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내진성능, 중공, 교각, 확장된 손상지수, 해석기법
seismic performance, hollow, bridge columns, extended damage index, numerical method

  • 1. 서 론

  • 2. 중공 교각을 위해 확장된 손상지수

  •   2.1 비선형 유한요소해석 프로그램

  •   2.2 확장된 손상지수를 이용한 내진성능평가

  • 3. 확장된 손상지수의 검증

  •   3.1 중공 철근콘크리트 교각 실험체

  •   3.2 해석결과와 실험결과의 비교분석

  •   3.3 내진성능평가

  • 4. 결 론

1. 서    론

최근 세계 각국에서 발생한 지진들, 즉 2008년 Sichuan 지진, 2009년 L’Auila 지진, 2010년 Haiti 지진, 2011년 Christchurch 지진 그리고 2011년 Tohoku 지진 등으로 인하여 사회기반시설물의 피해가 잇따르고 있다. 그 중에서도 교량 구조물의 손상 및 붕괴는 치명적인 손실로 이어질 수 있다. 따라서 이러한 교량 구조물의 정확한 내진성능 평가 및 내진성능 향상에 대한 연구가 시급한 실정이다.

교량 구조물에 있어 중공단면 교각은 중실단면 교각에 비하여 중량이 작아 기초구조물에 대한 부담이 작고, 지진 발생시 작은 관성력이 유발되어 지진에 상대적으로 유리하다(Sun and Kim 2009a; Kim et al. 2013; Kim et al. 2014). 또한 단면 2차 모멘트가 커서 단면을 효율적으로 사용할 수 있어 최근 들어 철도 및 고속도로 교량 등에 설계 및 시공이 늘어나고 있다.

이러한 중공단면 교각의 지진거동 특성 규명을 위한 연구는 국내‧외에서 계속 진행되고 있으며 내진상세에 따른 거동특성의 실험적 연구(Kim et al. 2003; Sun and Kim 2009b; Lee et al. 2012; Lee et al. 2017)가 주종을 이루고 있다.

이 연구의 목적은 기존 연구에서 수행된 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 준정적 실험결과(Kim et al. 2014; Kim et al. 2016a; Kim et al. 2016b)를 토대로 기존의 중실 철근콘크리트 교각에 대한 손상지수를 이용한 내진성능평가 기법(Kim et al. 2005; Kim et al. 2007)을 수정하여 중공단면 교각으로 확장하는데 있다.

손상지수 연구에는 정규화된 변형과 에너지 소산의 조합으로 구성된 모델(Park et al. 1985), 에너지 항으로 정식화된 모델(Kratzig and Meskouris 1987), 피로로부터 유도된 모델(Mander and Cheng 1995), 구조물의 강성변화에 근거한 모델(Kunnath et al. 1997), 이력거동 특성을 나타낼 수 있는 모델(Hindi and Sexsmith 2001) 등이 있다.

손상지수를 이용한 내진성능평가 기법은 기존의 연구(Kim et al. 2005; Kim et al. 2007)를 통하여 지진하중과 같은 반복하중을 받는 중실 철근콘크리트 교각의 내진성능을 적절히 평가하고 있음이 검증된 바 있으며 비선형 유한요소해석을 이용하여 다자유도계 구조물의 실제거동을 모사할 수 있다.

2. 중공 교각을 위해 확장된 손상지수

2.1 비선형 유한요소해석 프로그램

이 연구에서는 손상지수에 의한 내진성능평가를 위해 그 동안 개발된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)(Kim and Shin 2000; Kim et al. 2001; Kim et al. 2005; Kim et al. 2007; Kim et al. 2013; Kim et al. 2014; Kim et al. 2016a; Kim et al. 2016b)를 수정하고 확장하여 사용하였다. RCAHEST는 미국 버클리 대학의 Taylor가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver. 7.2 (2000)에 저자 등에 의한 철근콘크리트 평면응력요소, 경계면요소 그리고 접합요소 등을 이식하여 모듈화한 프로그램이다. 그리고 철근콘크리트의 비선형 재료모델은 이미 발표된 재료모델을 그대로 적용하였으며 간단히 요약하면 다음과 같다.

