이혜진
(Hye-Jin Lee)
1iD
문주현
(Ju-Hyun Mun)
2†iD
양근혁
( Keun-Hyeok Yang)
3iD
김시준
(Si-Jun Kim)
2iD
-
경기대학교 건축공학과 일반대학원 대학원생
(Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon
16227, Rep. of Korea)
-
기대학교 건축공학과 조교수
(Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University,
Suwon 16227, Rep. of Korea)
-
경기대학교 건축공학과 교수
(Professor, Department of Architectural Engineering, Kyonggi University, Suwon 16227,
Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
보-기둥 접합부, GFRP 보강근, 휨 거동, 휨 내력 및 연성, 정착길이
Key words
beam-column connection, GFRP bar, flexural behavior, moment capacity and ductility, anchorage length
1. 서 론
철근콘크리트를 구성하는 재료인 철근은 계면에서 콘크리트와의 우수한 부착성능과 유사한 열팽창계수를 가지고 있어 콘크리트의 취약한 인장강도를 효과적으로
보완할 수 있다. 하지만, 철근은 외부환경에 의해 그 성능이 저하될 수 있는데, 특히 해양레저 시설물과 같이 해양환경에서 염화물의 침투 및 확산으로
인해 철근의 부식이 심각하게 발생할 수 있다(Choi 2010; Kang et al. 2012). 철근의 부식은 재료의 유효단면 손실과 마디 손상을
유발하여 콘크리트와의 부착력을 감소시키며, 최종적으로 구조부재의 내력 및 연성을 저하시키는 주요 원인이 된다(Bautista 1997). 이와 같은
문제를 해결하기 위해서 부식 저항성이 우수한 재료의 적용과 수밀성 및 내구성을 향상시키는 연구가 지속적으로 수행되고 있다(Moon et al. 2005;
Choi 2010; Kang et al. 2012). 현재까지 부식을 억제하기 위한 최적의 방안으로는 피복두께의 증가, 고성능 콘크리트의 사용 및
에폭시 코팅 철근의 사용으로 알려져 있지만, 이는 철근 콘크리트 구조물의 부식에 대한 완전한 대안이 될 수 없다고 평가되고 있다(Oh and Ahn
2008). 따라서 최근에는 재료 자체의 부식성이 제로이면서 기존 일반 철근대비 경량, 고내구성, 높은 인장강도 등의 장점이 있는 섬유보강폴리머(fiber
reinforced polymer, FRP) 보강근의 적용에 대한 연구가 증가하고 있다(Kang et al. 2012; Oh and Ahn 2008;
Park et al. 2017).
유리섬유보강폴리머(glass fiber reinforced polymer, GFRP)의 보강근은 표면의 특성상 콘크리트와의 부착강도가 일반적으로 기존
일반 철근보다 낮다(Benmokrane et al. 1996). 이를 개선하기 위해서 기존 연구자들(Cosenza et al. 1997; Achilides
and Pilakoutas 2004; Okelo and Yuan 2005)은 부착강도에 대한 GFRP 보강근의 표면형상 및 표면처리의 영향과 이들
보강근을 사용한 보의 휨 거동을 중점적으로 평가하였다. 기존 GFRP 보강근을 주철근으로 사용한 보의 휨 거동에 대한 연구(Ashour 2006;
Barris et al. 2009; Issa et al. 2011)는 대부분 정착길이의 확보가 비교적 쉬운 단순보에서 평가되었다. 양단에 단순지점을
갖는 보에서 주철근은 위험단면으로부터 반력점까지 보 길이에 걸쳐 충분한 정착이 이루어질 수 있다. 하지만 보-기둥 접합부에서는 제한된 기둥 폭의 크기로
인해 보 주철근의 직선 배근만으로 충분한 정착길이의 확보가 어렵다. 이에 따라 설계기준인 ACI 318-14(2014)와 ACI 440.1R-15(2015)에서는
보-기둥 접합부와 같이 상대적으로 정착길이가 짧은 경우에 주철근의 한 단을 90° 갈고리로 형성하여 그 정착길이를 확보하도록 하고 있다. 하지만 GFRP
보강근은 재료특성상 굽힘이 불가능하므로, 보-기둥 접합부에서 정착길이를 충분히 확보할 수 없다. 이처럼 주철근 정착길이의 확보가 부재의 휨 거동에
미치는 영향이 현저함을 고려하면, GFRP 보강근을 사용한 보-기둥 접합부의 보는 충분한 내력 및 연성을 확보할 수 없음을 의미한다. 따라서 보-기둥
접합부에서 보의 주철근으로 사용된 GFRP 보강근의 정착길이 확보가 미흡한 경우 보의 휨 내력 및 연성에 대한 자료가 필요하다.
