1. 서 론

철근콘크리트 교량 구조물, 특히 기둥은 일반적으로 지진하중에 의해 수 평의 두 축 성분과 함께 수직 방향 성분을 동시에 받게 된다. 이에 따라 교량 구조물은 각 방향별 지진하중에 의해 유발되는 수평의 두 축에 대한 휨과 함 께 수직 방향 축력을 동시에 지지해야 한다. 철근콘크리트 교량 구조물에 대 한 지진공학 및 내진설계는 1971년 미국의 샌 페르난도 지진, 1994년 미국 의 노스리지 지진, 1995년 일본의 고베 지진 및 1999년 대만의 지지 지진 등에서 유발된 다양한 손상 형태에 대한 연구를 통해 많은 발전을 이루어 왔 다[1]. 이 결과 철근콘크리트 교량 구조물의 최근 내진설계에서는, 설계자 가 손상의 위치를 의도적으로 계획하고 제어함으로써 지진손상 이후 가능 한 빠른 시간 내에 복구를 목표로 하고 있다[2]. 하지만 이와 같은 지진공학 연구는 주로 지진하중의 수평방향 두 축 성분에 대해서 수행되어 온 반면에, 수직방향 성분이 교량 구조물의 지진거동에 미치는 영향에 대한 연구는 상 대적으로 제한적이었다. Saadeghvariri and Foutch[3], Broderick and Elnashai[4] 및 Lee and Elnashai[5]의 연구에서는 지진하중의 수직 방향 성분이 교량 기둥에 작용하는 축력의 변화를 유발하여 기둥의 강도가 영향 을 받는다는 연구 결과를 발표 하였다. Yu[6]의 연구에서는 기둥에 작용하 는 축력이 약 20%까지 변할 수 있다는 연구 결과를 발표하였고, Button et al.[7] 여섯 개 교량에 대한 지진해석 연구에서 이를 뒷받침하는 연구 결과 를 발표하였다. 또한 Kunnath et al.[8]은 다주 기둥을 갖는 2경간 교량에 대한 연구에서 기둥의 요구 축력이 지진하중의 수직 방향 성분에 의해 증가 된다는 결과를 발표하였다. 뿐만 아니라, Kim et al.[9] 및 Lee et al.[10-12] 등은 철근콘크리트 교량에 대한 해석적 연구에서, 수평 방향 성분에 의한 응 답보다 수평 및 수직 방향 성분을 동시에 받는 지진응답에서 취약성이 뚜렷 하여 합리적이고 신뢰성 있는 교량의 내진성능평가를 위해서는 수직 방향 성분을 고려해야 한다고 제안하였다.

이와 같이 수평 방향 성분과 함께 동반된 수직 방향 성분에 의해 유발되 는 축력의 변화는 교량 기둥의 강도, 강성 및 연성도에 크게 영향을 끼칠 수 있다. 하지만 수평 방향 성분에 의한 수평 변위와 함께 수직 방향 성분에 의 해 변화하는 축력을 받는 기둥의 거동 특성은 실험의 어려움으로 인해 제한 적인 실험 연구가 수행되었다. 이에 연속적으로 변화하는 축력을 받는 철근 콘크리트 교량 기둥의 거동 특성을 규명하기 위해, 이 연구에서는 국내 현행 내진설계기준에 의해 설계된 철근콘크리트 교량 기둥에 대해, 일정 압축 및 인장 축력 그리고 연속적으로 변화하는 변동 축력을 재하 하여 반복가력 실 험을 수행하였다.