이 연구에서는 제 2 균열의 발생을 제 1 균열과 직교방향으로 발생하도록 제한하여 콘크리트의 강성이 과대평가 되는 직교 고정균열모델과 달리, 실제 주응력의 방향과 직각으로 발생하도록 한 비직교 고정균열모델을 적용함으로써 콘크리트의 강성을 보다 사실적으로 평가하였다.

균열이 발생하기 전의 콘크리트의 역학모델은 이축응력상태에 대한 탄소성파괴모델의 기본개념에 의해서 표현되며 비선형성은 균열발생후에 현저하게 나타나게 된다. 이러한 재료적 비선형성에 대해서는 철근콘크리트 요소의 직교 이방성의 가정에 따라, 균열직각방향으로 콘크리트가 부담하게 되는 인장응력을 고려하기 위한 인장강성모델과 균열방향으로의 압축강성 저하를 고려하기 위한 압축강성모델 및 균열면에서의 전단전달효과를 고려하기 위한 전단전달모델을 각각 적용한다(Fig. 1).

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F1.jpg

Fig. 1

Construction of cracked concrete model

콘크리트 속의 철근에 대한 항복후 거동은 철근만의 특성과 함께 부착효과 등이 동시에 고려되어야 한다. 즉 균열부분은 철근의 항복으로 인해 응력의 증가가 없지만 내부의 철근의 응력은 증가하여 철근의 평균응력이 증가하게 되므로 철근만의 응력-변형률 관계에서 볼 수 있는 항복고원현상은 나타나지 않는다. 이 연구에서는 이러한 포락선부분에 대한 철근의 항복 후 거동을 저자 등이 제안한 bilinear 모델로써 표현하였다(Fig. 2).

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F2.jpg

Fig. 2

Model for reinforcing bar in concrete

횡방향으로 배근된 구속철근은 콘크리트의 극한강도와 극한변형률을 크게 증가시키는 효과를 가져다준다. 이와 같이 증가된 콘크리트의 강도와 변형률로 인해서 지진하중 등과 같은 반복하중을 받는 경우에 콘크리트의 부재는 구속되지 않은 경우에 비해서 우수한 연성능력 및 복원력 특성을 나타낸다. 이 연구에서는 콘크리트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있고, 종방향 철근 및 구속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있도록 한 Mander et al.(1988)의 제안모델을 채택하였다.

이 연구의 대상인 현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 구속효과를 고려하기 위하여 중공치수비에 따 라 횡구속 효과를 저감시키는 계수를 새롭게 수정하여 중공 단면의 구속효과를 산정하였다. 횡방향철근에 의한 횡구속력은 동일한 횡방향철근량을 제공하더라도 설치간격, 배치형태, 갈고리 상세 등의 차이에 의해 유효구속력에 차이가 있게 된다.

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7572.gif (1)

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7583.gif (2)

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7584.gif의 경우, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7595.gif       (3)

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7596.gif의 경우, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7597.gif        (4)

여기서, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75A7.gif은 유효구속응력, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75A8.gif는 유효구속계수, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75A9.gif은 평균구속응력, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75BA.gif는 중실단면에서 계산되는 유효구속계수 그리고 /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75BB.gif는 중공치수비(/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75CC.gif)를 고려한 수정계수이다. 이때 /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75CD.gif는 내경, /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75CE.gif는 외경이다.

2.2 확장된 손상지수를 이용한 내진성능평가

현재 철근콘크리트 교각의 설계는 한계상태설계(Limit State Design)를 기본으로 성능기반설계(Performance Based Design)를 도입하여 사용하고 있으며 요구되는 성능기준을 만족하는 구조물을 설계하기 위한 기반기술 등의 개발이 활발히 이루어지고 있다.

