2.1 실험체 제작 및 실험변수

단면의 폭과 높이가 400mm인 팔각형 중공단면 기둥 실험체 4개를 제작하였다. 중공부분은 원형으로 제작되었으며 중공높이는 200mm이고 중공비(중공높이/단면높이)는 0.5이다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 실험체의 전체높이는 2,400mm, 기둥길이 1,600mm, 형상비(전단지간-단면깊이비) 4.0이다.

OCH1 실험체에는 SD400의 D16 철근 12개가 축방향철근으로 배근되어 축방향철근비는 2.36%이고 OCH2 실험체에는 SD400의 D16 철근 18개가 축방향철근으로 배근되어 축방향철근비는 3.54%이며 OCH3 실험체에는 SD400의 D16 철근 24개가 축방향철근으로 배근되어 축방향철근비는 4.71%이다. OCH4 실험체는 OCH1 실험체와 동일하나 모든 축방향철근이 기초상단부터 280mm 겹침이음으로 제작되었다. 모든 실험체의 나선철근은 250mm 간격으로 배근되었고 횡방향철근비는 0.206%이며 완전연성을 보장하기 위해 도로교설계기준에서 요구하는 심부구속철근비의 23.4%에 해당한다. 단면중심에서 축방향철근의 중심까지는 340mm이고 원형으로 축방향철근이 배근되었다. 실험에서 적용된 축력비는 0.07이며 Table 1에 나타내었다. 모든 실험체에는 축방향철근의 경우 항복강도 482MPa, 횡방향철근의 경우 항복강도 421MPa인 철근들이 배근되었고 콘크리트의 압축강도는 30MPa로 계측되었다.

Fig. 1 Details of reinforcement

2.2 재하실험

재하실험은 Photo 1과 같이 유압잭을 이용하여 축력을 가한 상태에서 변위용량이 ±150mm인 500kN 용량의 가력기(Hydraulic actuator)를 이용하여 횡방향 하중을 반복 가력하는 준정적 실험을 수행하였다. 하중재하방식은 Fig. 2와 같은 변위제어방식으로서 변위비를 0.25%, 0.5%, 0.75%, 1.0%로 하고 그 이후 0.5%씩 증가시키며 각각의 변위마다 2 cycle씩 반복 재하 하였다. 변위비 3.0% 이후에는 1.0%씩 증가시키며 파괴에 이를 때까지 실험하였다.

Photo 1 Test set-up

Fig. 2 Lateral loading history

3.1 균열 및 파괴거동

실험체들의 하중단계에 따른 휨균열 및 사인장 균열을 Photo 2 ~ 5에 나타내었다. 횡방향철근비가 0.206%이고 축방향철근비가 2.36%인 OCH1 실험체는 0.5% 변위비에서 기초 상단부터 190mm의 위치에 최초 휨균열이 발생하였고 기초 상단부터 120 ~ 750mm의 위치에 추가 휨균열이 발생, 진전되었으며 Photo 2에 나타내었다. 변위비 0.75%에서 휨균열에서 경사균열로 진전되었다. 변위비가 증가함에 따라 경사균열이 진전되었으며 변위비 1.5% 단계에서 반복하중에 따른 경사균열이 교차되었고 휨균열 및 경사균열은 기초상단부터 960mm까지 발생 및 진전되었다. 변위비 4.0% 단계에서 기초상단부터 20, 120mm 위치에 발생된 휨균열의 폭이 2mm로 계측되었다. 반복 횡하중 가력에 따른 축방향철근 좌굴의 영향으로 기초상단부터 350mm 높이까지 피복콘크리트가 분리되면서 축방향철근이

노출되었다. 5% 변위비에 기초상단부터 300mm 위치의 피복콘크리트가 완전히 탈락되어 축방향철근 및 횡방향철근이 관찰되었다. 변위비 6%에서 횡하중 가력방향의 소성힌지구간에서 콘크리트의 파괴가 심화되었으며 기초상단부터 400mm 높이의 구간에서 전단균열 폭이 급격히 증가하여 전단파괴 거동을 나타내었고 횡하중이 44% 감소되어 실험을 종료하였다. 축방향철근 및 횡방향철근의 파단은 관찰되지 않았다.

