고성능 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 평가 및 개선 = Structural Performance Evaluation and Improvement of High-Performance Reinforced Concrete Beam-Column Joints

국문 초록 (Abstract)

(초)고층철근콘크리트 건축물이 지진하중 및 풍하중등과 같은 과도한 반복주기 하중을 받을 경우 보-기둥 접합부가 매우 취약하게 되므로 보-기둥 접합부 영역의 고성능화가 절실히 요구되고 있다.
따라서 본 연구에서는 철근큰크리트 보-기둥 접합부의 고성능화 기술 즉 콘크리트의 고강도화, 접합부 영역의 손상을 최소화하고 보의 소성힌지를 보의 내측으로 완전히 이동함과 동시에 내진성능을 향상시키는 내진설계 상세 및 접합부 영역의 띠철근 및 보의 스터럽을 강섬유보강 콘크리트로 대체하는 설계기술을 도입하여 실험을 수행하여 구조성능을 평가하였으며, 본 연구의 실험결과를 근거로 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 내진성능을 향상시키고, 보-기둥 접합면에 인접하여 발생하는 소성힌지를 보의 내측으로 이동시킬 목적으로 새로운 접합부 설계상세를 도입한 정착형 중간철근(d, 1.5d)과 이중폐쇄스터럽 보강 시험체(HJAIl, HJAI2, HJCI)는 소성힌지의 이동은 물론 내진성능이 현저히 개선되었다. 특히 정착형 중간철근과 보의 코아 큰크리트를 폐쇄스터럽 보강한 시험체 HJCI는 매우 우수한 새로운 접합부 설계상세로 평가되었다.
2) 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 철근배근 및 콘크리트 밀실타설의 문제점을 해소하고 띠철근 및 보의 스터럽을 강섬유보강 콘크리트로 대체한 시험체(HJRSI, HJRS2, HJRS3)의 경우 기준시험체 HJC에 비하여 안정적인 이력거동 및 충분한 내력확보, 만족스런 파괴형태를 나타내었다.
3) 정착형 중간철근 및 보의 코아 콘크리트의 구속을 위한 페쇄스터럽을 사용한 시험체 HJCI의 경우 기준시험체 HJC에 비하여 변위연성 1∼5 범위에서 최대 내력이 25%∼40% 증대되었으며, 변위연성 1∼5정도까지는 안정적인 거동을 나타내었다.
4) 보-기둥 접합부 영역의 철근배근 및 콘크리트 밀실 타설의 어려움을 해결하고자 접합부 영역의 보와 기둥의 전단보강근을 강섬유보강 콘크리트 시험체 HJRS3의 경우 변위연성 3에서 기준시험체 HJC에 비하여 최대내력이 18% 증가하였다.
5) 소성힌지의 이동 및 구조성능의 개선을 위한 시험체(HJAIl, HJAI2, HJCI)의 경우 중간철근의 배근(1.0d, 1,5d) 및 패쇄스터럽의 사용에 따라 소성힌지가 보의 내측으로 각각 20㎝, 30cm 범위로 충분히 이동하였다.
6) 보-기둥 접합부 영역의 손상을 최소화 할 목적으로 설계된 시험체(HJAIl HJAI2, HJCI)의 경우 소성힌지의 이동에 따라 접합면에서 보의 내측으로 20cm-30cm범위에서 균열이 집중되면서 안정적인 파괴형태를 나타내었다.
7) 보-기둥 접합부 영역에 강섬유보강 큰크리트를 적용한 시험체(HJSI1, HJSI2 HJSI3)의 경우 변위연성 5정도에서 접합면에 균열이 집중되면서 균열이 확산되었고, 변위연성 7에서 접합면에서 보의 내측으로 15-20cm범위에서 콘크리트의 탈력 및 압괴현상으로 파괴되었다. 또한 강섬유 혼입율의 증가에 따라 보의 내측으로 균열간격이 넓게 형성되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