성능기반 내진설계는 구조물이 예측 가능한 내진성능을 확보하고 규정된 성능목표를 달성할 수 있도록 하는데 필요한 해석과 설계절차를 포괄하고 있는 설계 방법이다. 즉 예상되는 지진하중에 대하여 주어진 조건에서 허용할 수 있는 적절한 피해정도 혹은 에너지 흡수정도를 미리 설정하고 이를 달성하도록 하는 설계법이다(ATC 1996).

이러한 성능기반 내진설계 체제에서는 손상상태의 정량화가 필수적이며 이 연구에서는 기존의 지진손상 평가법(Kim et al. 2005)을 현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 거동특성 등을 고려하여 새롭게 수정하고 확장하였다.

확장된 손상지수는 비선형 유한요소해석에서 필연적으로 계산되는 가우스 적분점에서의 변형률을 이용하여 해석단계별로 직접 산정할 수 있으며 철근과 콘크리트의 극한변형률에 의한 파괴기준을 근거로 하고 있다. 이때 손상상태는 한 개 또는 그 이상의 한계상태에 의해 결정되고 각각은 성능수준을 규정할 수 있다(Lehman et al. 2004). 즉, 비선형 유한요소해석으로 얻어지는 콘크리트와 철근의 극한변형률에 근거한 파괴기준에 의해 손상지수를 DIcompressive와 DItensile로 각각 산정하였다. 이때 파괴기준은 크게 콘크리트의 압축파괴와 전단파괴, 그리고 철근의 인장파괴로 나누어 볼 수 있으며 이를 토대로 각 해석단계의 변형률에 해당하는 손상지수를 구한다(Fig. 3, Table 1).

확장된 손상지수는 강성저하, 강도저감, 주철근의 Low-cycle 피로 등의 이력거동 특성을 잘 나타내고 있다. 이러한 손상지수는 손상이 없는 0.0으로부터 파괴를 나타내는 1.0까지로 표현되며 손상지수 0.75는 파괴의 시점을 알린다. 손상지수 값을 이 연구의 대상인 현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각에 수정하고 확장하면, 보수가 가능한 손상지수 값 0.1은 주철근의 항복이 일어나기 전으로서 경미한 휨균열이 발달한 상태로 완전기능 수준, 보수가 불가능한 손상지수 값 0.4는 주철근이 항복한 후 매우 큰 휨 또는 전단균열에 의해서 콘크리트의 피복이 박리된 상태로 기능수행 수준, 파괴 시점의 손상지수 값 0.75는 주철근의 파단이 일어나기 시작한 상태로 붕괴방지 수준으로 설명할 수 있다. 이러한 한계는 이 연구의 목적과 특성에 일치하는 실험결과와의 비교 등(Kim et al. 2007)을 통해 제시되었다.

Table 1 Failure criteria and extended damage indices

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T1.jpg

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75CF.gif= transverse confining steel ratio; /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75DF.gif= yield stress of the confining steel

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75E0.gif= steel strain at maximum tensile stress;

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75E1.gif= confined concrete compressive stress

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75F2.gif= fatigue parameter for concrete; /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC75F3.gif= fatigue parameter for reinforcing bars

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7603.gif= compressive strain in analysis step; /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7614.gif= tensile strain in analysis step

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7615.gif= ultimate strain of concrete; /Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/PIC7616.gif= ultimate strain of reinforcing bars

