1.서 론

연계논문[1]에서는 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리 트 교각단면의 적용 확대를 위해 외측 횡철근과 삼각망 보강 횡철근의 간격 조정과 최소화 등을 통한 물량저감 방안, 현재 0.7 까지의 중공치수비(내경/ 외경) 적용을 0.8 까지 확대하는 방안 등을 평가하고 검증하는 연구 내용을 다루었다.

물량저감 철근상세는 축방향 외측으로 배근되는 외측 축방향철근과 축 방향 내측으로 외측 축방향철근 사이에 위치하도록 배근되는 내측 축방향 철근, 외측 축방향철근을 둘러 감는 외측 횡철근과 2본 또는 3본의 외측 축 방향철근과 그 사이에 위치한 1본의 내측 축방향철근을 삼각망으로 연결하 는 보강 횡철근을 주요 특징으로 하고 있다. 이를 통해 내측 횡철근의 생략 내지 감축을 실현한 중공 교각단면의 새로운 철근 배근상세는 배근작업의 편의성과 급속시공을 통해 공사 기간을 단축시키고 시공성을 향상시킬 수 있다[2, 3].

중공단면 교각은 구조물의 자중 및 사용재료의 경감, 수화열의 효율적인 제어 등을 통한 경제적, 구조적 측면에서 근래에 다양한 교량에 설계․시공 되어지고 있다[4-7]. 또한 중공단면 교각의 경우 동일 단면적을 갖는 중실 단면 교각에 비해 더 큰 단면 이차모멘트를 갖게 되므로 효율적인 단면 활용 이 가능하며 교량 구조물의 대형화에 맞추어 그 사용이 증가할 전망이다.

이 연구의 목적은 개발된 삼각망 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교각단면의 적용 확대를 위해 상세를 변화시킨 새로운 중공 철근콘크리트 교각단면 실험체들의 실험적, 해석적 매개변수 연구를 통하여 구조거동 특 성과 소요성능 등을 파악하고 이에 대한 경제성, 시공성 등을 검증하는데 있다.

이 연구에서는 기존의 검증된 프로그램[8-13]에 새로운 중공 철근콘크 리트 교각단면의 비선형 거동특성을 모사할 수 있도록 구속모델 등에 수정 을 가하여 사용하였다.

2.새로운 중공 철근콘크리트 교각 단면의 성능 실험

2.1실험내용

교각단면 실험체는 Table 1과 같이 경제성과 시공성 등의 비교․분석을 위한 사각형단면 실험체와 원형단면 실험체로 구성되며 실험체의 형상 및 제작과정은 Fig. 1 ~ 4에 나타내었다.

각 실험체군은 사각형단면 실험체[C-RHT-BS, C-RHT-IT, C-RHT-BD, C-RHT-BN]와 원형단면 실험체[C-CHT-BS, C-CHT-IT, C-CHT-BD, C-CHT-BN]로 구성된다. 이때 BS는 횡철근 중심간 간격이 축방향 철근 지름의 6배, IT는 외측 횡철근만 배근하고 중심간 간격이 축방향 철근 지름 의 6배, BD는 횡철근 중심간 간격이 축방향 철근 지름의 12배, 그리고 BN 은 외 · 내측 횡철근 없이 삼각망 보강 횡철근만 갖고 간격이 축방향 철근 지 름의 6배인 상세를 갖는다.Fig. 22Fig. 33

실험에서 핵심 설계변수는 기둥 단면의 형상, 철근상세, 횡방향 철근의 수직간격, 그리고 중공치수비로 결정하였다.

