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문제 정의
- 본 연구에서는 PCS 구조 시스템에서 보-기둥 부분으로 구성된 실물 크기의 ‘+’자형 실험체에 대하여 단조가력 실험을 실시하여 초기 강성에 관한 기초 자료를 구하고, 그 결과를 바탕으로 컴퓨터 시뮬레이션을 위한 해석 모델을 구축하였다.
- 접합부의 초기 강성은 구성 부품의 각각의 강성과 조건에 영향을 받게 된다. 본 연구에서는 Table 7의 각 부품의 강성에 영향을 줄 수 있는 요인에 대하여 Table 8과 같이 단부평판의 두께, 접촉면의 갭의 크기, 관통볼트의 피치, 긴장력의 크기, 네오프렌 패드의 두께 등 다양한 변수 값에 대하여 그 효과를 분석하고자 하였다. 관통볼트의 긴장력은 각각 내력의 22.
- 본 연구에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용하여 PCS 구조 시스템 접합부의 초기 강성에 불리한 영향을 미치는 요인을 구명하여 그 성능을 개선할 수 있는 방법을 제안하고자한다.
- 그러나 실제 실험에서 발생한 접합면의 밀착 정도와 갭의 크기, 또 이에 가해진 관통볼트에 의한 인장력 크기는 정밀한 측정이 어려운 것이 사실이다. 이러한 이유로 실험 결과와 수치해석 결과를 서로 비교하며 접합면의 갭의 크기와 긴장력 크기를 역 추정하고자 하였다.
가설 설정
- 판넬존 변형의 영향을 최소화함으로써 보-기둥 접합부의 초기 강성에 관한 분석을 비교적 분명하게 하기 위하여 하중을 보 양단부에서 대칭으로 단조 증가시키며 가하였다.
제안 방법
- GP1NP의 경우에 대하여 각 부위의 응력 및 변형률을 분석하였다. Fig.
- PC 기둥의 단면은 400 mm × 400 mm이며, 철골 보는 H-400 × 200 × 8 × 13을 사용하였다. PC 기둥에 삽입되는 고강도 강봉은 직경이 32 mm이며 모서리에 각 1개씩 총 4개이고 쉬스 (sheath)에 삽입 후 모르타르로 충전하는 방법을 사용하였다. 기둥의 주근은 직경 25 mm로 4면에 2개씩 총 8개로 배근되어 있다.
- 7%에 해당하는 100, 190, 300 kN을 고려하였다. 각 변수의 효과를 분석하기 위하여 Table 8과 같이 7개의 그룹으로 분류하여 40개의 접합부에 대하여 수치해석을 수행하였다.
- 2 MPa이며, 신장률은 300%였다. 고무의 재료 성질을 모델링함에 있어 데이터가 부족하여 최대 인장응력과 신장률을 바탕으로 응력-변형률 곡선을 추정하였다. 포아송비는 0.
- 본 연구에서는 Table 7의 각 부품의 강성에 영향을 줄 수 있는 요인에 대하여 Table 8과 같이 단부평판의 두께, 접촉면의 갭의 크기, 관통볼트의 피치, 긴장력의 크기, 네오프렌 패드의 두께 등 다양한 변수 값에 대하여 그 효과를 분석하고자 하였다. 관통볼트의 긴장력은 각각 내력의 22.5, 42.8, 67.7%에 해당하는 100, 190, 300 kN을 고려하였다. 각 변수의 효과를 분석하기 위하여 Table 8과 같이 7개의 그룹으로 분류하여 40개의 접합부에 대하여 수치해석을 수행하였다.
- 그룹 0은 실험 조건과 가장 유사한 조건을 재현한 경우로 I형의 갭을 모델링하였다. 그룹 1에서는 접합면의 제작오차를 최소화한 경우로 네오프랜 패드와 볼트 긴장력의 효과를 분석하고자 하였다. 그룹 2에서는 접합면 초기 변형의 형태에 따른 효과를 보고자 하였다.
