[논문]반복하중을 받는 콘크리트의 연화효과를 고려한 응력 -변형률곡선

이정윤

문제 정의

그러나 지진력을 받는 철근 콘크리트 구조물을 합리적이고 안전하게 설계하기 위해서는 지진하중을 받는 구조물의 거동 및 구성재료의 응력-변형률 관계를 정확히 알지 않으면 안됨에 도 불구하고 반복하중을 받는 콘크리트의 연화 효과를 고려한 응력-변형률 관계에 대한 연구는 극히 드문 실정이다. 따라서 이 연구에서는 철근콘크리트 패널 실험을 통하여 반복하중을 받는 콘크리트의 연화 효과를 고려한 웅력-변형률 관계의 예측 모델을 제안함을 목적으로 하고 있다.
Robinson과 Demorieux, Collins 등, Hsu 등은 실험을 통하여 연화 효과는 균열 수직 방향의 콘크리트의 변형률과 밀접한 관계가 있음을 지적하였다. 이 연구에서는 균열 수직 방향의 변형률이 다른 철근콘크리트 패널실험에 근거하여 그림3과 같은 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 모델을 제안하였다. 모델은 C₁ 에서 C₇까지의 7단계의 압축응력-변 형률 곡선과 T1에서 T6까지의 6단계의 인장응력-변형률 곡선으로 구성되어 있다.
이 연구에서는 철근콘크리트 패널 실험을 통하여 연화 효과가 고려된 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 관계의 예측 모델을 제안하였다. 연구의 내용을 요약하면 다음과 같다.

제안 방법

1) 균열 수직 방향의 변형률이 다른 철근콘크리트 패널실험에 근거하여 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 모델을 제안하였다. 모델은 7단계의 압축응력-변형률 곡선과 6단계의 인장응력-변형률 곡선으로로 구성되어 있다.
반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 관계를 고찰하기 위해, 철근 콘크리트 패널 실험이 휴스 톤대학의 만능 패널 실험기에 의해 이루어졌다. 시험체의 크기는 1397 X 1397 X178 mm로 제작되었고, 철근은 가로방향(*- 방향)과 세로 방향(y-방향)에 2열씩 서로 직교하도록 배근 되었으며 양방향의 철근비는 0.
0114로 동일하게 하였다. 시험체의 변수로써 균열 수직 방향의 변형률이 콘크리트의 응력과 변형률에 미치는 연화 작용을 측정하기 위하여 각 시험체의 세로방향(:广방향)의 변형률 8“를 다르게 하였다. 시험체 CVE3-1, CVE3-2, CVE3-3의 八는 각각 0.
시험체는 철근이 항복하기 전까지는 하중에 의해 제어되었고 철근 항복 후에는 변형률에 의해 제어되었다. 시험체의 변위는 각 면에 설치된 8개의 변위측정기(LVDT)를 통해 수직, 수평 및 전단변형이 측정되었다. 이 실험에서는, 균 열 수직 방향의 변형률이 콘크리트의 응력과 변형률에 미치는 연화 효과를 측정하기 위하여 그림1과 같이 세로방향(y-방향)의 변형률을 일정하게 유지한 채 가로 방향(%-방향)에 반복하중이 가해졌다.

대상 데이터

1) 균열 수직 방향의 변형률이 다른 철근콘크리트 패널실험에 근거하여 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 모델을 제안하였다. 모델은 7단계의 압축응력-변형률 곡선과 6단계의 인장응력-변형률 곡선으로로 구성되어 있다.
이 연구에서는 균열 수직 방향의 변형률이 다른 철근콘크리트 패널실험에 근거하여 그림3과 같은 반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 모델을 제안하였다. 모델은 C₁ 에서 C₇까지의 7단계의 압축응력-변 형률 곡선과 T1에서 T6까지의 6단계의 인장응력-변형률 곡선으로 구성되어 있다.
반복하중을 받는 콘크리트의 응력-변형률 관계를 고찰하기 위해, 철근 콘크리트 패널 실험이 휴스 톤대학의 만능 패널 실험기에 의해 이루어졌다. 시험체의 크기는 1397 X 1397 X178 mm로 제작되었고, 철근은 가로방향(*- 방향)과 세로 방향(y-방향)에 2열씩 서로 직교하도록 배근 되었으며 양방향의 철근비는 0.0114로 동일하게 하였다. 시험체의 변수로써 균열 수직 방향의 변형률이 콘크리트의 응력과 변형률에 미치는 연화 작용을 측정하기 위하여 각 시험체의 세로방향(:广방향)의 변형률 8“를 다르게 하였다.
실험이 행해진 만능 패널 실험기는 하중 제어와 변형률 제어가 가능한 실험기로서, 용량 lOOton의 면 내(in-plane) 유압잭 40개와 용량 60ton의 면 외(out-of-plane) 유압잭 20개로 구성되어있다. 철골 프레 임에 연결된 각 유압잭은 요크를 통해 시험체에 직접 하중을 전달한다.

