構 造 工 學
大 韓 土 木 學 會 論 文 集第26卷 第2A 號·2006年 3月 pp. 351 ~ 361
원형 철근콘크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 내진성능평가 : II. 성능평가
Seismic Performance Assessment of Circular Reinforced Concrete Bridge Piers with Confinement Steel: II. Performance Assessment
김태훈*·김영진**·강형택***·신현목****
Kim, Tae-Hoon · Kim, Young-Jin · Kang, Hyeong-Taek · Shin, Hyun-Mock
···
Abstract
In this study, nonlinear finite element analysis procedures are presented for the seismic performance assessment of circular rein- forced concrete bridge piers with confinement steel. This paper defines a damage index based on the predicted hysteretic behavior of a circular reinforced concrete bridge pier. Damage indices aim to provide a means of quantifying numerically the damage in cir- cular reinforced concrete bridge piers sustained under earthquake loading. The proposed numerical method is applied to circular reinforced concrete bridge piers with confinement steel tested by the authors. The proposed numerical method gives a realistic pre- diction of seismic performance throughout the loading cycles for several test specimens investigated.
Keywords :
nonlinear finite element analysis procedures, seismic performance assessment, circular reinforced concrete bridge piers, damage index···
요 지
이 연구에서는 원형 철근콘크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 내진성능평가를 위한 비선형 유한요소해석 기법을 제시하였다.
이 논문에서는 원형 철근콘크리트 교각의 이력거동의 예측에 근거한 손상지수를 제시하였다. 손상지수는 지진하중하의 원형 철 근콘크리트 교각의 손상을 수치적으로 정량화하는 방법으로서 제안되었다. 제안한 해석기법을 실험된 철근콘크리트 교각에 적 용하여 비교, 분석하였다. 제안된 해석기법은 조사된 실험체에 대하여 하중단계에 따라 내진성능을 정확하게 예측하였다.
핵심용어 : 비선형 유한요소해석 기법, 내진성능평가, 원형 철근콘크리트 교각, 손상지수
···
1. 서 론
연계논문에서는 원형 철근콘크리트 교각의 내진성능을 파 악하기 위한 실험적 , 해석적 연구 내용을 상세히 다루었다 .
이 논문에서는 기존의 지진손상 평가법 ( 김태훈 등 , 2003;
Kim 등 , 2005) 을 확장하여 원형 철근콘크리트 교각의 횡방
향 철근에 따른 내진성능을 해석적으로 평가하였다 .
지진의 규모와 빈도 및 그로 인한 피해가 증가 추세에 있 는 현 상황에서 지진으로 인한 기반시설과 인명의 피해를 최소화 또는 방지하기 위해서는 구조물에 대한 적절한 내진 성능의 평가가 시급히 필요한 실정이다 . 이에 많은 연구자들 이 실험적 , 해석적 방법에 의하여 교각의 내진성능평가를 시 도하였다 ( 김익현 등 , 2004; 이도형 , 2004; 이재훈 등 , 2002;
정영수 등 , 2004).
교각의 내진성능은 실험 또는 해석에 의한 하중 - 변위 관계
를 이용하여 성능기초 내진설계 (performance-based seismic
design) 개념을 바탕으로 평가할 수 있다 . 성능기초 내진설계
에 있어서 구조물의 내진성능 평가는 대상으로 하는 지진레 벨에 대하여 목표성능을 달성하는지를 검토하는 방법으로서 설계지진에 저항하기 위하여 구조물에 요구되는 소요역량
(demand) 과 구조물이 보유하고 있는 공급역량 (capacity) 을 서
로 비교함으로써 내진성능을 평가할 수 있다 . 이러한 역량스
펙트럼 (capacity spectrum) 방법은 기존 구조물의 내진성능을
평가할 수 있는 유용한 방법 중의 하나이다 . 이는 비선형해 석 (push-over analysis) 으로 얻을 수 있는 대상 구조물 전체
의 공급역량곡선 (capacity curve) 과 구조물의 설계지진레벨에 대한 응답스펙트럼을 동일한 그래프 상에서 도식적으로 비 교함으로써 지진지반운동에 대하여 구조물이 어떻게 응답을
하는지를 나타낼 수 있다 (ATC, 1996). 그러나 설계지진에
대한 응답스펙트럼을 따로 구해야 하며 구조물의 공급역량 *
정회원·대우건설기술연구원선임연구원·공학박사(E-mail: [email protected])
**
정회원·대우건설기술연구원수석연구원·공학박사***
정회원·한국도로공사도로교통기술원책임연구원·공학박사****
정회원·성균관대학교토목환경공학과교수·공학박사과 소요역량을 동일한 스펙트럼 위로 변환해야 하는 번거로 움이 따른다 . 특히 구조물의 보유능력 산정시 등가의 단자 유도계 (equivalent single degree of freedom system) 로 치환이 필요한데 이러한 등가의 단자유도계는 고차모드에 대한 효과를 제대로 고려하지 못함으로써 원래의 다자유도 구조물의 특성을 올바르게 표현하지 못하는 문제점을 지니 고 있다 .
