2.1 실험 변수

실험변수는 축방향철근의 겹침이음 유ㆍ무와 축방향철근 겹침이음 상세로 선정하였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 실험체의 전체높이는 2,200 mm, 기둥길이 1,400 mm, 단면형태는 팔각형이고 단면크기는 400 mm이다.

OSH0L0 실험체에는 SD300의 D13 철근 12개가 축방향철근으로 배근되어 축방향철근비는 1.15%이고 OSH1L1, OSH2L1 실험체에는 SD300의 D13 철근 12개가 축방향철근으로 배근되었으나 기초상단부터 280 mm 겹침이음길이가 적용되었으며 모든 축방향철근에 겹침이음이 적용되어 축방향철근비는 2.29%이며 OSH2L2 실험체는 OSH2L1 실험체와 동일한 축방향철근 상세이나 축방향철근 중 50% 겹침이음이 적용되어 축방향철근비는 1.72%이다. 모든 실험체의 나선철근은 90 mm 간격으로 배근되었고 횡방향철근비는 0.592%이다. Table 1에 나타낸 바와 같이, 모든 실험체의 축방향철근 배근 형태는 원형이고 단면 중심부터 축방향철근 중심까지 거리는 340 mm이다. 모든 실험체에 배근된 축방향철근 항복강도, 횡방향철근 항복강도, 콘크리트의 압축강도는 각각 482 MPa, 421 MPa, 30 MPa이다. 실제 설계 또는 시공된 교량들의 상부구조 도면에 근거하여 축력을 산정하였고 실험에서 축력비를 0.07로 적용하였다.

Fig. 1. Details of reinforcement

Table 1. Variables of specimens

2.2 축방향철근 상세

OSH1L1 실험체의 경우, Fig. 2(a)에 나타낸 바와 같은 축방향철근 상세가 적용되었다. Fig. 2(a)의 좌측 철근은 기둥 전체에 적용되었고 Fig. 2(a)의 우측 철근은 기초저면부터 기둥 소성힌지부에 배근되었으며 기둥에서의 겹침이음 길이는 280 mm이다. KDS 14 20 52 및 ACI318에 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근의 겹침이음길이에 대해 명시되어 있지 않으므로 본 연구에서는 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근의 정착길이로 산정하였다. Table 2에 KDS 14 20 52 및 ACI318에 제시된 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근의 정착길이를 나타내었으며 설계기준에 제시된 최소 정착길이 값보다 상회하였으며 Table 2에 나타내었다. Fig. 2(b)에 나타낸 축방향철근 상세는 OSH2L1, OSH2L2 실험체에 적용된 상세이다. OSH2L1 실험체에는 모든 축방향철근이 겹침이음된 상세이고 OSH2L2 실험체에는 50% 축방향철근만 겹침이음된 상세가 적용되었다.

KDS 14 20 50 콘크리트구조 철근상세 설계기준에는 철근의 크기가 D10∼D25인 경우에 180° 표준갈고리의 구부림 최소 내면 반지름은 3$d_b$ 이상, 철근의 크기 D16 이하인 경우에 180° 표준갈고리의 구부린 반원 끝에서 4$d_b$ 이상, 또한 60 mm 이상 더 연장하도록 규정되어 있다. 본 연구에서 최소 내면 반지름은 43 mm로 4.3$d_b$ 이고 구부린 반원 끝에서 64 mm(6.4$d_b$) 연장되도록 제작되었다.

Fig. 2. Details of longitudinal reinforcement

3.1 재하 실험

재하실험은 Photo 1에 나타낸 바와 같이 실험체를 실험대에 배치시키고 유압 잭 (Hydraulic jack) 4개, 지름 38 mm의 PS 강봉 4개, 유압 가력기 2개를 이용하여 실험대에 고정하였다. 유압잭을 적용하여 축력을 재하 하였고 횡방향 하중을 재하하는 준정적 실험을 수행하였다. 하중재하 방식은 Fig. 3에 나타낸 바와 같은 변위제어 방식이 적용되었고 축방향철근이 파단되는 변위까지 진행되었다.

