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문제 정의
- 이하 리브)를 이용하여 강판과 콘크리트를 연결하면 SC구조의 압축성능이 향상될 것으로 판단된다. 따라서 본 연구의 주요 목적은 리브로 보강된 SC 구조의 압축특성에 관한 실제 실험과 유한요소해석의 해석의 결과를 비교분석하여 시험체의 압축좌굴거동, 최대압축강도. 초기 강성, 강판좌굴 및 스터드의 옹력거동 등을 살펴보고자 한다.
- 따라서 본 연구의 주요 목적은 리브로 보강된 SC 구조의 압축특성에 관한 실제 실험과 유한요소해석의 해석의 결과를 비교분석하여 시험체의 압축좌굴거동, 최대압축강도. 초기 강성, 강판좌굴 및 스터드의 옹력거동 등을 살펴보고자 한다.
- SC구조의 압축재에 관한 국내외 실험 및 압축강도 예측에 관한 적용된 식을 우선 조사해 보았다. 국내에서 SC 구조에 관한 실험과 유사한 CFT(Concrete Filled Tube)기등에 관한 실험은 많이 진행되었다.
- 이때 실선은 실험에 의한 실험값이고 점선은 유한요소해석에 의한 해석 값이다. 해석값과 실험값과의 절대 비교라는 측면보다는 거동의 추이를 살펴보기 위하여 제시 하였다. 우선 실험값을 살펴보면, B/t가 50에서 25로 감소할수록 시험체의 단면도 감소하게 되어 시험체의 최대압축강도 역시 약 9, 4(X)kN에서 약 7.
- 이것은 실체 실험에서 재료, 시공 및 기타요인에 의해 압축강두 증대 및 감소가 일어났다는 것 보여주곤 있다. 따라서 본연구에서는 압축강도 감소시키는 요인을 고려하여 제안된 식 (2)와 실험값을 비교분석하여 어느 정도의 안전율이 있는지 조사해 보았다. 그 결과 모든 시험체의 안전율이 3%~ 51% 이며 평균 35%로 나타났다.
- 본 연구에서는 일반적인 리브로 보강된 강판콘크리트(SSC) 구조의 압축강도 특성을 실험적으로 조사하였다. 그리고 실험 결과는 유한요소 해석을 통해서 검증해 보았고.
- 따라서 JEAG4618의 식 (1)과 같이 각 재료별 강도를 100%고려한 것에 단면적을 곱하여 누가하는 방식으로 최대 압축강도를 예측하는 것은 상기에서 설명한 압축강도 감소요인을 고려하지 못한는 것으로 판단된다. 그러므로 콘크리트의 압축강도 fckAc대신에 0.85/wG로 제안하여 시험체 No.l 과 같은 시공 오차가 발생하더라도 100% 이상인 안전성을 확보할 수 있는 예측식으로 제시하고자 한다. 여기서 저감 계수 0.
제안 방법
- 또한 콘크리트의 설계압축강도(治)를 100% 적용하였다. 그러나 콘크리트 재료의 물리적 결함.
- 유한요소해석에서 강판과 리브는쉘 요소(shell element) 인 S4R을 사용하였고. 스터드 볼트는 인장거동에 큰 영향을 주지 않는 와이어 요소(wire element)중 보(beam)거동을 하는 요소를 사용하였다. 가력판에 해당하는 상하부의 강판은 강체 요소(rigid element)인 R3D4를 사용하였고.
- 가력판에 해당하는 상하부의 강판은 강체 요소(rigid element)인 R3D4를 사용하였고. 이 요소들을 조립하여 모델링을 실시하였다. 해석시간의 단축을 위해서 요소망(mesh)은 사각형의 요소 망을 사용하였다.
- 강판 및 리브는 인장시험 편의 시험결과롤 사용하고 . 콘크리트는 <D100 x200 m 공시체의 압축시험결과를 사용하여 해석을 실시하였다. 강재는 소성(plasticity)옵션을 사용하여 소성거동을 유추하였고, 콘크리트의 붕괴를 추정하기 위해서 손상 소성(damage plasticity)옵션을 해석에 사용하였다.