For high-rise reinforced concrete buildings, high-performance techniques are demanded in the joint region as beam-column joints are very weak under repeated reversed loading such as earthquake and wind loading.
In this dissertation, experimental research was carried out to study the hysteretic behavior of reinforced high-strength concrete beam-column joints designed by high performance techniques, such as application of high-strength concrete, reducing of joint regions damage, moving of beam plastic hinge, and steel fiber concrete.
And such joints was tested to evaluate the earthquake-resistant performance and to develop new design approaches for the actual design in high-rise reinforced concrete buildings.
1) Specimens(HJAI1, HJAI2, HJCI), designed by the development of earthquake-resistant performance, moving of beam plastic hinge, and new design approach, were attained the moving of beam plastic hinge and developed significantly earthquake-resistant performance of such joints.
Especially, specimen HJCI, designed by the supplemental intermediate longitudinal reinforcement and the closed stirrup of confinement of concrete in beam, was evaluated very excellent new design details of reinforced beam-column joints.
2) Solving the congestion of reinforcement and throughly placing of concrete in reinforced beam-column joint, specimens(HJRS1, HJRS2, HJRS3), replaced shear reinforcement into steel fiber concrete were showed stable hysteresis behavior, sufficient maximum load carrying capacity, and satisfactory crack pattern.
3) Applying the anchorage type supplemental intermediate longitudinal reinforcement and the closed stirrup for the confinement of core concrete in beam. specimen HJCI was increased its maximum carrying capacity by 25-40% at displacement ductilities of 1-5, and showed satisfactory behavior for displacement ductilities of 5 or lower.
4) Specimen HJRS3, designed by solving the congestion of reinforcement, thoroughly placing of concrete and application of steel fiber concrete and application of steel fiber concrete, was increased its maximum carrying capacity ' by 18% in comparision with the standard specimen HJC for displacement ductility of 3.
5) Specimens(HJAI1, HJAI2, HJCI), designed by moving of beam plastic hinge and development of structural performance were sufficiently moved away 20cm, 30cm from the column face respectively due to adding supplemental intermediate longitudinal reinforcement over a specific length 1.0d and 1.5d and application of closed stirrup.
6) Specimens(HJAI1, HJAI2, HJCI), designed by the purpose of minimizing the damage of beam-column joints, were stablely failed with the concentrating crack in 20~30cm range away from the column face.
7) Specimens(HJRS1, HJRS2, HJRS3), designed by the application of steel fiber concrete in the beam-column joint region, were concentrated and spreaded cracking at the joint face for displacement ductility of 5. For displacement ductility of 7, these were falled and successively crushed the concrete of beam at the 15-20cm range of inside beam. Increasing the percent of steel fiber incorporated, spacing of crack were happened widely into inside beam.

목차 (Table of Contents)

• 요약 = ⅰ
• 목차 = ⅳ
• 표목차 = ⅶ
• 그림목차 = ⅸ
• Ⅰ. 서론 = 1
• 1. 연구목적 = 1
• 2. 연구동향 = 2
• 3. 연구범위 및 방법 = 4
• Ⅱ. 철근콘크리트 부재의 연성 및 보-기둥 접합부의 역학적 특성 = 7
• 1. 개요 = 7
• 2. 철근콘크리트 부재의 연성 = 8
• 1) 연성의 정의 및 측정방법 = 8
• 2) 철근콘크리트 구조 부재의 연성 = 9
• 3) 연성확보를 위한 설계 지침 = 17
• 3. 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 특성 = 19
• 1) 접합부의 분류 = 19
• 2) 접합부의 설계시 고려사항 = 20
• 3) 접합부의 파괴 = 21
• 4) 접합부의 거동 특성 = 23
• Ⅲ. 고성능콘크리트의 특성 = 25
• 1. 고성능콘크리트의 정의 = 25
• 2. 고강도콘크리트의 특성 = 25
• 1) 개요 = 25
• 2) 고강도 콘크리트의 정의 = 26
• 3) 콘크리트의 고강도화 방법 = 26
• 4) 고강도콘크리트의 역학적 특성 = 28
• 3. 강섬유보강 콘크리트의 특성 = 32
• 1) 개요 = 32
• 2) 강섬유보강 콘크리트의 역학적 특성 = 33
• 4. 고유동 콘크리트의 특성 = 41
• 1) 개요 = 41
• 2) 고유동콘크리트의 정의 = 41
• 3) 고유동콘크리트의 배합 = 48
• 4) 고유동콘크리트의 역학적 특성 = 50
• Ⅳ. 고성능 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 실험 = 53
• 1. 개요 = 53
• 2. 실험계획 = 53
• 3. 시험체의 형태 및 변수 = 54
• 4. 사용재료의 선정 및 특성 = 59
• 5. 시험체의 제작 및 양생 = 64
• 6. 시험장치 및 시험체의 설치 = 67
• 7. 시험방법 = 71
• Ⅴ. 고성능 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 구조성능 평가 및 개선 = 73
• 1. 개요 = 73
• 2. 철근콘크리트 보-기둥 접합부의 고성능화 설계방법 = 74
• 3. 보의 소성힌지 이동설계법을 도입한 보-기둥 접합부의 구조성능 평가 및 개선 = 74
• 1) 이력거동 특성 = 74
• 2) 파괴형태 = 82
• 3) 강도 및 강성변화 특성 = 92
• 4) 에너지 소산능력 = 94
• 5) 보의 신장 = 95
• 6) 철근슬립 = 96
• 4. 강섬유보강 콘크리트를 활용한 보-기둥 접합부의 구조성능 평가 및 개선 = 98
• 1) 이력거동 특성 = 98
• 2) 파괴형태 = 103
• 3) 강도 및 강성변화 특성 = 109
• 4) 에너지 소산능력 = 111
• 5) 보의 신장 = 112
• 6) 철근슬립 = 113
• Ⅵ. 결론 = 116
• 참고문헌 = 118
• Abstract = 129