Fig. 3. Lateral loading history

Photo 1 Test set-up

3.2 균열거동 및 파괴거동

각 실험체들의 하중단계(0.5%, 2.0%, 4%, 5%의 변위비)에 따른 균열 발생 및 균열 진전을 Photo 2-5에 나타내었다. 횡방향철근비가 0.592%, 축방향철근비가 1.15%이고 축방향철근의 겹침이음이 없는 OSH0L0 실험체의 경우, 최초 휨균열은 0.5% 변위비(기둥 하단부터 270 mm) 단계에서 관찰되었고 추가적인 균열들이 발생 및 진전되었으며 Photo 2에 나타내었다. 변위비 1.5%에서 기초상단부터 110 mm∼720 mm 범위에서 다수의 휨균열이 발생, 진전되었다. 하중방향과 평행한 실험체 면에서 경사균열이 발생 및 진전되었다. 반복 횡하중 및 변위비가 증가됨에 따라 하중방향에 따른 사인장 균열이 변위비 2.0%에서 교차되었다. 변위비가 증가함에 따라 휨균열, 경사균열은 기둥하단부터 780 mm까지 발생 및 진전되었다. 변위비 4.0% 단계에서 기초상단부터 920 mm 위치까지 휨균열이 발생되었다. 또한, 기초상단부터 130 mm 위치까지 스폴링이 관찰되었다. 변위비 5.0% 단계에서 변위증가 및 반복 횡하중 가력에 따른 축방향철근 좌굴의 영향으로 기둥하단부터 160 mm까지 피복 콘크리트가 탈락되면서 축방향철근이 노출되었다. 6% 변위비에 기초상단부터 180 mm 위치의 피복 콘크리트가 완전히 탈락되었고 축방향철근이 파단되었으며 횡하중이 급격히 감소하여 실험을 종료하였다.

OSH1L1 실험체의 경우, 0.25% 변위비에서 기초상단부터 270 mm 위치에 휨균열이 발생되었고, 0.5% 변위비에서 170∼590 mm 위치에 휨균열이 발생되었으며 진전되었다. 변위비 1.5% 단계에서 80∼950 mm 범위에 9개의 휨균열이 나타났고 하중재하 방향과 평행한 실험체 면에 경사균열이 나타났고 경사균열이 교차되었다. 변위비 2.5% 단계에서 휨균열 폭이 2 mm로 계측되었다. 변위비 4.0% 단계에서 휨균열 폭이 4 mm로 계측되었고 250∼450 mm 범위에 축방향철근 좌굴에 의한 피복 콘크리트의 박리가 관찰되었고 하중재하 방향과 평행한 실험체 면에 경사균열이 심화되었다. 변위비 5.0% 단계에서 피복 콘크리트 탈락으로 축방향철근이 노출되었다. 변위비 5.0% 단계에서 콘크리트 파괴가 심화되었고 축방향철근의 파단으로 실험을 종료하였다.

OSH2L1 실험체의 경우, 0.5% 변위비에서 기초상단부터 170∼850 mm 위치에 휨균열이 발생되었다. 1.5% 변위비에서 기초상단부터 150∼1130 mm 위치에 휨균열이 발생되었고 하중재하 방향과 평행한 실험체 면에 경사균열이 교차되었다. 다. 변위비 3.0% 단계에서 휨균열 폭이 3 mm로 계측되었다. 변위비 4.0% 단계에서 휨균열 폭이 4.5 mm로 계측되었고 기초상단부터 100∼330 mm 범위에 축방향철근의 좌굴에 의한 피복 콘크리트 박리가 시작되었으며 경사균열이 기초상단부터 400 mm 범위에서 심화되었다. 변위비 6.0% 단계에서 축방향철근과 나선철근이 노출되었고 소성힌지 구역의 콘크리트 파괴가 심화되었으며 축방향철근이 파단되었다.

