SungKyunKwan University, SungKyunKwan University, CONCONcrete crete EEngineering ngineering LLaboratory,aboratory,

Dep. of Architectural EngineeringDep. of Architectural Engineering

철근콘크리트 보철근콘크리트 보 -- 기둥 접합부의 전단거동에 관한 실험적 연구기둥 접합부의 전단거동에 관한 실험적 연구

김진영 , 오기종 , 이정윤

서론

An Experimental Study on Shear Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column An Experimental Study on Shear Behavior of Reinforced Concrete Beam-Column JointsJoints

접합부 파괴 모드

- 철근콘크리트 보 - 기둥 접합부는 내진설계 시 보에서 충분한 에너지 소산이 이루어져 접합부 및 기둥의 내력 저감이 설계자가 요구하는 연성 능력에 도달할 수 있도록 설계되어야 함 .

- 연성능력을 평가하기 위한 선행연구자의 보 - 기둥 접합부 전단거동 평가 모델은 다음의 세 가지 접합부의 파괴 모드를 다루고 있다 .

(a) J- 파괴 : 보가 접합부보다 먼저 파괴 .

(b) BJ- 파괴 : 보의 항복 → 보와 접합부가 맞닿은 면에

소성힌지 발생 → 소성힌지에서 급격한 변형률 증가는

접합부 내부에도 영향을 미치게 되어 접합부 내력 감소

→ 접합부 파괴 .

(c) B- 파괴 : 접합부가 보보다 먼저 파괴 .

- 실험체 셋팅1. 기둥하단에 직경 100mm 의 강봉을 사용하여 회전변형을 유도 .

2. 보의 양단에도 접합부의 회전변형만 일어나도록 힌지로 고정 .

3. 실험체 하단에서 2m 떨어진 위치의 기둥에 변위 용량이 ±250mm 인 유압 액츄에이터를 설치하여 반복

횡하중을 실험체에 재하 .

4. 미끌림을 방지하기 위해 12 개의 유압볼트를 각각 50tonf 의 유압으로 바닥판 고정 .

실험체명 주인장 철근비주철근 항복강도

(MPa)스트럽 배근간격

(mm)스트럽 항복강도

(MPa)콘크리트 압축강도

(MPa)

J-1 0.0166

500.9

100

400 40

BJ-1 0.0099

BJ-2 0.0083

200BJ-3 0.0066

BJ-4 0.0050

철근콘크리트 보 - 기둥 접합부 상세

실험체 셋팅스트레인 게이지 위치 L.V.D.T. 위치

연구 목적

1. 지진하중 받아 접합부에 소성힌지가 형성되고 보의 주인장철근

항복 .

2. 항복한 보의 주인장철근은 부재의 연성을 증가시켜 접합부에 영향 .- 접합부에 배근 된 철근의 변형률은 소성힌지 구역의 철근 변형률에 비하여

극히 작아야 함에도 불구하고 실제로는 접합부 철근의 변형률이 증가 .

3. 접합부 내의 보 부재축 방향 변형률이 증가할 경우 접합부

콘크리트 스트럿의 인장 변형률도 증가 .

4. 콘크리트 스트럿의 압축강도도 감소 .

5. 보에 인접한 접합부 철근이 항복함으로써 접합부의 부착응력이

증가하여 부착파괴 발생 가능 .

- 접합부 및 보의 철근에 변형률 게이지를 부착하여 연성이 증가함에

따라서 변하는 철근의 변형률을 횡방향 철근비를 변수로 하여

실험함 .

실험체 및 측정

880

400

880

2300

350 13751375

3100

D10

@50

D10

@40

D10@100

D10

@50

D10@100

D10@50

D10

@25

D10@50

D10@50

250250

200

O40

O 30

300 300

300

O 110

300

880

400

880

2300

350 13751375

3100

D10

@10

0D10

@40

D10@200

D10

@10

0

D10@200

D10@70

D10

@25

250250

200

O40

O 30

D10@70

300 300

300

O 110

D10@75

300

(a) J1, BJ1철근콘크리트 보 - 기둥 접합부 실험체 단면도

(b) BJ2 ~ BJ4

(a) 변형률 분포

(b) 변형률 증가에 따른 접합부의 강도 저감

μ = 6μ = 4μ = 2

(a) J-1 (b) BJ-1 (c) BJ-2

(d) BJ-3 (e) BJ-4

접합부의 실험 결과와 제안식 결과 비교

- J- 파괴하는 접합부의 전단강도 평가식은 실제 접합부의 전단강도를 잘 예측함 .

- BJ- 파괴하는 접합부의 전단강도 평가식은 실험체 BJ-1, BJ-2 의 연성은 잘 예측하고 있지만

실험체 BJ-3, BJ-4 의 경우 접합부의 연성을 다소 과대평가함 .

- 접합부 내부의 철근의 변형률은 인접한 철근 변형률이 증가함에 따라서 증가함 .

- 접합부와 보가 맞닿는 면의 주인장철근변형률은 항복변형률에 도달하고 급격하게 증가 .

