 24% 더 실험결과에 근접한 것으로 나타났다.
첫 번째 변위비 진폭 0.1%에서 실험체 JO-U, JO-B의 접합부 기여도는 각각 13%, 16%인 것으로 나타났다. Fig.
첫째, 두 실험체 모두 보의 상단보다 하단에 더 심한 휨균열이 관찰되었다. 이는 슬래브로 인하여 보 상부의 유효폭이 더 크고 더 많은 철근량이 배근되어 있기 때문이다.
실험체의 최종 손상은 다음과 같다. 첫째, 접합부 패널존에 상당한 손상이 발생하였다. 둘째, 접합부 측면에서 경미한 콘크리트 탈락이 발생하였다.
최대 내력에 도달한 후에 최종 내력은 정방향 변위비 4.0%와 부방향 변위비 3.7%에서 도달하였고, 실험은 변위비 4.2%에서 종료되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	과거 비내진 RC 접합부 실험 연구들이 가지는 한계점은?	이러한 과거 연구들이 귀중한 실험적 정보를 제공하였지만, 다음과 같은 한계점이 여전히 남아있다. 첫째, 보-기둥 접합부의 내진거동에 대한 대부 분의 문헌들은 내부와 외부 접합부 위주로 되어 있다[1]. 둘째, 접합부의 거동에 상당한 영향을 줄 수 있는 단일 슬래브와 횡 보의 효과가 고려되지 않았다[1, 3].
	비연성 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 전단파괴로 인하여 예상되는 문제는?	보-기둥 접합부는 중력하중만을 고려하여 설계된 비연성적인 철근콘크 리트(RC) 건축물의 구조안전성을 확보하기 위한 핵심 부재로 여겨진다[1, 2]. 비연성 철근콘크리트 보-기둥 접합부에서 전단파괴로 인하여 강성과 강도의 감소가 발생하고 전체 건축물의 붕괴로 이어질 가능성이 있기 때문이다[3-6]. 중력하중만을 고려하여 설계된 비내진RC 건축물의 접합부 전단 파괴는 접합부내 보강철근이 충분하지 않은 것이 원인일 수 있다[7-11].
	보-기둥 접합부란?	보-기둥 접합부는 중력하중만을 고려하여 설계된 비연성적인 철근콘크 리트(RC) 건축물의 구조안전성을 확보하기 위한 핵심 부재로 여겨진다[1, 2]. 비연성 철근콘크리트 보-기둥 접합부에서 전단파괴로 인하여 강성과 강도의 감소가 발생하고 전체 건축물의 붕괴로 이어질 가능성이 있기 때문이다[3-6].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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