이 연구에서는 굽힘이 불가능한 GFRP 보강근을 철근과 동일한 비교를 위해서 정착길이 확보 여부를 주요변수로 휨 성능 실험을 수행하였습니다. 이를
위해 GFRP 보강근 및 일반 철근을 주철근으로 사용한 보-기둥 접합부 실험체를 각각 2개씩 준비하였으며, 모든 실험체는 자유단에서 1점 반복가력
실험을 수행하였다. 휨 거동은 하중-변위 관계, 휨 내력, 변위연성비 및 일손상지수를 평가하였다. 하중-변위 관계는 Yang et al.(2012)에
의해 제시된 2차원 비선형해석의 결과와 비교하였다. 또한 최대 휨 내력은 ACI 설계기준(ACI 318-14 2014; ACI 440.1R-15 2015)에서
예측된 값과 비교하였다.
2. 실 험
2.1 실험체 상세
Table 1. Summary of beam specimens in beam-column connection
Specimens
|
Type of longitudinal bar
|
$f_{ck}$
(MPa)
|
$\phi_{s}$
(mm)
|
$f_{y}$
(MPa)
|
$f_{ud}$
(MPa)
|
$f_{u}$
(MPa)
|
$E_{s}$
(MPa)
|
$\rho_{s}$
|
$w_{sc}$
|
$w_{sg}$
|
$l_{d}$ (mm)
|
ACI
318-14
|
ACI
440.1R-15
|
N-C400
|
Conventional mild bar
(SD 400)
|
35
|
13
|
462
|
-
|
533
|
200,869
|
0.003
|
0.039
|
-
|
609
|
-
|
N-G800
|
GFRP bar
|
12
|
-
|
644.8
|
806
|
38,702
|
0.002
|
-
|
0.037
|
981
|
723
|
H-C600
|
Conventional mild bar
(SD 600)
|
71
|
16
|
674
|
-
|
778
|
198,235
|
0.007
|
0.063
|
-
|
892
|
-
|
19
|
641
|
-
|
796
|
200,312
|
H-G800
|
GFRP bar
|
12
|
-
|
644.8
|
806
|
38,702
|
0.005
|
-
|
0.045
|
691
|
438
|
Note : $f_{ck}$ = compressive strength of concrete, $\phi_{s}$ = diameter of longitudinal
reinforcing bar, $f_{y}$ = yielding of reinforcing bar, $f_{ud}$ = design strength
of GFRP bar, $f_{u}$ = tensile strength of reinforcing bar, $\rho_{s}$ = ratio of
longitudinal reinforcement, $w_{sc}$ = longitudinal reinforcement index, $w_{sg}$
= longitudinal GFRP bar index, $l_{d}$ = anchorage length of longitudinal reinforcing
bar
실험체 상세를 Table 1과 Fig. 1에 나타내었다. GFRP 보강근을 주철근으로 사용한 보의 정착길이 확보 여부에 따른 휨 거동을 평가함으로서 콘크리트 압축파괴보다 보강근의 파단이 선행되도록
4개의 보-기둥 접합부의 실험체를 준비하였다. 주요변수는 정착길이에 주요한 영향을 미치는 함수인 콘크리트 압축강도, 주철근의 종류 및 강도이다. 콘크리트의
압축강도는 보통강도 범주로서 35 MPa를 고강도 범주로서 70 MPa를 선택하였다. 주철근으로 사용된 일반 이형철근은 SD 400과 SD 600이며,
GFRP 보강근의 인장강도는 800 MPa급이다. 실험체 명에서 N과 H의 첫 번째 문자는 각각 보통강도 및 고강도 콘크리트를, 두 번째 문자인 C와
G는 각각 일반 철근과 GFRP 보강근을, 세 번째 숫자인 400, 600 및 800은 사용된 주철근의 강도 수준을 나타낸다. 모든 실험체의 기둥
크기는 500×500 mm이며, 총 길이 및 양 지점까지의 길이는 각각 2,400 및 2,200 mm이다. 보 단면의 크기는 412×500 mm이며,
총길이 및 하중점까지의 길이는 각각 2,000 mm 및 1,600 mm이다. 보-기둥 접합부 실험체 기둥에 사용된 주철근은 직경 25 mm인 이형철근
8본을 배근하였다. 띠철근은 직경 10 mm인 이형철근을 사용하여, 기둥에서 100 mm로, 보에서 200 mm 간격으로 배근하였다.
