Effect of flexural stiffness on impact behavior of RC beam subjected to low-velocity impact loading

Abstract

최근 테러 및 사고들의 증가로 구조물들이 충돌하중에 노출되는 빈도가 증가하고 있다. 이에 따라 구조물의 내충격 설계에 대한 사회적 요구가 증가하고 있다. 충돌 상황하의 구조물 거동은 정적 하중 상황과는 매우 다르다. 따라서 현제 정적 하중에 대해 설계하도록 되어있는 가이드라인들은 내충격 설계에 적용이 불가능한 상황이다. 구조물의 내충격 설계를 위한 설계 가이드라인은 UFC-3-340-02와 ACI 349-13이 있으나 이 두 규정은 각각 군사 시설 및 원자력 발전소 등의 특수시설과 높은 속도의 충돌하중에 대한 설계 가이드라인이다. 따라서 비교적 저속 충돌 하중 위험이 높은 사회기반시설의 내충격 설계를 위한 가이드라인은 따로 없는 상황이다. 사회기반시설의 내충격 설계 가이드라인 제안을 위해, 저속 충돌 하중을 받은 부재의 최대처짐값을 통한 성능기반 내충격 설계 방안 지속적으로 제안되어왔다. 이에 따라 저속 충돌 하중을 받은 부재의 최대 처짐을 예측하는 것이 매우 중요해 졌으며, 저속 충돌 하중을 모사하기 위한 자유낙하 실험을 통해 RC보의 최대 처짐을 예측하기 위한 경험식들이 많은 선행 연구자들에 의해 제안되었다. 충돌 에너지와 부재의 휨 성능을 대표하는 정적 휨 강도뿐만 아니라, 충돌 하중의 운동량, 단면 크기, 콘크리트 압축강도 등의 영향을 반영할 수 있는 식들이 사용되고 있다. 하지만, 현재 제안된 경험식들은 부재의 휨 강성의 영향은 반영하고 있지 못한다. 휨 강성이 RC보의 충격 거동에 미치는 영향에 대해 검토한 선행연구의 부재로, 최대 처짐에 미치는 영향을 확인하기 위해 사전 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 부재의 휨 강성이 충돌 하중을 받은 부재의 최대 처짐에 영향을 미침을 확인하였다. 따라서, 본 연구에서는 자유낙하실험을 통해 저속 충돌 하중을 받은 RC보의 휨 강성이 충격 거동에 미치는 영향을 파악하고자 하였다. 또한, 충격 응답 중 처짐의 경우, 실험 결과를 바탕으로 휨 강성의 영향을 고려할 수 있도록 기존 처짐 예측식의 개정을 수행하는 것을 목표로 하였다. 이에 추가적으로, 충돌 하중으로 손상 받은 보의 보수, 보강 및 사용 가능성 측면에서 손상 받은 보의 잔류 성능을 평가하기 위해 자유낙하실험을 수행한 모든 RC보에 대해 정적 휨 실험을 추가로 수행하였다. 자유낙하실험을 통해 충돌 하중을 받은 부재의 국부 손상, 파괴 모드, 충격력, 관성력, 반력, 처짐 등의 충격 거동에 대해 확인하였으며, 해당 결과를 부재의 휨 강성 측면에서 분석하였다. 또한, 손상 받은 RC보에 대해 잔류 성능을 파악하여, 손상 받지 않은 보 대비 손상 받은 보의 변위 연성도와 휨 강성을 평가하여 부재의 성능 저하를 정량적으로 파악하였다. 마지막으론, 자유낙하실험 결과를 바탕으로 최대 처짐 예측을 위해 제안되어 있는 기존 경험식들을 수정하여 새로운 경험식을 제안하였다. 기존 경험식들과 새롭게 제안한 경험식들을 선행연구 데이터를 통해 비교 분석하여, 본 연구에서 제안한 경험식이 높은 예측률을 보임을 확인하였다. 그러나, 선행연구의 데이터 중 부재가 파괴 되는 등 충돌 하중에 의한 부재의 거동이 달랐던 몇몇 케이스에 대해선 예측값과 실험값이 매우 큰 오차를 보였다. 따라서 경험식의 사용 가능 범위를 제안하기 위해선, 충돌 하중 하 구조물의 파괴 메커니즘에 대한 연구가 후속 되어야 할 필요가 있을 것으로 판단된다. 이러한 몇몇 거동이 다른 데이터를 제외하였을 때, 본 연구에서 제안한 경험식은 넓은 변수 범위에서 최대 처짐을 예측하는데 충분히 활용 될 수 있다. 이러한 결과들이 사회기반시설의 내충격 설계 가이드라인의 기반으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

The recent increase in terrorism and accidents has led to an increasing opportunity of structures being exposed to impact loads. As a results, the social need for impact resistance design of structures is increasing. Structural behavior under impact load conditions is very different from static load condition. Consequently, the guidelines designed for static loads are not applicable to impact resistance design. There are UFC-3-340-02 and ACI 349-13 for impact resistance design, but these two are guidelines for high-velocity impact loads with special facilities such as military and nuclear power plants, respectively. Therefore, there are no guidelines for impact resistance design to infrastructure with a relatively high risk of low-velocity impact load. In order to propose guidelines for impact resistance design of infrastructure, performance based design methods have been proposed through the maximum deflection of members under low-velocity impact loading. Therefore, predicting the maximum deflection of a member under low-velocity impact loading became very important. Empirical formulas were proposed by previous researchers to predict the maximum deflection of RC beams through drop weight impact test to simulate the low-velocity impact loading. Empirical formulas that can reflect the effect of the impact energy and static flexural capacity as well as the momentum of drop weight, cross section size, and concrete compressive strength are used. However, the proposed empirical formula does not reflect the effect of flexural stiffness of RC beam. There were no previous researches that investigated the effect of flexural stiffness on impact behavior of RC beam. Therefore, preliminary finite element analysis was performed to confirm the effect of flexural stiffness on the maximum deflection. The results of finite element analysis confirmed that flexural stiffness affects the maximum deflection of the RC beam under impact load. Therefore, in this study, the research objective was to investigate the effect of flexural stiffness of RC beam on impact behavior subjected to low-velocity impact loading through drop weight impact test. Furthermore, based on the experimental results, modification of previous empirical formula was conducted to reflect the effect of flexural stiffness. In addition, static flexural test was conducted on all RC beams that performed drop weight impact test to assess the residual performance of damaged beams. Residual performance of damage beams can be useful in terms of determining repair, strengthening and usability. Through the drop weight impact test, impact behavior such as local damage, failure mode, impact force, inertial force, reaction force, and deflection of the RC beam under impact loads were investigated, and the results were analyzed in terms of flexural stiffness. Furthermore, residual performance was identified for damaged RC beams. Displacement ductility ratio and flexural stiffness of damaged beams compared to the intact beams were evaluated to quantitatively assess the reduction of performance of member. Finally, new empirical formula was proposed by modifying the previous empirical formulas based on drop weight impact test. Previous and newly proposed empirical formula were compared and analyzed through previous research data, confirming that the newly proposed empirical formula predict well that other formulas. However, for some cases where the impact behavior was different, such as collapse of beam in the previous data, the difference between predicted and test data was very large. Therefore, in order to propose a range of usability of empirical formula, it is necessary that research in the failure mechanism of the structure under impact loads needs to be followed. Except for data with different impact behaviors, the empirical formula proposed in this work can be sufficiently utilized to predict maximum deflection over a wide range of variables. These results are expected to be used as the basis for impact resistance design guidelines for infrastructure.