휨항복 후 파괴되는 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 형상비의 영향

국문 초록 (Abstract)

모멘트저항골조 시스템은 보와 기둥이 강접된 골조 시스템으로, 수평하중에 대하여 골조 전체가 저항할 수 있다는 특징을 가진다. 모멘트저항골조에서 보와 기둥이 일체화되는 부재를 보-기둥 접합부라고 한다. 접합부는 하중을 전달하는 역할을 하며, 파괴 시 기둥이나 구조물 전체의 붕괴를 초래할 수 있기 때문에 접합부의 성능은 구조물 전체의 내진성능과 직결된다.
국내 설계기준인 KDS 14 20 80[콘크리트 내진설계기준] 또는 미국 콘크리트학회 설계기준 ACI 318-19 외에도 다양한 국가의 설계기준에서는 접합부에 대하여 설계기준을 제시하고 있다. 국가별로 설계기준이 소폭 차이가 있으나 모두 접합부의 구속 상태, 콘크리트 압축강도, 유효단면적을 접합부 전단강도 식에 포함한다. 여기서 유효단면적은 접합부의 수평 방향의 단면적을 의미한다. 이는 접합부의 전단내력이 수평 방향의 전단력에 저항한다는 의미에서 타당하다고 여겨진다. 그러나 접합부에 가해지는 수평 전단력은 접합부의 대각 방향으로 형성되는 압축대에 의해 전달되기 때문에 보 단면의 높이, 그리고 형상비에 의해 좌우된다. 따라서 현행 설계기준은 접합부의 힘 전달 메커니즘을 고려하지 않고 있으며, 형상비에 따라 달라지는 접합부의 성능 파악이 필요하다.
또한 접합부의 전단강도비의 영향에 대해서도 파악이 필요하다. 전단강도비란 접합부의 내력이 최대 내력 대비 강한 정도를 나타내는 수치이며, 접합부의 파괴모드에 지대한 영향을 준다. 접합부의 형상비에 관한 선행 연구는 전단강도비의 영향을 다소 간과했기 때문에 접합부의 형상비의 증가에 따른 전단성능 저하가 접합부의 전단강도비에 의해서 변화하는지에 대해 파악할 필요가 있다.
이를 위해 본 연구에서는 보가 휨항복한 뒤 접합부에서 파괴되는 BJ-파괴, 그리고 보가 휨항복한 뒤 보에서 파괴되는 B-파괴를 유도한 실험체 총 6개를 제작하고 실험을 진행하였다. 실험 결과 B-파괴를 유도한 실험체는 접합부 형상비의 증가에도 불구하고 예상 강도 이상의 성능을 나타냈으나 BJ-파괴를 유도한 실험체는 전단강도가 저하되는 것을 확인하였다. 그러나 형상비의 증가에 따라 B-파괴를 유도한 그룹 또한 BJ-파괴의 성격을 띄는 것을 관측하였다.
실험 결과의 신뢰성을 확보하고 추가적인 분석을 진행하기 위해 OpenSees 비선형 해석 프로그램을 통해 분석을 진행하였으며, 충분한 전단강도비를 가진 접합부는 형상비에 증가에 의한 강도 저감을 억제할 수 있음을 다시 확인하였다. 또한 현행 국내 설계기준의 접합부 전단강도식은 접합부 형상비가 증가할 때 전단강도를 과대평가하고 있음을 보였다.
마지막으로 실험 결과와 선행 연구의 데이터를 바탕으로 접합부의 형상비를 반영하는 전단강도식을 제안하였으며, 이는 현행 설계기준에 비해 접합부의 전단강도를 타당하게 예측하는 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Moment-resisting frame systems are structural systems in which beams and columns are rigidly connected, allowing the entire frame to resist lateral loads. In moment-resisting frames, the structural component that integrates beams and columns is referred to as the beam–column joint. The joint plays a critical role in transferring forces between members, and its failure may lead to column failure or even collapse of the entire structure. Therefore, the performance of beam–column joints is directly related to the overall seismic performance of a structure.
Including Korean Design Standard KDS 14 20 80 [Seismic Design Standard for Concrete Structures] and American Concrete Institute design code ACI 318-19, design provisions for beam–column joints are provided in various national design codes. Although these codes differ slightly, they commonly consider the confinement condition of the joint, the concrete compressive strength, and the effective joint area into the joint shear strength equations. The effective joint area refers to the horizontal cross-sectional area of the joint, which is considered appropriate since the joint shear strength is assumed to resist horizontal shear forces. However, the horizontal shear force acting on the joint is transferred through diagonal compression struts formed within the joint core, which is influenced by the beam depth and the joint aspect ratio. However current design provisions do not explicitly account for the actual force transfer mechanism of beam–column joints, and it is necessary to investigate the variation in joint performance with respect to joint aspect ratio.
