1. 서 론

2016년 9월 경주 지진과 2017년 11월 포항 지진의 발생 이후, 국내 기 존 구조물의 내진성능수준평가와 지진재해로 인한 손상평가의 필요성이 더욱 높아지고 있다. 강진이 자주 발생하는 해외 주요 국가에서는 미국의 Hazard U.S(HAZUS), 일본의 Disaster Information System(DIS), 대만 의 Taiwan Earthquake Loss Estimation System(TELES) 등 독자적인 지진재난 평가시스템을 구축하고 있으나, 중약진지역에 해당되는 국내는 아직 이러한 지진재난평가시스템에 대한 연구가 부족한 편이다. 국내의 경 우, 건축물에 대해서는 2012년도에 수행된 국립방재연구원의 지진피해 위 험도 평가기술이 개발되었으나, 교량구조물의 지진재난위험도평가(seismic disaster risk analysis)에 대한 연구는 부족한 실정이다[1]. 지진재난위험 도를 평가하기 위해서는 해당 지역의 지진재해도(seismic hazard)와 다양 한 구조물의 지진취약도함수(seismic fragility function)를 정의해야 한다. 본 연구는 다양한 구조물 중에서 교량의 지진취약도함수를 국내실정에 맞 도록 개발하기 위한 선행연구이며, 교량 구조물의 주요 구성요소인 교각, 교량받침 및 기초 중에서, 휨거동 교각의 지진취약도를 결정하기 위한 손상 수준을 횡변위비로서 제시하고자 한다.

휨거동 교각은 형상비가 대락 4이상인 교각이며, 여기서 형상비는 교각 의 기초 상부면부터 가력 중심점까지의 높이(H)에 대한 기둥단면의 지름 (D)의 비(D/H)이다. 국내 교각에 발생하는 축력은 교각의 축강도 대비 대 략 10% 정도이며 최대 30%를 초과하지 않으며, 지진에 의해 상부구조에 발생하는 횡방향 관성력은 교각에 상당한 휨모멘트를 발생시킨다. 인명피 해를 최소화하기 위해서, 휨모멘트에 의해 파괴가 발생하는 교각은 충분한 횡변위성능을 확보함으로써, 붕괴 발생 이전에 파괴징후의 감지가 가능해 야 한다. 이를 위해 휨교각 설계 시, 소성힌지구역에서의 곡률연성도(최대 곡률과 항복곡률의 비, μ_ϕ)를 일정 수준 이상이 되도록 횡구속철근을 배근 하여 심부구속력을 향상시켜야 하며, 이를 반영하기 위해서 국내외 설계기 준에서는 소성힌지구역 내 단면에서의 곡률연성도에 따라 구속철근비를 제안하고 있다[2, 3]. 곡률연성도는 교각의 내진성능을 결정하는 중요한 지 표임은 분명하나, 실제 교각의 거동에서 관찰이 어렵다. 그러므로, 실험 및 해석적으로 측정이 쉽고 교각의 전체적인 거동을 반영하는 횡변위비(Drift ratio)를 취약도함수 도출에 적용한다. 여기서, 횡변위비는 교각 상부에서 의 횡변위(Δ)와 기초 상부면부터 교각의 가력 중심점까지의 높이(H)의 비 (Δ/H)이다. 본 연구에서는 손상수준을 정량화한 국내외 연구결과들을 비 교하여 등가의 손상수준별 횡변위비를 제시하여 본 연구에서 수행한 횡가 력 실험결과와 비교 검증한다. 최종적으로, 국내 타연구진의 실험자료와 본 연구에서 수행한 실험자료를 종합하여 국내 교각의 손상수준별 횡변위비 를 제시한다. 여기서 국내의 내진설계기준 도입과 내진상세의 변화를 고려 하여, 횡철근의 내진상세 적용 및 소성힌지부에서의 겹침이음의 정도에 따 라 실험군을 나누어, 각각에 대한 손상수준별 횡변위비를 제시한다.