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F3.jpg

Fig. 3

Seismic performance assessment using a extended damage index

3. 확장된 손상지수의 검증

3.1 중공 철근콘크리트 교각 실험체

이 연구의 목적인 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능을 비선형 유한요소해석을 통해 파악하기 위해서 Table 2에 나타난 것과 같이 선행 연구(Kim et al. 2014; Kim et al. 2016a; Kim et al. 2016b)의 실험체인 C-L, S-CHC-80, R-L, S-PRHC-80을 선정하였다. 이를 연구목적에 맞추어 중공원형 교각 실험체는 HC-1, HC-2로, 중공사각형 교각 실험체는 HR-1, HR-2로 구분하여 실험체명을 다시 정하였으며 모델 상세는 Figs. 4, 5와 같다. 이때 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 설계는 현행 도로설계기준(Ministry of Land, Infrastructure and Trans-port 2015), 콘크리트구조기준(Korea Concrete Institute 2012), AASHTO LRFD(AASHTO 2012)를 근거로 하였으며 횡방향 철근량은 중공내부가 채워진 중실단면으로 가정하고 외측 횡철근만 고려하여 산정하였다. 그리고 시공방법, 콘크리트의 기준압축강도, 종방향 철근 및 횡방향 철근의 기준항복강도를 변수로 하였다.

Table 2 Properties of test specimens

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T2.jpg
/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F4.jpg

Fig. 4

Hollow circular columns (Unit: mm)

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F5.jpg

Fig. 5

Hollow rectangular columns (Unit: mm)

중공원형 교각 실험체 2기는 모두 현장타설 형식으로 외경 1,400 mm, 내경 980 mm 또는 1,050 mm 그리고 높이는 4,900 mm로 형상비가 3.5으로서 휨파괴 거동을 유도하였으며 이때 중공치수비(내경/외경)는 0.70 또는 0.75로 현재 실험이 가능한 최대치수이다.

중공사각형 교각 실험체는 현장타설 및 조립식 형식 각각 1기로서 단면은 외경이 1000 mm, 내경이 500 mm이고 교각의 하중 재하점까지의 높이는 4,500 mm로 형상비가 4.5으로서 중공원형 교각 실험체와 같이 휨파괴 거동을 유도하였으며 이때 중공치수비(내경/외경)는 0.50이다. 조립식 교각은 콘크리트 타설 또는 거푸집 설치 등이 용이하지 않은 입지조건이나 신속한 하부구조 시공이 요구되는 경우에 매우 효과적이며 교량 건설에서 유발되는 환경의 피해를 최소화 할 수 있고, 해외에서는 많은 시공사례가 있다(Lee et al. 2012; Kim et al. 2016b). 조립식 교각에 있어서 각 세스먼트는 공장에서 매치 캐스팅으로 제작되며, 축방향 철근이 나중에 삽입되는 위치에 쉬스(sheath)를 미리 배치한다. 현장에 운반된 각 세그먼트는 접합면에 에폭시를 도포하며 적층하고 이때 접착 에폭시는 경화될 때까지 0.3 MPa의 평균응력이 전이음면에 작용되어야 한다. 세그먼트 적층이 완료된 후 위에서 축방향 철근을 쉬스 내에 삽입하고 덕트 내부로 무수축 모르타르를 주입함으로써 사용성과 내구성 등을 만족시킬 수 있다.

중공교각 실험체의 축방향력은 교각단면 축강도의 10 %와 7 %에 해당하는 일정 축하중을 재하하였으며, 유압펌프에 의한 일정하중 유지장치로 실험도중 축력의 변화가 없도록 하였다. 횡방향 하중은 3,500 kN 가력기(actuator)를 가력벽에 부착하여 실험을 실시하였으며, 0.25 %, 0.50 %, 1.00 %, 1.50 %, 2.00 %, 2.50 %, 3.00 %, 3.50 %, 4.00 %, 4.50 %, 5.00 %, 5.50 %, 6.00 %로 드리프트 비(drift ratio)를 증가시키는 방법으로 2 cycle씩 반복 재하하였다.

일정변위제어 하중의 재하횟수는 지진거동시 즉 최대내하력 이후의 강도 저하에 큰 영향을 미치게 되므로, 이 연구에서는 2회의 동일한 진폭의 변위제어하중에 대한 거동특성의 차이 및 에너지 흡수능력의 변화 등을 관찰하였다.

