Aspect Ratio와 보 주근 정착방법에 따른 보-기둥 접합부의 거동에 대한 실험적 연구

Abstract

최근 용도변경이 가능한 건축물에 대한 관심이 증가하면서 건축물 내의 기둥개수가 줄어들게 되고 그로인해 큰 경간을 갖는 메가 보가 쓰이게 된다. 이와 같은 건축물이 지진과 같은 반복하중을 받게 되면 접합부가 취약해 질 수 있다. 일반적으로 보-기둥 접합부는 보에서 소성힌지가 발생하여 최종적으로 파괴되어야하지만 이와 같이 기둥에 비해 보가 커지게 되면 접합부에서 전단 파괴될 수 있다. 따라서 실험을 통해 다양한 aspect ratio를 가지는 보-기둥 접합부의 거동 차이를 알아보고자 한다. 본 실험에서는 건축물의 외부 보-기둥 접합부를 축소하여 실험체의 크기를 정하였으며 aspect ratio, 접합부 횡보강철근량, 정착방법을 변수로 설정하였다. 실험체의 모든 기둥의 크기는 300mm×300mm×2800mm로 하였으며 보의 단면 폭은 250mm로 일정하게, 보의 높이는 200mm, 300mm, 450mm, 600mm, 750mm로 총 5가지로 계획하였다. 보의 높이에 따라 aspect ratio가 달라지며 본 실험에서는 총 5가지의 aspect ratio를 계획하였다. 또한 aspect ratio가 1 이하인 실험체에 대해서는 접합부 횡보강철근량을 변수로 설정하여 ACI 352R-02에 따른 철근량 보다 적은 철근량만으로도 충분한 전단강도를 확보할 수 있는지를 알아보고자 한다. ACI 352R-02에 따른 횡보강철근량과 66%의 횡보강철근량만 가지는 실험체를 각각 제작하여 적은 횡보강철근량만 가지더라도 유사한 전단강도를 나타내는 지를 실험을 통해 알아보고자한다. 또한 철근 순간격이 1.5db인 headed bar의 정착성능을 알아보기 위하여 90° 갈고리 정착을 가지는 실험체와의 거동 차이를 분석하고자한다. 본 연구에서는 변위를 제어하는 방식으로 보 끝에 반복하중을 가하여 실험을 진행하였다. 보, 기둥, 접합부에 LVDT를 설치하여 moment-drift ratio, Joint shear distortion-joint shear strength factor, dissipated energy-cumulative displacement 등을 알아보았다. 또한 각 변위별 균열 발생 양상 및 최종 파괴 형태 등을 분석하여 변수에 따른 보-기둥 접합부의 구조적 거동을 분석하려고 한다. 실험결과, aspect ratio가 1 이하인 실험체에서는 ACI 352R-02를 근거로 한 파괴 형태가 기둥 주근의 부착파괴 및 접합부 전단파괴이지만 실제 실험결과, 접합부 전단강도가 충분히 발현되어 보에서 휨 파괴되었다. 이에 반해 aspect ratio가 1.5 이상의 실험체에서는 ACI 352R-02를 근거로 한 파괴 형태가 보의 휨 파괴이지만 실제 실험결과, 접합부의 전단강도가 충분히 발현되지 못해 접합부에서 전단 파괴되었다. 또한 moment-drift ratio 그래프에서 aspect ratio가 커질수록 최대하중 도달 후 하중의 급격한 감소가 관찰되었으며 핀칭현상이 두드러져 나타났다. 이를 통해 aspect ratio가 커질수록 최종 파괴양상이 보의 휨 파괴에서 접합부의 전단파괴로 변화하면서 보다 취성적인 형태로 변화하고 있음을 알 수 있다. Aspect ratio가 1 이하인 실험체의 경우, ACI 352R-02가 제안하는 접합부 횡보강철근량의 66%만 배근하여도 충분한 내력을 가지는 것으로 나타났다. ACI 318-11 12.6절에서 headed bar의 철근 순간격을 4db로 규정하고 있지만 1.5db로 하여도 90° 갈고리 정착과 유사한 거동을 보이는 것으로 나타났다. 따라서 철근순간격을 4db에서 1.5db로 완화할 필요가 있다.;Recently, the interest on high rise buildings that enable flexible use has been increasing. In order to change the use of buildings, the span size must long enough and the number of interior columns must be minimized. Because the minimization of the number of interior column, the mega-beams are used in that buildings. The mega-beams have long span with large depth so the joint will be weak when earthquake happens. This study aims at investigating structure behaviors of various types of mega beam-weak column joints. Toward this goal, experiments on beam-column joints with different aspect ratios are performed. All specimens are designed to have beam failure earlier than joint or column failure. The primary variables are aspect ratio, transverse reinforcement in the joint and anchorage method. The aspect ratio means the ratio of depth of beam to width of column. The rebar spacing of headed bar anchorage recommended by ACI 352R-02 is reduced in order to be increased applicability for construction. Moreover, if the depth of beam is smaller than the width of column, the shear strength is stronger than nominal shear strength in joint. Therefore, proper amount of transverse reinforcement is determined from the experiment by comparing behaviors of specimens having different amounts of transverse rebar. For the experiments, 14 specimens are fabricated to investigate the structural behavior of external beam-column joint having various design factors, such as aspect ratio, amount of transverse reinforcement, and the anchorage methods of beam longitudinal bars. The tests method follows ACI 374.1-05, and from the test, cracking behavior, the rebar strain, displacements in the beam and joint, and the load in the beam are observed. Experimental results show that as aspect ratio increases, failure mode becomes joint failure. Moreover, specimens with 66% of joint hoop bar recommended in ACI 352R-02 show similar behaviors with control specimens. Both specimens with headed bar anchorage having short rebar spacing and 90° hooked bar anchorage show similar behavior. From failure modes, it is seen that location of failure moves from beam to joint as aspect ratio increases, which cannot be predicted using ACI 352-02. The joint hoop bars do not remarkably contribute to the joint shear strength of beam-column joints with small depth of beam. Therefore, beam-column joints having a large aspect ratio must be designed such that beam failure can be induced by understanding nominal shear strength of the joint.