이 연구에서는 다자유도계 구조물의 적용에 한계를 보일 수 있는 역량스펙트럼법의 단점을 보완한 기존의 지진손상 평가 법 ( 김태훈 등 , 2003; Kim 등 , 2005) 을 확장하여 철근콘크리트 교각의 내진성능을 해석적으로 평가하고자 한다 . 지진손상 평 가법은 손상지수의 산출이 가능한 비선형 유한요소해석을 이 용하여 다자유도계 구조물의 실제거동을 모사할 수 있다 .
이 연구의 목적은 지진하중을 받는 원형 철근콘크리트 교 각의 횡방향 철근에 따른 내진성능을 평가하기 위해 제안한 해석기법을 연계논문의 실험결과와 비교함으로써 그 타당성 을 검증하는데 있다 .
2. 비탄성 유한요소해석에 의한 내진성능평가
2.1 비탄성 유한요소해석 프로그램
이 연구에서는 저자 등에 의하여 그 동안 개발된 철근콘
크리트 평면응력 , 그리고 경계면 요소 등 ( 김태훈 , 2003;
Kim 등 , 2003; Kim 등 , 2005) 을 미국 버클리 대학의
Taylor 가 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP
(Taylor, 2000) 에 이식하여 모듈화된 비선형 유한요소해석 프
로그램 RCAHEST( R einforced C oncrete A nalysis in H igher
E valuation S ystem T echnology) ( 김태훈 등 , 2001) 에 수정 을 가하여 사용하였다 .
2.2 손상지수 산정
최근 들어 내진상세가 적용되지 않은 기존 구조물의 비선 형 거동특성의 파악과 내진성능 평가를 위한 노력이 계속되 고 있으며 손상정도를 판단하기 위한 척도로서 손상지수를 사용하는 경우가 많아지고 있다 . 손상지수는 구조물의 손상
된 정도를 평가할 수 있는 편리한 방법으로서 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수치적으로 표현하며 전체 구조 물의 성능특성을 나타내는 지수이다 . 이러한 손상지수는 구 조물레벨과 요소레벨로 나누어 볼 수 있다 (Hindi 등 , 2001).
구조물레벨에는 구조물의 기본주기 변화를 이용하는 평가 기법이 있으며 요소레벨에는 강성의 저하 , 피로의 정식화 그리고 이력곡선의 에너지 방출 등을 이용하는 평가기법이 있다 . 이러한 구조물레벨의 손상지수 산정법은 구조물의 손 상을 정량적으로 평가할 수 있는 방법이기는 하지만 각 하 중단계에서의 기본주기를 계산하는 등의 번거로움이 있다 .
이에 기존의 연구에서는 비선형 유한요소해석을 전제로 하 여 유한요소해석에서 필연적으로 계산되는 가우스적분점에서 의 변형률을 이용하여 해석프로그램에서 직접 손상지수를 산 정할 수 있는 방법을 개발하였다 . 즉 , 비탄성 해석으로 얻어 지는 콘크리트와 철근의 극한변형률에 근거한 파괴기준을 토 대로 요소레벨의 손상지수를 개발하였다 . 파괴기준은 크게
콘크리트의 압축파괴와 전단파괴 , 그리고 철근의 인장파괴로 나누어 볼 수 있으며 이를 토대로 각 해석단계의 변형률에 해당하는 손상지수를 구한다 . 이러한 파괴기준과 손상지수를 정리하여 표 1 에 나타내었다 ( 김태훈 등 , 2003; Kim 등 , 2005).