새로운 중공 철근콘크리트 교각단면의 설계는 도로교설계기준[14], 콘 크리트구조기준[15], 그리고 AASHTO LRFD[16]를 근거로 하였으며 횡 방향철근량은 현행 실무에서 준용하는 대로 외측 횡방향철근만을 고려하 여 산정하였다. 그리고 사각형단면에서 삼각구도의 보강 횡철근의 계산은 단면을 가로지르는 보강띠철근을 횡방향철근의 총 단면적에 포함시켰다. 또한 실험체 설계에서 부재의 제작과정을 통해서 시공오차의 원인이 될 수 있는 항목을 면밀히 검토하여 시공성을 함께 검토하였다.

파괴실험은 Fig. 5와 같이 30 MN 용량의 성능시험기를 사용하여 실시 하였으며 실험체의 거동특성 등을 파악하였다. 실험체의 재하속도는 0.01 mm/sec로 충격을 주지 않도록 변위재하 하였다. 실험체 양 끝단에서 사각 형단면 실험체는 290 mm, 원형단면 실험체는 240 mm 위치까지 확폭구 간을 제작하여 단부에서의 국부파괴를 방지하고 복부파괴를 유도하였다.그리고 측정된 축하중-축변위 관계로부터 축하중-축변형률 관계를 도출 하였다.

실험체에는 축방향철근, 횡철근, 보강 횡철근에 변형률 게이지를 Fig. 6 과 같이 부착하였으며 성능시험기에 설치된 변위계와 로드셀에 의해 하중 재하점의 변위와 하중을 계측하였다.

2.2실험결과 및 분석

Fig. 7과 8에 검증 실험체에 대한 축하중-축변형률 곡선을 나타내었으 며 각 실험체의 최종 재하 단계에서의 파괴 양상과 설계축강도를 함께 나타 내었다. 모든 실험체는 피복콘크리트의 박리, 축방향철근의 좌굴 그리고 횡 방향철근의 파단 등에 의해 내하력이 저하되는 파괴 거동을 보였다.

개발된 삼각망 철근상세를 갖는 사각형단면 실험체[C-RHT-BS, C-RHT-IT, C-RHT-BD, C-RHT-BN]의 설계축강도는 9264.4 kN이며 실험값은 각 각 21668.7 kN, 21647.5 kN, 21004.1 kN, 19512.4 kN이다(Table 2). 그리 고 원형단면 실험체[C-CHT-BS, C-CHT-IT, C-CHT-BD, C-CHT-BN]의 설계축강도는 8435.1 kN이며 실험값은 각각 17638.8 kN, 17930.2 kN, 16303.7 kN, 18223.6 kN이다(Table 3). 이때 현행 설계기준대로 축강도 산정시 횡구속 콘크리트의 압축강도 증가분은 고려하지 않았다.

개발된 물량저감 철근상세를 갖는 사각형단면 실험체[C-RHT-BS, C-RHT-IT, C-RHT-BD, C-RHT-BN]의 경우 설계축강도의 220% 수준 까지 내력이 나타나고 있다. 원형단면 실험체[C-CHT-BS, C-CHT-IT, C-CHT-BD, C-CHT-BN]의 경우 설계축강도의 200% 수준으로 내력이 나타나고 있어 횡구속 등 구조거동 특성에 삼각망 보강 횡철근의 영향이 크 다는 것을 확인할 있다.

Fig. 8에는 최종 재하 단계에서의 원형단면 실험체의 중공 내부를 함께 나타내고 있는데 대부분의 실험체가 파괴가 발생하지 않음을 알 수 있다. 그 리고 일부 실험체의 경우 실험구간과 가력부의 확폭구간이 만나는 지점에 서 파괴현상이 발생하였는데, 이는 실험구간 단면에 중심 축하중이 아닌 편 심 축하중이 부분적으로 재하된 것으로 판단된다. 실험결과에서 이의 영향 을 가능한 배제하여 실험결과 분석을 수행하였다.