- 기둥, 철골보, 단부평판, 네오프랜 패드, 볼트, 너트는 8개 절점을 가지는 3차원 요소로 모델링하였다. 철근 및 강봉은 2개의 절점을 가지는 트러스 요소로 모델링 하였다.
- 1 (c)와 같이 네오프렌 패드를 사용하였다. 네오프렌 패드는 건식시공이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 강재 평판과 콘크리트면 사이에서 원활한 응력전달로 콘크리트면의 균열이나 국부적인 파괴를 방지하는 효과를 얻도록 하였다. 또한 H-형강보 단부에서 소성힌지가 효과적으로 발생할 수 있도록 스캘럽 (scallop)을 고안하였다.
- 네오프렌 패드는 건식시공이 가능하도록 할 뿐만 아니라, 강재 평판과 콘크리트면 사이에서 원활한 응력전달로 콘크리트면의 균열이나 국부적인 파괴를 방지하는 효과를 얻도록 하였다. 또한 H-형강보 단부에서 소성힌지가 효과적으로 발생할 수 있도록 스캘럽 (scallop)을 고안하였다.
- 띠철근은 단면적을 배근 간격으로 나누어 일정한 두께를 갖는 면 요소로 모델링 하였고, 주근에 수직방향으로 모델링하였다.8) 또한 접촉면의 마찰 현상을 모델하기 위해 본 연구에서는 coulomb friction model을 사용하였다(Table 3 참조).
- 보 단부에 작용하는 하중은 보 단부의 변위를 제어하여 제공하였으며 보 회전각 7%에 해당하는 105 mm까지 대칭 단조가력 하였다.
- 본 연구는 PCS 구조 시스템의 접합부 성능을 평가하고, 접합부 성능 향상의 방향을 모색해보고자 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 방법을 사용하였다. 실험 결과를 바탕으로 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 구축하고 접합부에 영향을 미치는 변수들을 조절하여 접합부의 성능을 파악하였다.
- 볼트와 콘크리트, 볼트와 단부평판 사이이의 마찰계수 µ는 0.1, 콘크리트와 단부평판, 너트와 단부평판 사이의 마찰계수 µ는 1로 모델링하였다.
- 비선형 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 실험과 동일한 결과를 재현하기 위하여 기둥, 보, 단부평판, 볼트 등을 실제 실험체와 동일한 조건으로 해석 모델을 구축하고자 하였다.
- 본 연구는 PCS 구조 시스템의 접합부 성능을 평가하고, 접합부 성능 향상의 방향을 모색해보고자 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 방법을 사용하였다. 실험 결과를 바탕으로 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 구축하고 접합부에 영향을 미치는 변수들을 조절하여 접합부의 성능을 파악하였다. 그 결과는 다음과 같다.
- 이를 위해 추가적으로 보의 단부가 이상적으로 완전히 고정된 경우 (IRG), 190 kN의 긴장력에 의해 단부평판이 갭 없이 완전 밀착된 경우 (NP2P), 관통볼트의 긴장력이 190 kN 작용하고 있으나 접촉면 갭이 1 mm인 경우(GP1NP), 긴장력 없이 접촉면에 갭이 없는 경우 (NP2), 관통볼트의 긴장력이 없으며 갭이 1 mm인 경우 (GP1N)에 대하여 수치 해석하고 그 결과를 실험 결과와 비교하였다 (Fig. 6 참조).
- 을 사용하였다. 일축압축 실험에 의한 결과를 바탕으로 실험체에서 사용된 횡 방향 철근비 0.827%를 반영하여 압축강도와 변형률을 산정하였다. 산정된 압축강도와 변형률의 관계는 Table 4와 같다.
- 1과 같이 PCS 구조 시스템용 건식접합부를 고안하였다. 제안된 접합 방식에서 Fig. 1 (b)와 같이 PC 기둥은 연결 플렌지와 고강도 강봉을 볼트 체결로 조립할 수 있도록 하였고, PC 기둥과 H-형강보는 단부평판과 기둥을 관통하는 고장력볼트를 긴장하여 체결하는 접합부 형식을 고안하였다.