2. 손상수준별 횡변위비(Drift ratio)

HAZUS(2020)[4], Dutta & Mander(1998)[5], 정영수 등(2007)[6] 은 교각의 손상수준을 손상없음(Almost no damage), 경미한손상(Slight damage), 보통손상(Moderate damage), 심한손상(Extensive damage), 붕괴임박(Complete damage)의 5단계로 구분하고 있으나, 손상수준을 나 타내는 정량적 지표가 곡률연성도, 횡변위비, 변위연성도 등으로 각기 다르 다. HAZUS는 교각과 일반건물의 손상수준을 서로 다른 정량적 지표로 나 타내고 있다. 즉, HAZUS의 교각(H-BR)에 대한 손상수준은 소성힌지부 의 곡률연성도로, 일반건물(H-BF)의 손상수준은 횡변위비로 각각 제시하 고 있다. Dutta & Manders(DM)는 횡변위비로 제시하고 있고, 정영수 등 (Ch)은 손상도계수를 도입하여 손상수준을 변위연성도로 제시하였다 (Table 1). 이러한 서로 다른 손상수준 정의를 등가의 변위연성도로 변환하 기 위한 과정은 다음과 같으며, 이를 본 연구의 실험체 제원과 실험결과에 적용하고 그 결과를 3장에서 비교한다.

HAZUS의 교각(H-BR)에 대한 손상수준 별 곡률연성도는 기존 시설물 (교량) 내진성능 향상요령(2011)[7]의 식 (1)을 활용하여 변위연성도로 변 환한다. 여기서, μ_ϕi와 μ_Δi는 각 손상수준에 해당하는 곡률연성도와 변위 연성도이고, L_p는 등가소성힌지길이, H는 기둥 형상비의 기준이 되는 기둥 길이이다. 식 (2)는 각 손상상태별 변위 Δ_ui , 변위연성도 μ_Δi 및 항복변위 Δ_y의 관계를 나타내며, 식 (3)은 각 손상상태별 변위로부터 횡변위비를 구 하는 식이다. 이들을 통해 변위연성도로부터 횡변위비를 구할 수 있다. 여 기서, Δ_u5는 극한변위이고, 항복변위 Δ_y는 본 연구에서 수행한 횡가력 실 험으로 도출한 값을 사용한다.

HAZUS는 일반건물(H-BF)에 대한 손상수준 별 횡변위비를 제시하고 있으므로, 이를 함께 비교한다. 물론 일반건물의 기둥은 보의 휨강성으로 인하여 모멘트 프레임 거동을 하기 때문에, 캔틀레버 거동을 하는 교각과는 거동특성이 다르다. 하지만 실존하는 건물들의 경험적인 결과가 종합되었 다는 점에서, HAZUS의 일반건물에 대한 횡변위비를 함께 비교하여 보수 적 측면의 횡변위한계를 가늠하고자 한다. 교각과 달리 일반건물은 부재의 크기가 작고 많은 기둥으로 이루어져 있기 때문에 부정정차수가 크므로, 시 스템 연성도가 교각에 비해 매우 크다. 이러한 교각과의 다른 특성들을 최대 한 제거하기 위해서, HAZUS의 일반건물에 대한 횡변위비 중, 전단건물 거 동을 하는 단층건물이 포함된 저층(1~3층)건물의 횡변위비를 실험결과와 비교한다. 교각은 단층건물의 기둥과 유사한 거동을 가진 것으로 취급할 수 있고, 단층 건물의 모멘트 프레임에서 보와 기둥의 상대적인 휨강성에 따라 횡변위의 크기가 달라진다. 보의 휨강성이 무한대인 단층 전단건물의 횡변 위비는 캔틸레버거동을 하는 교각의 횡변위비와 동일하게 계산된다. 즉, Fig. 1에 보인 건물기둥 높이의 반절에 해당하는 부분을 캔틸레버 거동하는 교각으로 취급할 수 있으므로, 지진하중에 대한 전단건물의 횡변위비 (2δ/2h)는 캔틸레버 거동을 하는 교각의 횡변위비(δ/h)와 동일하다. 전단 건물은 일반 건물보다 더 큰 횡방향 강성을 보유하게 되므로, 전단건물의 횡 변위비는 일반 건물보다 더 작게 산정될 것이다. 결국, HAZUS의 건물에 대한 횡변위비를 교각에 적용한다면, 교각의 손상수준별 횡변위비는 HAZUS에서 제시한 일반 건물의 횡변위비 보다 작게 제시될 것으로 예상 된다.