실험체 N-C400에서는 주철근으로서 5개의 직경 13 mm를, H-C600에서는 2개의 직경 16 mm와 3개의 직경 19 mm의 이형철근을 사용하였다.
이때의 주철근비($\rho_{s}(=\dfrac{f_{ck}}{b_{w}d})$)는 각각 0.003 및 0.007이며, 주철근지수($w_{sc}\left(=\rho_{s}\dfrac{f_{y}}{f_{ck}}\right)$)는
각각 0.039 및 0.063이다. 여기서, $f_{ck}$는 콘크리트 압축강도이며, $f_{y}$는 항복강도이다. 실험체 N-G800과 H-G800에서는
주철근으로서 직경 12 mm의 GFRP 보강근을 각각 3개와 8개를 사용하였는데, 이때의 $\rho_{s}$는 각각 0.002 및 0.005이며,
주철근지수($w_{sg}\left(=\rho_{s}\dfrac{f_{ud}}{f_{ck}}\right)$)는 각각 0.037 및 0.045이다. 여기서,
$f_{ud}(=\chi f_{fu})$
는 설계강도를, $f_{fu}$는 평균인장강도를, $\chi$는 ACI 440.1R-15에서 제시한 환경저감계수 0.8을 의미한다. 실험체 N-C400과
H-C600은 일반 철근을 주철근으로 사용한 컨트롤 실험체이며, 이들의 주철근은 한단을 90° 갈고리로 형성하여 보-기둥 접합부 내에 충분히 정착되었다.
반면, 실험체 N-G800와 H-G800은 GFRP 보강근의 구부림 가공이 어려우므로 보-기둥접합부 내에서 직선으로 배근하였다. 이때의 정착길이는
470 mm이었는데, 실험체 N-G800와 H-G800에 대한 ACI 318-14(2014) 기준에서 산정된 소요 정착길이인 981 mm와 691
mm보다 작았다. ACI 318(2014)에 따라 산정한 실험체 N-C400와 H-C600에 대한 주철근의 소요 정착길이는 콘크리트 압축강도 35
MPa와 71 MPa에서 갈고리 없는 경우에 각각 609 mm와 892 mm이며, 90° 갈고리가 있는 경우에는 각각 244 mm와 357 mm로
산정되었다. 이와 같이 일반 철근의 경우 90° 갈고리로 정착길이를 쉽게 만족시킬 수 있지만, GFRP 보강근은 구부림 가공이 어려워 갈고리 없이
직선으로 배근되어야하므로 정착길이 확보가 어렵다. ACI 440.1R-15(2015)에 따라 산정한 실험체 N-G800와 H-G800에 대한 소요 정착길이는 콘크리트 압축강도 35 MPa와 71 MPa에서 갈고리가 없는
경우에 723 mm와 438 mm으로 산정되어 ACI 318(2014)에서 예측한 값보다 작았다. 따라서 설계적인 측면에서 정착길이의 확보 여부는
일반철근에서 ACI 318-14로, GFRP의 보강근으로 배근된 실험체에서 ACI 440.1R-15으로 결정하였다. 결정된 GFRP 보강근으로 배근된
H-G800은 정착길이가 확보된 실험체이며, 반면, N-G800은 정착길이가 확보되지 않은 실험체이다.
