경량골재 콘크리트 기둥의 휨 거동에 대한 구속지수의 영향 평가 :Evaluation of Effect of Transverse Reinforcement Index on Flexural Performance of Lightweight Aggregate Concrete Columns

임채림

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임채림 (경기대학교, 경기대학교 대학원)

지도교수: 양근혁

발행연도: 2021

저작권: 경기대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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이 논문의 연구 히스토리 (4)

2021

전경량골재 콘크리트 기둥의 휨 거동 평가

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기둥의 휨 거동에 대한 모래경량 콘크리트 압축강도의 영향 평가

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경량골재 콘크리트 기둥의 휨 거동에 대한 구속지수의 영향 평가

임채림 건축공학과 2021.01 학위논문

2020

경량골재 콘크리트 기둥의 휨 거동평가

임채림 , 양근혁 , 문주현 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2020.11 학술대회자료

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이 연구의 목적은 경량골재 콘크리트(lightweight aggregate concrete, LWAC)를 사용한 기둥의 휨 거동을 평가하고, 이에 대한 설계기준의 휨 모멘트, 최소 횡보강근량 및 연성에 대한 안전성 평가이다. 이를 위한 주요 목표는 다음과 같이 요약할 수 있다: 1) 이론적 연구로서, 단위용적중량이 다른 LWAC 기둥의 횡하중-횡변위 관계 및 변위 연성비 분석; 2) 일정 축하중과 반복 횡하중을 받는 기둥의 실험 및 결과 분석; 3) 2차원 비선형해석과 실험결과와의 비교이다. 주요 변수는 횡보강근양, 작용 축력비, 콘크리트의 종류 및 강도로 설정하였다. 총 8개의 기둥 실험체를 제작하여 일정 축하중 상태에서 반복 횡하중 실험을 진행하였다. 경량골재 콘크리트(LWAC) 기둥의 휨 연성은 횡보강근 체적지수로 평가하였으며, 보통중량 콘크리트(normal-weight concrete, NWC) 기둥의 실험결과와 비교하였다.
실험결과, 모든 LWAC 기둥 실험체는 주철근의 좌굴 및 내부 크로스타이 90° 후크의 풀림으로 인한 휨 파괴가 발생하였다. 기둥의 휨 거동은 콘크리트의 종류보다는 횡보강근량에 의한 영향이 더욱 현저하였다. ACI 318-19는 LWAC의 균열 휨 내력을 정확하게 예측하였다. 반면, ACI 318-19의 최대 휨 내력은 등가응력블록에 의해 단위용적중량 및 탄성계수의 감소, 취성도의 증가에 따른 영향을 고려하지 않지만, 실험결과를 다소 안전측으로 예측하였다. 경량골재 콘크리트(LWAC) 기둥의 연성은 횡보강근 체적지수에 따른 변위 연성비, 일손상지수 및 등가댐핑 계수로 평가하였다. 변위 연성비는 단위용적중량이 높을수록, 횡보강근 체적지수가 증가함에 따라 현저하게 증가하였다. 모든 LWAC 기둥은 동일한 횡보강근 체적지수를 갖는 NWC보다 변위 연성비, 일손상지수 및 등가댐핑 계수가 약 30%, 36% 및 18% 낮았다. 반면, 횡보강근 체적지수가 2배 높은 LWAC 기둥은 NWC 기둥과 비슷한 수준의 연성을 확보하였다. 결과적으로 LWAC 기둥은 NWC 기둥과 비슷한 수준의 연성을 확보하기 위해서는 ACI 318-19에서 요구하는 횡보강근양의 2배 이상이 요구되는 것으로 사료된다.
2차원 비선형해석은 실험결과를 정확한 수준으로 예측했는데, 이는 비선형해석절차에서 횡보강근에 의한 구속효과와 LWAC의 취성적인 특성을 동시에 반영하였기 때문이다. 따라서, 이 연구는 설계기준에 대한 LWAC 기둥의 휨 거동의 안전성 평가와 실험 기초 자료 제공하지만, 다양한 축력비 그리고 2방향 휨 등의 연구에 대해서는 지속적인 연구가 필요하다고 사료된다.