교량상부의 하중을 지지하는 교각부는 연성거동을 확보하여 갑작스런 취성파괴를 방지하여야 한다. 이를 평가하기 위해 극한강도 이후에도 상당 한 수준의 변형까지 내력을 유지하는지 실험체의 극한변형률을 통해 확인 하였다. 이때 극한변형률(ε_0.85P _max)은 Eurocode[17]를 근거로 축하중-축 변형률 곡선으로부터 저항능력이 최대 내력의 15% 저하되었을 때의 변형 률을 극한변형률로 정의하였다.

개발된 삼각망 철근상세를 갖는 사각형단면 실험체[C-RHT-BS, C-RHT-IT, C-RHT-BD, C-RHT-BN]의 극한변형률은 각각 0.0583, 0.0293, 0.0249, 0.0326다. 그리고 원형단면 실험체[C-CHT-BS, C-CHT-IT, C-CHT-BD, C-CHT-BN]의 극한변형률은 각각 0.0244, 0.0278, 0.0229, 0.0244이다. 이를 통해 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 실험체는 극한강도 이후에도 내력을 충분히 유지하고 있음이 확인되었다(Fig. 9).

Fig. 9와 같은 정규화한 축하중-축변형률 포락곡선을 이용하여 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 새로운 중공 교각단면의 설계변수에 따른 거동 차이를 규명하였으며 합리적인 설계기준안 마련에 기본적인 자료로 사용 할 수 있을 것이다.

삼각망 철근상세를 갖는 실험체와 기존 철근상세를 갖는 실험체의 국부 적 거동특성을 분석하기 위하여 실험체 복부구간의 축방향철근, 횡철근, 보 강 횡철근에 변형률 게이지를 부착하였다. 횡철근과 보강 횡철근은 축하중 의 변화에 따라 항복변형률(2,000 microstrains) 내외에서 변형률의 증가 또는 감소가 발생하고 있는 등 유사한 거동특성을 보이고 있다(Fig. 10, 11). 특히 가력하중에 의해 콘크리트가 중공 중심방향으로 변형함에 따라 아치 로써 작용하고 이에 따라 내측 횡철근에 압축변형률이 발생하고 있음을 Fig. 11(b) 원형단면 실험체를 통해 확인할 수 있다.

위로부터 내측에 배근된 횡철근은 단면의 아치 거동에 의한 압축력의 작 용으로 횡구속력이 상쇄되기 때문에 부재의 소성거동 능력에 미치는 영향 이 미미하고 이에 따라 삼각망 철근상세에서 내측 횡철근을 생략 내지 감축 한 타당성을 검증할 수 있다.

이 연구를 통해 개발된 물량저감 철근상세를 갖는 중공 철근콘크리트 교 각단면의 적용확대를 위해 외측 횡철근과 삼각망 보강 횡철근의 간격 조정 과 최소화 등을 통한 물량저감 방안, 현재 0.7 까지의 중공치수비 적용을 0.8 까지 확대하는 방안은 기존 철근상세와 동등한 성능을 보이고 있으며 그 타 당성이 검증되었다.

3.새로운 중공 철근콘크리트 교각 단면의 성능 해석

3.1개 요

이 연구에서는 그 동안 개발된 철근콘크리트 평면응력요소, 철근콘크리 트 쉘요소, 그리고 경계면요소 등[8-13]을 미국 버클리 대학의 Taylor가 개 발한 범용 유한요소해석 프로그램인 FEAP ver. 7.2[18]에 이식하여 모듈 화된 비선형 유한요소해석 프로그램 RCAHEST (Reinforced Concrete Analysis in Higher Evaluation System Technology)[19]에 새로운 중공 단면의 구속효과 등 거동특성을 고려할 수 있도록 수정을 가하여 사용하였 다(Fig. 12).

철근콘크리트의 비선형 재료모델은 저자 등에 의하여 개발된 재료모델 [8-13]을 그대로 적용하였으며 중공단면의 구속효과는 축방향 철근 및 구 속철근의 양, 구속철근의 항복강도 및 배근형태 등을 고려할 수 있고 콘크리 트의 단면형상에 관계없이 적용할 수 있는 Mander 등[20]의 제안모델을 연구목적에 맞게 수정하여 사용하였다.