OCH1 실험체보다 D16 철근이 6개 추가되어 축방향철근비가 3.54%인 OCH2 실험체는 0.5% 변위비에서 기초상단부터 100, 200, 250, 400mm 위치에 휨균열이 동시에 발생되었고 변위증가에 따라 휨균열이 기초상단부터 780mm 위치까지 발생되었으며 진전되었다. 변위비 0.75% 단계에서 경사균열이 최초로 나타났고 중공부분 높이까지 진전되었다. OCH2 실험체는 변위비가 증가함에 따라 경사균열이 진전되었으며 변위비 1.5% 단계에서 반복하중에 따른 경사균열이 교차되었고 휨균열 및 경사균열은 기초상단부터 1,160mm까지 발생 및 진전되었다. 변위비 4.0% 단계에서 기초상단부터 50 ~ 450mm 위치에 발생된 경사균열의 폭이 2mm로 계측되었고 휨균열의 폭은 4mm로 계측되었다. 반복 횡하중 가력에 따른 축방향철근 좌굴의 영향으로 기초상단부터 300mm 높이까지 피복콘크리트가 분리되면서 축방향철근이 노출되었다. 5% 변위비에 기초상단부터 400mm 구간에서 축방향철근 좌굴과 양측 압축연단에서 피복콘크리트 탈락이 관찰되었다. 횡하중 가력방향의 소성힌지구간에서 콘크리트의 파괴가 급격히 심화되었으며 기초상단부터 400mm 높이의 구간에서 전단균열 폭이 급격히 증가하여 전단파괴 거동을 나타내었고 횡하중이 36% 감소되어 실험을 종료하였다. 축방향철근 및 횡방향철근의 파단은 관찰되지 않았다.

OCH1 실험체보다 축방향철근이 2배로 배근되어 축방향철근비가 4.71%인 OCH3 실험체는 0.75% 변위비에서 기초상단부터 80 ~500mm 구간에 휨균열이 동시에 발생되었고 중공부분 높이까지 진전되었다. 변위비 1.0% 단계에서 경사균열이 400 ~ 750mm 구간에 최초로 나타났다. OCH3 실험체는 변위비가 증가함에 따라 경사균열이 진전되었으며 변위비 1.5% 단계에서 반복하중에 따른 경사균열이 교차되었고 휨균열 및 경사균열은 기초상단부터 1,050mm까지 발생 및 진전되었다. 위비 1.5% 단계에서 경사균열이 1300mm 높이까지 나타났고 진전되었다. 변위비 3.0% 단계에서 기초상단부터 400 ~ 550mm 위치에 발생된 경사균열의 폭이 2mm로 계측되었다. 전단균열 교차부(100 ~ 550mm)의 피복콘크리트가 탈락되기 시작하였다. 반복 횡하중 가력에 따른 전단균열의 교차로 인해 300 ~ 550mm 구간의 콘크리트가 완전히 탈락되어 철근이 노출되었다. 반복 횡하중 가력에 따른 축방향철근 좌굴의 영향으로 기초상단부터 600mm 높이까지 피복콘크리트가 분리되었다. 양측 압축연단에서 피복콘크리트 탈락이 관찰되었다. 기초상단부터 600mm 높이의 구간에서 전단균열 폭이 급격히 증가하여 전단파괴 거동을 나타내었고 횡하중이 52% 감소되어 실험을 종료하였다. 축방향철근 및 횡방향철근의 파단은 관찰되지 않았다.

