철근콘크리트 기둥 거동에 미치는 하중프로토콜의 영향

Abstract

구조물이 지진 중에 에너지를 흡수하고 건물 수명 동안 예상 되는 지진 발생 위험과 구조물의 중요성에 따라 일정 수준의 손상을 받아들이는 것을 예상할 수 있는 성능 기반 내진 설계가 최근에 점점 널리 받아들여지고 있다. 국내외 내진설계기준에서는 큰 지진에 대하여 인명피해를 방지하기 위한 붕괴방지 수준까지 정의하고 있다. 붕괴 방지와 같은 성능수준은 극심한 손상에 이르기까지 지진하중을 모사할 수 있는 합리적인 하중이력을 사용하여 정의되어야 한다. 성능 기반 내진 설계 절차의 구현에서 붕괴 안전 한계 상태를 정의하기 위해선 시스템의 붕괴를 정확하게 포착하고 예측할 수 있는 구성 요소 모델의 개발이 필요로 한다. 하지만 콘크리트 부재의 경우, 단순한 기계 원리에 기반한 해석적 접근 방식과 계산 모델들이 설계에는 충분히 정확하지 않기 때문에 현장 조건을 반영한 대규모 실험이 필요하다. PEER 구조 성능 데이터베이스에 300개 이상의 직사각형 RC 기둥에 대한 실험 속성이 정리되어 있지만, 대부분의 시험 데이터는 변형이 발생하는 실험체의 저하와 연화 거동을 정확하게 확인할 수 있을 만큼 적당한 실험체 상세를 가지고 있지 않다. 또한, 다양한 하중 프로토콜에 따라 시험된 동일한 실험체에 대한 데이터도 제한적이다. 따라서 본 연구에서는 철근 콘크리트 기둥에 다양한 하중 프로토콜을 변수로 적용하여 기둥의 거동에 대한 이해를 높이는 것을 목표로 하고자 한다. 횡하중을 받는 기둥이 충분한 거동을 확보할 수 있게 특수 모멘트 골조 철근 상세를 가지는 기둥 4개를 제작하여 동일한 실험 세팅 조건에서 실험을 진행했으며, 각 기둥에 발생한 손상과 기둥의 강도 및 변형 능력에 미치는 영향을 분석하였다.

분석을 통하여 다음과 같은 결론들을 도출할 수 있었다.

(1) 콘크리트 손상 상태를 비교했을 시, 지속적인 대칭 반복 가력이 비대칭 가력이나 치우짐 가력에 비해 기둥에 빠른 손상을 야기하는 것을 확인할 수 있었다. (2) 기둥에 비대칭 하중을 가력 할 경우 대칭 반복 하중 가력 보다 단기간에 급격한 강도 저하를 야기했다. 또한, 이방향 하중이력이 일방향 하중이력 보다 강도 손실에 취약했다. (3) 이방향 대칭 반복 가력이 기둥 변형에 가장 취약하며, 지속적인 대칭 반복 가력이 단조가력이나 비대칭 하중이력에 비해 기둥의 변형 성능을 저하시키는 것으로 판단된다. (4) 기둥의 손상 수준을 비교했을 시, 기둥의 강도를 기반으로 정의되는 손상수준3,4에 상응하는 변위비를 통하여 비대칭 가력이 내력저하를 가장 심하게 야기하며, 이방향 대칭 반복 하중이 일방향 대칭 반복 하중에 비해 강도 손실에 취약함을 확인했다.|Performance-based seismic design, which predicts that structures will absorb energy during an earthquake and accept a certain level of damage over the life of the building, depending on the expected seismic hazard and the importance of the structure, has become increasingly widely accepted in recent years. Domestic and international seismic design standards define the level of collapse prevention to prevent casualties in large earthquakes. Performance levels, such as collapse pevention, should be defined using reasonable load histories that can simulate seismic loads up to extreme damage. Defining collapse safety limit states in the implementation of performance-based seismic design procedures requires the development of component models that can accurately capture and predict collapse of the system. However, in the case of concrete members, analytical approaches and calculation models based on simple mechanical principles are not accurate enough for design, so large-scale experiments reflecting field conditions are necessary. Although the PEER structural performance database contains experimental properties for more than 300 rectangular RC columns, most test data do not have adequate specimen detail to accurately determine the degradation and softening behavior of specimens as they undergo deformation. Additionally, there is limited data on the same specimen tested under different loading protocols. Therefore, this study aims to improve understanding of the behavior of columns by applying various loading protocols to reinforced concrete columns as variables. To ensure sufficient behavior of columns under lateral load, four columns with special moment frame reinforcement details were manufactured and experiments were conducted under the same experimental setting conditions. Damage occurred in each column and its effect on the strength and deformation capacity of the column were analyzed.

Through the analysis, the following conclusions could be drawn.

(1) When comparing the damage status of concrete, it was confirmed that continuous symmetric repetitive loading caused faster damage to the column than asymmetric loading or offset loading. (2) Applying an asymmetical load to the column caused a rapid decrease in strength in a shorter period of time than applying a symmetrical repeated load. Additionally, the bidirectional loading history was more vulnerable to strength loss than the unidirectional loading history. (3) It is believed that bidirectional symmetric repetitive loading is the most vulnerable to column deformation, and continuous symmetric repetitive loading reduces the deformation performance of columns compared to monotonic loading or asymmetric loading history. (4) When comparing the damage states of columns, the asymmetric load causes the most svere decrease in load capacity through the drift ratio corresponding to damage states 3 and 4 defined based on the strength of the column, and the bidirectional symmetric repetitive load causes the most severe decrease in load capacity. It was confirmed that it was vulnerable to strength loss compared to symmetric repeated loading.