RC 기둥의 일방향과 이방향 하중에 따른 내진거동 평가

Abstract

As in Korea, there are many reinforced concrete (RC) ordinary moment frame (OMF) buildings designed only in consideration of gravity loads. In the case of OMF RC columns, when an earthquake load acts on a building, it can cause serious damage and has a problem vulnerable to seismic behavior. The transverse reinforcement has a wide gap, and the transverse reinforcement has become with a 90° hook. In addition, due to lap-splice joints located at the bottom of the column, joint performance decreases after the removal of the covering concrete, which can lead to weak behavior against earthquake loads. Therefore, seismic performance evaluation is required for OMF columns. Previous researchers have emphasized unidirectional loading for RC columns to evaluate seismic performance (Valluvan R et al., 1993, Aboutaha RS et al., 1999, Harries KA., 2006, Ghosh KK et al., 2007). However, when the seismic load is applied to the actual building, unidirectional loading does not occur, and due to the planar irregularity of the building, a bidirectional loading may act on the building (Bousias et al., 1995, Qiu et al., 2002, Del Zoppo et al, Rodrigues, 2016., 2006 Lee et al., 2019). When bidirectional loading is applied, the seismic performance decreases compared to when unidirectional is applied (Qiu et al., 2002, Kawashima et al., 2003, Rodrigues et al., 2012, Di Ludovico et al., 2013). However, the experimental basis for numerically quantifying the degree of seismic performance degradation is very limited. Of the 464 RC columns tested over the past 40 years, only about 14% were tested for bidirectional loading (Berry et al., 2013, Rodrigues 2012). The RC column under bidirectional loading may suffer more damage and experiments on this directional load must be supplemented in order to accurately identify the seismic behavior of the RC column and prevent damage caused by the earthquake load (Lee et al. 2019). Therefore, in order to understand the seismic behavior of RC columns, this study intends to study the effect of bidirectional loading on column specimens under constant axial loads. In order to evaluate the seismic performance of the RC columns, subjected to unidirectional loading and bidirectional loading were manufactured in two full-scale. The column specimen was designed according to ACI 318-19, and the loading history was repeated by displacement control according to FEMA 461. In order to evaluate the seismic performance of each specimen, the main reinforcement strain in crack patterns, hysteresis curves, stiffness degradation, energy dissipation, and the longitudinal reinforcement strain at lap splice was analyzed and compared according to the experimental variables. As a result of experimental analysis, the following conclusions were drawn. 1) It was confirmed that the maximum loads of specimen OU-20 and OB-20 showed similar values, while OB-20 occurred at an earlier drift ratio. After the maximum load, OB-20 showed 22% more intensity drop than OU-20.

2) Compared to OU-20, the experiment OB-20 had 35% more stiffness degradation when the maximum load was reached. In the case of OMF column specimens, it is shown that the bidirectional loading affects the stiffness degradation.

3) The specimen OU-20 can confirm that the cumulative energy dissipation value is 23% lower than that of the specimen OB-20. It can be seen that the two-way load lowered the strength and deformation performance of the column compared to the one-way load.

