변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가 :Seismic Performance Evaluation of Reinforced Concrete Columns Subjected to Variable Axial Loads

김시윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김시윤 (계명대학교, 계명대학교 대학원)

지도교수: 김승직

발행연도: 2020

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

변동축력을 받는 저층 필로티형 철근콘크리트 기둥의 전단거동에 대한 실험적 연구

김시윤 , 김승직 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2022.05 학술대회자료

2020

변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가

김시윤 건축학과 2020.01 학위논문

2019

변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 전단거동에 대한 연구

김시윤 , 김승직 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2019.05 학술대회자료

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과거 발생한 중·대형 지진에서 전도모멘트 및 수직지반운동의 영향으로 많은 철근콘크리트 골조에서 상당한 피해가 발생하였다. 변동축력과 관련하여 국내·외 많은 연구가 수행되었으며, 수직지반운동을 포함할 경우 구조물의 취약성이 증가한다고 나타냈다. 하지만 대부분의 연구가 해석적 평가에 제한되어 있으며 실험적 평가는 여전히 미미한 수준이다. 이러한 이유는 변동축력의 특성을 고려하기에는 장비의 용량이 제한적이며, 대부분의 연구에서는 수직지반운동의 영향이 수직지반운동보다는 작다고 가정하기 때문이다. 또한 많은 연구에서 변동축력을 받는 철근콘크리트 골조의 지상층 기둥은 상당한 축력변화로 인하여 전단강도가 감소하지만, 대부분의 전단강도 모델은 일정한 축력에서 수행된 실험을 기반으로 제안되었기 때문에 변동축력에 대한 영향을 고려하지 못하고 있다.
따라서 본 연구에서는 전도모멘트 및 수직지반운동의 특성을 반영한 변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 해석 및 실험적 내진성능을 평가하고 변동축력의 특성을 고려할 수 있는 전단강도 모델을 제안하였다. 본 연구에서 도출한 결론을 요약하면 다음과 같다.
첫째, 해석적 성능평가에서 수평지반운동만을 고려할 경우 철근콘크리트 골조의 지상층 외부 기둥에서 전도모멘트의 영향으로 상당한 축력 변화가 나타났으며, 수평 및 수직지반운동을 동시에 고려할 경우 수평에 대한 수직지반운동의 최대지반가속도 비율 및 구조부재 길이의 증가에 따라 최대 242.6%까지 증가하였다.
둘째, 변동축력을 받는 실험체는 일정한 축력을 받는 실험체와 비교하여 전단요구강도는 최대 4.26% 증가 및 13.77% 감소하였다. 또한 변동축력을 받는 실험체의 띠철근 변형률은 기준 실험체와 비교하여 356%까지 현저하게 증가하였다.
셋째, 변동축력을 받는 실험체의 연성비는 일정한 축력을 받는 실험체와 비교하여 축력의 주기 비율 및 규모에 따라 감소하였으며, 변동축력의 최대 규모가 증가할수록 연성의 감소율이 크게 나타났다. 특히 높은 주파수의 변동축력을 받는 실험체의 연성비는 일정한 축력을 받는 실험체와 비교하여 최대 31.19%까지 감소하였다.
넷째, 에너지 소산 측면에서 일정한 축력을 받는 실험체와 비교하여 전도모멘트의 특성을 반영한 변동축력을 받는 실험체는 누적 에너지 소산량이 낮게 나타났지만, 최대 축력이 증가할수록 증가하는 경향을 나타냈다. 반면에 수직지반운동 특성을 반영한 변동축력을 받는 실험체는 전 주기에서 모두 기준 실험체와 비교하여 누적 에너지 소산량이 높게 나타났으며, 높은 주파수의 변동축력을 받는 실험체에서는 최대 9.7%까지 증가하였다.
다섯째, 변동축력의 영향을 고려할 수 있도록 제안한 전단강도 모델은 기둥의 압축내력 10%를 기준으로 변동축력의 크기를 고려하고 있으며, 수직지반운동 특성을 반영한 변동축력을 받는 실험체에서 기존에 제안된 전단강도 모델과 비교하여 전단요구강도에 대한 전단내력의 차이가 18.18%까지 감소하였다.
본 연구는 설계기준 및 기존 연구자들의 연구에서 제안한 전단강도 모델의 문제점을 제기하고 전도모멘트 및 수직지반운동의 영향으로 인한 변동축력을 고려할 수 있는 전단강도 모델을 제안하는 연구로서, 나아가 현실적인 하중을 고려한 철근콘크리트 골조의 전단강도를 평가하는데 기여할 것으로 기대한다.