Fig. 1. Geometrical dimensions and arrangement of reinforcing bars (all dimensions
are in mm)
2.2 재료
보-기둥 접합부 실험체 제작을 위한 콘크리트는 굵은골재로서 25 mm의 최대 치수를 갖는 파쇄골재를, 잔골재로서 강사를 사용하였다. 목표 콘크리트의
압축강도는 보통강도 및 고강도에서 각각 35 MPa와 70 MPa이다. 콘크리트 설계 압축강도가 35 MPa와 70 MPa에서 물-시멘트비는 각각
43 %와 24 %이며, 잔골재율은 각각 46 %와 43 %로 설정하였다(Table 2). 콘크리트 압축강도는 보-기둥 접합부 타설과 동시에 $\phi$ 100 × 200 mm 실린더용 몰드를 제작하였다. 공시체는 실험체의 양생조건과
동일하게 유지하였다. 보-기둥 실험 직전에 측정한 콘크리트의 압축강도는 보통강도 및 고강도에서 각각 35 MPa 및 71 MPa이었다.
Table 2. Mixture proportions of concrete
Designed compressive strength
|
$W/B$
(%)
|
$S/a$
(%)
|
Unit weight
(kg/m3)
|
$R_{sp}$
(%)
|
W
|
C
|
S
|
G
|
35
|
43
|
46
|
165
|
266
|
811
|
948
|
1
|
70
|
24
|
43
|
160
|
442
|
649
|
873
|
1
|
Note: $W /B$ = water-to-binder ratio by weight, $S/a$ = sand- to-total aggregate ratio by volume, $W$ = water, $C$ = cement, $S$ = sand, $G$ = gravel,
and $R_{sp}$= high–range water-reducing agent-to-binder ratio by weight.
Fig. 2에는 GFRP 보강근의 형상을 나타내었다. 보강근의 표면형상은 철근과 동일한 나선형의 리브형상을 갖는다. 또한, 보강근의 리브 높이와 간격은 각각
1 mm와 6.5 mm이다. Fig. 3에는 사용된 보강근들의 응력-변형률 관계를 나타내었다. 사용된 일반 철근들은 뚜렷한 항복점 및 소성흐름을 보이지만, GFRP 보강근은 최대응력시까지
뚜렷한 항복점과 소성흐름이 없는 탄성거동을 보였다(Ha 2014). 주철근으로 사용된 일반 철근들의 항복강도 및 탄성계수는 Table 3에서 나타낸 바와 같이 직경 13 mm, 16 mm, 및 19 mm에서 각각 462 MPa와 200,869 MPa, 674 MPa와 198,235
MPa, 및 641 MPa와 200,312 MPa이었다. 반면, GFRP 보강근의 인장강도와 탄성계수는 806 MPa와 38,502 MPa이었다.
이와 같이 GFRP 보강근의 탄성계수는 일반 철근보다 약 81 % 낮았다.
Fig. 2. Appearance of the GFRP bar used
Fig. 3. Stress-strain curve for reinforcing bars
Table 3. Mechanical properties of reinforcing bars
Type
|
$f_{y}$
(MPa)
|
$f_{u}$
(MPa)
|
$E_{s}$
(MPa)
|
$\epsilon_{y}$
|
$\epsilon_{u}$
|
D10
|
484
|
594
|
201,666
|
0.0024
|
0.17
|
D13
|
462
|
533
|
200,869
|
0.0023
|
0.15
|
D16
|
674
|
778
|
198,235
|
0.0034
|
0.11
|
D19
|
641
|
796
|
200,312
|
0.0032
|
0.09
|
D25
|
608
|
689
|
199,333
|
0.0030
|
0.04
|
GFRP 12
|
-
|
806
|
38,702
|
-
|
0.03
|
Note: $f_{y}$ = yield strength, $f_{u}$ = tensile strength, and $E_{s}$ = modulus
of elasticity, $\epsilon_{y}$ = yield strain, $\epsilon_{u}$ = strain at tensile strength
2.3 실험체 가력 및 측정방법
모든 실험체는 보-기둥 접합부의 내진성능평가에서 제시된 KBC 2016(AIK 2016)의 층간 변위각을 이용하였다. 층간변위각은 0.00375
rad에서 0.05 rad으로 증분하였다(Fig. 4). 실험체는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 기둥에서 형성되는 변곡점을 시뮬레이션하기 위해서 기둥 양 끝단에 힌지로 설정하였다. 양단의 힌지는 8개의 강재 락볼트(Rock
bolts)를 이용하여 반력 프레임에 고정하였다. 가력은 2,000 kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 보 자유단에서 1점 반복 가력하였다. 이때 모든
실험체의 변위는 보 자유단에서 300 mm 용량의 변위계(linear variable differential transducers, LVDT)를 이용하여
측정하였다. 가력은 변위 제어하였으며, 이때의 속도는 2 mm/min이었다.