- 접합부 중심에서의 변형률의 변화는 층간 변위가 증가함에 따라서 증가하였지만 증가의 폭은

상대적으로 작음 .

(a) J-1 (b) BJ-1 (c) BJ-2

(d) BJ-3 (e) BJ-4

접합부의 실험 결과와 제안식 결과 비교

-0.156 -0.104 -0.052 0 0.052 0.104 0.156-0.13 -0.078 -0.026 0.026 0.078 0.13

Story drift ratio

-2000

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

2000Jo

int

sh

ear

(k

N)

test (J1)

cal

-0.208 -0.156 -0.104 -0.052 0 0.052 0.104 0.156 0.208 0.26-0.182 -0.13 -0.078 -0.026 0.026 0.078 0.13 0.182 0.234

Story drift ratio

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

Sto

ry s

he

ar

(kN

)

test (BJ1)

cal (K=0.5)

-0 .208 -0 .156 -0 .104 -0 .052 0 0.052 0 .104 0 .156 0 .208 0.26-0 .182 -0 .13 -0 .078 -0 .026 0.026 0.078 0 .13 0 .182 0 .234

Story drift ratio

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-250

-150

-50

50

150

250

350

Sto

ry s

hea

r (k

N)

test (BJ2)

cal (K=0.5)

-0 .208 -0.156 -0 .104 -0 .052 0 0.052 0.104 0.156 0.208-0.182 -0 .13 -0 .078 -0 .026 0.026 0.078 0.13 0.182

Story drift ratio

-400

-300

-200

-100

0

100

200

300

400

-350

-250

-150

-50

50

150

250

350

Sto

ry s

hea

r (k

N)

test (BJ3)

cal (K=0.5)

-0 .26 -0 .208 -0 .156 -0 .104 -0.052 0 0.052 0.104 0.156 0.208 0.26-0 .234 -0.182 -0 .13 -0 .078 -0.026 0.026 0.078 0.13 0 .182 0.234

Story drift ratio

-200

-100

0

100

200

300

400

-150

-50

50

150

250

350

Sto

ry s

hea

r (k

N)

test (BJ4)

cal (K=0.5)

(a) BJ-1 (b) BJ-2

(c) BJ-3 (d) BJ-4철근 위치 - 층간변위 증가에 따른 철근의 변형률 곡선 ( 보의 휨모멘트 방향이 시계방향일 때 )

0

0.002

0.004

0.006

-0.001

0.001

0.003

0.005

0.007

Ste

el s

trai

n

-0.001

0

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

0.006

0.007

-0.0005

0.0005

0.0015

0.0025

0.0035

0.0045

0.0055

0.0065Drift ratio 2 .6 %

5 .2 %

7 .8 %

10 .4 %

0

0.004

0.008

0.012

-0.002

0.002

0.006

0.01

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

-0.001

0.001

0.003

0.005

0.007

0.009

0.011Drift ratio 2.6 %

5.2 %

7.8 %

10.4 %

Ste

el s

trai

n

0

0.004

0.008

0.012

-0.002

0.002

0.006

0.01

Ste

el s

trai

n

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

-0.001

0.001

0.003

0.005

0.007

0.009

0.011Drift ratio 2 .6 %

5 .2 %

7 .8 %

10.4 %

0

0.004

0.008

0.012

-0.002

0.002

0.006

0.01

Ste

el s

trai

n

-0.002

0

0.002

0.004

0.006

0.008

0.01

0.012

-0.001

0.001

0.003

0.005

0.007

0.009

0.011Drift ratio 2 .6 %

5 .2 %

7 .8 %

10.4 %

결론

1.접합부의 횡방향 철근비에 따라 접합부의 연성은 달라지며 , BJ- 파괴하는 접합부의 연성

평가식은 횡방향 철근비가 0.0186 이상인 BJ- 파괴 접합부의 연성을 잘 예측하였지만 ,

철근비가 0.0186 미만인 접합부의 경우 접합부의 연성을 과대평가하는 경향이 보임 .

2. 접합부와 인접한 보에서 발생한 소성힌지 영역내의 축방향 변형률이 접합부 내부의 축방향

변형률에 미치는 영향은 접합부의 변형이 증가할 수록 증가함 .

3. 보 - 기둥 접합부의 연성 평가식의 검증 및 수정을 위한 연구와 콘크리트 압축강도를 변수로

하는 추가적인 실험이 수행되어야 할 것임 .

실험결과 및 분석

- 인접한 보에 배근된 주인장철근의 양에 따라서 접합부는 상이한 파괴모드를 나타냄 .

- J-1 실험체는 파괴가 접합부에 집중 , 보의 주인장철근이 항복하기 이전에 접합부에서 전단파괴 .

- BJ-1, BJ-2, BJ-3 실험체는 보의 주인장철근이 항복한 이후에 접합부에서 전단파괴 .- 주인장철근의 양이 감소해 보의 소성힌지 구역에 피해가 집중 , 상대적으로 접합부에는 균열이 적게 발생 .

- BJ-4 실험체의는 보의 소성힌지에서 콘크리트가 압축파괴 , 접합부 균열 폭은 매우 작음 .