실험수행 중 실험체의 거동을 분석하기 위한 계측장비로 하중값은 가력기(actuator)에 내장되어 있는 Load cell을 횡방향 변위는 LVDT(liner variable differential transformer)를 이용하였다. LVDT는 횡방향 재하지점에 2개를 설치하였으며, 기초부의 이동을 조사하기 위하여 1개를 설치하였다.

현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 준정적 실험에 대한 세부적인 결과는 참고문헌(Kim et al. 2014; Kim et al. 2016a; Kim et al. 2016b)에 자세히 설명 되어있으며 강도, 연성, 에너지 소산능력 등의 면에서 소요 성능 이상을 보이고 있음이 확인되었다.

3.2 해석결과와 실험결과의 비교분석

이 연구에서 비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할한 것을 Figs. 6, 7에 나타내었다.

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F6.jpg

Fig. 6

Finite element model for circular column

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Fig. 7

Finite element model for rectangular column

중공단면 교각 실험체들의 유한요소해석을 위해서 등가환산단면을 이용하여 Figs. 6(a), 6(b), 7(a)와 같이 2차원 평면요소로 해석이 가능하도록 하였다. 이때 등가환산단면은 중공단면 철근콘크리트 교각의 실제거동과 유사하도록 철근과 콘크리트의 단면적, 하중재하 방향의 단면 2차 모멘트를 같게 하여 유도하였다.

사용된 경계면 요소는 기본적으로 이산균열개념에 근거하고, 요소의 평행 및 직각방향으로만 응력이 발생하는 것으로 가정하고 있기 때문에 철근과 콘크리트의 재료모델을 그대로 적용할 수 있다.

그리고 조립식 교각의 세그먼트를 모사하기 위한 접합요소는 수직방향 2개 절점의 위치가 같은 가상의 절점을 이용한 6절점 접합요소 또는 4절점 접합요소 중 하나를 선택할 수 있다. 이러한 접합요소를 사용하면 접합부에 평행한 수평방향의 전단응력과 이에 수직방향의 인장응력 또는 압축응력을 결정할 수 있다. 그리고 접합부의 부착파괴 기준으로는 Coulomb 파괴기준을 사용하였으며, 세그먼트 접합부의 거동특성을 지배하는 내부마찰각과 점착력은 사용된 에폭시의 재료물성을 근거로 각각 45°와 5.88 MPa으로 정하였다.

이 연구의 해석모델을 적용한 유한요소해석 결과와 실험에 의한 하중-변위 관계를 Fig. 8에 나타내었으며 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다.

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F8.jpg

Fig. 8

Comparison of results from the experimental results

Table 3 Experiment and analysis results

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T3.jpg

일반적인 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 파괴형상은 먼저 수평균열이 발생하고 다음으로 수평균열 주위로 미세한 수직균열이 발생하였다. 상부 변위가 더욱 커지면서 최초에 발생한 수평균열이 사방향으로 발전하게 되며 이 단계에서부터 수직균열이 발생하였다. 이후 하중이 반복되면서 소성힌지부에서 콘크리트 피복의 탈락이 시작되었다. 콘크리트 피복이 탈락이 된 이후에도 상당한 변형능력을 보이다가 노출된 철근의 좌굴과 인장이 반복되면서 주철근이 파단에 이르렀다.

이 연구의 해석에 의한 최대하중과 변위연성도를 실험과 함께 비교하여 Table 3에 정리하였다. 실험과 해석에서 시스템의 항복변위와 극한변위는 하중-변위곡선으로부터 간접적인 방법(Park 1988)으로 결정하였다. 즉, 하중-변위곡선으로부터 시스템의 수평 저항능력이 최대 내력에 비하여 15 % 저하되었을 때의 변위를 극한변위로 정의하였으며, 항복변위는 하중-변위곡선의 원점과 최대 내력의 75 %에 달하였을 때의 변위점을 이은 직선이 최대 내력점에 도달하였을 때의 수평변위로 정의하였다.