- 기둥, 철골보, 단부평판, 네오프랜 패드, 볼트, 너트는 8개 절점을 가지는 3차원 요소로 모델링하였다. 철근 및 강봉은 2개의 절점을 가지는 트러스 요소로 모델링 하였다.
- 컴퓨터시뮬레이션에 의한 해석 결과의 타당성을 검증하기 위하여 단조 가력 실험과 같은 조건의 해석 모델(base model)을 구성하였다. 기둥, 보, 단부평판, 네오프랜 패드, 볼트, 철근의 제원은 단조 가력 실험 조건과 동일하게 하였다.
- 콘크리트와 철근의 거동은 독립적으로 모델링하였으며, 철근과 콘크리트 사이의 상호작용으로 인해 발생하는 인장강화 현상은 균열발생 이전에는 인장응력이 선형으로 증가하고, 균열발생 이후 선형으로 감소하는 모델로10) 고려하였으며 사용한 데이터는 Table 5와 같다.
대상 데이터
- 보의 접합면 단부에는 10개의 관통형 볼트로 접합이 가능하도록 두께 30 mm의 단부평판을 설치하였으며, 보와 용접하였다. 보와 기둥을 연결하는 관통볼트는 M24를 사용하였고 토크렌치를 사용하여 볼트 항복응력의 42.8%에 해당되는 190 kN의 축력으로 긴장하였다.
이론/모형
- 8) 또한 접촉면의 마찰 현상을 모델하기 위해 본 연구에서는 coulomb friction model을 사용하였다(Table 3 참조).
- 보-기둥 접합부의 강성 성능 평가를 위하여 Bjorhovde13,14)와 Eurocode 315)에 의한 접합부 분류 방법을 적용하여 분석하였다. 이 방법은 모두 접합부에 작용한 모멘트 M과 보의 소성 모멘트 Mp에 대한 비율을 접합부의 회전각 θ와 단순보의 단부 소성 회전각 θp에 대한 비율로 나타냄으로써 강도와 변형을 무차원화 한 것이다.
- 선형 탄성 구간은 항복 변형률과 항복강도점까지로 정의하고 인장강도와 연신율로 정의되는 극한점과 항복점 사이를 선형 함수로 정의하는 소성경화모델 (bilinear)을 사용하였다. 각 구성 요소의 재료 성질은 Table 2의 실험값과 같은 값을 사용하였다.
- 실험체 제작에 사용한 재료는 각각 해당되는 KS 규준에 의거하여 실험, 분석하였으며 그 결과는 Tables 1, 2와 같다.
- 알고리즘은 Riks method를 사용하였다.11) 이 방법은 일종의 하중-변위제어 방식으로 강도감소가 있는 비선형 구간에서도 효과적으로 사용할 수 있도록 되어 있다.
- 콘크리트는 concrete smeared cracking 모델8)을 사용하였고, 콘크리트의 횡구속 효과를 고려하기 위하여 Mander가 제안한 식9)을 사용하였다. 일축압축 실험에 의한 결과를 바탕으로 실험체에서 사용된 횡 방향 철근비 0.
성능/효과
- 1) ABAQUS를 사용하여 실험체를 시뮬레이션한 결과 볼트에 긴장력을 가하고 단부평판과 기둥사이에 평균 간격 1 mm의 갭이 존재하는 모델로 초기 강성 및 강도성능이 실험 결과와 유사한 하중-변위관계를 구현하였으며, 근접한 파괴 양상을 예측할 수 있었다.
- 2) PCS 구조 시스템의 초기 강성은 접합부의 구성 요소인 채움 물질의 강성, 연결볼트의 간격 및 긴장력, 단부평판의 강성에 고르게 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 단부평판과 기둥 사이에 발생하는 갭으로 인해 강성이 감소한 것을 확인하였다. 항복강도 시 보회전각을 분석한 결과 공통적으로 볼트의 초기긴장력의 크기가 커지면서 보회전각 0.