Fig. 4. Displacement history for reversal cyclic loads
3. 실험결과 및 분석
3.1 실험체의 파괴 양상
모든 시험체의 균열진전 및 주요 파괴양상을 Fig. 6에 나타내었다. 실험체 N-G800을 제외한 나머지 실험체들은 휨에 의해 지배되었다. 모든 실험체의 휨 균열은 0.0375 rad에서 휨 모멘트가
가장 큰 영역에서 발생하였다. 휨 균열은 하중이 증가할수록 보-기둥 접합부의 연결절점에서 가력방향으로 약 900 mm 범위까지 진전되었다. 이와 동시에
보-기둥 접합부에서 사인장 균열이 발생하였으며, 기둥의 사인장 균열은 하중이 증가할수록 증가하였다. 이때의 사인장 균열은 주철근의 종류와 콘크리트
압축강도에 현저한 영향을 받았다. 일반 철근을 주철근으로 배근된 실험체 N-C400은 보-기둥 접합부에서 사인장균열이 다소 발생한 반면, GFRP
보강근을 주철근으로 배근된 실험체 N-G800은 2개 정도의 수평방향의 균열이 발생하기 시작하였다. 이는 실험체 N-G800에서 GFRP 보강근의
정착파괴가 시작되어, 기둥으로의 휨 응력의 전달이 원활히 이루어지지 않았음을 의미한다. 반면, 일반 철근을 주철근으로 배근된 실험체 H-C600와
H-G800은 이 영역에서 다수의 사인장 균열이 발생하였는데, 이는 고강도의 콘크리트가 주철근에서 전달되는 부착응력을 향상시키는 효과가 있음을 의미한다.
콘크리트 피복의 탈락과 주철근의 좌굴은 0.04 rad에서 발생하기 시작하였다. 소요 정착길이를 만족하는 실험체 N-C400, H-C600 및 H-G800은
주철근의 좌굴 또는 파단되었지만, GFRP 보강근이 주철근으로 배근된 실험체 N-G800는 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 할렬균열이 크게 발생하면서 보강근의 뽑힘이 발생하였다.
Fig. 6. Crack propagation of specimens
Fig. 7. Failure mode in N-G specimen
3.2 하중-변위 관계
보-기둥 접합부에서 보의 하중-변위 관계를 Fig. 8에 나타내었다. 초기 강성은 압축강도보다 주철근의 종류에 의해 현저한 영향을 받았다. GFRP 보강근을 주철근으로 배근된 실험체 N-G800과 H-G800의
초기 강성은 일반 철근을 주철근으로 배근된 실험체 N-C400와 H-C600에 비해 평균적으로 69 % 낮았다. 이는 GFRP 보강근의 탄성계수가
일반 철근보다 낮기 때문이다(Ashour 2006; Barris et al. 2009; Issa et al. 2011). 일반 철근을 주철근으로 배근한
실험체 N-C400과 H-C600은 휨 균열 이후 강성이 다소 감소하다가 주철근의 항복 이후 강성의 감소기울기가 더욱 급격하였다. 반면 GFRP 보강근을
주철근으로 배근된 실험체 N-G800과 H-G800도 휨 균열 이후 강성이 저하되지만, 저하된 강성은 최대내력 시점까지 일정하였다(Ashour 2006;
Barris et al. 2009). 일반 철근을 주철근으로 배근한 실험체 N-C400과 H-C600의 항복시점에서의 내력은 최대내력의 약 74~90
%이었다. 일반 철근이 주철근으로 배근된 실험체 N-C400과 H-C600의 최대내력은 0.033 rad 시점에서, GFRP 보강근이 주철근으로 배근된
실험체 N-G800과 H-G800은 각각 0.034와 0.055 rad 시점에서 최대내력에 도달하였다. 최대 휨 내력은 Table 4에 나타낸 바와 같이 주철근의 종류보다 압축강도에 현저한 영향을 받았다. 실험체 H-C600의 최대 휨 내력은 453.9 kN・m으로 실험체 N-C400보다
2.68배 높았다. 또한 실험체 H-G800의 최대 휨 내력은 353.1 kN・m로서 실험체 N-G800보다 2.64배 높았다. 최대내력 이후, 일반
철근을 주철근으로 배근된 실험체 N-C400과 H-C600은 0.05 rad까지 최대내력의 80 %를 유지하였지만, GFRP 보강근이 주철근으로 배근된
실험체 N-G800과 H-G800은 최대내력 도달과 동시에 급격히 하중이 감소하였다. 이와 같이 GFRP 보강근을 주철근으로 배근된 실험체의 최대내력
이후 급격한 하중의 감소는 소성흐름이 없는 취성적인 GFRP 보강근의 응력-변형률 관계 특성이 보의 휨 거동에 직접적으로 영향을 미치기 때문이다(Ashour
2006; Issa et al. 2011).