HAZUS에서 일반건물은 Building Type 및 Seismic Design Level에 따라 손상수준별 횡변위비를 제시한다. 먼저, 콘크리트 교각은 저층구조물 의 Concrete Moment Frame과 유사한거동을 하므로, 이를 대표하는 Building Type으로 C1L을 선택한다. 다음으로, 우리나라 지역이 HAZUS 의 어느 Seismic Design Level에 해당되는 지 확인해야 한다. HAZUS의 Seismic Design Level은 미국지역에 대한 UBC Seismic Zone Map (UBC-97)[8]의 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration)에 따라 분 류하므로, 내진설계일반(KDS 17 10 00)[9]의 설계최대지반가속도를 참 고하여 한반도의 Seismic Design Level을 결정한다. 본 연구에서는 실험 교각들이 붕괴방지의 내진성능수준을 만족하는 내진1등급인 교량의 교각 임을 가정하여, 1,000년 평균재현주기에 따른 유효지반가속도와 그에 대 응되는 Seismic Zone을 산정한다. 지진구역I과 II의 유효지반가속도는 각각 0.154 g와 0.098 g이고, 이에 대응 되는 Seismic Design Level은 Low-code로 산정된다. 이는 HAZUS 기준으로 국내가 중약진 지역이며, 강진지역인 미국보다 낮은 수준의 내진설계수준이 요구됨을 의미한다. 결 과적으로, 결정된 Building Type와 Seismic Design Level에 해당하는 손 상수준 별 횡변위비를 얻을 수 있으며, 이 결과를 Table 1의 H-BF에 정리 하였다.

정영수 등(2007)은 손상도계수 α_i를 도입하여, 교각의 손상수준을 변위 연성도로 식 (4)와 같이 제시하였다. 식 (5)는 손상도계수 α_i를 구하는 공식 이고, 여기서 i는 5단계의 손상상태를 1~5까지 대응시킨 값이며, f_yl과 f_yt 는 각각 축방향 철근 및 횡구속철근의 항복강도, ρ_l과 ρ_s는 각각 축방향 철 근비 및 횡구속철근비, f_ck는 콘크리트 설계압축강도, A_g는 교각의 전체 단 면적, P는 축력이다. 손상수준별 변위연성도를 횡변위비로 변환하기 위해 서 위의 식 (2)~(3)을 적용하고, 식 (4)의 극한변위연성도 μ_Δu 는 횡가력 실 험으로 도출한 값을 적용한다.

HAZUS 교각의 곡률연성도(H-BR), HAZUS 건물 철근콘크리트프레 임의 횡변위비(H-BF), Dutta & Mander의 횡변위비(DM), 정영수 등의 변위연성도(Ch) 등, 총 4가지의 손상수준을 횡변위비로 통일하여, 이를 본 연구에서 수행한 유사정적반복 횡가력 실험 결과와 3장에서 비교한다.

3. 원형 휨교각 실험체의 손상수준별 횡변위비

교각의 손상수준을 결정함에 있어서 재료의 불확실성, 콘크리트와 철근 간의 부착거동모델의 충분하지 못한 신뢰성 그리고 개별교량에 대한 해석 의 한계성 등의 이유로, 수치해석을 통한 결과만으로 교각의 손상수준을 일 반화하여 국내 교량에 대한 지진취약도평가를 하기에는 한계가 있다. 따라 서 실험 및 경험적 데이터가 충분히 누적된 HAZUS와 국내외 선행연구결 과(Dutta & Mander, 1998; 정영수 등, 2007)를 참고하여, 본 연구에서 수 행한 횡가력 실험 결과와 비교하여 검증한다.

