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문제 정의
- 실험변수는 폭-두께 비(B/t)와 탄소섬유쉬트 보강겹수를 채택하여 중심축하중을재하 한 기둥실험을 수행하였다. 기둥실험을 통해 기존 CFT 기둥과 탄소섬유쉬트로 구속한 CFT 기등의 구조적 거동, 압축성능 및 압축변형능력을 비교하고 두 종류 기등의 파괴양상 및 역학적 거동의 차이점을 비교분석하는데 본 연구의 목적을 두고 있다.
- 장점을 언급하였다. 또한 탄소섬유쉬 트의보강효과를 검증하고자 압축 및 편심축력에 가한 실험적 연구를 수행하였다. 실험결과 탄소섬유쉬트의 보강을 통해 내력과 연성능력이 증가됨을 관찰할 수 있었으며 탄소섬유쉬트의보강효과를 검증할 수 있었다.
- 본 연구에서는 기존 CFT 실험체와 탄소섬유쉬트로 추가 구속한 CFT 실험체에 대한 압축거동 및 압축내력 평가를 위해 총 9개의 실험체를 제작하였다. 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강 유무(有無), 탄소섬유쉬트 보강겹수 및 폭-두께비 이다.
- 따라서 본 연구에서는 CFT 기둥의 형상중 각형강관 CFT 기등에 초점을 맞추기로 한다. 탄소섬유쉬트로 추가구속한 각형 CFT 기등의 압축거동 및 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험변수는 폭-두께 비(B/t)와 탄소섬유쉬트 보강겹수를 채택하여 중심축하중을재하 한 기둥실험을 수행하였다.
제안 방법
- 강관의 두께와 탄소섬유쉬트의 보강겹수에 따른 효과를 살펴보고자 본 연구에서 사용한 실험변수는 폭-두께비 (3/t)와탄소섬유쉬트 보강겹수이다. 총 9개의 실험체중 3개는 기존 CFT 기둥 나머지 6개는 탄소섬유쉬트로 변수계획에 따라 보강한 CFT 기등을 제작하였으며 제조사의 매뉴얼에 따라 겹침 길이는 10cm 이며 7일간 양생하였다.
- 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강 유무(有無), 탄소섬유쉬트 보강겹수 및 폭-두께비 이다. 단조 압축실험을 통해 기존 CFT 기등과 탄소섬유쉬트로 추가 구속된 CFT 기둥 실험체에 대한 파괴거동 및 압축내력 성능을비교분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 그 이유는 일반적으로 각형 강관은 원형강관보다 접합부에서의 시공성이 용이하며 기둥 최외각에 위치한 철골량이 원형강관보다 많아 연 성적인 측면에서 우수하기 때문이다. 따라서 본 연구에서는 CFT 기둥의 형상중 각형강관 CFT 기등에 초점을 맞추기로 한다. 탄소섬유쉬트로 추가구속한 각형 CFT 기등의 압축거동 및 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다.
- 변위측정 계획은 그림 4와 같이 축하중에 대한 축방향 변위량을 측정하기 위하여 실험체의 엔드플레이트 모서리 부분에 LVDT 4개를 설치하였으며, 횡방향 변위량은 실험체의 단면 중앙부위에 LVDT 4개를 설치하여 축방향 가력에 따른 기둥 부재의 횡방향 변위량을 관찰하였다.
- 9개의 실험체를 제작하였다. 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강 유무(有無), 탄소섬유쉬트 보강겹수 및 폭-두께비 이다. 단조 압축실험을 통해 기존 CFT 기등과 탄소섬유쉬트로 추가 구속된 CFT 기둥 실험체에 대한 파괴거동 및 압축내력 성능을비교분석하였으며 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
- 탄소섬유쉬트로 추가구속한 각형 CFT 기등의 압축거동 및 성능에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 실험변수는 폭-두께 비(B/t)와 탄소섬유쉬트 보강겹수를 채택하여 중심축하중을재하 한 기둥실험을 수행하였다. 기둥실험을 통해 기존 CFT 기둥과 탄소섬유쉬트로 구속한 CFT 기등의 구조적 거동, 압축성능 및 압축변형능력을 비교하고 두 종류 기등의 파괴양상 및 역학적 거동의 차이점을 비교분석하는데 본 연구의 목적을 두고 있다.
- 보강겹수이다. 총 9개의 실험체중 3개는 기존 CFT 기둥 나머지 6개는 탄소섬유쉬트로 변수계획에 따라 보강한 CFT 기등을 제작하였으며 제조사의 매뉴얼에 따라 겹침 길이는 10cm 이며 7일간 양생하였다.
- 그림 6, 7, 8 에서는 실험체의 하중。축변위 관계곡선과 기존 CFT 실험체(RN 계열)과 탄소섬유쉬트 3겹으로 보강한 실험체(RF -3 계열)에 대한 최종파괴모습을 나타내었다.