- 콘크리트는 <D100 x200 m 공시체의 압축시험결과를 사용하여 해석을 실시하였다. 강재는 소성(plasticity)옵션을 사용하여 소성거동을 유추하였고, 콘크리트의 붕괴를 추정하기 위해서 손상 소성(damage plasticity)옵션을 해석에 사용하였다.
- 해석 방법은 다음과 같다. 먼저 각각의 요소를 모델링하여 재료의 물성치를 입력하였다. 이후 상관관계(interaction) 및 구속constraint)에서 접촉(contact)을 정리하였다.
- 이후 상관관계(interaction) 및 구속constraint)에서 접촉(contact)을 정리하였다. 그다음 그림 2와 같이 강판의 상하단에 있는 가력간을 강체 판으로 만들어 콘크리트에 타이-접촉을 사용하여 구속하였고 다점 구속(multiple point constraint)을 사용하여 압축력이 균일하게 전달되도록 각각의 절점과 변위제어 지점을 연결하였다. 마지막으로 실험에 앞서 좌굴거동을 파악하기 위해 좌굴(buckle)해석을 실시하여 좌굴모드를 분석하고 정적-릭스( static-riks)해석을 통하여 해석 시험체의 압축거동을 살펴보았다.
- 그다음 그림 2와 같이 강판의 상하단에 있는 가력간을 강체 판으로 만들어 콘크리트에 타이-접촉을 사용하여 구속하였고 다점 구속(multiple point constraint)을 사용하여 압축력이 균일하게 전달되도록 각각의 절점과 변위제어 지점을 연결하였다. 마지막으로 실험에 앞서 좌굴거동을 파악하기 위해 좌굴(buckle)해석을 실시하여 좌굴모드를 분석하고 정적-릭스( static-riks)해석을 통하여 해석 시험체의 압축거동을 살펴보았다.
- 인장시험편 시험결과 SS 400과 SM 490 강재의 예상 항복강도(Fy)보다 39N/mm2와 18N/mm2을 상회하였다. 또한 콘크리트 설계압축강도(fck)는 7N/mm2를 초과하는 것을 확인한 후 실험을 실시하였다.
- 기둥이론에 의한 좌굴강도 식 (6)을 이용하여 유효좌굴길이겨수(K)을 유도해 보았다. 이때 K값은 식 (7)과 같다.
- B/t 가 33 및 25인 시험체는 비탄성 거동에 가까운 시험체이므로. 오일러 식을 이용한 K값의 검증에는 탄성시험체인 B/t= 50(No.l과 No.4)인 시험체를 이용하여 검증하였다. 이 때 K값은 최저 0.
- 본 실험에서 강판의 좌굴강도는 강판의 전면과 후면에서 측정한 변형률에 강판의 탄성계수를 곱한 후 강판의 단면적을 곱하는 과정으로 산정하였다. 또한 스터드의 인장강도는 스터드의 몸통 표면에서 측정한 변형률에 스터드의 탄성계수를 곱한 후 스터드의 단면적을 곱하여 산정하였다.
- 과정으로 산정하였다. 또한 스터드의 인장강도는 스터드의 몸통 표면에서 측정한 변형률에 스터드의 탄성계수를 곱한 후 스터드의 단면적을 곱하여 산정하였다. 여기서, 스터드와 강판의 탄성계수는 재료시험에서 얻은 값을 사용하였다.
- (5) 횡방향으로 일정하게 발생하는 강판의 좌굴형상에 대한 분석에서, 기둥이론을 이용하여 분석하여 보았다. B/t 가 큰 탄성거동 시험체에서는 제시된 AISC의 한계 상태 곡선과 탄성 오일러 곡선보다 높게 나타났다.
