2.1 실험 개요

본 연구에서는 주기하중을 받는 내부 보-기둥 접합부를 관통하는 보 주철근의 부착거동을 평가하기 위하여 콘크리트 압축강도를 변수로 총 8체의 실험체를 제작하여 실험을 진행하였다. 실험체는 접합부 내 응력 상태를 직접 모사할 수 있도록 보의 한쪽은 철근에 인장력을, 다른 한쪽은 철근과 보 단면 전체에 압축력을 받도록 계획하였다.

Fig. 1. Stress State of Beam-Column Joint

2.2 실험체 계획

실험체는 Fig. 1의 음영처리된 부분과 같이 실제 보-기둥 접합부 내 응력 상태를 모사하기 위하여, 보 주철근 한 가닥을 대상으로 접합부를 포함한 기둥과 보의 일부를 실험체로 계획하였다. 실험체는 강기둥-약보로 설계되었으며, 기둥 폭에 따라 두 시리즈로 나누었다. 각 시리즈는 콘크리트 압축강도에 따라 4체로 계획하였다. S-Series 실험체는 SD400 등급의 D19 철근을, M-Series 실험체는 SD600 등급의 D19 철근을 사용하였다. KDS 14 20 80의 요구 기둥 폭 기준을 만족하도록 실험체의 기둥 폭은 S-Series의 경우 400 mm, M-Series의 경우 500 mm로 설정하였다. 실험체 일람은 Table 1에, 실험체 상세는 Fig. 2에 나타내었다.

Fig. 2. Details of Specimen

2.3 사용 재료

2.4 실험 방법

2.4.1 가력 방법

내부 보-기둥 접합부를 관통하는 보 주철근의 부착거동을 평가하기 위하여 Fig. 3과 같이 한쪽 보에는 철근에만 인장력을, 다른 쪽 보에는 철근과 보 단면 전체에 압축력을 반복 가력하였다. 기둥 축하중은 사용하중 상태를 모사하기 위하여 기둥 내력의 10%를 가력하였다. 보 주철근이 인장 항복하기 전까지 하중 제어 방식으로 가력을 진행하였으며, 보 주철근의 항복 변형률을 기준으로 0.25$\varepsilon_{y}$, 0.5$\varepsilon_{y}$, 0.75$\varepsilon_{y}$, 0.9$\varepsilon_{y}$에 두 사이클씩 가력하였다. 이후에는 변위 제어 방식으로 가력하였으며 항복 시 변위를 기준으로 1.5$\delta_{y}$, 2.0$\delta_{y}$에 두 사이클씩 가력한 후 실험을 종료하였다.

Fig. 3. Test Setup

2.4.2 계측 계획

보 주철근에는 연결너트를 용접하였다. 실험 시 용접된 연결너트에 전산볼트를 이용하여 LVDT를 설치하여 철근의 미끄러짐 양을 측정하였다. 보 주철근의 변형률 분포와 부착응력을 측정하기 위하여 용접된 연결너트를 중심으로 양쪽에 30 mm 간격을 두고 스트레인 게이지를 부착하였다. 가력 시 접합부 내부에 부착된 스트레인 게이지 J1과 J6의 변형률을 기준으로 하중을 제어하였다. 주철근에 부착된 스트레인 게이지의 위치와 LVDT설치 현황을 Fig. 4에 나타내었다.

Fig. 4. Measurement Setup

3.1 부착응력($\tau$)-미끄러짐($Slip$) 관계

내부 보-기둥 접합부를 관통하는 보 주철근의 부착 거동을 평가하기 위하여, Fig. 4에 나타낸 바와 같이 접합부 코어 영역을 국부적인 구간(Local 1, Local 2)과 접합부 내부 평균(Global) 구간으로 나누어 $\tau$$-Slip$ 관계를 산정하였다. 미끄러짐 양은 설치된 LVDT의 값에 철근의 변형량을 제외하여 계산하였다. 부착응력은 Eq. (1), 미끄러짐 양은 Eq. (2)와 같이 계산할 수 있다.