손상지수 는 손상이 없는 0.0 으로부터 파괴를 나타내는
1.0 까지로 표현되며 손상지수 0.75 는 파괴의 시점을 알린다 .
일반 구조물에 대한 각각의 손상지수의 값을 이 연구의 대 상인 철근콘크리트 교각에 적용하면 , 보수가 가능한 손상지 수 값 0.1 은 주철근의 항복이 일어나기 전으로서 경미한 휨 균열이 발달한 상태로 , 보수가 불가능한 손상지수 값 0.4 는 주철근이 항복한 후 매우 큰 휨 또는 전단균열에 의해서 콘 크리트의 피복이 박리된 상태로 , 파괴 시점의 손상지수 값인
0.75 는 주철근의 파단이 일어나기 시작한 상태로 , 그리고 손
상지수 값 1.0 은 주철근이 대부분 파단되어 붕괴된 상태로 설명할 수 있다 ( 김태훈 등 , 2003; Kim 등 , 2005).
2.3 손상지수를 이용한 내진성능평가
최근 철근콘크리트 교각의 설계는 한계상태설계 (limit state
design) 이론을 도입하여 사용하고 있으며 , 이를 기본으로 성능
기반설계 (performance based design) 이론으로 전환하여 한층 선진화되는 과정에 있다 . 또한 요구되는 성능기준에 적합한 구 조물을 설계하기 위한 기반기술의 개발이 필요시 되고 있다 .
성능기반 내진설계는 구조물이 예측 가능한 내진성능을 확 보하고 규정된 성능목표를 달성할 수 있도록 하는데 필요한 해석과 설계절차를 포괄하고 있는 차세대 개념의 내진설계 방 법이다 . 즉 예상되는 지진하중에 대하여 주어진 조건에서 허 용할 수 있는 적절한 피해정도 혹은 에너지 흡수정도를 미리 설정하고 , 이를 달성하도록 하는 설계법이다 (ATC, 1996).
그림 1 은 기존의 연구자들이 제안한 성능기반 내진설계 체제를 나타내고 있으며 성능목표는 지역의 중요도 및 교량 의 중요성 등에 따른 위험수준에 의해 결정된다 (Lehman
등 , 2004). 이러한 내진설계 체제는 교량과 건물의 여러 성
능기반 설계규정과 거의 유사하다 (ATC, 1996; FEMA 1997).
이 연구에서는 기존의 지진손상 평가법 ( 김태훈 등 , 2003;
Kim 등 , 2005) 을 확장하여 표 2 와 같이 성능수준과 함께
비교하여 나타냄으로써 철근콘크리트 교각의 내진성능 평가 표 1. 요소레벨의 손상지수
Item Failure Criterion
( ε
cuor ε
tu) Damage Index ( D.I .
e) ConcreteCompressive and Shear
Steel Tensile 0.10
* ρ
s=transverse confining steel ratio; f
yh=yield stress of the confining steel, ε
sm=steel strain at maximum tensile stress;
=confined concrete compressive strength, ftg
c=fatigue parameter for concrete; ftg
r=fatigue parameter for steel, ε
cs=compressive strain in analysis step; ε
ts=tensile strain in analysis step, ε
cu= ultimate strain of concrete; ε
tu=ultimate strain of reinforcing bars
0.004 1.4
ρsf
yhεsmf
cc′---
+ 1 ftg
c2
εcu–
εcs2
εcu---
⎝ ⎠
⎛ ⎞
2–
1.20 2 --- ftg
εtsrεtu⎝ ⎠
⎜ ⎟
⎛ ⎞
0.67f
cc′가 가능하도록 하였다 . 완전기능 수준은 손상이 거의 발생하 지 않아 보수가 요구되지 않으며 기능수행 수준은 경미한 손상이 발생하여 보수가 필요한 상태이다 . 그리고 붕괴방지
수준은 심각한 손상이 발생하여 부분 또는 전체적인 보수
및 보강이 필요한 상태를 의미한다 .
