Effects of Loading Rate and Direction on the Response of RC Columns = 재하 속도 및 하중 방향이 철근콘크리트 기둥의 거동에 미치는 영향

국문 초록 (Abstract)

철근콘크리트(Reinforced Concrete, RC) 기둥은 중력하중을 지지함과 동시에 지진에 의해 유발되는 횡력에 저항하여 구조물의 전반적인 안정성을 확보하는 핵심 부재이다. 그러나 강한 지반 운동 하에서는 RC 기둥의 거동이 고도의 비선형성을 나타내며, 뚜렷한 이력(hysteretic) 특성을 수반하므로, 신뢰성 있는 구조 설계를 위해서는 동적 거동에 대한 명확한 이해가 필수적이다. 그러나 지진은 본질적으로 3차원 그리고 동적인 특성을 가지므로, 실험적으로 이를 정확히 모사하기 위해서는 축력과 다차원적(multi-dimensional) 횡변위를 정밀하게 제어할 필요가 있다. 그러나 이러한 제어는 상당한 기술적 어려움을 수반하며, 그 결과 기존 연구의 대부분은 일방향(unidirectional) 또는 준정적(quasi-static) 조건에 제한되어 수행되어 왔다. 따라서 실제 지진 하중 조건에서의 구조적 거동은 아직 충분히 규명되지 못한 실정이다. 본 연구에서는 축력 및 다방향 횡변위 제어에서 기존에 지적되어 온 기술적 한계를 해결하기 위하여, 적응형 시계열 보상기(adaptive time series(ATS) compensator)와 새로운 유연 하중 보(flexible loading beam, FLB) 시스템을 활용한 새로운 제어 전략을 개발하였다. 개발한 기법을 적용함으로써 기존 실험 기법의 제약을 효과적으로 극복하고, RC 기둥의 내진 거동을 보다 현실적 조건에서 정밀하게 평가할 수 있는 실험적 기반을 확보하였다. 실험 프로그램은 재하 속도(고속/저속), 재하 방향(일방향/양방향), 그리고 띠철근(stirrup) 배치를 변수로 하는 총 6 개의 RC 기둥 시험체를 대상으로 한 반복가력실험을 통해 검증하였다. 시험 결과를 바탕으로 하중–변위(load–drift ratio) 관계, 변형 능력, 철근 변형률 분포, 에너지 소산 능력, 등가점성감쇠비 등 주요 응답 지표를 통해 종합적으로 분석하였다. 그 결과, 제안된 제어 전략은 축력과 양방향 횡변위를 모두 안정적이고 정확하게 제어하는 데 성공하였다. 또한 저속 재하 대비 고속 반복재하 조건에서 전단강도가 증가하는 경향이 확인되었으며, 양방향 횡하중(bi-directional lateral loading) 재하 조건에서는 일방향 재하에 비해 파괴가 더 빠르게 진행되는 것으로 관찰되었다. 이러한 결과는 재하 속도와 재하 방향이 RC 기둥의 내진 성능에 유의미한 영향을 미침을 시사하며, 향후 성능 평가 및 설계 규정에서 해당 요인을 적절히 반영할 필요가 있음을 제안한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Reinforced concrete (RC) columns serve as primary structural members that support gravity loads and resist lateral forces induced by seismic events, thereby ensuring overall structural stability. However, under strong ground motions, their behavior becomes highly nonlinear and exhibits distinct hysteretic characteristics. Thus, a clear understanding of their seismic behavior is fundamental to achieving reliable structural design. However, because earthquakes have inherently three-dimensional and dynamic characteristics, accurately simulating them in experiments requires precise control of both the axial load and multi-directional lateral displacements. Achieving such control, however, poses significant technical challenges, and as a result, most previous tests have been limited to unidirectional or quasi-static conditions. Consequently, the actual structural behavior under seismic loading has not yet been fully understood. In this study, a new control strategy was developed to address the previously identified technical challenges in controlling axial load and multi-directional lateral displacements by using the Adaptive Time Series (ATS) compensator and a new Flexible Loading Beam (FLB). By employing these techniques, the existing limitations were effectively overcome, enabling a more accurate and realistic investigation of the seismic behavior of RC columns. The experimental program was validated through cyclic loading tests on six RC column specimens representing various combinations of loading rates (fast and slow), lateral loading directions (unidirectional and bi-directional), and the first stirrup location. Based on the test results, this study analyzed several response parameters, including the lateral load–drift ratio relationships, deformation capacity, rebar strain, energy dissipation capacity, and equivalent viscous damping. Consequently, the proposed control strategy achieved stable and accurate control of both the axial load and multi-directional lateral displacements. Furthermore, it was observed that the shear strength increased under fast cyclic loading compared with slow cyclic loading, and that failure progressed more rapidly under bi-directional lateral loading than under unidirectional lateral loading. These analyses indicate that loading rate and lateral loading direction significantly affect the seismic performance of RC columns, suggesting that these factors should be appropriately considered in future performance evaluations and design provisions.

목차 (Table of Contents)

• ABSTRACT i
• TABLE OF CONTENTS iii
• LIST OF TABLES vi
• LIST OF FIGURES viii
• 1. INTRODUCTION 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Previous research 3
• 1.2.1. Effect of loading rate 3
• 1.2.1.1. Lamarche and Tremblay (2011) 3
• 1.2.1.2. Ghannoum et al. (2012) 5
• 1.2.2. Effect of loading direction 6
• 1.2.2.1. Gutierrez et al. (1995) 7
• 1.2.2.2. Rodrigues et al. (2012) 8
• 1.3. Research objectives 10
• 2. EXPERIMENTAL PROGRAM 11
• 2.1. Specimens 11
• 2.1.1. Geometry and section detailing 12
• 2.1.2. Material properties 14
• 2.1.3. Construction 14
• 2.2. Test setup and instrumentation 17
• 2.2.1. Test setup 17
• 2.2.2. Instrumentation 18
• 2.3. Loading protocol 20
• 2.3.1. Axial load 20
• 2.3.2. Horizontal displacement paths 20
• 3. CONTROL STRATEGIES 23
• 3.1. Introduction 23
• 3.2. Adaptive Time Series (ATS) compensator 24
• 3.2.1. ATS compensator 24
• 3.2.2. D-ATS force control method 26
• 3.2.3. Modified D-ATS force control method 30
• 3.3. Flexible Loading Beam (FLB) 33
• 3.3.1. Existing FLB 33
• 3.3.2. New FLB 34
• 3.3.2.1. Working mechanism of new FLB 34
• 3.3.2.2. Design and fabrication of new FLB 35
• 4. EXPERIMENTAL RESULTS 40
• 4.1. Introduction 40
• 4.2. Actuator control performance 41
• 4.2.1. Results of axial force 41
• 4.2.2. Results of horizontal displacement 43
• 4.3. Analysis of test data 46
• 4.3.1. Lateral load-drift ratio relationship 46
• 4.3.2. Deformation capacity 49
• 4.3.3. Rebar strains 53
• 4.3.4. Energy dissipation capacity 55
• 4.3.5. Equivalent viscous damping 57
• 5. CONCLUSIONS 61
• REFERENCES 64
• ABSTRACT IN KOREAN 68