OSH2L2 실험체의 경우, 0.25% 변위비에서 기초상단부터 250 mm 위치에 휨균열이 발생되었다. 0.5% 변위비에서 기초상단부터 160∼640 mm 위치에 휨균열이 발생되었고 심화되었다. 1.5% 변위비에서 기초상단부터 160∼980 mm 위치에 휨균열이 확대되었다. 1.5% 변위비에서 하중재하 방향과 평행한 실험체 면에 경사균열이 나타났고 진전되다가 교차되었다. 2.5% 변위비에서 하중재하 방향과 평행한 실험체 면에 경사균열이 기초상단에서 450 mm까지 심화되었다. 변위비 4.0% 단계에서 휨균열 폭이 4 mm로 계측되었고 기초상단부터 280 mm까지 축방향철근의 좌굴에 의한 피복 콘크리트 박리가 시작되었다. 변위비 6.0% 단계에서 축방향철근과 나선철근이 노출되었고 소성힌지 구역의 콘크리트 파괴가 심화되었으며 축방향철근이 파단되었다. 각 실험체들의 균열 및 파괴거동을 Table 3 에 정리하여 나타내었다.

Photo 2 Cracking and failure mode of OSH0L0

Photo 3 Cracking and failure mode of OSH1L1

Photo 4 Cracking and failure mode of OSH2L1

Photo 5 Cracking and failure mode of OSH2L2

4.1 이력곡선 분석

Fig. 4(a)에 나타낸 OSH0L0 실험체의 하중-변위 이력곡선은 휨균열이 0.5% 변위비에서 발생되었고 이로 인해 강성이 변화하기 시작하였다. 최외곽 인장철근의 항복(1.0% 변위비)으로 인해 두 번째의 강성변화를 나타내었다. 축방향철근의 좌굴, 균열의 심화로 인해 6% 변위비 단계에서 이력곡선 1싸이클의 횡력보다 2싸이클의 횡력이 17% 저하되었고 축방향철근이 파단되어 실험이 종료되었다. Fig. 4(b)에 OSH1L1의 이력곡선을 나타내었다. 휨균열이 변위비 0.5% 단계에서 발생되었고 이로 인해 초기강성 변화가 나타났다. 인장철근의 항복으로 인해 변위비 1.5% 단계에서 두 번째의 강성변화를 나타내었다. 축방향철근의 좌굴, 균열 심화로 4% 변위비 단계에서 최대 횡력의 90%로 횡력이 감소되었다. 2개의 축방향철근이 변위비 5%에서 파단되었고 변위비 4% 횡력의 62%로 감소되어 실험이 종료되었다. Fig. 4(c)에 OSH2L1 실험체의 하중-변위 이력곡선을 나타내었다. 휨균열이 변위비 0.75% 단계에서 발생되었고 이로 인해 초기강성 변화가 나타났다. 인장철근의 항복으로 인해 변위비 1.5% 단계에서 두 번째의 강성변화를 나타내었다. 3개의 축방향철근이 6% 변위비 단계에서 파단되어 실험이 종료되었다. Fig. 4(d)에 OSH2L2 실험체의 하중-변위 이력곡선을 나타내었다. 휨균열이 변위비 0.5% 단계에서 발생되었고 이로 인해 초기강성 변화가 나타났다. 인장철근의 항복으로 인해 변위비 0.75% 단계에서 두 번째의 강성변화를 나타내었다. 2개의 축방향철근이 6% 변위비 단계에서 파단되어 실험이 종료되었다. Fig. 5에 1싸이클 및 2싸이클의 이력곡선에 대한 포락곡선을 나타내었다.

Fig. 4. Hysteresis loops

Fig. 5. Force-displacement envelope curves

4.2 횡력 저감 분석

Table 4에는 각 하중단계별 이력곡선 상 1싸이클의 최대 횡력(H$_{exp}$1cyc.)에 대한 2싸이클의 최대 횡력(H$_{exp}$2cyc.)의 비율을 분석하여 정리하였고, 전체 실험체의 포락곡선을 Fig. 6에 나타내었으며 OSH0L0의 횡력에 대해 변위비 단계별로 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2의 횡력을 비교하여 Table 4에 나타내었다.

