2.1. 실험체 제작

단면지름 400 mm, 중공지름 200 mm의 중공 원형단면 기 둥 실험체 3개를 제작하였다. 제작된 실험체 중 CH1 실험체 도면을 Fig. 1에 나타내었다. 3개 실험체의 기초상면부터 하 중재하 높이까지의 형상비(M/VD, shear span-depth ratio)는 4.5이며 전체 높이는 2,600 mm, 기둥길이 2,000 mm이다. 기 초의 균열 또는 기초의 파괴 등이 기둥의 거동에 영향을 미치 는 것을 차단하기 위해 기초의 높이를 600 mm로 설계하여 충 분한 강도를 보유하게 하였다. 실험체의 횡방향철근 표면부 터 콘크리트 표면까지의 피복두께는 18 mm이고 축방향철근 의 중심에서 콘크리트 표면까지는 30.4 mm이며 축방향철근 공칭지름(d_bl)의 2.39배이다. 횡방향철근은 모든 실험체에 나 선철근이 배근되었다.

2.2. 실험변수

심부구속철근비를 주요 실험변수로 결정하였고 축방향철 근비, 축력비는 동일하다. 실험체 상세를 Table 1에 정리하여 나타내었다. 모든 실험체에 SD40의 D13 철근 20개가 축방향 철근으로 배근되었으며 축방향철근비는 2.016%이다. CH1 실험체에는 횡방향철근이 105 mm 간격으로 배근되었고 CH2 실험체에는 160 mm 간격으로 배근되었으며 CH3 실험체에 는 80 mm 간격으로 배근되었다. 횡철근 간격이 160 mm로 배 근된 경우는 심부구속철근비가 0.302%, 105 mm인 경우는 0.460%, 80 mm인 경우는 0.604%이다.

2.3. 횡방향철근

횡방향철근은 SD40-D13인 축방향철근 공칭단면적과의 비율을 고려하여 SD40-D10 철근을 밀링머신을 이용하여 가 공하였다. 철근 단면 폭이 6.05 mm가 되도록 가공하였으며 철근 축선방향의 리브(rib)는 남겨지도록 가공된 철근의 리브 와 마디를 제외한 단면적은 47.73 mm²이다. 축방향철근에 대 한 횡방향철근의 단면적 비율은 0.377이다.

2.4. 도로교설계기준과의 비교

Table 2에 완전연성을 보장하기 위해 도로교설계기준(2010), 도로교설계기준(한계상태설계법, 2012) 및 콘크리트구조기 준(2012)에서 요구하는 심부구속철근비에 대한 실험체에 배 근된 횡철근 간격의 비율을 나타내었다. 또한, 상기의 기준에 서 축방향철근의 좌굴을 방지하기 위해 제시하고 있는 축방 향철근 지름의 6배 규정에 따른 횡방향철근 간격 및 비율을 나타내었다. CH1, CH2, CH3 실험체에 배근된 횡철근 간격은 완전연성을 보장하기 위한 도로교설계기준, 도로교설계기준 (한계상태설계법, 2012) 및 콘크리트구조기준(2012)의 심부 구속철근비의 0.699, 0.459, 0.918배이다. (1)-(2)

2.5. 철근 인장강도 및 콘크리트 압축강도 시험

KS B 0801 및 0802규정에 따라 실험체 제작에 사용된 횡방 향철근과 축방향철근의 재료특성 파악하였다. Fig. 2와 같이 횡방향철근과 축방향철근에 대하여 철근 인장시험을 수행하 였고 시험결과를 나타내었다. 횡방향철근의 항복강도는 421 MPa, SD400 축방향철근의 항복강도는 482 MPa로 계측되었다. 콘 크리트의 압축강도(f_cu)는 25 MPa로 계측되었다.

5.1. 변위단계별 횡력강도 및 최대횡력 강도

Table 4, Fig. 10~11과 같이 강도저감은 변위증가에 따른 횡 력강도 차이를 보인다. 횡력강도는 CH1, CH3 실험체의 경우 변위비 1.5% CH2 실험체의 경우 2.0%에서 공칭 횡력강도보 다 크게 나타난다. 횡력강도 실험값(V_exp )의 최대값은 실험체 의 상세와 횡하중 가력방향에 따라 다소간의 차이는 있지만 대략 2.5~4% 변위비 범위에서 발생하였다. 첫 번째 가력시를 기준으로 공칭 횡력강도(V_{n, code} )의 1.19~1.23배의 횡력강도 를 보였다. 최대 횡력강도 이후에는 변위증가에 따라 횡력강 도가 서서히 감소하는데, Table 5에서 강도비율이 1.0 이상인 경우의 공칭 횡력강도(V_{n, code} )를 유지하는 변위는 심부구속 철근량에 따라 다르다. 전반적으로 심부구속철근량이 클수록 공칭 횡력강도(V_{n, code} )를 유지하는 변위비 단계 값이 크고 감 소폭도 미미하였다.