- 폭-두께비. 콘크리트 강도를 변수로 하여 축 압축 실험을 수행하였다. 실험결과 콘크리트로 충전된 CFT 기둥 실험체는 최대내력은 상승하여 일반 중공강관보다 내력적인 측면에서 우수한 것으로 나타났다.
대상 데이터
- 기존 CFT 실험체의 경우 폭-두께비 39인 R3N 실험체를 중심으로 R4N. R6N 실험체는 최대내력이 각각 7%와 34% 증가하였다.
- 0 (mm). 길이 550 (mm) 각형강관에 콘크리트를 타설하여 제작하였고 탄소섬유쉬트는 그림 2와 같이 기둥 전단 면에 걸쳐 폭방향으로 보강하였다. 또한 국부좌굴을 유도하기 위해 기둥의 세장비는 한계세장비 120이하인 砲/r = 11.
- 길이 550 (mm) 각형강관에 콘크리트를 타설하여 제작하였고 탄소섬유쉬트는 그림 2와 같이 기둥 전단 면에 걸쳐 폭방향으로 보강하였다. 또한 국부좌굴을 유도하기 위해 기둥의 세장비는 한계세장비 120이하인 砲/r = 11.3인 단주 기둥을 사용하였다.
- 실험에 사용된 강재의 종류는 SS 400이며. 강재의 인장강도 시험은 KS B 0802 금속재료 인장시험편 규정에 따라 시험하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.
- 실험은 경기도 기흥소재 포항산업과학연구원(RIST)에서 수행하였다. 3.
- 2% 증가하였다. 탄소섬유쉬트 1겹으로 보강한 RF-1 계열 실험체는 R3F-1 실험체를 기준으로 R4F-1, R6F-1 실험체는 각각 14%. 139.
- 0% 증가하였다. 탄소섬유쉬트 3겹으로 보강한 RF-3계열 실험체는 R3F-3 실험체를 기준으로 R4F-3. R6F-3 실험체는 각각 93%.
이론/모형
- 실험에 사용된 강재의 종류는 SS 400이며. 강재의 인장강도 시험은 KS B 0802 금속재료 인장시험편 규정에 따라 시험하였으며 그 결과를 표 1에 나타내었다.
- 기존 CFT 기둥 실험체의 예상내력은 AISC-LRFD(2005) 설계규준 합성기둥부재의 공칭내력 산정식에 의해 선정된 값을 적용하였으며 식 (1). (2)와 같다.
성능/효과
- (1) 기존 CFT 및 탄소섬유쉬트로 보강한 CFT 실험체 모두 기둥하부에서 약 15~27 cm 떨어진 곳에서 1차 혹은 2차 국부좌굴을 발생시키며 최종적으로 파괴되었다.
- (2) 하중-축변위 관계곡선을 살펴보면 기존 CFT 실험체는최대내력점 이후 급격한 내력저하 현상을 보였으나 이후 하중이 계속적으로 증가함에 따라 내력저하 현상은 거의 발생되지 않고 축변위만 증가하는 거동을 보이고 있다. 탄소섬유쉬트로 추가구속한 CFT 실험체의 경우최대내력점 이후 기존 CFT 실험체보다 내력의 저하가 덜 발생하였으며 국부좌굴 확장으로 인한 탄소섬유쉬트가 찢어지는 시점에서 내력저하현상이 발생하여 최종적으로 계단모양형식으로 점진적인 내력저하거동을 보이고 있다.
- (3) 최대내력관계를 살펴보면 폭-두께비가 적을수록 탄소섬유 쉬트 보강겹수가 증가할수록 실험체의 최대내력은 상승하는 것으로 나타났다. 일반적으로 각형강관을 사용한 콘크리트충전강관 기등은 구속효과(Confinement Effect)로 인한 내부충전콘크리트의 강도 상승효과가 거의 없음을 고려할 때 하중-변위 곡선상에서 탄소섬유쉬트의 보강겹수가 증가함에 따라 최대내력이 미소하게나마 증가한 이유는 탄소섬유쉬트의 추가 구속을 통한 국부좌굴의 지연효과 때문이라 사료된다.
- (4) 실험체의 변형성능은 탄소섬유쉬트 보강겹수가 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났다. 이는 탄소섬유쉬트의 추가구속으로 인해 국부좌굴을 지연시킴으로써 내력의 저하현상이 기존 CFT 기둥보다 완만하게 발생하고 있기 때문이라 사료된다.
- 3%. 102.2% 증가하였다. 탄소섬유쉬트 1겹으로 보강한 RF-1 계열 실험체는 R3F-1 실험체를 기준으로 R4F-1, R6F-1 실험체는 각각 14%.