여기서 $\varepsilon_{s1}$과 $\varepsilon_{s2}$는 부착응력 산정 구간의 각 지점의 철근 변형률, $A_{st}$는 철근 단면적 (mm2) $E_{s}$는 철근의 탄성계수(MPa), $\Sigma\psi$는 주장의 합 (mm), $l_{s}$는 부착응력 산정 구간 길이(mm)이다. 각 구간의 부착응력 및 미끄러짐 양을 Table 2에, 각 파괴모드별 $\tau$$-Slip$ 관계를 Fig. 5에 나타내었다.

Fig. 5. $\tau$$-Slip$ Relationships of Bond Failure Specimens

모든 실험체는 가력 초기에 인장 영역인 Local 1 구간에서 부착응력을 부담한다. 이후 가력이 진행됨에 따라 Local 1 구간의 부착응력이 소실되기 시작하고, 이 시점에 압축 영역인 Local 2 구간에서 부착응력을 부담하기 시작한다. 가력이 계속 진행되어 Local 2 구간에서도 부착응력이 감소하기 시작하면, 이 때 Global 구간의 부착응력이 감소하여 부착 열화가 진행된다.

Global 구간에서는 가력 초기에 높은 강성을 보이며 최대 부착응력에 도달하였다. Local 1 구간과 Local 2 구간의 부착응력이 모두 감소하기 시작한 이후, Global 구간의 미끄러짐 양이 증가함과 함께 부착응력이 감소하는 것이 관찰되었다. 부착상태가 양호한 실험체는 부착응력의 감소 및 미끄러짐이 관찰되지 않았다.

S-Series 및 M-Series 모두에서 콘크리트 압축강도가 증가할수록 최대 부착응력이 증가하였으며, 미끄러짐 양은 감소하는 경향이 나타났다.

3.2 보 주철근 변형률 분포

반복가력 시 내부 보-기둥 접합부를 관통하는 보 주철근의 변형률 분포를 가력 단계에 따라 Fig. 6에 나타내었다. 부착 상태가 양호한 경우 변형률 분포는 Fig. 6(b)와 같이 인장 영역에서 인장 변형을, 압축 영역에서 압축 변형을 받게 된다. 하지만 부착상태가 열화된 경우 변형률 분포는 Fig. 6(a)과 같이 인장 영역의 변형률이 압축 영역으로 전이되어 압축 영역의 변형률 구배의 역전 현상이 관찰된다. 접합부 내부의 이러한 변형률 구배 역전 현상이 관찰되면 접합부에 부착 열화가 발생하였다고 판단한다.

Fig. 6. Strain Distribution of Beam Rebar in Panel Zone

각 시리즈의 콘크리트 압축강도가 24 MPa, 30 MPa 인 실험체들에서 변형률 구배의 역전 현상이 관찰되어 부착 열화로 판단하였으며, 콘크리트 압축강도가 70 MPa인 실험체들에서는 기존 연구와 유사한 경향이 관찰되지 않아 부착이 양호한 것으로 판단하였다.

3.3 구간별 부착응력 분포

내부 보-기둥 접합부에 반복 하중을 가했을 때, 접합부를 관통하는 보 주철근의 부착파괴 여부를 판단하기 위하여 접합부 코어 영역을 Fig. 4와 같이 인장 영역인 Zone 1, 중심 영역인 Zone 2, 압축 영역인 Zone 3의 세 구간으로 나누어 각 구간의 부착응력을 계산하였다.

가력 초기에는 Zone 1에서 부착응력을 부담하다 최대 부착응력 도달 이후 부착응력이 감소하며 미끄러짐 양이 증가하여 점차 Zone 2, Zone 3까지 영향을 미치게 된다. 본 연구에서는 Zone 3까지 부착응력의 저하가 관찰되면 부착 열화로 판단하였다. 부착응력은 Eq. (1)을 이용하여 계산하였으며, 각 구간별 부착응력 및 파괴모드를 가력 단계에 따라 Table 3, Fig. 7에 나타내었다.

Fig. 7. Bond Stress by Local Areas

S-20 실험체는 정,부방향 모두 Zone 1에서 0.25$\varepsilon_{y}$ 시점에 최대 부착응력에 도달하였으며, 가력이 진행됨에 따라 Zone 2에서는 0.5$\varepsilon_{y}$, Zone 3에서는 0.75$\varepsilon_{y}$ 시점에 최대 부착응력에 도달한 후 부착응력이 저하되어 부착파괴가 발생한 것으로 판단하였다. S-30 실험체 역시 유사한 경향이 관찰되어 부착파괴한 것으로 판단하였다. S-50 실험체는 Zone 1, Zone 2에서 부착응력의 저하가 관찰되었으나, Zone 3에서는 부착응력의 저하가 관찰되지 않아 부착 상태가 양호한 것으로 판단하였다. S-70 실험체는 Zone 2, Zone 3 에서 철근 항복 이전까지 부착응력의 저하가 관찰되지 않아 부착 상태가 양호한 것으로 판단하였다.