3.1 실험체 분류

90년대 국내에 내진설계에 대한 개념이 도입된 이후, 국내의 내진설계 기준은 꾸준히 발전 및 개선되었으며, 휨교각의 거동에 있어서 가장 두드러 지는 요소는 횡철근의 내진상세 적용과 소성힌지구역 내 축방향 철근의 겹 침이음정도이다. 소성힌지구역에서의 축방향 철근의 겹침이음상세에 대 한 규정은 점차 강화되었으며, 도로교설계기준(2005)에서는 50%이하의 겹침이음을 허용하였으나, 도로교설계기준(2010) 이후에는 소성힌지구역 내의 겹침이음을 허용하지 않도록 하고 있다. 따라서 이러한 내진상세의 변 화를 반영하기 위해서 횡철근의 내진상세 적용 유무와 축방향 철근의 겹침 이음정도(겹침이음 없음, 50% 겹침이음, 100% 겹침이음)에 따라 실험군 을 분류한다. 이를 고려하여 본 연구에서 수행한 실험체를 다음과 같이 총 4 가지로 분류한다.

3.2 항복변위, 극한변위 및 손상수준 정의

횡변위에 따른 교각의 손상수준을 실험적으로 평가하기 위해서, 항복 변위에서의 횡변위비를 Slight, 극한변위에서의 횡변위를 Complete 손상 수준에 해당할 것으로 가정하고 실험을 진행하였다. Table 1에서 HAZUS 의 Slight 손상상태가 시작되는 곡률연성도의 기준이 1이므로, Slight 손 상상태가 항복점으로 정의된 것을 알 수 있으며, 국내 참고자료인 정영수 등에서도 i=2인 손상상태, 즉 Slight 손상상태를 항복점으로 정의하였다. 따라서 본 연구에서도 동일하게 Slight 손상상태로서 항복점을 사용하고 자 한다. 또한 극한점은 교각이 횡변형으로 인한 손상으로 내력의 대부분을 상실한다는 점에서 붕괴가 임박한 Complete의 손상수준으로 정의하였다. Moderate와 Extensive 손상수준은 겹침이음이 있는 실험체의 경우에 소 성변위구간이 매우 짧고, 최대하중 이후의 거동이 매우 취성적인 거동을 보 이므로, 중간단계인 Moderate와 Extensive 손상수준을 따로 구분하여 정 의하는 것은 무의미하다. 다만 Table 2의 손상상태에 대한 정성적인 정의 에 따라, 실험간에 파괴징후를 육안관찰하여 반복가력 사이클 단위로 측정 하였다.

교각의 손상수준을 횡변위비로서 위와 같이 평가하기 위해서는 항복변 위와 극한변위에 대한 정의가 필요하다. 본 연구에서는 박창규 등(2005)[10] 및 정영수 등(2007)[6]을 참고하여, 항복변위와 극한변위를 정의하고, 이 는 Fig. 2와 같다. 하중-변위 곡선상에서 원점과 최대횡하중의 75%점을 이 은 직선과 최대횡하중을 지나는 수평선이 만나는 교점의 변위를 항복변위 (Δ_y )로 정한다. 최대횡하중 이후, 최대하중의 85%에 해당하는 변위 혹은 급격한 하중감소를 보이는 변위를 극한변위(Δ_u)로 정한다.

3.3 실험체 제원 및 실험방법

내진상세(SD-NL), 비내진-겹침이음 없음(NS-NL), 비내진-50% 겹침 이음(NS-LS50), 비내진-100% 겹침이음(NS-LS100) 실험체로 총 4종류 의 실험체이며, 원형 단면에 형상비 4인 실물크기(R) 교각 2개와 축소교각 (S) 3개 시편에 대해서 실험을 수행하였다. 이들 실험체의 명칭, 제원 및 상 세를 Table 3에 나타내었다.