2. 실험계획 및 방법

2.1 실험계획

변동 축력을 받는 철근콘크리트 교량 기둥의 내진성능평가를 위해 국내 도로교설계기준(한계상태설계법)[13] 및 콘크리트구조 학회기준 해설[14] 의 내진설계 규정을 만족하는 동일한 철근콘크리트 교량 기둥 실험체 9본 을 제작하였다. 기둥의 단면은 원형단면으로, 축방향 철근은 10-D16로 철 근비는 콘크리트구조 학회기준 해설[14]의 최소철근비 규정인 1%를 약간 상회하는 1.6%이다. 횡구속 철근은 나선철근으로 내진설계 상세에 따라 소성힌지가 예측되는 구간에 85 mm의 비교적 조밀한 중심간 수직간격을 적용하였고, 그 외의 구간은 150 mm의 중심간 수직간격을 사용하였다. 축 방향 철근과 횡구속 철근의 항복강도는 400 MPa로 동일하게 계획하였다. 원형단면 기둥의 지름은 400 mm 이고, 기초 상면에서 횡하중 가력위치까 지의 높이는 1,400 mm로 일정한 형상비 3.5로 계획하였다. 재령 28일 콘 크리트 설계기준 압축강도는 30 MPa로 계획하였지만, 첫 번째 기둥 실험 전에 수행된 공시체 시험의 평균 압축강도는 35 MPa을 나타내었다. 기둥 의 단면상세, 제원 및 배근상세를 Fig. 1에 나타내었고, 실험체의 주요 변수 및 물성치를 정리하여 Table 1에 나타내었다.

Table 1에서 알 수 있는 바와 같이, 작용축력은 일정 축력과 변동 축력을 재하 하였다. 일정 축력의 경우, 10%, 15% 그리고 20% 세 단계의 압축 축 력비와 30%의 인장 축력비를 재하 하였다. 변동 축력의 경우, 변동 축력 범 위는 0~20%와 0~30%의 두 단계로 설정하였다. 또한 변동 축력의 주기가 기둥의 거동에 미치는 영향을 검토하기 위해, 각 변위비 당 1 사이클, 2 사이 클, 4 사이클 및 변동 사이클의 네 단계 변동 축력 가력 주기를 고려하였다. 실험체 가력은 변위제어로 수행하였으며, 가력 변위의 경우 변위비(가력변 위/기둥 높이)에 대응하는 일정변위를 3 사이클씩 반복가력 하였고, 변위비 는 ±0.25%, ±0.5%, ±1.0%, 이후 1.0%씩 증가시키면서 재하 하였다. 가력 변위비 이력 및 세 단계의 변동 축력 가력주기 이력을 Fig. 2에 나타내었다.

2.2 실험방법

본 실험에서는 2,000 kN 용량의 액츄에이터를 사용하여 일정 축력 및 연 속적으로 변하는 변동 축력을 재하 하였다. 횡방향 수평가력은 스트로크 ±125 mm인 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 가력벽에 부착하여 반복 가력 실험을 수행하였다. 실험에 실험결과 계측을 위해 변형률 게이지와 변위계를 사용하였다. 축방향 철근과 횡구속 철근의 변형률을 계측하기 위해 소성힌지 형성이 예측되는 구간에서 가력 방향의 최외측 양쪽 축방향 철근 및 인접한 횡구속 철근에 변형률 게이지를 부착하였다. 또한 기둥의 높이에 따른 횡방 뱡 변위 계측을 위해 8개의 수평 변위계를 설치하였고 기초의 밀림 현상을 모 니터링하고 제어하기 위해 기초부에 1개의 수평 변위계를 설치하였다. 실험 체의 변형률 게이지 및 수평 변위계 위치에 대한 상세 사항은 Fig. 3에 나타나 있고, 실험 수행을 위한 실험체 지그 세팅에 대한 대표적인 사진을 Fig. 4에 나타내었다.

3. 실험결과

3.1 손상상태

기둥 실험체 9본에서 30%의 압축 축력비가 재하된 UNIT4와 0~30% 의 압축 축력비 범위 내에서 변동 축력을 받는 UNIT6 에서는 가력 변위비 3%에서 횡방향 가력 후 제하중 시 기둥 실험체가 제대로 복원되지 않는 응 답을 나타내었다. UNIT2 실험체의 경우, 변위비 5%에서 횡방향 가력 엑츄 에이터의 제어 문제로 인한 밀림 현상이 발생하여 실험이 바로 종료되었다. 따라서 UNIT2, UNIT4, 그리고 UNIT6 실험체는 분석에서 제외되었다.