- 본 실험은 리브로 보강된 SC구조의 압축성능을 파악하기 위해 측면 단부 양쪽에 4-H-60x60x4.5x4.5로 용접압축형 강과 스터드 간격비(스터드간격/강판두께, 이하 B/t)에 따라 스터드를 배열 하였다. 리브와 스터드를 강판에 용접한 후 콘크리트롷 타설하는 방식으로 시험체릉 제작하였다 이때 콘크리트 압축강도는 42N/mm2고 강재는 SM 490과 SS 400 2 종류의 강재를 사용하였다.
- 강판의 좌굴강도분석. 스터드의 설계인장력 등에 대한 분석을 실시하였다. 이와 같은 연구결과에 의해 다음과 같은 결과를 도출하였다.
대상 데이터
- 5)이다. 유한요소해석에서 강판과 리브는쉘 요소(shell element) 인 S4R을 사용하였고. 스터드 볼트는 인장거동에 큰 영향을 주지 않는 와이어 요소(wire element)중 보(beam)거동을 하는 요소를 사용하였다.
- 스터드 볼트는 인장거동에 큰 영향을 주지 않는 와이어 요소(wire element)중 보(beam)거동을 하는 요소를 사용하였다. 가력판에 해당하는 상하부의 강판은 강체 요소(rigid element)인 R3D4를 사용하였고. 이 요소들을 조립하여 모델링을 실시하였다.
- 5로 용접압축형 강과 스터드 간격비(스터드간격/강판두께, 이하 B/t)에 따라 스터드를 배열 하였다. 리브와 스터드를 강판에 용접한 후 콘크리트롷 타설하는 방식으로 시험체릉 제작하였다 이때 콘크리트 압축강도는 42N/mm2고 강재는 SM 490과 SS 400 2 종류의 강재를 사용하였다. 실험에 사용한 강판의 두께는 6mm 이고 B/t는 강판의 좌굴영역에 따라 B/t를 50.
- 리브와 스터드를 강판에 용접한 후 콘크리트롷 타설하는 방식으로 시험체릉 제작하였다 이때 콘크리트 압축강도는 42N/mm2고 강재는 SM 490과 SS 400 2 종류의 강재를 사용하였다. 실험에 사용한 강판의 두께는 6mm 이고 B/t는 강판의 좌굴영역에 따라 B/t를 50. 33 및 25 로 구분하였다 B/t=50은 탄성범위에서 강판이 좌굴하고 B/t=25는 소성범위에서 강판이 좌굴하도록 계획하였다.
- 이를 통해 스터드 간격 및 강판의 두께 변화를 우회적으로 살펴볼 수 있을 것으로 판단된다. 스터드의 크기는 직경이 8mm이고 그 길이가 71mm가 되도록 계획하였다.
- 여기서. 시험체 No.l (CPR35/490-T6.0B50)은 실험과정에서 하중이 각 재료마다 균등하게 분배되지 못한 것으로 보였으나 분석을 위한 통계에는 사용하였다. 이는 실제시공에서도 이러한 오차가 발생할 수 있다고 가정하였기 때문이다.
데이터처리
- 이때 K값은 식 (7)과 같다. 여기서 강판의 변형률은 실험을 통해서 강판에 나타난 변형 게이지를 이용하여 K값을 계산하였다.
- 압축강도 특성을 실험적으로 조사하였다. 그리고 실험 결과는 유한요소 해석을 통해서 검증해 보았고. 일반적인 좌굴 패턴.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 유한요소해석 프로그램은 ABAQUS /CAE(version 6.5)이다. 유한요소해석에서 강판과 리브는쉘 요소(shell element) 인 S4R을 사용하였고.
- SC구조에서 강판의 좌굴강도를 검토하는데 있어서 기존 일본 논문(Kanchi. 1996: Miyauchi. 1996)을 적용하여 기둥 이론에 의한 SC구조의 좌굴강도를 검토하였다. 이때 스터드와 스터드 사이 강판을 하나의 기등으로 보고 오일러 탄성 좌굴 강도 식을 적용하면 식 (6)과 같다.
성능/효과
- 3과 같다. 인장시험편 시험결과 SS 400과 SM 490 강재의 예상 항복강도(Fy)보다 39N/mm2와 18N/mm2을 상회하였다. 또한 콘크리트 설계압축강도(fck)는 7N/mm2를 초과하는 것을 확인한 후 실험을 실시하였다.