Fig. 3은 실물교각 실험체의 도면이며, 지름 1.2 m, 기초상면부터 가력 부 중심까지의 거리 4.8 m이다. Fig. 4는 축소교각 실험체의 도면이며, 지 름 0.5 m, 기초상면부터 가력부 중심까지의 거리 2 m이다. 횡가력 실험은 횡변위비(drift ratio ; 0.3%, 0.5%, 1.0%, 2.0%, 3.0% 4.0% 6.0%, 8.0%)를 단계적으로 증가시키면서 각 2회씩 반복가력하였다. 반복가력속 도는 실물교각의 경우, 횡변위 1% 이하는 30 mm/min, 2~3% 범위에서 45 mm/min, 4~8% 범위에서는 60 mm/min으로 설정하였다. 축소교각의 경우, 횡변위의 크기가 1.0% 이하는 12 mm/min, 2~3% 범위에서 18 mm/min, 4~6% 범위에서는 24 mm/min, 8% 이상부터는 32 mm/min로 설정하였다. 횡변위비에 따른 반복가력 시, 각 손상상태의 특징 발현에 유 의하여 실험을 수행하였다. 각 변위의 결과는 반복가력이므로 +방향과 –방 향이 있으며, 두 방향의 절대값 평균변위 Δ = ( | Δ + | + | Δ − | ) / 2 로 손상수 준에 대한 횡변위를 결정하였다.

3.4 내진상세 실험체

내진상세 실험체는 상사비 효과를 확인하기 위해서, 실물크기 실험체 (SD-NL-R)와 1:2.4 비율의 축소교각 실험체(SD-NL-S)를 제작하여 횡가 력 실험을 수행하였다. Figs. 5 & 6과 7 & 8은 각각 축소교각 실험체와 실 물크기 실험체의 횡하중-횡변위 이력곡선 및 육안관찰 사진자료이다. 축소 교각 실험체에 대해, Table 4는 항복변위와 극한변위 결과이고 Table 5는 2 절에 따라 환산된 횡변위비와 실험적으로 구한 횡변위비를 비교한 것이다. 이와 동일하게, Table 6 & 7은 실물크기 실험체에 대하여 정리한 것이다.

Figs. 5 & 7에 내진상세 실험체의 횡하중-횡변위 이력곡선을 검은 실선 으로, 이력곡선의 포락곡선을 빨간 점선으로 나타내었다. 이 포락곡선 (Envelop)을 토대로 3.2절에서 정의된 항복변위 및 극한변위를 Tables 4 & 6에 정리하였고, 항복변위와 극한변위에 대응되는 Slight와 Complete 손상수준에 해당하는 횡변위비를 Tables 5 & 7의 T-En에 정리하였다. Figs. 6 & 8은 각 손상수준에 따른 손상징후(Table 2)가 발현되는 시점에 서의 횡변위비와 사진자료이며, 이러한 정성적 파괴징후의 육안관찰(Observation) 결과는 Tables 5 & 6의 T-Ob에 정리하였다. 내진설계 된 실험 체의 경우에는 Slight, Complete 손상수준 외에 Moderate와 Extensive 손 상수준의 경계가 비교적 구분이 가능하였으며, 내진설계 된 실험체의 육안 관찰 결과는 손상수준에 따라 다음과 같다. 횡변위비 0.005이상에서는 소 성힌지구역에서 미세균열이 관측되었으므로, 이를 Slight 손상수준으로 구 분한다(Figs. 6 & 8a). 횡변위비 0.01~0.02에서는 미세균열이 소성힌지구 간을 벗어난 위치에서도 발현되었으며, 소성힌지구간에서 콘크리트의 박 리가 확인되었으므로, 이를 Moderate 손상수준으로 구분한다(Figs. 6 & 8b). 횡변위비가 0.03~0.04에서는 소성힌지구간 내의 축방향 철근의 좌굴 로 인한 콘크리트 박리현상이 심화 및 확대되고, 소성힌지구간 내의 미세균 열들이 큰 휨균열로 진전되었으므로 이를 Extensive의 손상수준으로 구분 한다(Fig. 6 & 8c). 횡변위 0.06이상에서는 축방향 철근의 좌굴이 발생한 곳의 콘크리트 피복이 대부분 박리되었고, 축소교각의 경우에는 축방향 철 근을 감싸고 있던 횡철근의 파단이 발생하여 급격한 강도저하가 관측되었 으므로 이를 Complete 손상수준으로 구분한다(Fig. 6 & 8d).