이론/모형

는 콘크리트의 균열 발생 강도, //, & 는 콘크리트의 실린더 압축 강도 및 변형률, /刷는 T4 단계에서 C₁ 단계로 변환할 때의 콘크리트 응력(그림3의 TD 점), & 는 연화 효과에 의한 콘크리트의 유효 압축 응력 및 변형률 계수이다. 논문에서는 Hsu등에 의하여 제안된 식(5)의 유효 압축 응력 및 변형률 계수를 채 택하였다.
제안된 모델에서의 포락선은 압축에 대하여 그림3의 C₁ 과 C₂단겨】, 인장에 대하여 T1과 T2가 해당된다. 이 논문에서는 모델의 포락선의 응력-변형률 관계를 단조 하중을 받는 콘크리트의 연화 효과를 고려한 모델인 Hsu등의 모델을 근거로 하여 다음과 같은 식(1)에서 (4) 를 채택하였다. 식(1)과 (2) 의 압축응력과 변형률은 유효계수 %와 必 를 함수로 하여 균열 수직 방향의 변형률이 미치는 연화 효과를 고려하고 있다.

성능/효과

그림 2(a)에서 2(c)까지는 실험에서 얻어진 %-방향의 응력 -변형률 관계를 나타내고 있다. 그림2(a), (b), (c)의 비교에서 패널의 압축응력은 균열 직각 방향의 변형률인 y-방향의 변형률이 증가함에 따라 현저하게 감소함을 알 수 있다. y-방향의 변형률이 0.
2) 제안된 모델은 연화 효과에 의하여 균열 직각 방향의 변형률이 증가함에 따라 감소하는 콘크리트의 압축강도를 약 15%의 차이에서 예측하였다.
3) 7단계로 구분된 제안된 압축응력-변형률 모델은 제하(除荷) 및 재(再)가력시의 실제의 응력-변형률 관계를를 잘 예측하였다.
4) 균열이 발생한 철근콘크리트 패널의 콘크리트 압축강도는 연화 효과에 의하여 균열 직각 방향의 변 형률이 증가함에 따라 콘크리트 실린더 압축강도의 34%에서 66%까지 감소하였다.
0044인 시험체 CVE3-1의 %-방향의 균열의 폭보다 컸다. 균열이 발생한 철근콘크리트 패널에서의 콘크리트 압축강도는 연화효과에 의하여 콘크리트 실린더 압축강도의 34%에서 66%까지 감소하였다. 재(再)가력시의 콘크리트의 압축강 성은 압축변형률이 증가함에 따라 감소하였으며, 제하(除荷)시의 콘크리트의 강성은 두 단계로 구분되었다.
그림4의 실험 결과는 시험체에 가력된 전체 힘에서 철근 부담분을 제거하여 얻은 결과이다. 그림에서 보여지는 것과 같이 제안된 모델은 연화 효과에 의하여 균 열 직각 방향의 변형률이 증가함에 따라 감소하는 콘크리트의 압축강도를 약 15%의 차이에서 예측하였다. 또한 7단계로 구분된 제안된 압축응력-변형률 모델은 제하(除荷) 및 재(再)가력시의 실제의 응력 -변형률 관계를 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
그림에서 보여지는 것과 같이 제안된 모델은 연화 효과에 의하여 균 열 직각 방향의 변형률이 증가함에 따라 감소하는 콘크리트의 압축강도를 약 15%의 차이에서 예측하였다. 또한 7단계로 구분된 제안된 압축응력-변형률 모델은 제하(除荷) 및 재(再)가력시의 실제의 응력 -변형률 관계를 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
시험체의 균열은 균열 직각 방향의 변형률이 증가함에 따라 증가하였다. 즉, *방향의 변형률이 0.
Collins 등 2)과 Hsu 등"은 철근콘크리트 패널 실험을 통하여 연화 작용에 의한 콘크리트의 압축강도 감소는 균열 수직 방향의 콘크리트의 변형률과 밀접한 관계가 있음을 밝혔다. 실험에서 균열 수직 방향의 콘크리트의 변형률이 0.01인 경우 콘크리트의 압축강도는 실린더 압축강도의 40%까지 감소함이 확인되었다. 또한 연화 작용에 의하여 균열 수직 방향 의 콘크리트의 변형률이 증가함에 따라 최 대응력 시의 콘크리트 압축변형률도 감소하게 된다.
시험체의 변위는 각 면에 설치된 8개의 변위측정기(LVDT)를 통해 수직, 수평 및 전단변형이 측정되었다. 이 실험에서는, 균 열 수직 방향의 변형률이 콘크리트의 응력과 변형률에 미치는 연화 효과를 측정하기 위하여 그림1과 같이 세로방향(y-방향)의 변형률을 일정하게 유지한 채 가로 방향(%-방향)에 반복하중이 가해졌다.

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