위와 같이 성능기반 내진설계 체제는 손상상태의 정량화가 필수적이며 이는 그림 2 와 같이 확장된 지진손상 평가법을 통해서 얻을 수 있다 . 손상상태의 정량화는 기존의 연구자들 이 제시한 손상지수에 관한 연구결과 ( 김태훈 등 , 2003; Kim
등 , 2005) 를 근거로 하고 있으며 손상상태는 한 개 또는 그
이상의 한계상태에 의해 결정되고 각각은 성능수준을 규정 할 수 있다 .
3. 횡방향 철근에 따른 성능평가
3.1 개요
이 연구에서 제안한 해석기법과 모델의 타당성을 검증하기 위해서 연계논문의 원형 철근콘크리트 교각 실험체를 선정 하였다 . 이 실험체를 해석 예로 채택한 이유는 철근콘크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 내진성능을 정량화시킨 실험이 기 때문이다 .
그림 1. 성능기반 내진설계 체제 (Lehman 등 , 2004)
표 2. 성능수준 상세와 지진손상 평가
Performance level Service Repair Damage
State Index
Fully operational Full service Limited epoxy injection Hairline cracks 0.1
Delayed operational Limited service Epoxy injection
Concrete patching Open cracks
Concrete spalling 0.4
Stability Not useable Replacement of
damage section Bar buckling/Fracture
Core crushing 0.75
그림 2. 성능수준과 손상상태를 평가하는 지진손상 평가법
그림 3. 등가환산단면
이 실험체들의 비선형 유한요소해석을 위해서 연계논문에 서 전술한 바와 같이 원형 철근콘크리트 교각을 등가환산단 면 ( 김태훈 등 , 2000) 을 이용하여 그림 3 과 같이 2 차원 평면 요소로 해석이 가능하도록 하였으며 교각 실험체들은 그림
4 와 같이 철근콘크리트요소 66 개 , 경계면요소 5 개 , 그리고 집중하중이 작용하는 부분의 파괴를 방지하기 위한 탄성요 소 2 개로 총 73 개의 요소로 분할하였다 .
3.2 내진성능평가
그림 5~ 그림 18 은 하중재하에 따른 손상지수의 변화를 성능수준과 함께 비교검토하여 교각실험체의 내진성능평가 를 나타내고 있다 . 이러한 해석결과는 실험체에 지진하중이 진행되는 동안 소성힌지 영역에서 비탄성 변형이 증대됨에 따라 일어나는 콘크리트의 균열과 파쇄 , 그리고 이로 인한 손상이나 파괴와 대체적으로 잘 일치하고 있다 ( 표 3~ 표
16).
이 연구에서 수행된 내진성능평가 예로서 55 mm 간격의 심부구속철근을 갖는 실험체 CC10-55-1 의 실험결과를 재하
단계별로 기술하면 다음과 같다 . Drift 0.25% 에서 교각 전
면에 미세한 수평 휨균열이 생기며 ( 그림 19(a)), 0.5% 에서는
기초부의 휨 균열이 진전하였다 . 1.0% 에서 재하방향과 평행 한 면에 경사 균열이 발생하였으며 , 1.5% 에서는 경사균열이 진전하고 , 콘크리트 피복이 박리하기 시작하였다 ( 그림 19
(b)). 2.0% 에서 수평균열이 증가하였으며 , 2.5% 에서는 휨 균
열이 현저하게 되었다 . 3.0% 에서 기초부로부터 약 20 cm
높이에 걸쳐 콘크리트 피복이 박리되었으며 ( 그림 19(c)), 4.0% 가 되면서 콘크리트의 이탈이 진전하였다 . 5.0% 에서는 종방향 철근의 좌굴이 발생하였으며 ( 그림 19(d)), 6.0% 에서
종방향 철근이 파단이 일어나 실험을 종료하였다 ( 그림
19(e)). 이에 대하여 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값은
drift 0.25% 에서 0.05, 0.5% 에서 0.08, 1.0% 에서 0.15, 1.5% 에서 0.21, 2.0% 에서 0.25, 2.5% 에서 0.31, 3.0% 에서
0.37, 4.0% 에서 0.47, 5.0% 에서 0.59, 그리고 6.0% 에서
0.81 을 나타내고 있다 . 이 해석결과에 나타난 손상지수의 값 그림 4. 유한요소모델
표 3. 실험체의 CC10-55-1의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.05 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.21 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.37 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.59 Stability
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.81 -
그림 5. 실험체 CC10-55-1의 내진성능평가
그림 6. 실험체 CC20-55-1의 내진성능평가
을 2.3절에 기술한 성능평가 기법으로 표현하면, drift 0.25%에서는 완전기능 수준으로 손상이 거의 발생하지 않아 보수가 요구되지 않는 상태이다. Drift 1.5%와 3.0%에서는 기능수행 수준으로 경미한 손상이 발생하여 보수가 필요한 상태이다. Drift 5.0%에서는 붕괴방지 수준으로 심각한 손상 이 발생하여 부분 또는 전체적인 보수 및 보강이 필요한 상 태를 의미한다.