In addition, the influence of the joint shear strength ratio should also be examined. The joint shear strength ratio represents the relative strength of the joint compared to the maximum demand and has a significant effect on the joint failure mode. Previous studies investigating the effect of joint aspect ratio have tended to overlook the influence of the joint shear strength ratio. Therefore, it is necessary to clarify whether the degradation in joint shear performance associated with increasing aspect ratio is affected by the joint shear strength ratio.
To address this issue, a total of six specimens were fabricated and tested in this study, including specimens designed to induce BJ-type failure, in which joint failure occurs after beam flexural yielding, and B-type failure, in which beam failure occurs after beam flexural yielding. The experimental results showed that specimens designed to induce B-type failure exhibited strengths exceeding the predicted values despite an increase in joint aspect ratio, whereas specimens designed to induce BJ-type failure exhibited a reduction in joint shear strength. However, it was also observed that specimens in the B-type failure group gradually exhibited characteristics of BJ-type failure as the joint aspect ratio increased.
To ensure the reliability of the experimental results and to conduct further analysis, nonlinear analyses were performed using the OpenSees program. The analytical results confirmed that joints with sufficiently high joint shear strength ratios can suppress strength degradation associated with increasing aspect ratio. In addition, it was shown that the joint shear strength equation in the current Korean design code overestimates joint shear strength as the joint aspect ratio increases.
Finally, based on the experimental results and data collected from previous studies, a joint shear strength equation incorporating the effect of joint aspect ratio was proposed. The proposed equation was found to provide a more reasonable prediction of joint shear strength compared to the current design provisions.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문의 구성 4
• 제2장 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 거동 5
• 2.1 모멘트저항골조 시스템 5
• 2.1.1 모멘트저항골조의 설계 5
• 2.1.2 모멘트저항골조의 접합부 6
• 2.2 횡하중을 받는 보-기둥 접합부 7
• 2.2.1 연직하중을 받는 보-기둥 접합부 7
• 2.2.2 횡하중을 받는 보-기둥 접합부 8
• 2.2.3 보-기둥 접합부의 힘 전달 메커니즘 12
• 2.3보-기둥 접합부의 파괴모드 13
• 2.3.1 J-파괴하는 보-기둥 접합부 14
• 2.3.2 BJ-파괴하는 보-기둥 접합부 15
• 2.3.3 B-파괴하는 보-기둥 접합부 16
• 2.3.4 접합부 전단강도비의 영향 17
• 제3장 철근콘크리트 보-기둥 접합부에 대한 설계기준과 선행 연구 18
• 3.1 철근콘크리트 보-기둥 접합부 설계기준 18
• 3.1.1 ACI 318-19, ACI 352R- 02 18
• 3.1.2 KDS 14 20 80 21
• 3.1.3 AIJ 2010 23
• 3.1.4 NZS 3101 24
• 3.1.5 CSA A23.3: 19 25
• 3.2 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 선행 연구 27
• 3.2.1형상비에 대한 연구의 필요성 27
• 3.2.2철근콘크리트 보-기둥 접합부의 선행 연구 동향 28
• 3.2.3형상비에 대한 선행 연구 28
• 3.3 본 연구의 목적 30
• 제4장 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험 32
• 4.1 실험 개요 32
• 4.1.1 실험 변수 33
• 4.1.2 재료 물성치 35
• 4.1.3 실험체 제작 37
• 4.1.4 실험체 상세 38
• 4.2 실험 방법 45
• 4.2.1 실험 방법 45
• 4.2.2 결과 측정 50
• 제5장 철근콘크리트 보-기둥 접합부 실험 결과 52
• 5.1 파괴 양상 52
• 5.2 하중-변위 관계 59
• 5.3 강도 저감 및 연성 66
• 5.3.1 강도 저감 66
• 5.3.2 연성 68
• 5.4 접합부 전단변형 71
• 5.4.1 대각 LVDT 변형 71
• 5.4.2 접합부 후프철근 변형률 74
• 5.4.3 접합부 균열 각도 76
• 5.4.4 보 소성힌지 영역 콘크리트 탈락 면적 78
• 제6장 실험 결과 분석 80
• 6.1 기존 접합부 강도 산정법 80
• 6.2 OpenSees를 이용한 비선형 해석 81
• 6.2.1 비선형 해석 기법 81
• 6.2.2 종방향철근 변형률 86
• 6.2.3 비선형 해석을 간접적으로 활용한 강도 예상 89
• 6.3 현행 설계기준 분석 93
• 6.4형상비를 고려한 접합부 전단강도식 제안 96
• 6.4.1 형상비를 고려한 접합부 전단강도식 96
• 6.4.2 전단강도식 검증 100
• 제7장 결론 101
• 참고문헌 104
• 부록1 층간변위비에 따른 파괴 양상 109
• 부록2 비선형 해석 스크립트 152
• 부록3 선행 연구 데이터 정리 160
• ABSTRACT 166