- 모든 시험체에서 강판 좌굴은 평균적으로 최대압축 강도의 약 71%~99%에서 발생하였다. 여기서.
- 06만큼 크게 감소하였다. 여기서 리브로 보강된 시험체의 경우 B/t가 클수록 강판이 탄성범위에서 좌굴하지 않고 리브가 강판좌굴을 억제하여 거의 비탄성범위에서 강판이 좌굴 하는 것으로 나타났다.
- 해석값과 실험값과의 절대 비교라는 측면보다는 거동의 추이를 살펴보기 위하여 제시 하였다. 우선 실험값을 살펴보면, B/t가 50에서 25로 감소할수록 시험체의 단면도 감소하게 되어 시험체의 최대압축강도 역시 약 9, 4(X)kN에서 약 7.700kN으로 감소하는 것으로 나타났다.
- 시험체 No.l(CP35/490-T6.0B50)을 제외한 실험값과 해석 값을 살펴보면 실험값의 압축강도가 해석값보다 약 22% 정도 크게 나타났다. 또한 JEAG4618과 해석값을 살펴보면 JEAG4618의 최대압축강도가 해석값보다 약 2%크며 표준편차는 5.
- 0B50)을 제외한 실험값과 해석 값을 살펴보면 실험값의 압축강도가 해석값보다 약 22% 정도 크게 나타났다. 또한 JEAG4618과 해석값을 살펴보면 JEAG4618의 최대압축강도가 해석값보다 약 2%크며 표준편차는 5.15로 해석값과 JEAG4618과 거의 일치하는 것으로 나타났다. 그러나 시험체 No.
- 유한요소 해석에 의한 해석 값〔col(5)〕및 제안식〔식 (2):col(6))에 관한 시험체 별 압축강도를 나타내고 있다. 표 5에서 확인할 수 있듯이 JEAG4618에 의한 기존식과 실험값을 비교한 결과 실험값 /JEAG4618〔col⑺〕의 비는 89%~130%에 이르는 것으로 분석되었다. 따라서 JEAG4618에 의한 최대압축강도 산정이 어느 정도 신뢰할 수 있는 것으로 판단된다.
- 따라서 JEAG4618에 의한 최대압축강도 산정이 어느 정도 신뢰할 수 있는 것으로 판단된다. 또한 실험값/해석 값〔col(8)〕의 비가 85%~133%로 실험이 해석보다 전체적으로 16%정도 큰 것으로 나타났다. 한편 JEAG4618에의한 기존식값과 유한요소해석에 의한 해석값을 비교하면 JEAG4618/해석값〔col(10)〕의 비가 96%~107%로 실험값 /해석값〔col(8))보다 더 정확히 일치하는 것으로 나타났다.
- 따라서 본연구에서는 압축강도 감소시키는 요인을 고려하여 제안된 식 (2)와 실험값을 비교분석하여 어느 정도의 안전율이 있는지 조사해 보았다. 그 결과 모든 시험체의 안전율이 3%~ 51% 이며 평균 35%로 나타났다. 즉 전체 시험체 모두 실험에 의한 압축강도가 제안식에 의한 압축강도보다 크게 나타났다.
- 그 결과 모든 시험체의 안전율이 3%~ 51% 이며 평균 35%로 나타났다. 즉 전체 시험체 모두 실험에 의한 압축강도가 제안식에 의한 압축강도보다 크게 나타났다. 식 (2)에 의한 표준편차는 19.
- 해석 결과에서는 최대 압축강도에 도달할 때까지 3개의 절점을 명확히 보이는 반면 실험결과에서는 완만한 곡선을 그리며 2 또는 3개의 절점을 보이는 것으로 나타났다. 여기서 그림 10과 같이 1절 점도 달시 각 시험체별 초기강성은 식 (3).