OSH0L0 실험체는 1.5% 변위비부터 횡하중 강도가 감소하기 시작되었고 OSH1L1, OSH2L1 실험체는 변위비 2.5%부터 횡하중 강도가 감소되기 시작하였다. OSH2L2 실험체는 변위비 1.5%부터 횡하중 강도가 감소하기 시작되었다. OSH0L0 실험체의 하중-변위 포락선에서의 횡력을 기준으로 동일한 변위비 단계에서 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체의 횡하중을 비교하여 Table 5에 나타내었다. 축방향철근에 대해 겹침이음이 적용되어 축방향철근비가 증가됨에 따라 횡하중 강도는 증가되었으나 극한변위는 감소하는 경향을 나타내었다.

Fig. 6. Comparison of envelope curves

Fig. 7. Strength degradation ratio

4.3 변위연성도

균열양상, 파괴거동과 변위연성도(displacement ductility factor)는 철근콘크리트 교각 부재의 전단파괴, 휨-전단 파괴, 휨파괴 유형의 판정에 있어서 중요한 인자들이다. 변위연성도는 실험결과의 비선형 하중-변위 관계에서 분석된 극한변위 값과 항복변위 값의 비로 표현된다. 실험체의 연성능력을 정량적으로 나타낼 수 있다. Fig. 8에 나타낸 바와 같이 철근콘크리트 기둥부재의 균열로 인한 강성저하를 고려하는 할선강성에 근거한 항복변위와 축방향철근의 최초 항복을 기준으로 한 항복변위로 산정하였고 철근이 파단되는 변위를 극한변위로 산정하였다. Table 6에 전체 실험체의 항복변위, 극한변위, 변위연성도를 나타내었다.

할선강성에 근거한 항복변위를 기준으로 하는 경우, 소성힌지 구역에 축방향철근이 겹침이음이 적용된 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체의 항복변위는 축방향철근의 겹침이음이 없는 OSH0L0 실험체보다 강성이 증가되어 항복변위가 증가되었으며 횡하중 강도는 1.5% 변위비 이후에 1,20∼1.29배 증가되었다.

축방향철근 최초 항복을 기준으로 항복변위로 산정한 경우에는 겹침이음이 없는 OSH0L0 실험체와 50% 겹침이음된 OSH2L2 실험체의 항복변위는 14 mm로 동일하게 분석되었고 100% 겹침이음되어 축방향철근비가 2배인 OSH1L1, OSH2L1 실험체의 항복변위는 28 mm로 동일하게 분석되었다.

또한, 축방향철근 겹침이음의 영향으로 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체의 극한변위는 축방향철근의 겹침이음이 없는 OSH0L0 실험체보다 극한변위가 감소되었다. 할선강성에 근거한 항복변위를 기준으로 하는 경우, OSH0L0 실험체 변위연성도는 5.90이며 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체의 변위연성도는 4.37, 4.00, 4.59로 분석되었고 기준 실험체(OSH0L0)의 0.74, 0.67, 0.78배로 분석되었다.

축방향철근 최초 항복에 근거한 항복변위로 산정하는 경우, OSH0L0 실험체 변위연성도는 5.99이며 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체의 변위연성도는 2.58, 2.72, 5.28로 분석되었고 기준 실험체(OSH0L0)의 0.43, 0.45, 0.88배로 분석되었다. 축방향철근이 100% 겹침이음된 영향으로 OSH1L1, OSH2L1 실험체의 항복변위가 작게 나타났으나 축방향철근이 50% 겹침이음된 OSH2L2 실험체의 변위연성도는 상대적으로 높게 나타났다.

Fig. 8. Definition of yielding and ultimate displacement

4.4 소산에너지 및 등가점성감쇠비

철근콘크리트 실험체의 실험단계에서 계측된 비선형 하중-변위 이력곡선을 토대로 Fig. 9의 소산 에너지, 등가점성 감쇠비, 탄성변형 에너지, 잔류변형과 유효강성 등을 분석하여 Figs. 10-13에 나타내었다.