Tables 5 & 7의 결과는 2장에서 설명한 각 기존 문헌을 활용하여 도출한 횡변위비이며, H-BR은 HAZUS의 곡률연성도로부터 변환된 횡변위비, H-BF는 HAZUS의 건물에 대한 횡변위비, DM은 Dutta & Mander의 횡 변위비, Ch는 정영수 등의 변위연성도로부터 변환된 횡변위비이다. Tables 5 & 7의 T-En와 T-Ob를 비교하면, 축소교각과 실물교각의 결과가 매우 유 사하므로, 상사비 효과가 본 연구에서는 크게 영향을 끼치지 않은 것으로 판 단된다. 기존에 수행된 연구에서는 축소비율이 1:3~5정도임을 고려해 볼 때, 축소율이 1:2.4인 본 연구의 축소교각 실험체의 결과가 실물교각의 거 동을 잘 반영할 것으로 생각된다.

본 연구에서 수행한 실험결과(T-En & T-Ob)가 기존 문헌의 결과 (H-BR, H-BF, DM & Ch)와 유사한 Complete 손상수준의 횡변위비를 보 이므로(Tables 5 & 7) 내진상세 실험체는 충분한 휨변형성능을 확보하고 있다. H-BR의 결과는 축소교각과 실물교각 모두에서 Slight와 Complete 손상수준에 해당하는 횡변위비가 실험결과와 유사하고 변위연성도가 7 정 도(Complete/Slight = 0.065/0.009)로 단일 교각에 요구되는 변위연성도 5 이상이므로 내진상세가 적용된 실험체의 거동을 잘 반영하는 것으로 판단 된다. H-BF의 결과는 Slight와 Complete 손상수준에 해당하는 횡변위비 가 실험결과와 약간 차이를 보이고, 변위연성도가 10이다. 10의 변위연성 도는 건물의 높은 부정정차수에 따른 건물의 시스템연성특성이 작용한 결 과로 보이며, 이를 캔틸레버 거동을 하는 단일기둥 교각에 적용하기에는 무 리가 있다. DM의 결과는 Slight와 Complete 손상수준에 해당하는 횡변위 비가 실험결과와 약간 차이를 보이고, 변위연성도가 7 정도로 내진상세가 적용된 실험체의 거동을 잘 반영하는 것으로 판단된다. 축소교각의 Ch결과 는 실험결과와 상당히 유사한 결과를 보이나, 실물교각의 경우에는 Complete 손상수준의 횡변위비에서 큰 차이를 보인다. 이는 Ch에 사용된 식들이 1:3~5정도의 축소교각 실험결과와 해석적 결과로 유도되었기 때문 으로 생각된다.

3.5 비내진상세 실험체

비내진상세 실험체는 축방향철근의 겹침이음정도를 고려하기 위해서, 겹침이음이 없는 실험체(NS-NL-S), 50% 겹침이음 실험체(NS-LS50-R), 100% 겹침이음 실험체(NS-LS100-S)를 제작하여 횡가력 실험을 수행하 였다. 50% 겹침이음 실험체는 실물교각 실험체로 제작하였고 나머지는 축 소교각 실험체로 제작하였다.