하중재하에 따른 요소레벨의 손상지수의 변화를 나타내는 그림 20은 이 실험의 변수로 사용한 횡방향 철근량에 따른 실험체의 거동특성을 비교한 것으로 횡방향 철근의 증가에 따라 손상이 지연되는 실험결과를 해석결과가 잘 모사하고 있다. 해석결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 1.5%에서 CC20-55-1 실험체는 0.21, CC20-80-1 실험 체는 0.25, CC20-140-1 실험체는 0.33이다. 그리고 drift 표 4. 실험체의 CC20-55-1의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.04 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.21 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.35 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.57 Stability
7.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
그림 7. 실험체 CC10-80-1의 내진성능평가
표 5. 실험체의 CC10-80-1의 내진성능평가
Drift (%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.06 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.23 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.36 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.73 Stability
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
표 6. 실험체의 CC20-80-1의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.06 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.25 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.40 Delayed operational
4.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.99 -
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
그림 8. 실험체 CC20-80-1의 내진성능평가
3.0% 에서 CC20-55-1 실험체는 0.35, CC20-80-1 실험체는
0.40, CC20-140-1 실험체는 1.0 이다 . 즉 80 mm 와 140 mm 간격의 횡방향 철근을 갖는 CC20-80-1 실험체와 CC20-
140-1 실험체보다 55 mm 간격의 횡방향 철근을 갖는
그림 9. 실험체 CC10-140-1의 내진성능평가
그림 10. 실험체 CC20-140-1의 내진성능평가
그림 11. 실험체 CC10-45-2의 내진성능평가
그림 11. 실험체 CC10-45-2의 내진성능평가
표 7. 실험체의 CC10-140-1의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.08 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.27 Delayed operational
2.50 Significant spalling 0.37 Delayed operational
4.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.99 -
5.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
표 8. 실험체의 CC20-140-1의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.08 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.33 Delayed operational
2.50 Significant spalling 0.45 Stability
3.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.99 -
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
CC20-55-1 실험체가 동일한 하중단계에서 손상이 지연되고 있음을 확인할 수 있다.
그림 21은 이 실험의 변수로 사용한 축력비에 따른 실험 체의 거동특성을 비교한 것으로 축력비의 증가에 따라 손상 이 진전되는 실험결과를 해석결과가 잘 모사하고 있다. 해석 결과의 재하 단계별 손상지수 값을 확인해보면 drift 2.0%에 서 CC10-80-1 실험체는 0.24이고 CC10-80-2 실험체는
0.31이다. 그리고 drift 4.0%에서 CC10-80-1 실험체는 0.47 이며 CC10-80-2 실험체는 1.0이다. 즉 축력비가 10%인 CC10-80-1 실험체보다 축력비가 20%인 CC10-80-2 실험체 가 동일한 하중단계에서 손상이 진전되고 있음을 확인할 수 있다.