Field observations from recent moderate-to-large earthquakes have confirmed the possible destructive effect on reinforced concrete (RC) frames due to the effects of overturning moment and vertical ground motion. Many researches on the effect of variable axial loads on RC structures indicate that vulnerability of the structure increases when the vertical component of earthquake excitation is included. However, most of previous researches are limited to analytical investigation and thus experimental evaluation is still minimal. This is because the capacity of experimental equipment is limited to consider the characteristics of variable axial load, and most studies assume that vertical ground motion has a minor effect on structures compared to horizontal ground motion. Furthermore, many studies reported that the ground floor columns of RC frames subjected to variable axial load have reduced shear strength because of large axial load variation. However, the majority of shear strength models of RC columns in current design codes and predictive approaches does not consider the effects of variable axial loads because these models have been developed based on experiments with constant axial loads.
Therefore, this study evaluates the analytical and experimental seismic performance of RC columns subjected to variable axial loads reflecting the characteristics of overturning moment and vertical ground motion, and proposes a shear strength model by taking into account the effects of variable axial load. The conclusions derived in this study are as follows.
First, when only the horizontal ground motion was considered in the analytical performance evaluation, a large variation in axial load was observed in the exterior columns of the ground floor. When the combined horizontal and vertical components of ground motion were considered simultaneously, the variation in axial load increased by up to 242.6% along with the increase in vertical-to-horizontal peak acceleration ratios and the length of the structural member
Second, the maximum shear demand of the specimens subjected to variable axial load increased by up to 4.26% and decreased by 13.77% compared with that of the specimen subjected to constant axial load. It was also observed that the stirrup strain of the specimen subjected to variable axial loads increased remarkably up to 358% when compared to the maximum strain of the specimen with constant axial load.
Third, the ductility ratio of the specimens subjected to variable axial loading was decreased as the period ratio and magnitude of axial load compared to the specimen with constant axial load. It was also observed that the reduction ratio of the ductility increased as the maximum magnitude of variable axial loading increased. In particular, the ductility ratio of specimen subjected to variable axial load with high frequency decreased by up to 31.19% relative to that of the specimen subjected to constant axial load.
Fourth, specimens consider the characteristics of overturning moment showed low cumulative energy dissipation compared with that of the specimen with constant axial load, but it showed an increasing trend as maximum axial load increase. By contrast, specimens consider the characteristics of vertical ground motion showed high cumulative energy dissipation compared with that of the reference specimen in all cycles. In particular, it increased by up to 9.7% in a specimen subjected to variable axial load with the characteristic of high frequency.
Fifth, the proposed shear strength model considered the maximum magnitude of variable axial load based on 10% of compressive capacity of column. Compared with that of existing shear strength models, the difference between experimental result and the shear capacity estimated by the proposed model was decreased by 18.18% for specimens subjected to variable axial load by considering the characteristics of vertical ground motion.
This study presented the problems with the shear strength model proposed by design code and existing research, and proposes the shear strength model by considering the variable axial load resulting from the effects of overturning moment and vertical ground motion. Therefore, this study will contribute to the evaluation of the shear strength of reinforced concrete frames considering realistic loads.

#변동축력 #전단강도 모델 #내진성능평가 #철근콘크리트 기둥

제 1 장 서 론
1.1 연구의 배경 및 목적
1.2 연구의 내용
1.3 논문의 구성
제 2 장 이론적 고찰
2.1 개요
2.2 변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 연구동향
2.3 전단강도 모델
2.4 소결
제 3 장 철근콘크리트 기둥의 전단강도 모델 분석
3.1 개요
3.2 철근콘크리트 기둥의 실험 결과에 대한 데이터베이스 분석
3.3 실험 데이터베이스를 이용한 전단강도 모델 분석
3.4 소결
제 4 장 수평 및 수직지반운동에 대한 철근콘크리트 기둥의 해석적 변동축력의 영향평가
4.1 개요
4.2 해석모델
4.3 지진파 선정
4.4 수평지반운동에 의한 철근콘크리트 기둥의 변동축력 영향
4.5 수평 및 수직지반운동에 의한 철근콘크리트 기둥의 변동축력 영향
4.5 소결
제 5 장 변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가
5.1 개요
5.2 실험 계획
5.2.1 실험체 설계
5.2.2 수평지반운동의 특성을 반영한 변동축력 패턴 개발
5.2.3 수직지반운동의 특성을 반영한 변동축력 패턴 개발
5.2.4 계측계획 및 실험체 설치
5.3 변동축력을 받는 철근콘크리트 기둥의 내진성능평가
5.3.1 수평지반운동의 특성을 반영한 변동축력의 영향
5.3.2 수직지반운동의 특성을 반영한 변동축력의 영향
5.3.3 종합적 분석
5.4 소결
제 6 장 개선한 전단강도 모델 제안
6.1 개요
6.2 실험결과 비교 분석
6.3 개선한 전단강도 모델 제안 및 평가
6.4 소결
제 7 장 결론
참고문헌
부록
영문초록
국문초록

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