Fig. 8. Load-displacement relationship of beams
Table 4. Summary of test results
Specimen
|
Experimental value
|
$P_{y}$ (kN)
|
$P_{n}$ (kN)
|
Displacement (mm)
|
$\mu_{\Delta}$
|
$W_{n}$
|
$M_{n}$
(kN・m)
|
$P_{y}^{+}$
|
$P_{y}^{-}$
|
Mean
|
$P_{n}^{+}$
|
$P_{n}^{-}$
|
Mean
|
$\Delta_{y}$
|
$\Delta_{n}$
|
N-C400
|
60.2
|
65.2
|
62.7
|
66.7
|
87.5
|
77.1
|
17.8
|
73.5
|
4.13
|
104.4
|
169.6
|
N-G800
|
48.5
|
52.3
|
50.4
|
57.0
|
64.9
|
60.9
|
43.0
|
73.7
|
1.71
|
7.5
|
134.0
|
H-C600
|
182.1
|
187.0
|
184.6
|
202.7
|
209.9
|
206.3
|
33.1
|
72.3
|
2.18
|
13.2
|
453.9
|
H-G800
|
124.6
|
131.5
|
128.1
|
147.2
|
173.8
|
160.5
|
65.2
|
121.0
|
1.86
|
9.42
|
353.1
|
Note : superscript + = positive load direction, superscript - = negative load direction,
$P_{y}$ = load at yielding state, $P_{n}$ = peak load, $\Delta_{y}$ = displacement
at yielding state, $\Delta_{n}$ = displacement at ultimate state, $\mu_{\Delta}$ =
the ratio of displacement ductility, $W_{n}$ = cumulative work damage index up to
the peak load, $M_{n}$ = maximum moment capacity
3.3 연성
보-기둥 접합부에서 보의 연성은 변위연성비(Park and Paulay 1975)와 일손상지수(Sheikah and Khoury 1993)로
평가하였다(Table 4). 변위연성비는 최대내력 시점의 변위를 항복시점의 변위로 나눈 값으로 정의하였다. 일반 철근이 주철근으로 배근된 실험체 N-C400와 H-C600의
항복시점은 주철근이 항복변형률에 도달할 때로 결정하였다. 반면 응력-변형률 관계에서 항복점이 없는 GFRP 보강근을 주철근으로 배근한 실험체 N-G800과
H-G800은 최대내력의 75 % 점에서의 기울기와 최대내력에서의 수평선과 만나는 점에서의 변위를 항복변위로 결정하였다. GFRP 보강근을 주철근으로
배근한 실험체 N-G800과 H-G800의 변위연성비는 1.86 이하로 일반 철근이 주철근으로 배근한 실험체 N-C400과 H-C600보다 낮았다.