OCH1 실험체와 축방향철근의 배근 개수는 동일하나, 기초상단부터 280mm까지 축방향철근이 겹침이음된 OCH4 실험체는 0.5% 변위비에서 기초상단부터 200, 250, 350, 450mm 위치에 휨균열이 동시에 발생되었고 휨균열이 기초상단부터 530mm 위치까지 발생되었으며 진전되었다. 변위비 0.75% 단계에서 경사균열이 최초로 나타났고 중공부분 높이까지 진전되었다. 변위비 1.0% 단계에서 휨균열이 1,050mm 높이까지 발생되었고 경사균열은 기초상단부터 210 ~ 850mm 의 구간에서 발생되고 진전되었다. OCH4 실험체는 변위비가 증가함에 따라 경사균열이 진전되었으며 변위비 1.5% 단계에서 반복하중에 따른 경사균열이 교차되었고 휨균열 및 경사균열은 기초상단부터 1,000mm까지 발생 및 진전되었다. 횡하중재하 면에 기초상단부터 300mm까지 축방향철근의 겹침이음 구간에 수직균열이 발생되었다. 변위비 2.0% 단계에서 기초상단부터 300mm 높이의 휨균열 폭이 2mm로 계측되었고 횡하중재하 면에 스폴링이 관찰되었다. 경사균열은 단면 폭의 2/3까지 진전되었다. 변위비 2.5% 단계에서 경사균열의 폭이 4mm까지 계측되었고 횡하중 재하 면에서 피복콘크리트의 탈락이 기초상단부터 330mm 높이까지 관찰되었다. 변위비 3.0% 단계에서 휨균열과 수직균열의 진전되었고 균열 폭이 8mm로 심화되었다. 변위비 4.0% 단계에서 기초상단부터 40 0mm 구간에 피복콘크리트의 분리가 관찰되었다. 전단균열이 발생되었으나 최종적으로는 전단파괴 거동을 나타내지 않고 겹침이음 구간의 콘크리트 파괴로 인해 횡하중이 34% 감소되어 실험을 종료하였다. 축방향철근 및 횡방향철근의 파단은 관찰되지 않았다.

Photo 2 Crack pattern of OCH1 specimen

Photo 3 Crack pattern of OCH2 specimen

Photo 4 Crack pattern of OCH3 specimen

Photo 5 Crack pattern of OCH4 specimen

3.2 하중-변위 이력곡선 및 포락곡선

Fig. 3에 각 실험체의 하중-변위 이력곡선(hysteresis loops)을 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 하중-변위 이력곡선은 횡하중 가력기의 하중계 및 변위계에 의해 측정된 하중과 변위를 이용하였다. Fig. 3(a)에 나타낸 OCH1 실험체의 하중-변위 이력곡선은 0.5% 변위비에서 휨균열 발생에 의해 강성이 변화하기 시작하였다. 1.5% 변위비에서 최외곽 인장철근의 항복으로 인한 2차 강성변화가 발생되었다. 변위비 5%에서 심화된 전단균열 및 콘크리트 손상으로 횡력(2cycle/1cycle)이 84%로 저하되었고 변위비 6%에서 최대 횡력의 56%로 횡력이 감소되어 실험이 종료되었다. OCH1 실험체보다 D16 철근이 6개 추가되어 축방향철근비가 3.54%인 OCH2 실험체의 하중-변위 이력곡선을 Fig. 3(b)에 나타내었다. 변위비 0.5%에서 휨균열 발생에 의해 강성이 변화하기 시작하였고 1.0% 변위비에서 최외곽 인장철근의 항복으로 인한 2차 강성변화가 발생되었다. 변위비 5%에서 전단균열 심화 및 콘크리트 손상으로 최대 횡력의 78%로 횡력이 감소되어 실험이 종료되었다. OCH1 실험체보다 축방향철근이 2배로 배근되어 축방향철근비가 4.71%인 OCH3 실험체의 하중-변위 이력곡선을 Fig. 3(c)에 나타내었다. 변위비 0.75%에서 휨균열 발생에 의해 강성이 변화하기 시작하였다. 1.5% 변위비에서 최외곽 인장철근의 항복으로 인한 2차 강성변화가 발생되었다. 변위비 4%에서 심화된 전단균열 및 콘크리트 손상으로 횡력(2cycle/ 1cycle)이 56%로 저하되어 실험이 종료되었다. OCH1 실험체와 축방향철근의 배근 개수는 동일하나, 기초상단부터 280mm까지 축방향철근이 겹침이음된 OCH4 실험체의 하중-변위 이력곡선을 Fig. 3(d)에 나타내었다. 변위비 0.5%에서 휨균열 발생에 의해 강성이 변화하기 시작하였고 1.5% 변위비에서 겹침이음부에 발생된 수직균열이 발생되었다. 변위비 4%에서 겹침이음 구간의 수직균열과 콘크리트 파괴로 인해 최대 횡력의 66%로 횡력이 감소되어 실험이 종료되었다. 동일한 변위비 단계의 횡하중을 각각 2회씩 가력하여 실험이 수행되었고 Fig. 4에 첫 번째 가력시의 포락곡선과 두 번째 가력시의 포락곡선을 나타내었다. Table 2에 첫 번째 가력시의 횡하중 강도에 대한 두 번째 가력시의 횡하중 강도를 비교하여 나타내었다.