- R6F-3 실험체는 각각 93%. 152.0% 증가하여 폭 -두께비가 적은 실험체일수록 변형성능이 증가하는 것으로 나타났다. 탄소섬유쉬트로 보강한 CFT 기등은 기존 CFT 기둥보다 국부좌굴의 지연효과로 인해 변형성능을 증가시킴을 관찰할 수 있었다.
- 탄소섬유쉬트 1겹으로 보강한 RF-1 실험체의 경우 최대내력대비 각각 39%. 27%, 23% (R3F-1, R4F-1, R6F-1 순) 내력저하가 나타났으며, 탄소섬유쉬트 3겹으로 보강한 실험체는 최대내력 대비 각각 38%. 28%.
- Xiao는실험을 통해 탄소섬유쉬트의 추가구속을 통해 국부좌굴을 지연시켰을 뿐만 아니라 탄소섬유쉬트의 보강겹수에 따라 기존의 CFT 기둥보다 압축내력이 54 %~ 136 % 증가한 것으로 나타났다.
- 각 실험체별 최대내력대비 내력저하율은 R3 계열 실험체는 0.61-0.68, R4 계열 실험체는 0.68~0.73, R6 계열 실험체는 0.76~0.80으로 일반적으로 폭-두께비가 적어질 수록 내력 저하 현상이 덜 발생하였으나, 탄소섬유쉬트 보강 겹 수는 내력 저하 현상에 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
- 그러나 각형 강관을 사용한 콘크리트 충전강관기등은 구속효과(Confinement Effecn로 인한 내부충전 콘크리트의 강도상승 효과가 없기 때문에 부재의 내릭은 일반적으로 콘크리트의 압축내력과 강관의 압축내력의 단순누가 합으로 산정한다. 그러나 실험결과탄소섬유쉬트로 보강한 각형 콘크리트중전강관 기등은 기존의 콘크리트충전강관 기둥보다 압축최대 내력은 미소하게 나마 증가하게 되고 이러한 경향은 탄소섬유쉬트의 보강겹수가 증가할수록 뚜렷하게 나타난다
- 파괴되었다. 또한 최대내력이 나타나는 시점의 축변위량은 탄소섬유쉬트보강겹수가 증가할수록 또한 강관의 폭-두께비가 작은 실험체 일수록 크게 나타났다. 표 8을 보면 탄소섬유쉬트의 보강을 통해 최대내력이 나타나는 축변위량을 지연시키게 되고, 이로 인해 실험체에 국부좌굴이 발생하는 시점을 탄소섬유쉬트의 보강을 통해 지연시킴을 관찰할 수 있었다.
- 크게 나타났다. 분석결과 탄소섬유쉬트로 보강된 CFT 기둥이 기존 CFT 기둥보다 변형성능이 증가함을 보이고 있는데 이는 탄소섬유쉬트의 추가구속으로 인해 국부좌굴을 지연시킴으로써 내력의 저하현상이 기존 CFT 기둥보다 완만하게 발생하고 있기 때문이라 사료된다. 이로 인해 실험체의 파괴점은 지연되고 그 결과 실험체의 변형성능은 증가하게 된다.
- 실험 변수에 따른 최대내력효과는 실험결과 내력 상승효과는탄소섬유쉬트의 보강겹수 효과보다 폭-두께비에 의해 좌우되었으며, 탄소섬유쉬트 보강겹수가 증가할수록 내력은 증가하였으나 그 효과는 미비한 것으로 나타났다.
- 콘크리트 강도를 변수로 하여 축 압축 실험을 수행하였다. 실험결과 콘크리트로 충전된 CFT 기둥 실험체는 최대내력은 상승하여 일반 중공강관보다 내력적인 측면에서 우수한 것으로 나타났다. 그러나 최대내력점 이후 내력이 저하되며 강관에 국부좌굴이 발생하여 파괴하는 거동을 보였다.
- 또한 탄소섬유쉬 트의보강효과를 검증하고자 압축 및 편심축력에 가한 실험적 연구를 수행하였다. 실험결과 탄소섬유쉬트의 보강을 통해 내력과 연성능력이 증가됨을 관찰할 수 있었으며 탄소섬유쉬트의보강효과를 검증할 수 있었다.
- 실험변수에 따른 내력저하평가를 살펴보면 첫째로, 폭-두께비 영향게 따른 내력저하율의 경우 보강을 하지 않은 RN 실험체의 경우 최대내력 대비 각각 32%. 32%, 20% (R3N, R4N.
- 나타낸 것이다. 실험체의 최대내력은 일반적으로 폭-두께 비가 작을수록 탄소섬유쉬트 보강겹수가 많을수록 증가하는 것으로 나타났다.