- 어떤 영향을 미치는지 검토해 보았다. 일반적으로 강판의 강도가 증가하면 시험체의 압축강도도 증가하여야 하지만 본 실험에서는 강판의 단면적이 콘크리트의 단면적보다 훨씬 적어서 강판의 강도가 시험체의 최대압축강도 증가에 큰 영향을 미치지 못한 것으로 나타났다.
- 범주를 상회하고. B/t=33인 시험체는 AISC에서 제시하는 한계상태곡선의 범주 내에 속하는 결과를 보여주며 B/t가 25의 경우 탄성이론식을 적용함에 있어 약간의 오차가 발생함을 알 수 있었다. 또한 그림 12의 (b)에서 보여진 바와 같이.
- SS 400을 사용한 B/t=50과 B/t=33인 시험체는 AISC에서 제시한 한계상태곡선보다 높게 분포되고 B/t=25인 시험체는 AISC에서 제시한 한계상태곡선보다 일부 측정 데이터 중 낮게 분포하였다. 여기서 탄성범위에 가까울수록 오일러 식에 의한 곡선을 상회하는 안정적인 범위임을 확인하였다. 따라서 B/t=50인 탄성거동 시험체의 경우 유효좌굴 길이 계수를 역추적 하면 유효좌굴길이계수가 0.
- (1) 리브로 보강된 강판콘크리트구조의 압축강도에 대한 좌굴 형상은 스터드와 스터드 사이에서 축력과 수직인 횡 방향으로 균일한 좌굴이 발생하는 것으로 조사되었다. 이는 유한요소모델을 이용한 Buckling Analysis를 통해 분석한 좌굴패턴과 일치하였다.
- (2) 강판의 국부좌굴한계상태는 강판과 콘크리트의 누가 강도를 통해서 계산한 이론값보다 시험체 NO.KCP35/ 49AT6.0B50)의 실험값이 11%정도 낮게 나왔다. 그러나 시험체 No.
- l을 제외한 모든 시험체에서 실험값이 이론값보다 평균 20%정도 크게 나타났다. 한편 콘크리트의 압축강도의 85%만을 사용하는 누가 강도 제 안식은 모든 시험체에서 평균 35%의 여유를 갖는 것으로 확인되었다.
- (3) 탄성범위에서 초기강성은 이론에 의한 강성과 유한요소해석에 의한 강성이 거의 일치하였다. 그러나 실험에 의한 강성과 이론에 의한 강성을 비교할 때 평균적으로 실험값/이론값의 비는 1.
- (4) 강판의 강도가 235MPa에서 325MPa로 증가하여도 최대 압축강도에 미치는 강판의 압축강도 증가는 미미한 것으로 나타났다. 이는 전체 단면적에 비해 강판의 면적 비가 작기 때문인 것으로 판단된다.
- B/t 가 큰 탄성거동 시험체에서는 제시된 AISC의 한계 상태 곡선과 탄성 오일러 곡선보다 높게 나타났다. 이는 탄성시험체의 경우 탄성이론에 의한 오일러 식과 그 거동이 거의 일치하는 것임을 증명하는 것이라 할 수 있다.
- (6) 강판의 유효좌굴길이를 탄성기둥이론을 이용하여 분석한 결과 좌굴이 일어나는 스터드와 스터드 사이의 지지 조건은 고정단에 근접한 값인 0.50으로 나타났다.
- (7) 스터드에 작용하는 설계인장력은 스터드에 작용하는 인장강도와 강판의 좌굴강도를 고려했을 때 약 0.5%에서 3.9%에 이르는 분포로 나타났다.
후속연구
- 2%보다 약간 높지만. 전체적인 안정성의 측면에서는 식 (1)보다 평균 134.5%로서 내력의 측면에서는 높게 나타났다 식 (2)는 추후 더 많은 실험데이터를 통한 분석을 진행할 예정이다.
- 제시하는데 많은 어려움을 겪었다. 추후 보다 많은 실험을 통해 더 많은 크리프현상에 대한 고려 및 시공오차를 보정한 안전계수의 보완이 필요할 것이라 판단된다.
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