각 실험체의 하중-변위 포락곡선(envelop curves)을 Fig. 5에 나타내었다. Table 3에 OCH1 실험체의 횡하중을 기준으로 각 실험체의 횡하중을 변위비 단계별로 비교하여 나타내었다.

Fig. 3 Hysteresis loops

Fig. 4 Force-displacement envelope curves

Fig. 5 Comparison of envelope curves

3.3 변위 단계별 횡하중 강도 저감

각 실험체의 하중-변위 포락곡선을 토대로 변위 단계별로 강도저감 비율을 분석하여 Table 2에 나타내었다. 본 실험에서는 동일한 변위비에 대해 하중 반복횟수를 2회씩 가력하였다. Table 2와 Fig. 6에는 동일한 변위비 단계에 대해 첫 번째 가력(first cycle loading)시 계측된 횡하중 강도(H$_{exp}$1cyc.)에 대한 두 번째 가력(second cycle loading)시 계측된 횡하중 강도(H$_{exp}$2cyc.)를 비교하여 나타내었다. 축방향철근비가 2.36%, 3.54%인 OCH1, OCH2 실험체는 변위비 1.5%부터 횡하중 강도가 감소하기 시작하였고 축방향철근비가 4.71%인 OCH3 실험체는 변위비 2.0%부터 횡하중 강도가 감소하기 시작하였다. OCH1 실험체는 최대 횡하중이 계측된 4.0% 변위비에서 13.4%(push 방향)의 저감을 나타내었고 OCH2 실험체는 4.0% 변위비에서 12.3%(pull 방향)의 저감을 나타내었다. OCH3 실험체는 최대 횡하중이 계측된 3.0% 변위비에서 3.0%(push 방향)의 저감을 나타내었다. OCH4 실험체는 최대 횡하중이 계측된 2.0% 변위비에서 15.0%(push 방향)의 저감을 나타내었다. OCH1 실험체의 하중-변위 포락선에서의 횡하중을 기준으로 동일한 변위비 단계에서 OCH2, OCH3, OCH4 실험체의 횡하중을 비교하여 Table 3에 나타내었다. 축방향철근비가 증가될수록 횡하중 강도는 증가하였으나 극한변위비는 감소하는 경향을 나타내었다. 겹침이음 실험체인 OCH4 실험체는 각 변위비에서 가장 낮은 횡하중 강도를 나타내었고 극한변위비도 가장 낮게 나타났다.