4) It is shown that both the specimens OU-20 and OB-20 did not yield in the longitudinal reinforcement distributed from the bottom of the column at the lap splice length and that OB-20 had 33% more deformation than OU-20 at a height of 510 mm. This shows that the strain of the longitudinal reinforcement was high due to more cumulative displacement in bidirectional loading. 5) In the case of modeling parameters a and V_(u,ASCE)calculated in accordance with ASCE 41-17, the specimen OB-20 tested under the actual bidirectional loading showed a difference of up to 17% compared to the unidirectional loading specimen OU-20. |우리나라와 같이 중약진 지역에서는 중력하중만을 고려하여 설계된 철근콘크리트(RC) 보통모멘트골조(Ordinary moment frame, OMF) 건물들이 많이 분포되어 있다. OMF RC기둥의 경우 지진하중이 건물에 작용될 경우 심각한 손상을 초래할 수 있으며 내진거동에 취약한 문제점을 가지고 있다(Ghosh et al., 2007, Moon et al., 2012, Kim et al., 2013). 횡보강근의 간격이 넓으며 횡보강근이 90° 갈고리로 배근이 되었다. 또한 기둥하부에 위치한 겹침이음으로 인해 피복 콘크리트의 탈락 이후 이음성능이 저하되어 지진하중에 대해 취약한 거동을 할 수 있다. 따라서 OMF 기둥에 대하여 내진성능평가가 요구된다(Kim et al., 2016). 이전 연구자들은 RC기둥에 대하여 내진성능 평가를 위해 일방향 반복하중을 가력해 왔다(Valluvan R et al., 1993, Aboutaha RS et al., 1999, Harries KA., 2006, Ghosh KK et al., 2007). 그러나 지진하중은 실제 건물에 적용되었을 때 일방향 하중이 발생되지 않으며, 건물의 평면비정형성으로 인하여 이방향 하중이 건물에 작용될 수 있다(Bousias et al., 1995, Qiu et al., 2002, Rodrigues, 2016, Del Zoppo et al., 2016). 이방향 하중이 가력될 경우 일방향 하중이 가력되었을 때 보다 내진성능이 저하된다(Qiu et al., 2002, Kawashima et al., 2003, Rodrigues et al., 2012, Di Ludovico et al., 2013). 하지만 내진성능 저하 정도를 수치적으로 정량화 할 실험적 근거는 매우 제한적이다. 지난 40년 동안 실험된 464개의 RC 기둥 중에서 약 14%만이 이방향 하중에 대하여 실험이 진행되었다. 이방향 하중하에 있는 RC기둥이 더 많은 피해를 받을 수 있으며 RC기둥의 정확한 내진거동을 파악하고 지진하중에 의한 손상을 예방하기 위해서는 이방향 하중에 대한 실험이 보완되어야 한다(Lee et al. 2019). 본 연구에서는 철근콘크리트 기둥 실험체를 제작하고 가력실험을 수행하여 내진성능 평가하고자 하였다. 실험체는 가력방향을 변수로 2개를 실물크기로 제작하였다. 기둥 실험체는 ACI 318-19에 따라 설계하였으며 실험체 가력은 FEMA 461 기준에 따라 변위제어로 반복가력하였다. 각 실험체의 내진성능을 평가하기 위해 균열패턴, 이력곡선, 강성저하, 에너지 소산, 겹침이음에서의 주철근 변형률을 분석하였으며 이를 실험변수에 따라 비교하였다. 실험분석 결과, 다음 결론들이 도출되었다. 1) 실험체 OU-20과 OB-20의 최대하중은 유사한 값을 보이는 반면에 OB-20이 더 이른 변위비에서 발생한 것을 확인할 수 있었다. 최대하중 이후 OB-20이 OU-20보다 22% 더 많은 강도저하가 나타났다.

2) 실험체 OB-20는 OU-20와 비교하였을 때 최대내력 도달 시 35% 더 많은 강성저하가 발생하였다. OMF기둥 실험체의 경우 이방향 하중이 강성저하에 영향을 미치는 것으로 보여 진다.

3) 실험체 OU-20은 실험체 OB-20과 비교하여 누적에너지소산 값이 23% 더 낮은 값을 확인할 수 있으며 이것은 이방향 하중이 일방향 하중에 비해 기둥의 내력과 변형성능을 저하시켰음을 알 수 있다.

4) 겹침이음 길이에 기둥하부에서부터 배근된 주철근은 실험체 OU-20, OB-20 모두 항복하지 않았으며 높이 510mm에서 OB-20이 OU-20보다 33% 더 많은 변형을 한 것으로 보여 진다. 이는 이방향에서 더 많은 누적 변위로 인하여 주철근의 변형률이 높게 나타났음을 보여준다.

5) ASCE 41-17에 따라 계산한 모델링파라메터 a 와 V_(u,ASCE) 의 경우 이방향 하중에 대하여 고려를 하지 않고 제시하였기 때문에 실제 이방향 하중하에 실험된 실험체 OB-20은 일방향 하중 실험체OU-20에 비해 최대 17%의 오차가 나타났다.