Figs. 9 & 10, Figs. 11 & 12, Figs. 13 & 14는 각각 겹침이음 없음, 50% 겹침이음 그리고 100% 겹침이음 실험체의 횡하중-횡변위 이력곡선과 육 안관찰 사진자료이다. 겹침이음 없는 실험체에 대해, Table 8은 항복변위 와 극한변위 결과이고 Table 9는 2절에 따라 환산된 횡변위비와 실험적으 로 구한 횡변위비를 비교한 것이다. 이와 동일하게, Tables 10 & 11과 Tables 12 & 13은 각각 50% 겹침이음 실험체와 100% 겹침이음 실험체 에 대하여 정리한 것이다.

Figs. 10, 12 & 14는 각 실험체들의 손상징후가 발현되는 시점에서의 횡변위비와 사진자료이다. 겹침이음이 있는 실험체의 경우, 육안관찰로는 탄성한계인 Slight와 한계상태인 Complete 손상상태만이 뚜렷한 징후를 보이며, 콘크리트의 균열 이후부터 붕괴상태까지 취성적인 거동을 보이므 로 본 연구와 같이 통제된 조건 이외의 환경에서는 중간단계인 Moderate와 Extensive의 손상상태는 육안관찰로써 정의하기 어렵다. 특히 겹침이음의 정도가 커질수록 부착파괴로 인한 급격한 횡변위 능력의 감소를 보였다. 비 내진 실험체의 육안관찰 결과는 다음과 같다. 모든 비내진 실험체가 횡변위 비 0.005에서 소성힌지구역의 미세균열이 관찰되므로, 이를 Slight 손상수 준으로 동일하게 구분한다(Figs. 10, 12 & 14a). 겹침이음이 없는 비내진 설계 실험체(NS-NL-S)는 횡변위비 0.04에서 Complete의 손상상태를 보 였으며(Fig. 10d), 비내진설계되었더라도 겹침이음이 없으면 비교적 준수 한 횡변위능력을 보인다. 비내진상세에 50%겹침이음 실험체(NS-LS50-R) 는 횡변위비 0.03에서 Complete의 손상상태를 보였으며(Fig. 12d), 이는 겹침이음의 존재로 인한 횡변위능력의 급격한 감소의 영향으로 판단된다. 비내진상세의 100%겹침이음 실험체(NS-LS100-S)는 횡변위비 0.02에 서 Complete 손상상태를 보였으며(Fig. 14d), 100%의 겹침이음으로 인 해서 실험체 중 가장 취성적인 파괴거동을 보였다.