M-Series 역시 S-Series와 유사한 경향이 나타나 M-20, M-30, M-50 실험체는 부착파괴한 것으로 판단하였다. M-70 실험체는 Zone 1에서만 부착응력의 저하가 관찰되었고, Zone 2, 3에서 부착응력의 저하가 관찰되지 않아 부착 상태가 양호한 것으로 판단하였다.

이를 통해 콘크리트 압축강도가 증가할수록 철근의 링텐션(Ring-Tension)에 대한 저항력이 증가하여 부착 저항성이 높아진 것으로 판단된다.

4.1 최대 부착응력

각 실험체의 최대 부착응력은 접합부 내부 평균(Global) 구간의 최대 부착응력을 기준으로 비교하였다. 각 실험체의 최대 부착응력은 Fig. 8에 나타내었다.

Fig. 8. Maximum Bond Stress of Specimen

모든 실험체에서 콘크리트 압축강도가 증가할수록 평균 부착응력이 증가하는 경향이 나타났다. S-Series 실험체는 콘크리트 압축강도가 24 MPa인 S-20 실험체를 기준으로 S-30, S-50, S-70 실험체의 최대 부착응력이 각각 35.62%, 92.81%, 136.2% 증가하였으며, M-Series 실험체는 M-20 실험체를 기준으로 M-30, M-50, M-70 실험체의 최대 부착응력이 각각 14.25%, 77.80%, 137.38% 증가하였다. 이는 앞서 설명한 바와 같이, 콘크리트 압축강도가 증가하면 철근의 링텐션에 대한 저항력이 증가하여 부착 저항성이 높아져 부착강도가 증가하였기 때문으로 판단된다.

4.2 국내 설계 기준의 요구 기둥 폭

국내 내진설계기준^{(KDS 14 20 80)}에서 제시하고 있는 요구 기둥 폭을 만족하도록 실험체를 설계하였다. 기준에서 제시하고 있는 요구 기둥 폭을 만족함에도 불구하고 일부 실험체(S-20, 30, M-20, 30, 50)에서 부착파괴가 발생한 것을 확인하였다. 이는 국내 설계기준이 내부 보-기둥 접합부의 파괴모드를 적절하게 예측하지 못하고 있는 것을 보여준다. 국내 내진설계기준의 요구 기둥 폭이 적절한지 평가하기 위하여 Fig. 9에 나타내었다. 그림에서 확인할 수 있듯이, 국내 내진설계기준은 콘크리트 압축강도의 영향을 반영하고 있지 않아 요구 기둥 폭 비율이 일정하며, 실험 결과를 적절하게 예측하지 못하고 있다.

Fig. 9. Relationship of Concrete Compressive Strength and Required Column Depth Ratio

4.3 국외 현행 설계 기준과 실험 결과 비교

각 설계기준에서는 보-기둥 접합부의 콘크리트 강도에 따른 부착강도 식을 Table 4와 같이 제시하고 있다. AIJ 2010 및 Eurocode 8에서는 접합부의 부착강도를 콘크리트 압축강도의 2/3제곱에 비례한다고 제시하고 있으며, NZS 3101에서는 콘크리트 압축강도의 1/2제곱에 비례한다고 제시하고 있다. 하지만, 국내 기준은 콘크리트 압축강도의 영향성을 반영한 부착강도에 대한 식이 제시되어 있지 않다.

실험결과와 국외 설계기준의 부착강도 비교를 Fig. 10에 나타내었다. 각 실험체의 최대 부착응력을 각 설계기준에서 제시하고 있는 부착강도와 비교한 결과, 부착강도를 적절하게 예측하지 못하고 있는 것을 확인할 수 있다. 부착강도에 대한 콘크리트 압축강도의 영향을 파악하여 기준식의 개선이 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 10. Comparison of Experimental Results and Design Criteria