5.2. 횡방향철근 간격

나선철근 간격이 105 mm인 CH1 실험체의 경우에는 변위 비 1.5%부터 횡력강도(V_exp )의 값이 공칭횡력강도(V_{n, code} ) 를 초과하였고 최대 하중은 4.0% 변위비에서 나타났으며 5.0% 변위비까지 공칭횡력강도를 초과하였다. 나선철근 간 격이 160 mm인 CH2 실험체의 경우에는 변위비 1.5%(pull), 2.0%(push)부터 횡력강도(V_exp )의 값이 공칭횡력강도(V_{n, code} ) 를 초과하였고 최대 하중은 4.0% 변위비에서 나타났으며 5.0% 변위비의 첫 번째 싸이클 하중단계까지는 공칭횡력강도를 초 과하였다. 나선철근 간격이 80 mm인 CH3 실험체의 경우에 는 변위비 1.5%부터 횡력강도(V_exp )의 값이 공칭횡력강도 (V_{n, code} )를 초과하였고 최대 하중은 4.0% 변위비에서 나타났 으며 6.0% 변위비의 첫 번째 싸이클 하중단계까지는 공칭횡 력강도를 초과하였다. 횡방향철근 간격이 160 mm인 CH2의 경우에는 강도저감이 변위비 5.0% 두 번째 싸이클 단계부터 발생되었고 횡방향철근 간격이 105 mm인 CH1의 경우에는 강도저감이 변위비 6.0% 단계부터 발생되었으며 감소폭도 가장 크게 나타났다. 횡방향철근 간격이 80 mm인 CH3의 경 우에는 강도저감이 변위비 6.0% 두 번째 싸이클 단계부터 발 생되었다.

6.1. 항복변위 및 극한변위

항복변위와 극한변위(^{Paulay et al., 1992}; ^{Priestley et al., 1996}; ^{Rao et al., 1985})는 축방향철근 강도, 횡방향철근 강도, 축방향철근 상세, 횡방향철근 상세, 축방향철근 슬립발생, 강 성에 따른 영향, 축력비 등 단면 및 부재를 구성하고 있는 다양 한 변수들에 의해 다르게 나타나며 영향인자들의 복합적인 영향으로 인해 항복변위와 극한변위는 동일한 결정방법 하에 서도 다르게 나타난다. 각각의 항복정의 및 극한변위 결정방 법에 따라 Table 5, Table 6, Fig. 12와 같이 다른 값을 나타내 었다.

Y1은 축방향철근의 항복, Y2는 탄성영역에서의 초기강성 을 사용한 등가탄소성시스템(equivalent elasto plastic system) 에 근거하고 Y3은 동일한 에너지 흡수량에 근거하며 Y4, Y5 는 균열에 의한 강성저하를 고려한 할선강성(secant stiffness) 에 근거한다. 국내․외 연구에서 Y1과 Y4 정의가 주로 사용되 고 있다(^{Paulay et al., 1992}). 철근콘크리트 기둥이 지진과 같 은 반복하중을 받는 경우, 극한변위는 철근상세, 공칭강도, 하 중-변위 이력곡선 및 포락곡선, 강도감소와 심부구속 효과 등 의 파괴유형, 콘크리트 파괴, 축방향철근 파단, 횡방향철근 파 단 등의 파괴되는 재료에 따라 다르게 제안되었다. U1은 콘크 리트 압축연단의 변형률에 대응되는 변위, U2는 하중변위 관 계에서 최대하중의 변위, U3은 최대하중 이후 일정강도 이상 저감되는 변위, U4는 횡방향철근 또는 축방향철근의 파단이 발생되는 변위, U5는 하중변위 곡선상에서 공칭횡력(V_i)이 하중변위 곡선과 교차되는 변위를 극한변위로 각각 정의한 다. 국내․외 연구에서 U3과 U4 정의가 주로 사용되고 있다 (^{Paulay et al., 1992}).

6.2. 변위연성도

철근콘크리트 기둥의 연성능력을 정량적으로 표현하는 방 법은 극한변위에 대한 항복변위의 비율로 정의되는 변위연성 도(displacement ductility factor)이다.

실험결과에서 도출된 변위연성도(μ_Δ)를 기준으로 장주기 (long period), 단주기(short period) 기둥의 응답수정계수를 Eq. (3)과 Eq. (4)와 같이 계산할 수 있고 응답수정계수는 내진 설계(소성설계) 및 내진보강에 적용된다.

실험결과를 토대로 6.1절에 언급한 항복변위, 극한변위의 결정방법에 따라 변위연성도를 산정하여 Table 7에 정리하였 고 Fig. 13에 나타내었다.

CH1 실험체의 경우, Y1 항복변위 정의와 각 극한변위를 적 용하여 변위연성도를 산정하면 1.74~6.0의 값을 나타낸다. 극 한변위 정의 중 콘크리트 극한변형률을 기준으로 결정되는 U1의 정의는 본 연구에서 0.004를 기준으로 적용하였다. 극한 변위 중 최소 값을 나타내는 U1 정의를 제외한 U2~U5 정의를 적용한 변위연성도 값은 3.78~6.0이다. 이 값 또한 변위연성 도 값을 사용하기 위해서 선택을 해야하는 경우에는 편차가 매우 크다.

Table 7의 변위연성도에 기초한 자료에 Eq. (5)와 Eq. (6)을 적용하여 평균(μ, mean)과 표준편차(σ, standard deviation)를 산정하였다. Eq. (7)을 적용하여 변동계수(V, coefficient of variation)를 구하여 나타내었다. CH1의 변동계수는 각 변위 연성도에 대하여 0.389의 값을 나타내고 변동계수가 가장 작 게 산정되었다. CH3 실험체는 0.402의 값을 가지며 변동계수 가 가장 큰 실험체는 CH2 실험체로 0.413의 값을 나타냈다.