비내진상세 실험체의 실험결과(Tables 9, 11 & 13)를 종합하면, 횡변위- 횡하중 관계도의 포락곡선을 통한 손상수준평가(T-En)와 실험중 육안관 찰을 통해 확인한 손상평가(T-Ob)가 유사함을 확인할 수 있다. 겹침이음이 존재하는 실험체는 Slight 손상수준 이후의 Moderate, Extensive 그리고 Complete가 매우 짧은 횡변위구간에서 연속적으로 발생하여, Slight와 Complete 이외의 손상수준에 대한 횡변위비 정의가 불가능하다. Slight 손 상수준에서는 겹침이음의 정도에 상관없이 모두 유사한 횡변위비를 보인 다. 이는 소성힌지구역에 겹침이음이 있더라도, 겹침이음 철근에 작용하는 항복응력이 겹침이음 철근과 콘크리트 사이에 발생하는 부착강도보다 작 기 때문이다. 이후 횡변위가 증가함에 따라, 겹침이음 철근과 콘크리트 사 이의 부착파괴가 발생하여 급격한 내력감소가 발생한다. 이와 같은 이유로 현 내진설계기준에서는 소성힌지구간에서의 겹침이음을 허용하지 않으며, 겹침이음이 불가피한 경우에는 완벽한 기계적이음을 통하여 부착거동이 아닌 하나의 철근으로써 항복거동을 하도록 규정하고 있다. 따라서 국내 시 공된 교각 중, 현 내진상세를 만족하지 못하는 교각에 대해서는 소성힌지구 간에서의 내진보강을 통해서 횡변위능력을 향상시켜야 할 필요가 있다. 더 불어 시공된지 30년 이상된 교각의 경우에는 노후화로인한 철근의 열화(부 식)가 발생했을 가능성이 있기 때문에 겹침이음 철근과 콘크리트의 부착강 도가 더욱 감소하였을 위험이 있다. 겹침이음이 없는 실험체의 변위연성도 (μ_Δ)는 4.6이므로 비교적 연성을 확보하고 있으나, 일반적인 내진설계 실 험체의 최소 변위연성도 5보다 작아 충분한 연성을 확보하지 못하고 있다. 50%와 100% 겹침이음이 있는 실험체의 경우, 변위연성도가 2.9로 최소변 위연성도 3(변위일정원리 적용 시, R= μ_Δ =3)보다 약간 작으므로, 겹침 이음이 있는 교각은 추후 내진성능요구시 보강이 필요할 수 있다. 또한 겹침 이음이 있는 교각은 대부분의 소성변형이 겹침이음부에 집중되기 때문에 유효소성영역의 길이가 감소하여, 결과적으로는 겹침이음부에 매우 큰 국 부곡률이 발생하게 되며, 매우 취성적 파괴거동을 보인다[13]. 비내진설계 실험체의 실험결과(T-En, T-Ob)는 겹침이음의 정도가 클수록 기존 문헌 (H-BR, H-BF, DM & Ch)의 방법들과 큰 차이를 보인다. 이는 기존 문헌 의 방법들은 겹침이음의 효과가 고려되지 않았거나, 내진설계된 교각에 대 해서만 한정된 것으로 보인다. 따라서 비내진설계 실험체의 손상수준별 횡 변위비는 국내에서 수행된 실험자료를 종합하여 제시한다.

4. 국내 원형 휨교각 실험결과를 종합한 손상수준 별 횡변위비

국내 교각의 손상상태에 따른 횡변위비를 제시하기 위하여, 2000년부 터 2020년 사이에 수행된 원형중실단면을 갖는 2~5 m 사이의 교각에 대한 국내 횡가력 실험결과를 종합한다. Tables 14~17은 각각 내진상세, 비내진- 겹침이음 없음, 비내진-50%겹침이음, 비내진-100%겹침이음 실험체로 분 류된 국내실험자료로부터 구한 횡변위비의 평균과 표준편차이다. 현 설계 기준(교량내진설계기준, KDS 24 17 10: 2016)에서의 내진상세를 만족한 교각실험체만을 내진상세 실험체로 분류하였다. 완벽한 기계적이음이 아 닌 겹침이음이 있는 실험체는 비내진-겹침이음의 실험체로 분류하였다.

내진상세 실험체의 결과를 종합한 Table 14에서, Slight 손상수준의 평 균항복횡변위비는 0.60%이고, Complete 손상수준의 평균극한횡변위비 는 4.94%이다. 이는 Table 5 및 7의 Dutta & Mander의 횡변위비(MD)와 매우 유사하고, 이들을 내진설계된 국내 원형 휨교각의 손상수준별 횡변위 비로 적용할 수 있다. 비내진실험체의 경우, 3.5절의 결과로부터 HAZUS (2020), Dutta & Mander(1998), 정영수 등(2007)은 내진설계된 실험체 에 대해서 손상수준별 횡변위비를 제시한 것으로 보이므로, 비내진 실험체 에 적용할 수 없다. 따라서, Tables 15~17과 같이 국내 실험결과만으로, 비 내진설계된 국내 원형 휨교각의 손상수준별 횡변위비를 제시한다. 이를 토 대로, 내진상세 및 비내진상세인 교각의 손상수준별 횡변위비를 Table 18 과 같이 제시한다.

5. 결 론

국내 교각의 취약도함수 결정을 위한 손상수준별 횡변위비를 기존 참고 문헌과 실험결과를 토대로 제시하며, 이를 국내에서 수행된 기둥 실험자료 와 비교 및 검증하였다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.