This study aims to evaluate the flexural behavior of columns using lightweight aggregate concrete (LWAC) on the basis of the reliability on the moment capacity, amount of minimum lateral reinforcement, and ductility. The main contents investigated included the followings: 1) theoretical analysis to determine the lateral load-lateral displacement relationship and displacement ductility ratio of columns with different concrete unit weights; 2) discussion on the experimental data obtained from columns subjected to a constant axial load and cyclic reversal lateral loads; 3) comparisons of experimental observations and predictions from a 2-dimensional nonlinear analysis (2-D NLA). The parameters studied in the experiments were the amount of transverse reinforcement, applied axial load level, and type and compressive strength of concrete. Eight columns specimens were tested up to failure under a constant axial load and cyclic lateral loads. The flexural ductility of LWAC columns was examined by using a concept of transverse reinforcement index and then compared with that compiled from normal-weight concrete (NWC) columns.
Test results showed that all the column specimens were governed by flexure accompanying the buckling of longitudinal reinforcement and opening of the 90-degree hook of the supplementary crossties. The post-peak behavior of columns was affected by the amount of transverse reinforcement rather than the concrete type. The measured initial flexural cracking strength was in good agreement with the predictions calculated from the procedure of ACI 318-19 provision. Meanwhile, the moment capacity was conservatively estimated by the procedure of ACI 318-19 based on the equivalent rectangular stress block although the stress block does not consider the effect of concrete unit weight on the decreased modulus of elasticity and increased brittleness of materials. The ductility of columns was estimated by using different indices including the displacement ductility ratio, working damage index, and equivalent damping ratio at the variation of the transverse reinforcement index. The displacement ductility ratio tended to increase with the increase in the concrete unit weight and transverse reinforcement index. LWAC columns exhibited lower ductility than the counterpart NWC columns at the same transverse reinforcement index, indicating 30% lower displacement ductility ratio, 36% lower working damage index, and 18% lower equivalent damping ratio. On the other hand, when LWAC columns had transverse reinforcement index as twice as NWC ones, similar level of ductility was obtained. This implies that LWAC columns require twice as much as the minimum amount of transverse reinforcement specified in ACI 318-19 seismic provision to retain the similar level of ductility of NWC columns.
The 2-D NLA predicted accurately the lateral load-lateral displacement relationship of columns with different concrete unit weights by considering the characteristics of stress-strain curves of LWAC and confinement effect provided by the transverse reinforcement. Overall, the present study provides novel test data and analytical models for practical design of LWAC columns, although further studies need to be made to examine the structural performances of LWAC columns under different axial load levels and two-way flexures.

#기둥 #경량골재 콘크리트 #휨 거동 #연성

제 1 장 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구의 목표 4
1.3 연구의 중요성 4
1.4 연구내용 및 범위 5
1.5 연구방법 6
제 2 장 기존연구 분석 10
2.1 설계기준분석 10
2.1.1 경량골재 콘크리트의 분류 10
2.1.2 기둥의 휨 내력 평가 12
2.1.3 기둥의 횡보강근 배근 12
2.1.4 기둥의 소요 연성 14
2.2 경량골재 콘크리트 기둥의 휨 실험 17
2.3 RC 기둥의 연성평가 20
2.3.1 변위연성비 20
2.3.2 일손상지수 21
2.3.3 등가감쇠계수 22
제 3 장 기둥의 횡하중-횡변위 관계 예측을 위한 2차원 비선형해석 24
3.1 일반사항 24
3.2 기본가정 24
3.3 기둥의 단면해석 25
3.4 기둥의 횡하중 및 횡변위 산정 31
3.5 재료의 구성방정식 31
3.5.1 콘크리트의 응력-변형률 관계 31
3.5.2 철근의 응력-변형률 관계 34
3.6 해석절차 요약 35
제 4 장 기둥의 휨 실험 37
4.1 일반 사항 37
4.2 실험체 계획 37
4.3 사용 재료 47
4.3.1 경량골재 콘크리트의 배합 및 역학적 특성 47
4.3.2 철근의 역학적 특성 50
4.4 실험체 가력 및 측정방법 51
제 5 장 실험결과 분석 54
5.1 일반사항 54
5.2 균열진전 및 파괴모드 54
5.3 기둥의 횡하중-횡변위 관계 61
5.4 휨 내력 72
5.5 변위연성비 77
5.6 일손상지수 80
5.7 등가감쇠계수 83
5.8 예측모델과 실험결과의 비교 86
5.8.1 기둥의 횡하중-횡변위 관계 86
5.8.2 최대 휨 내력 86
5.8.3 변위연성비 86
제 6 장 결론 90
참고문헌 92
부 록 98
Abstract 106

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