앞서 언급한 UNIT2, UNIT4, 및 UNIT6를 제외한 다른 실험체의 손상 거동은 비교적 유사한 결과를 나타내었다. 초기 수평 균열 이후 기존 균열의 진전 및 추가 균열이 형성되었고, 변위비가 증가할수록 추가 균열간의 간격 이 감소하는 경향을 나타내었다. 이후 균열 수가 증가함에 따라 기둥 밑부분 의 소성힌지 구간에서 콘크리트 피복 박리가 발생하였다. 일정 축력 및 변동 축력을 받는 기둥 모두 축방향 철근의 좌굴 및 파단이 발생하였지만, 구속콘 크리트의 파쇄는 제한적이었다. 하지만 인장 축력을 받는 UNIT5 기둥 실 험체에서는 축방향 철근의 좌굴이 일부만 발생한 반면에 구속콘크리트는 완전 파쇄되어 분리되었다. 모든 실험은 축방향 철근의 파단이 발생한 이후 종료되었다. 기둥 실험체에서 축방향 철근 파단이 발생했을 때의 변위비와 대응하는 변위를 Table 2에 정리하였고, 실험 종료 단계에서 기둥 실험체 의 대표적인 파괴 양상을 Fig. 5에 나타내었다.

3.2 횡하중-변위 이력 응답

기둥 실험체에 대한 반복 가력 실험으로부터 구한 하중-변위 이력 곡선 을 Fig. 6에 나타내었다. 하중-변위 이력 곡선에 있는 점선은 도로교설계기 준(한계상태설계법)[13]로부터 구한 각 기둥의 이론적인 모멘트 강도에 대 응하는 횡하중 강도를 나타낸다. Fig. 6에서 알 수 있는 바와 같이, 일정한 축력이 작용하는 실험체의 최대 횡하중은 이론적인 횡하중 강도 대비 안전 여유를 나타내었다. 하지만 변동 축력이 작용한 실험체의 최대 횡하중은, 최소와 최대 축력 수준에 대응하는 이론적인 횡하중 강도 사이에서 실험 최 대 횡하중 응답 거동을 나타내어 안전 여유가 크지 않음을 알 수 있어 변동 축력이 실험체의 최대 횡하중에 영향을 끼친다는 것으로 알 수 있다.

하중-변위 이력 곡선에서는 일정한 압축 축력이 작용하는 실험체 UNIT1과 UNIT3 실험체에서는 비교적 안정적인 이력 응답을 나타내었다. 일정한 인장 축력이 작용하는 UNIT5 실험체에서는 하중-변위 이력 곡선 의 에너지 소산능력이 다소 제한적이지만 변위 증가에 따른 하중 저감이 크 지 않은 전형적인 거동을 나타내었다. 변동 축력이 작용하는 경우, 변동 축 력의 주기가 횡방향 가력 주기와 같은 UNIT7 실험체의 거동은 축력 변동 에 따른 이력곡선의 변동이 크지 않은 반면에, 변동 축력의 주기가 횡방향 가력 주기보다 큰 UNIT8과 UNIT9 실험체의 이력거동은 변동 축력의 주 기에 비례적으로 큰 변동 이력 응답을 나타내었다. 특히, 변동 축력의 주기 가 횡방향 가력 주기 당 4 사이클인 UNIT9 실험체의 하중-변위 이력 곡선 은 비교적 큰 변동 이력 응답을 나타내었다. 이는 변동 축력 수준에 따라 기 둥 실험체의 강성이 연속적으로 변화하기 때문으로, 강성의 연속적인 변화 는 횡하중 강도에 영향을 끼쳐 일정 축력이 작용할 때보다 횡하중 지지능력 이 감소할 수 있음을 나타낸다. 즉, 지진하중의 수평 지반운동과 동반되는 수직 지반운동으로 인해 기둥의 축력 변동 수준이 크게 될 경우, 기둥의 최 대 횡하중 강도 산정에 축력 변동을 고려해야 할 것으로 판단된다.

3.3 횡하중 강도

도로교설계기준 한계상태설계법[13]의 포물선-직선 응력분포를 이용 하여 계산한 이론적인 강도를 실험으로부터 구한 기둥 실험체의 최대 횡하 중과 비교하였다. 실험 최댓값은 push 와 pull 방향에서 각각 구한 후 평균 값으로, 이를 이론적인 강도와 함께 정리하여 Table 3에 나타내었다. Table 3에서 알 수 있는 바와 같이, 실험 최대 횡하중은 모든 실험체에서 이론적인 강도보다 높은 값을 나타내었다. 이론 강도 대비 실험 강도의 비는 변동 축 력이 작용하는 실험체 보다 일정 축력이 작용하는 실험체에서 보다 큰 안전 여유를 확보하는 것으로 나타났다. 특히 변동 축력이 실험에서 설정한 최대 수준에 도달하는 경우 안전 여유가 크지 않음을 알 수 있어 변동 축력이 기 둥의 횡하중 지지능력에 중요한 변수가 될 수 있음을 알 수 있다.