Fig. 6 Strength degradation ratio

3.4 변위연성도

철근콘크리트 교각 부재의 전단 또는 휨-전단 파괴유형의 판정에 대한 중요한 인자들은 균열 및 파괴거동과 변위연성도(displacement ductility factor)이다. 전단 또는 휨-전단 파괴의 경우에 콘크리트 강도의 감소로 인해 휨 변위연성도가 감소한다. 따라서 변위연성도는 전단 또는 휨-전단 파괴유형의 판정에 대한 중요한 인자 중의 하나이다. 실험결과의 비선형의 하중-변위 관계에서 산정된 극한변위 값을 항복변위 값으로 나누어 변위연성도로 표현하며 실험체의 연성능력을 정량적으로 나타낸다. 철근콘크리트 기둥부재의 균열에 의한 강성저하를 고려한 할선강성에 근거하여 항복변위 산정하였고 횡하중 최대 값의 80%까지 감소되는 변위를 극한변위로 산정하였다. Table 4에 각 실험체의 항복변위, 극한변위, 변위연성도를 나타내었다.

D16 철근이 12개 배근되어 축방향철근비가 2.36%인 OCH1 실험체의 극한 변위비는 5,99이며 변위연성도는 4.08이다. OCH1 실험체보다 D16 철근이 6개 추가되어 축방향철근비가 3.54%인 OCH2 실험체의 극한 변위비는 5.0이며 변위연성도는 2.73이다. OCH1 실험체보다 축방향철근이 2배로 배근되어 축방향철근비가 4.71%인 OCH3 실험체의 극한 변위비는 4.0이며 변위연성도는 1.87이다. 축방향철근비가 증가될수록 항복변위는 증가하고 극한변위는 감소하는 경향을 나타내었으며 변위연성도도 감소하는 경향을 나타내었다. OCH1 실험체와 축방향철근의 배근 개수는 동일하나, 기초상단부터 280mm까지 축방향철근이 겹침이음된 OCH4 실험체의 극한 변위비는 3.68이며 변위연성도는 3.15이다.

3.5 소산에너지 및 등가점성감쇠비

철근콘크리트 부재의 실험단계에서 계측된 비선형 하중-변위 이력곡선으로 소산에너지량, 등가점성감쇠비, 탄성변형에너지, 잔류변형, 유효강성 등을 분석할 수 있으며 Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 8에 실험체들의 소산에너지를 변위비별로 산정하여 나타내었다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 변위비 1%까지의 하중재하 초기 단계에는 모든 실험체의 에너지 소산능력이 유사하지만 변위비 1.5% ~ 3.0%까지 OCH1, OCH2, OCH3 실험체의 경우에는 축방향철근비가 증가될수록 에너지 소산능력이 감소하는 경향을 나타내었다. 축방향철근비가 2.36%인 OCH1 실험체의 실험종료 변위비인 6%까지 누적 소산에너지는 79,192kN/m로 계측되었고 축방향철근비가 3.54%인 OCH2 실험체의 경우, 변위비 5%에서 실험이 종료되었으며 누적 소산에너지는 63,303kN/m로 계측되었다. 축방향철근비가 4.71%인 OCH3 실험체의 경우, 변위비 4%에서 실험이 종료되었으며 누적 소산에너지는 35,032kN/m로 계측되었다. 축방향철근이 겹침이음된 OCH4 실험체는 변위비 3%에서 실험이 종료되었으며 누적 소산에너지는 20,173kN/m로 계측되었다. 누적 소산에너지는 축방향철근비가 증가될수록 감소하는 경향을 나타내었고 축방향철근이 겹침이음된 경우에 현저하게 감소되었다.

Fig. 9의 등가점성감쇠비는 에너지 소산능력과 비선형 이력곡선의 탄성변형 에너지와 관계되며 식 (1)로 나타낸다. $E_{d}$는 이력곡선의 면적, $E_{s}$는 탄성변형 에너지이다.