비선형 유한요소해석 결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수가 각각 1.00과 0.06로서, 최대하중의 평균값은 전반적으로 실험결과를 정확하게 평가하고 있다. 그리고 변위연성도에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 각각 0.85와 0.11로서, 변위연성도의 평균값은 실험결과 보다 다소 크게 평가하고 있으나 현장타설 및 조립식 중공 교각 실험체들의 내진성능을 포함한 비탄성 거동특성을 비교적 정확하게 평가하고 있는 것으로 판단된다.

3.3 내진성능평가

이 연구에서는 중실 철근콘크리트 교각에 대한 손상지수를 이용한 내진성능평가 기법(Kim et al. 2007)을 수정하고 확장하여 현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능 평가를 가능하도록 하였다.

Figs. 9∼12는 drift에 따른 손상지수의 변화를 성능수준과 함께 비교하고 검토하여 중공 철근콘크리트 교각 실험체의 내진성능평가를 나타내고 있다. 이러한 해석결과는 실험체에 지진하중이 진행되는 동안 소성힌지 영역에서 비탄성 변형이 증대됨에 따라 일어나는 콘크리트의 균열과 파쇄, 그리고 이로 인한 손상이나 파괴와 전반적으로 잘 일치하고 있다(Tables 4∼7).

Table 4 Comparative evaluation of progressive damage for specimen HC-1

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T4.jpg
/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F9.jpg

Fig. 9

Assessment of performance level for specimen HC-1

Table 5 Comparative evaluation of progressive damage for specimen HC-2

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T5.jpg
/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F10.jpg

Fig. 10

Assessment of performance level for specimen HC-2

Table 6 Comparative evaluation of progressive damage for specimen HR-1

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T6.jpg
/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F11.jpg

Fig. 11

Assessment of performance level for specimen HR-1

Table 7 Comparative evaluation of progressive damage for specimen HR-2

/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Table_CONCRETE_30_2_06_T7.jpg
/Resources/kci/JKCI.2018.30.2.167/images/Figure_CONCRETE_30_2_06_F12.jpg

Fig. 12

Assessment of performance level for specimen HR-2

이 연구에서 수행된 내진성능평가 예로서 실험체 HC-2의 실험결과를 재하 단계별로 기술하면 다음과 같다. Drift 0.50 %에서 교각 전면에 수평 휨균열이 생기며(Fig. 13(a)), 1.5 %에서는 기초부의 휨 균열이 진전하였다(Fig. 13(b)). 2.0 %에서 재하방향과 평행한 면에 경사 균열이 발생하였으며, 2.5 %에서는 경사균열이 진전하였다. 3.0 %에서 기초부로부터 약 20 cm 높이에 걸쳐 콘크리트 피복이 박리되었으며(Fig. 13(c)), 4.0 %가 되면서 종방향 철근의 좌굴이 발생하였다(Fig. 13(d)). 4.5 %에서는 종방향 철근의 파단이 발생하였으며, 5.0 %에서 다수의 종방향 철근 파단이 일어나 실험을 종료하였다(Fig. 13(e)).

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Fig. 13

Development of damage during test for specimen HC-2

이에 대하여 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값은 drift 0.25 %에서 0.00, 0.5 %에서 0.04, 1.0 %에서 0.07, 1.5 %에서 0.24, 2.0 %에서 0.33, 2.5 %에서 0.36, 3.0 %에서 0.43, 3.5 %에서 0.53, 4.0 %에서 0.68, 4.5 %에서 1.00 그리고 5.0 %에서 1.00을 나타내고 있다. 이 해석결과에 나타난 손상지수의 값을 성능평가 기법으로 표현하면, drift 0.5 %에서는 완전기능 수준으로 손상이 거의 발생하지 않아 보수가 요구되지 않는 상태이다. Drift 1.5 %와 2.5 %에서는 기능수행 수준으로 경미한 손상이 발생하여 보수가 필요한 상태이다. Drift 4.0 %에서는 붕괴방지 수준으로 심각한 손상이 발생하여 부분 또는 전체적인 보수 및 보강이 필요한 상태를 의미한다.