최대 횡하중 강도 비교 이외에 변위 증가에 따른 횡하중 강도의 거동을 확 인하기 위해, 실험으로부터 구한 각 가력 사이클별 최대 횡하중을 연결한 하 중-변위 포락곡선을 작성하여 Fig. 7에 나타내었다. Fig. 7에서 확인할 수 있 는 바와 같이 변동 축력이 작용하는 실험체에서 비탄성 변위가 증가함에 따 라 다소 급격한 하중 저감 현상이 발생함을 알 수 있어, 변동 축력이 최대 횡 하중 강도뿐만 아니라 최대 강도 이후의 거동에도 영향을 끼침을 알 수 있다.

3.4 변위연성도

기둥 실험체의 연성능력 검토를 위해 실험결과로부터 변위연성도를 계 산하였다. 변위연성도를 구하기 위해서는 항복변위와 극한변위 결정을 위 한 기준이 필요하다. 항복변위의 경우, 기둥 실험체의 최외측 인장철근의 변형률이 항복변형률을 처음 초과할때의 초기 항복변위와 Ang et al.[15] 이 제안한 절차에 의한 항복변위를 사용하였다. 극한변위의 경우 하중-변위 포락곡선에서 최대 횡하중의 15% 감소가 발생했을 때 대응하는 포락곡선 상의 변위를 극한변위로 결정하였다. Ang et al.[15]이 제안한 항복변위와 극한변위 결정 방법을 Fig. 8에 나타내었다.

실험결과로부터 구한 항복변위와 극한변위를 사용하여 변위연성도를 구하 였고, 비교 목적을 위해 도로교설계기준(한계상태설계법)[13]의 연성도 내진 설계에 의한 이론적인 변위연성도를 계산하여 Table 4에 정리하였다. Table 4 에서 확인할 수 있는바와 같이일정 축력이 작용하는 기둥실험체는항복변위 결정 방법에 관계없이 기준에서 요구하는 변위연성도를 만족하는 것으로 나타 났다. 하지만 반복 축력이 작용하는 기둥 실험체의 경우, 변동 축력 범위에서 요 구되는 변위연성도를 만족하지 못하는 것으로 나타나 변동 축력이 기둥의 강 도, 강성 및 변위연성도 등 전반적인 거동에 영향을 준다는 것을 확인하였다.

4. 결 론

이 연구에서는 일정 축력 및 변동 축력이 철근콘크리트 교량 기둥의 거 동에 미치는 영향을 검토하기 위해, 현행 국내 내진설계기준 상세를 만족하 는 동일한 기둥 실험체 9본에 대해 반복가력 실험을 수행하였다. 반복가력 실험으로부터 도출된 사항을 정리하면 다음과 같다.

일정 축력이 작용하는 실험체의 최대 횡하중은 이론적인 횡하중 강도 대 비 안전 여유를 나타낸 반면, 변동 축력이 작용하는 실험체의 최대 횡하중 은, 최소와 최대 축력 수준에 대응하는 이론적인 횡하중 강도 사이에서 응답 거동을 나타내어 안전 여유가 크지 않음을 알 수 있었다. 또한, 변동 축력의 주기가 횡방향 가력 주기보다 큰 경우 강성의 연속적인 변화로 인해 하중- 변위 이력 곡선은 비례적으로 큰 변동 이력 응답을 나타내었다. 횡하중 강도 의 경우 변동 축력이 작용하는 실험체에서 비탄성 변위 증가에 따른 다소 급 격한 하중 저감 현상이 발생하였고, 변동 축력 범위에서 요구되는 변위연성 도 또한 만족하지 못하는 것으로 나타났다.

이상으로 판단해볼 때 변동 축력은 기둥의 강도, 강성 및 변위연성도 등 전 반적인 거동에 영향을 끼친다는 것을 알 수 있다. 특히, 수평 지반운동과 동반 되는 수직 지반운동으로 인해 기둥의 축력 변동 수준이 큰 경우, 기둥의 최대 횡하중 강도 산정에 있어 축력 변동의 영향을 고려해야 할 것으로 판단된다.