일련의 해석결과와 실험결과의 비교로부터 이 연구에서 제 안하고 있는 방법은 지진하중과 같은 반복하중에 의한 철근 표 9. 실험체의 CC10-45-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.05 Fully operational
2.00 Open cracks, Spalling 0.25 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.32 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.99 -
7.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
표 10. 실험체의 CC20-45-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.05 Fully operational
2.00 Open cracks, Spalling 0.21 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.32 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.57 Stability
7.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
그림 12. 실험체 CC20-45-2의 내진성능평가 그림 13. 실험체 CC10-55-2의 내진성능평가
표 11. 실험체의 CC10-55-2의 내진성능평가
Drift (%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.06 Fully operational
2.00 Open cracks, Spalling 0.23 Delayed operational
4.00 Significant spalling 0.39 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.66 Stability
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
콘크리트 교각의 내진성능을 적절히 평가하고 있으며, 개발 된 철근콘크리트 구조물의 비선형 유한요소해석 프로그램
(RCAHEST)을 이용함으로써, 신설 또는 기존 철근콘크리트 교각의 내진성능평가가 가능할 것으로 판단된다.
그림 14. 실험체 CC20-55-2의 내진성능평가
그림 15. 실험체 CC10-80-2의 내진성능평가
그림 16. 실험체 CC20-80-2의 내진성능평가
그림 17. 실험체 CC10-140-2의 내진성능평가
표 12. 실험체의 CC20-55-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.05 Fully operational
2.00 Open cracks, Spalling 0.23 Delayed operational
3.00 Significant spalling 0.30 Delayed operational
5.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.70 Stability
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
표 13. 실험체의 CC10-80-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.07 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.24 Delayed operational
2.00 Significant spalling 0.31 Delayed operational
3.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.71 Stability
6.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
4. 결 론
이 연구에서는 지진하중을 받고 있는 원형 철근콘크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 내진성능을 평가하기 위해 해 석기법과 모델을 제시하였고 제안된 해석기법과 모델을 적 용한 비선형 유한요소해석 프로그램을 사용하여, 지진하중
이 작용하는 철근콘크리트 교각을 해석하였다. 실험결과와 비교검토된 수치예제로부터 다음의 결론을 얻었다.
1. 제안한 해석기법과 모델이 지진하중을 받는 원형 철근콘 크리트 교각의 횡방향 철근에 따른 전반적인 거동특성을 바르게 표현하고 있음이 입증되었다.
2. 이 연구에서는 하중 재하에 따른 구조물의 손상정도를 수 치적으로 표현하며 전체 구조물의 성능특성을 나타낼 수 있는 손상지수에 의한 내진성능 평가기법을 제안하였다.
3. 교각의 손상메커니즘은 실험과 해석결과 모두 수평균열의 진전후, 콘크리트 피복이 박리이탈되고 종방향 철근의 좌 굴이 일어났다. 여기에 좌굴이 현저하게 되면 내부콘크리 트의 손상으로 진행되며 최종적으로 종방향 철근의 파단 이 생겼다. 종방향 철근의 파단은 강성과 강도저하에 큰 영향을 미친다.
4. 지진하중을 받는 철근콘크리트 교각의 응답특성 및 지진 손상을 제대로 평가함으로써 철근콘크리트 교각구조의 내 진성능평가 및 설계검토 등에 충분히 활용될 수 있을 것 이다.
5. 성능기반 내진설계개념에 접목하여 비선형 유한요소해 석을 이용한 합리적이고 경제성 있는 차세대 내진설계 법의 개발 등에 유용하게 적용할 수 있을 것으로 기대 된다.
표 14. 실험체의 CC20-80-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.07 Fully operational
1.50 Open cracks, Spalling 0.25 Delayed operational
2.50 Significant spalling 0.37 Delayed operational
3.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.62 Stability
5.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
표 15. 실험체의 CC10-140-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.10 Fully operational
1.00 Open cracks, Spalling 0.29 Delayed operational
1.50 Significant spalling 0.32 Delayed operational
2.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.48 Stability
5.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
그림 18. 실험체 CC20-140-2의 내진성능평가
표 16. 실험체의 CC20-140-2의 내진성능평가
Drift(%) Experiment Analysis
Notes Damage Index Performance level
0.25 First cracking 0.09 Fully operational
1.00 Open cracks, Spalling 0.26 Delayed operational
1.50 Significant spalling 0.35 Delayed operational
2.00 Visible buckling of longitudinal bars 0.48 Stability
5.00 Fracture of longitudinal bars 0.99 -
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그림 19. 실험체 CC10-55-1의 파괴형상
그림 20. 횡방향 철근량에 따른 손상지수의 변화
그림 21. 축력비에 따른 손상지수의 변화
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