중공원형 철근콘크리트 교각의 drift에 따른 손상지수의 변화를 나타내는 Fig. 14는 이 실험의 변수로 사용한 콘크리트의 기준압축강도 및 철근의 기준항복강도, 그리고 중공치수비 및 축방향철근비에 따른 실험체의 거동특성을 비교한 것으로 재료강도의 증가 등에 따라 손상이 지연되는 실험결과를 해석결과가 잘 모사하고 있다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 1.5 %에서 HC-1 실험체는 0.27, HC-2 실험체는 0.24이다. Drift 3.0 %에서 HC-1 실험체는 0.73, HC-2 실험체는 0.43 그리고 drift 4.0 %에서 HC-1 실험체는 1.0, HC-2 실험체는 0.68이다. 즉 콘크리트의 기준압축강도 및 철근의 기준항복강도가 큰 HC-2 실험체가 동일한 drift에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다.

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Fig. 14

Assessment of performance level for hollow circular columns

중공사각형 철근콘크리트 교각의 drift에 따른 손상지수의 변화를 나타내는 Fig. 15는 이 실험의 변수로 사용한 시공방법, 콘크리트의 기준압축강도 및 철근의 기준항복강도에 따른 실험체의 거동특성을 비교한 것이다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 1.5 %에서 HR-1 실험체는 0.23, HR-2 실험체는 0.18이다. Drift 3.0 %에서 HR-1 실험체는 0.45, HR-2 실험체 0.40 그리고 drift 5.0 %에서 HR-1 실험체는 1.0, HR-2 실험체는 0.72이다. 즉 콘크리트의 기준압축강도 및 철근의 기준항복강도가 큰 HR-2 실험체가 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다.

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Fig. 15

Assessment of performance level for hollow rec-tangular columns

  일련의 해석결과와 실험결과의 비교로부터 이 연구에서 제안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 중공원형 및 중공사각형 철근콘크리트 교각의 내진성능을 적절히 평가함으로써, 신설 또는 기존 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 해석적으로 가능할 것으로 판단된다.

4. 결    론

이 연구에서는 중공 철근콘크리트 교각의 내진성능평가를 위해 해석기법과 모델을 제시하였고, 이를 적용한 비선형 유한요소해석 프로그램을 사용하여 지진하중과 같은 반복하중이 작용하는 현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각을 해석하였다. 실험결과와 비교하고 검토된 수치예제로부터 다음의 결론을 얻었다.

1)제안한 해석기법과 모델은 준정적 실험의 연구결과 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 1.00과 0.06이고, 변위연성도에 대한 실험값/해석 값의 평균과 변동계수는 0.85와 0.11으로서 전반적으로 실험결과를 잘 평가하고 있음이 확인되었다.

2)이 연구에서는 drift에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타낼 수 있는 확장된 손상지수에 의한 중공 철근 콘크리트 교각의 내진성능을 파악하였고 이를 통해 내진성능 평가기법을 제안하였다.

3)합리적으로 안전성과 경제성을 고려할 수 있는 중공 철근콘크리트 교각의 성능기반 내진설계법을 개발하기 위한 기본자료를 제공함으로써 구조물의 중요도 및 소요 연성도에 따른 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계법의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

4)중공 철근콘크리트 교각의 이력거동은 실험과 해석 결과 모두 수평균열의 진전후, 콘크리트 피복이 박리‧이탈되고 종방향 철근의 좌굴이 일어났다. 여기에 좌굴이 현저하게 되면 내부콘크리트의 손상으로 진행되며 최종적으로 종방향 철근의 파단이 생겼다. 종방향 철근의 파단은 강성과 강도저하에 큰 영향을 미친다.

5)현장타설 및 조립식 중공 철근콘크리트 교각의 시공 상세에 따른 비선형 거동특성 및 지진손상을 제대로 평가함으로써 향후 중공 철근콘크리트 교각구조의 내진성능평가 및 설계 검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

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