이 연구에서는 다음과 같이 중공치수비에 따라 횡구속 효과를 저감시키 는 계수[21]를 삼각망 철근상세를 갖는 새로운 중공 단면에 맞게 수정하여 구속효과를 고려하였다. 횡방향철근에 의한 횡구속력은 동일한 횡방향철 근량을 제공하더라도 설치간격, 배치형태, 갈고리 상세 등의 차이에 의해 유효구속력에 차이가 있게 된다.

여기서, f ′ l 은 유효구속응력, K_e는 유효구속계수, f_l는 평균구속응력, K_e1 는 중실단면에서 계산되는 유효구속계수 그리고 K_e2 는 중공치수비 (D_i/D)를 고려한 수정계수이다.

3.2해석결과 및 분석

비선형 유한요소해석을 수행하기 위하여 요소 분할한 예를 Fig. 13에 나 타내었다. 사각형 중공단면 실험체의 경우 Fig. 13(a)와 같이 철근콘크리트 평면응력요소 20개가 사용되었다. 사각형 중실단면 실험체의 경우 Fig. 13(b)와 같이 철근콘크리트 평면응력요소 16개가 사용되었다. 그리고 원 형 중공단면 실험체의 경우는 Fig. 13(c)와 같이 철근콘크리트 쉘요소 80개 가 사용되었다. 철근콘크리트 쉘요소는 kirchhoff의 이론에 의한 판요소와 회전자유도를 갖는 면요소를 중첩하는 4절점 평면 쉘요소로 각 절점에서 6 개의 자유도를 가지고 있고 감차적분 기법을 사용하여 전단잠금 현상을 해 결하였다[8].

사용된 유한요소망은 민감도 분석결과에 의해 결정되었고 일반 탄성해 석과의 수렴성 시험(convergence test) 결과 형상비(aspect ratio) 영향은 1.0% 미만으로 일반적인 철근콘크리트 구조의 비선형 유한요소해석에서 예상되는 오차에 비하여 매우 작은 것으로 나타났다.

유한요소해석 결과와 실험 결과에 의한 축하중-축변형률 관계의 예를 Fig. 14에 나타내었으며 해석결과가 실험결과를 전반적으로 잘 나타내고 있음을 알 수 있다. 이를 통해 적용된 해석 모델이 실제적이고 합리적인 모 델이라는 것을 판단할 수 있으며 초기강성과 연성에서 다소 차이를 보이고 있는 것은 해석과 실험의 오차가 겹쳐진 것으로 분석된다. Table 4에 해석 에 의한 최대하중을 실험과 함께 비교 · 분석하여 나타내었다.

분석결과에서 최대하중에 대한 실험값/해석값의 평균과 변동계수는 1.05와 0.09로서, 최대하중 등 실험결과를 전반적으로 정확하게 평가하고 있으며 실험체들의 비탄성 거동특성을 비교적 잘 평가하고 있음을 확인할 수 있다.

전절에서 설명한 극한변형률(ε_0.85P _max )을 통해 부재레벨의 변형성능을 비교 · 분석 하였으며, 비선형 유한요소해석 결과와 실험에 의한 축하중-축 변형률 관계의 예를 나타내고 있는 Fig. 14를 통해서도 변형성능을 대체적 으로 추적하고 있음을 확인할 수 있다. 교각단면 파괴실험에서 다소 차이를 보이고 있는 점은 취성적인 파괴모드 아래에서 해석 및 실험의 오차가 겹쳐 져 발생한 것으로 판단된다.

4.결 론

이 연구의 실험적, 해석적 매개변수 분석으로부터 개발한 삼각망 철근상 세를 갖는 새로운 중공 철근콘크리트 교각단면의 타당성 및 적용성을 확인 할 수 있었으며 다음과 같은 결론을 얻었다.