또한 일반 철근을 주철근으로 배근한 실험체들의 변위연성비는 압축강도가 증가함에 따라 감소하는 일반적인 경향(Park and Paulay 1975)을
나타내었다. 하지만 GFRP 보강근을 주철근으로 배근한 실험체들의 변위연성비는 오히려 압축강도가 증가함에 따라 증가하였는데, 이는 실험체 N-G800에서
보강근의 정착부 뽑힘으로 실험체 H-G800보다 최종변위가 낮았기 때문이다. 또한 일손상지수도 변위연성비와 동일한 경향을 나타내었다. GFRP 보강근을
주철근으로 배근한 실험체 N-G800과 H-G800의 일손상지수는 7.5와 9.42로 일반 철근을 주철근으로 배근한 실험체 N-C400과 H-C600
보다 각각 93 % 및 29 % 낮았다.
4. 예측모델과 비교
4.1 2차원 비선형해석
Fig. 9. Generalized distributions of strains and stresses along the beam
2차원 비선형해석은 Yang et al.(2012)에 의해 제시된 절차를 이용하였다. Fig. 9에는 2차원 비선형해석을 위한 콘크리트와 주철근의 응력 및 변형률 상태를 나타내었다. 보는 Fig. 9(a)에 나타낸 바와 같이 길이 방향으로 ($n$-1)개의 요소를 갖는 $n$개의 절점으로 분할한다. 위험단면에서 보의 모멘트는 Fig. 9(b)에 나타낸 바와 같이 단면분할법에 의해 산정하는데, 그 절차는 다음과 같다; 1) 위험단면 ($j=1$)에서 임의의 콘크리트 압축연단 콘크리트 변형률
$\epsilon_{c}(i,\: 1)_{n}$에 대한 중립축 깊이를 가정한다; 2) 가정된 중립축 깊이로부터 콘크리트 및 철근의 변형률과 응력을
산정한다; 3) 각 재료의 응력으로부터 힘을 산정하고, 힘의 평형조건이 만족하는지 검토한다; 4) 평형조건을 만족하지 않을 경우 중립축 깊이를 재가정하며,
힘의 평형조건이 만족할 때까지 1)~3) 절차를 반복수행한다; 5) 최종적으로 결정된 중립축 깊이로부터 모멘트($M(i,\:1)$)를 산정하고 길이
방향으로 분할된 각 임의의 단면 ($j=2\sim n$)의 모멘트($M_{ext}(i,\:j)$)를 계산한다; 6) 임의의 단면 $j$에 대한 $M_{"\int
"}(i,\:j)$를 1)~5) 절차로부터 산정하고 모멘트 평형조건($M_{"\int "}(i,\:j)\approx M_{ex"t"}(i,\:j)$)을
검토한다; 7) 모멘트 평형조건이 만족하지 않을 경우에 압축연단 콘크리트 변형률$\epsilon_{c}(i,\: j)_{n}$을 재가정한다. 하중은
$M_{ext}(i,\:1)$을 하중 작용점까지의 거리로 나누어 산정한다. 또한 변위는 길이 방향으로 산정된 곡률분포에서 모멘트면적법으로 계산한다.
2차원 비선형해석에서 적용된 재료의 구성방정식은 콘크리트 및 일반 철근에서 각각 Yang et al.(2014)와 Wang(1977)의 모델을 이용하였다.
GFRP 보강근은 탄성・취성모델로 이상화하여 적용하였다.
4.2 제안모델과 실험결과의 비교
Fig. 10. Comparison of load-displacement relationship between predictions and measured
back-bone curves
하중-변위 관계로부터 산정된 모든 실험체의 백본커브(back-born curve)는 2차원 비선형해석과 비교하여 Fig. 10에 나타내었다. Yang et al.(2012)에 의해 제시된 2차원 비선형해석은 뽑힘파괴가 발생한 N-G 실험체를 제외한 일반 철근 및 GFRP
보강근을 주철근으로 배근된 실험체들의 하중-변위 관계를 잘 예측하였다.