Fig. 10에 실험결과에서 얻은 소산에너지를 변위비별로 분석하여 나타내었다. 0.25%∼0.75% 변위비에는 에너지 소산능력이 유사하게 나타나지만 변위비 3.0%를 초과하면 차이를 나타내었다. 겹침이음된 축방향철근비와 철근상세로 인해 다르게 나타났고 축방향철근비가 높을수록 소산에너지도 높게 나타나는 경향을 보였다.

Fig. 11에 나타낸 바와 같이, 변위비 0.25∼0.75%에서 전체 실험체의 등가점성감쇠비는 0.034∼0.080%이고 부재의 항복상태의 경우에 OSH0L0 실험체는 0.076%, OSH1L1 실험체는 0.063%, OSH2L1 실험체는 0.079%, OSH2L2 실험체는 0.069%의 등가점성감쇠비로 분석되었다. OSH0L0, OSH1L1, OSH2L1 실험체의 등가점성감쇠비는 변위비 1%부터 증가하는 경향을 나타내었고 파괴 변위비에서 최대 값을 나타내었다. OSH0L0 실험체의 최대 등가점성감쇠비는 5% 변위비에서 0.261%, OSH1L1 실험체는 4% 변위비에서 0.228%, OSH2L1 실험체는 5% 변위비에서 0.226%로 계측되었다. OSH2L2 실험체의 경우는 0.5% 변위비 단계에서 증가되었으며 5% 변위비 단계에서 등가점성감쇠비는 최대 0.224%로 분석되었다.

Table 7에 소산에너지와 등가점성감쇠비에 대하여 실험체의 항복, 극한상태를 기준으로 소산에너지지수(DEI)와 등가점성감쇠비지수(EVDRI)로 분석하여 나타내었다.

Fig. 9. Definition of dissipated energy, equivalent viscous damping ratio, residual deformation and effective stiffness

Fig. 10. Dissipated energy

Fig. 11. Equivalent viscous damping ratio

4.5 잔류변형과 유효강성

횡방향 하중이 철근콘크리트 교각에 작용하는 경우, 탄성한계를 초과하여 비탄성 영역에 도달하면 비선형 거동을 보이며 부재 손상, 보수 가능성을 나타내는 영구적인 잔류변형이 발생된다. 각 실험체의 동일한 변위비에 대한 잔류변형을 분석하여 Fig. 12에 나타내었다. 모든 실험체에서 잔류변형은 변위비 1.0% 단계까지 선형적인으로 경향을 나타내었다. 1.0% 변위비 이후에 추가된 균열의 영향, 철근 항복과 파단에 의해 잔류변형은 증가되는 경향을 나타내었다. 소성힌부구역에 겹침이음이 적용된 OSH1L1, OSH2L1, OSH2L2 실험체는 변위비 4.0% 변위비 단계에서 OSH0L0 실험체의 잔류변형 보다 0.92, 0.86, 0.90 만큼 낮게 분석되었다.

Fig. 13에 실험단계에서 계측된 각 실험체의 유효강성을 분석하여 나타내었다. 전체 실험체의 유효강성은 횡하중, 변위비 단계가 진행됨에 따라 휨균열 발생 및 심화의 영향으로 급격히 감소하였다. 실험체 항복상태의 경우, OSH0L0 실험체는 6.551 kN/m, OSH1L1 실험체는 7.696 kN/m, OSH2L1 실험체는 5.492 kN/m, OSH2L2 실험체는 7.425 kN/m의 유효강성으로 산정되었다. 부재의 극한상태의 경우에 OSH0L0 실험체는 1.039 kN/m, OSH1L1 실험체는 1.751 kN/m, OSH2L1 실험체는 1.515 kN/m, OSH2L2 실험체는 1.403 kN/m의 유효강성으로 산정되었다.

Fig. 12. Residual deformation

Fig. 13. Effective stiffness