Fig. 9에 나타낸 바와 같이, 변위비 1.0%에서 모든 실험체의 등가점성감쇠비는 0.031 ~ 0.040%이고 부재의 항복상태의 경우에 OCH1 실험체는 0.054%, OCH2 실험체는 0.055%, OCH3 실험체는 0.052%, OCH4 실험체는 0.067%의 등가점성감쇠비로 산정되었다. OCH1, OCH2, OCH3 실험체의 등가점성감쇠비 능력은 변위비 1%부터 증가하였고 파괴 변위비에서 최대 값을 나타내었다. OCH1 실험체의 최대 등가점성감쇠비는 6% 변위비에서 0.215%, OCH2 실험체는 5% 변위비에서 0.175%, OCH3 실험체는 6% 변위비에서 0.177%로 계측되었다. OCH4 실험체의 등가점성감쇠비는 변위비 0.5%부터 증가하였고 최대 등가점성감쇠비는 3% 변위비에서 0.152%로 계측되었다.

소산에너지지수(dissipated energy index, DEI)는 부재 항복상태의 소산에너지량과 극한상태의 소산에너지량의 비이며 등가점성감쇠지수(equivalent viscous damping index, EVDI)는 부재 항복상태의 등가점성감쇠비와 극한상태의 등가점성감쇠비의 비이고 각 실험체에 대한 소산에너지지수와 등가점성감쇠지수를 Table 5에 정리하여 나타내었다. 축방향철근비가 증가될수록 소산에너지지수와 등가점성감쇠지수는 감소되는 경향을 나타내었다.

Fig. 7 Definition of dissipated energy, equivalent viscous damping ratio, residual deformation and effective stiffness

Fig. 8 Comparison of dissipated energy

Fig. 9 Comparison of equivalent viscous damping ratio

3.6 잔류변형 및 유효강성

철근콘크리트 부재에 지진하중과 같이 반복하중이 작용하는 경우에 잔류변형이 발생되며 비선형 거동을 나타내는 철근콘크리트 부재의 부재 손상, 보수 가능성을 나타낼 수 있는 지표이다.본 연구에서 잔류변형을 각 변위비의 잔류변위로 나타내었다. 잔류변형은 Fig. 10에 나타낸 바와 같이, 변위비가 증가됨에 따라 변위비 1.0%까지는 모든 실험체에서 선형으로 증가되었다. 변위비 1.5% 이후에 휨균열과 전단균열의 발생 및 심화, 축방향철근 항복 등의 영향으로 파괴 변위까지 잔류변형이 증가하는 경향을 나타내어 손상이 심화됨을 나타내었다. OCH1, OCH2 실험체는 변위비 2.5% 이후에 잔류변형이 선형으로 증가되었다. OCH3 실험체는 변위비 3%에 전단균열 심화 및 콘크리트 손상 심화로 18.7mm의 잔류변위를 나타내었고 변위비 4%에 실험이 종료되었다. OCH4 실험체는 변위비 1.5% 이후에 잔류변형이 선형으로 증가되었다.

Fig. 11에 실험단계에서 계측된 유효강성을 분석하여 나타내었다. 모든 실험체의 유효강성은 하중단계가 진행됨에 따라 휨균열과 전단균열 발생 및 심화, 콘크리트 손상의 영향으로 급격히 감소하였다. 부재의 항복상태의 경우에 OCH1 실험체는 5.216kN/m, OCH2 실험체는 4.509kN/m, OCH3 실험체는 5.438kN/m, OCH4 실험체는 4.517kN/m의 유효강성으로 산정되었다. 부재의 극한상태의 경우에 OCH1 실험체는 1.032kN/m, OCH2 실험체는 1.436kN/m, OCH3 실험체는 3.268kN/m, OCH4 실험체는 1.592kN/m의 유효강성으로 산정되었다.

Fig. 10 Comparison of residual deformation

Fig. 11 Comparison of effective stiffness