GFRP 보강근은 응력-변형률 관계에서 항복점이 없는 탄성 및 취성거동의 특성을 가지고 있어 보강근의 응력상태에 기반하여 휨 내력을 달리 산정하여야
한다. 이에 따라 ACI 440.1R-15(2015)에서는 휨 내력 산정을 위해 GFRP 보강근의 응력상태를 파괴모드로부터 결정한다. 파괴모드는 GFRP
보강근량이 균형철근비보다 많을 경우에 콘크리트의 압괴로, 작을 경우에 GFRP의 파단으로 구분한다. GFRP 보강근량이 많을 경우에는 GFRP를 탄성
상태로 간주하여 추가적으로 응력을 계산하여야 하며, 작을 경우에는 GFRP의 인장강도로부터 휨 내력을 산정한다. 이 연구에서 수행된 실험체들은 GFRP
보강근량이 균형철근비보다 작은 GFRP 보강근의 파단이므로 휨 내력 산정 시 보강간의 인장강도를 적용하였다. Yang et al.(2012)에 의해
제시된 2차원 비선형해석과 ACI 설계기준(ACI 318-14, 2014; ACI 440.1R-15, 2015)으로부터 산정된 예측값들과 실험결과값의
비교를 Table 5에 나타내었다. 실험체 N-C400, H-C600 및 H-G800의 최대 휨 내력은 ACI 설계기준(ACI 318-14, 2014; ACI 440.1R-15,
2015)과 2차원 비선형해석값에서 산정된 예측값보다 평균적으로 1.22배 높았다. 반면, 실험체 N-G800의 휨 내력은 2차원 비선형해석과 ACI
설계기준(ACI 318-14, 2014; ACI 440.1R-15, 2015)에서 산정된 예측값보다 각각 0.80배 및 0.84배 낮았다. 따라서
2차원 비선형해석과 ACI 설계기준(ACI 318-14, 2014; ACI 440.1R-15, 2015)은 보-기둥 접합부에서 보의 최대 휨 내력을
안전측으로 예측할 수 있지만, 정착 파괴가 발생한 보에서의 내력을 불안전측으로 예측하였다.
Table 5. Comparisons between measured maximum moment capacity and predictions
Specimen
|
Experiment value
|
Predictions
|
Comparison
|
$M_{n}$ (kN・m)
(1)
|
ACI 318-14
(2)
|
ACI 440.1R-15
(3)
|
Nonlinear analysis
(4)
|
(1)/(2)
|
(1)/(3)
|
(1)/(4)
|
N-C400
|
169.6
|
130.9
|
-
|
131.7
|
1.29
|
-
|
1.29
|
N-G800
|
134.0
|
-
|
160.3
|
167.8
|
-
|
0.84
|
0.80
|
H-C600
|
453.9
|
349.3
|
-
|
427.6
|
1.30
|
-
|
1.06
|
H-G800
|
353.1
|
-
|
300.8
|
295.9
|
|
|
|
5. 결 론
본 연구에서는 주철근의 정착길이 확보에 따른 보의 휨 거동을 평가하기 위해서 반복하중을 받는 4개의 보-기둥 접합부 실험체의 구조실험을 수행하고,
이들 실험결과와 예측모델의 비교로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 일반 철근 보다 탄성계수가 81 % 낮은 GFRP 보강근으로 배근된 보-기둥 접합부의 초기 강성은 일반 철근으로 배근된 보-기둥 접합부보다 평균
69 % 낮았다.
2) GFRP 보강근이 주철근으로 배근된 보-기둥 접합부 실험체는 뚜렷한 부재 항복점이 없는 상태에서 최대내력 도달과 동시에 급격히 하중이 감소하였다.
3) 보-기둥 접합부에서 GFRP 보강근이 주철근으로 배근된 보의 변위연성비와 일손상지수는 일반 철근을 주철근으로 배근한 보에 비해 각각 44 %
및 97 % 낮았다.
4) ACI 318-14, ACI 440.1R-15 및 비선형 2차원 유한요소해석은 보-기둥 접합부에서 주철근이 충분히 정착된 보-기둥 접합부의 휨
내력을 안전측으로 예측하였다. 소요정착길이가 확보되지 않은 GFRP 보강근을 주철근으로 보강한 보는 정착부의 뽑힘파괴로 충분한 휨 내력이 발휘되지
않아 2차원 비선형해석과 ACI 440.1R-15에서 예측된 휨 내력보다 낮았다.
Acknowledgements
이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2015 R1A5A1037548)이며,
2019학년도 경기대학교 대학원 연구원 장학생 장학금 지원에 의하여 수행되었음.
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