- 대한 연구를 수행하였다. 연구의 배경으로는 최근 강재의 가격과 강관제작 비용의 증가로 강재량의 절감의 필요성이 증가되었다. 그러나 강재의 두께가 얇아질수록 강관의 국부좌굴은 CFT 기등의 거동에 큰 영향을 미치게 된다.
- 0mm 단계에서 기둥하부로부터 약 20cin 떨어진 곳에서 강관의 부풀림 현상이 발생하였으나 탄소섬유쉬트는 파괴되지 않았다. 이후 강관의 부풀림 현상은점차적으로 확대되면서 축변위량 11.0 mm 단계에서 국부좌굴로 인해 탄소섬유쉬트가 찢어졌으며, 좌굴의 범위는 점차적으로 확대되면서 최종적으로 축변위량 29.0 mm 단계에서 실험을 종료하였다.
- 7 mm 단계에서 1차 국부좌굴로 인해 탄소섬유쉬트가 찢어지기 시작하였으며, 축변위량 12 mm 단계에서는 기둥하부로부터 약 10 cm 떨어진 곳에서 2차 국부좌굴이 발생하면서 탄소섬유쉬트가 추가직으로 찢어졌다. 이후 점차적으로 국보좌굴의 범위가 확장됨과 동시에 탄소섬유쉬트의 찢어지는 범위 또한 확장되며 실험체가 최종적으로 파괴되었다.
- 3mm 까지는 육안 상으로 아무런 변화가 나타나지 않았다. 이후 축변위량 3.7mm 단계에서 기둥하부에서 약 15cm 떨어진 곳에 1차 국부좌굴이 발생하였으며, 이후 좌굴범위는 점차적으로 확대되어 축 변위량 5.5mm 단계에서 기둥하부에서 약 10cm 떨어진 곳에 2 차 국부좌굴이 발생하며 실험체가 최종적으로 파괴되었다.
- 6mm 단계에서 -, 둥하부로부터 약 23cm 떨어진 곳에 1차 국부좌굴이 발생하였으며. 축변위량 12.0mm 단계에서 기둥하부에서 약 17cm 떨어진 곳에 2차 국부좌굴이 발생하였으며 좌굴의 범위는 점차적으로 확대되며 실험체는 최종적으로 파괴되었다.
- 탄소섬유쉬트 1겹과 3겹으로 보강한 CFT 실험체 또한 폭 _두께田가 감소함에 따라 최대내력은 약 43 % 증가하였다.
- 탄소섬유쉬트 1겹으로 보강하는 CFT 실험체는 기존 CFT 실험체에 비해 최대내력이 나타나는 축변위량의 증가율이 크지 않았으나 3겹으로 보강한 CFT 실험체의 경우 증가율은 크게 상승한 것으로 나타났다. 이는 탄소섬유쉬트 1겹으로 보강한 CFT 실험체의 경우 보강겹수 1겹에 따른 국부좌굴 지연효과는 미비하기 때문이라 사료된다.
- 탄소섬유쉬트로 보강으로 인한 최대내력의 상승효과가 미비하지만 증가하는 것으로 나타났다.
- 0% 증가하여 폭 -두께비가 적은 실험체일수록 변형성능이 증가하는 것으로 나타났다. 탄소섬유쉬트로 보강한 CFT 기등은 기존 CFT 기둥보다 국부좌굴의 지연효과로 인해 변형성능을 증가시킴을 관찰할 수 있었다.
- 탄소섬유쉬트로 추가구속한 CFT 실험체의 경우최대내력점 이후 기존 CFT 실험체보다 내력의 저하가 덜 발생하였으며 국부좌굴 확장으로 인한 탄소섬유쉬트가 찢어지는 시점에서 내력저하현상이 발생하여 최종적으로 계단모양형식으로 점진적인 내력저하거동을 보이고 있다.
- 폭-두께 비가 같은 실험체별로 비교하면 R3 계열은 보강량이 증가함에 따라 최대 6%의 내력증가율을 보였으며, R4 계열의 경우 최대 7%, R6 계열의 경우 최대 12% 보강겹수가 증가함에 따라 최대내력이 증가하는 것으로 나타났다.
후속연구
- 탄소섬유쉬트는 철판보다 큰 인장강도와 시공의 간편성. 그리고 용접의 불필요함으로 인한 재료의 성질 보존시킬 수 있어 CFT기등의 새로운 보강재로서 널리 쓰일 것으로 사료된다.
- 이와 같이 탄소섬유쉬트로 보강한 CFT 기등은 얇은 박판을 사용한 CFT 기등과 기존 건물의 CFT 기등에 보수보강 차원에서 적용함으로써 국부좌굴을 지연시킬 뿐 아니라 기둥의 내진성능을 향상 시켜 새로운 기둥시스템 부재로 유용이 사용될 것으로 기대된다.
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