- 3) 접합부 성능을 개선하는 방안으로 볼트의 긴장력을 증가하는 방법이 가장 효과적이며 분리형 네오프랜 패드를 끼워 접합면에 존재할 수 있는 갭의 영향을 최소화하는 방법도 효과적임을 해석적으로 구명할 수 있었다.
- Table 11은 습식공법 (A)으로 볼트에 300 kN의 긴장력을 가한 경우를 기준으로 각 공법별로 보회전각의 비율을 나타내고 있다. 300 kN 이상의 긴장력이 가해지면 건식공법 (C)과 (D)의 강성이 습식공법 (A)와 가까워지는 것을 확인할 수 있다.
- NP2와 GP1N에서는 접촉면에서 초기 미끌림 현상이 발생하였으며 미끌림 발생 이후 초기 강성은 실험 결과와 유사함을 보이며, 실험체의 경우 강성이 150 kN 이후부터 갑자기 감소하였다. 이러한 점으로 보아 관통볼트를 초기에 긴장함으로써 발생한 접촉면의 마찰력이 해소될 때까지 접합면에서의 초기 미끌림이 발생하지 않다가 그 이후에 접합부의 강성이 감소하는 것을 알 수 있다.
- PCS 시스템의 접합부에 사용되는 네오프랜 패드의 재료적 성질은 KS M 6518 및 KS M 6617에 따라 시험하였고 그 결과 인장강도는 10.2 MPa이며, 신장률은 300%였다. 고무의 재료 성질을 모델링함에 있어 데이터가 부족하여 최대 인장응력과 신장률을 바탕으로 응력-변형률 곡선을 추정하였다.
- 모든 경우 관통볼트 긴장력이 증가하면 접합부의 강성이 증가하는 것으로 분석되었다. 공통적으로 볼트 긴장력의 크기가 증가하면서 보회전각이 0.004 rad에 접근해가는 것을 발견했다. 이는 볼트 긴장력에 의해 경계면이 밀착되고 압축력이 작용하게 되어 접합면의 회전강성이 증가하기 때문인 것으로 보인다.
- 7과 같이 강재 부위에서는 Von Mises 응력의 분포를 도시하고, 각 부분별로 응력이 가장 크게 발생한 지점의 응력, 변형률과 보 단부의 변위의 관계를 조사하였다. 그 결과 RBS 부분의 플랜지와 웨브에서 응력이 집중되었고 층간변위비 1.5%에서 RBS 부분의 플랜지 상하부 모두 항복하여 종국에 플랜지가 파괴되었다.
- 이는 볼트 긴장력에 의해 경계면이 밀착되고 압축력이 작용하게 되어 접합면의 회전강성이 증가하기 때문인 것으로 보인다. 그 결과 긴장력이 300 kN 이상이 되면 접합면의 강성을 감소시킨 네오프렌 패드의 유연성, 갭 등 불리한 인자의 영향이 감소하는 것으로 판단할 수 있다. 그러나 그룹 2에서는 단부평판 초기 변형이 있을 경우 볼트 긴장력이 증가하더라도 초기 강성이 그대로 유지되는 것으로 분석되었다.
- 그 결과 초기 강성은 NP2P는 실험 결과보다 크게 나타났으며, NP2와 GP1NP는 실험 결과와 비슷하고, GP1N은 미끌림 현상에 의하여 실험 결과보다 작게 나타났다. 항복강도에 도달했을 때 변위가 NP2P, NP2, GP1NP, GP1N에 대하여 각각 7.
- 그룹 4, 5, 6에서는 단부평판의 두께 증가한 경우는강성에 미치는 영향은 미비했다. 그러나 볼트 간격 조절과 스티프너 보강에 의하여 효과적으로 강성을 증가시킬 수 있음을 확인하였다.
- 그룹 2에서는 C형의 경우 GP1, GP1P, GP1P3에 비해 항복변위가 39~48 mm로 증가하여 강성이 크게 감소하였다. 그룹 0에서 해석한 I형에서와 마찬가지로 가력 후단부평판의 하부가 기둥면과 맞닿을 때까지 강체운동을 하게 되어 변위가 크게 증가하였기 때문이다.
- GP1, GP1P, GP1P3에서 NP2, NP2P, NP2P3로 네오프랜 패드의 두께가 증가하여 15~25 mm의 변위가 증가됐다. 네오프랜 패드의 두께가 증가하면 볼트에 긴장력이 가해지더라도 강성이 감소하므로 패드의 두께를 최소화하는 것이 바람직한 것으로 분석되었다.
- 상대강성으로 사용된 보회전각은 공칭항복하중이 작용할 경우 발생하는 보단부의 변위를 보 길이로 나눈 값으로 정의하였다. 모든 경우 관통볼트 긴장력이 증가하면 접합부의 강성이 증가하는 것으로 분석되었다. 공통적으로 볼트 긴장력의 크기가 증가하면서 보회전각이 0.
- 004rad에 접근해가는 사실을 발견할 수 있었다. 볼트에 긴장력을 가해주면 갭이나 네오프랜 패드의 두께에 따른 영향이 감소하는 것으로 분석되었다.
- 이로써 단부평판의 초기 변형에 의해 존재하는 갭이 건식접합부의 강성을 저하시키는 주요 요인임을 확인할 수 있었다. 이러한 점을 고려하여 본 연구에서 제안한 분리형 네오프랜 패드로 단부평판의 초기 변형에 의한 갭을 최소화하고 볼트에 긴장력을 가해주면 Eurocode 3의 기준에 의해서도 강절점으로 분류될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 5 mm로 나타났다. 이로부터 NP2P는 실험 결과보다 강성이 크고 GP1N는 작은 것으로 평가되었으며 NP2와 GP1NP는 실험 결과와 가장 유사한 하중-변위 관계를 나타냈다.
- 건식공법의 요소기술인 네오프랜 패드를 채운 접합면에서 갭을 제거한 경우인 그룹 1은 모두 Bjorhovde의 기준에 의해 강절점으로 분류되었으나 Eurocode 3의 기준에는 반강접으로 분류되었다. 이로써 단부평판의 초기 변형에 의해 존재하는 갭이 건식접합부의 강성을 저하시키는 주요 요인임을 확인할 수 있었다. 이러한 점을 고려하여 본 연구에서 제안한 분리형 네오프랜 패드로 단부평판의 초기 변형에 의한 갭을 최소화하고 볼트에 긴장력을 가해주면 Eurocode 3의 기준에 의해서도 강절점으로 분류될 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 이상의 결과로부터 접합부 초기 강성 성능을 개선하는 방안으로는 볼트의 긴장력을 볼트 내력의 65% 정도 증가하는 방법이 가장 효과적이며 분리형 네오프랜 패드를 끼워 갭의 영향을 최소화하는 방법이 고려할 수 있을 것이다.
- 전반적으로 Bjorhovde에 비해 Eurocode 3의 평가 기준이 보다 엄격한 것으로 나타났다. Bjorhovde 기준에 의하면 대부분의 경우 300 kN 크기로 관통볼트를 긴장하면 강접합의 성능을 가질 수 있는 것으로 분석되었다.
- 2) PCS 구조 시스템의 초기 강성은 접합부의 구성 요소인 채움 물질의 강성, 연결볼트의 간격 및 긴장력, 단부평판의 강성에 고르게 영향을 받는 것으로 분석되었으며, 단부평판과 기둥 사이에 발생하는 갭으로 인해 강성이 감소한 것을 확인하였다. 항복강도 시 보회전각을 분석한 결과 공통적으로 볼트의 초기긴장력의 크기가 커지면서 보회전각 0.004rad에 접근해가는 사실을 발견할 수 있었다. 볼트에 긴장력을 가해주면 갭이나 네오프랜 패드의 두께에 따른 영향이 감소하는 것으로 분석되었다.
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