AISC(2005)나 KBC(2005)등의 기준에서는 콘크리트 충전 강관(Concrete Filled Steel Tube) 기둥의 내력산정에서 폭두께비의 제한을 두고 있으며 최대 폭두께비를 초과하는 기둥에 대해서는 설계식을 제시하지 않고 있다. 본 연구는 stiffened (양단지지) 플레이트에서는 좌굴이 발생하더라도 바로 내력저하가 발생하지 않고 상당한 양의 좌굴 후 강도를 발휘할 수 있어 폭두께비가 큰 강관을 사용하는 것이 경제적일 수 있다는 점을 착안, 유효폭 개념을 도입해서 폭두께비가 큰 각형 CFT의 강도를 계산할 수 있는 설계식을 제안하였다. AISC 2005, KBC 2005와 본 연구에서 제안한 식을, 폭두께비를 변수로 수행한 4개의 각형 CFT 기둥 실험결과와 비교하였며 제안된 설계식의 적용가능성을 확인하였다. 이에 Uy(2005), Dalin Liu(2005)는 폭두께비가 큰 단주 CFT에 한에서 선행 연구된 실험데이타를 근거로 제안 설계식을 단순적용 하였다. 폭두께비가 초과된 각형CFT 단주를 검토 대상기본으로 1. 용접 조립된 정사각형 단면 2. 모살용접된 정사각형 단면 (b/t 60mm. 80mm, 100mm) 3. 한 폭면의 폭두께비가 초과하는 직사각형단면의 (b/t 45.5) 실험체를 선정하여 제안식의 타당성을 검토해 보고자 한다.
AISC(2005)나 KBC(2005)등의 기준에서는 콘크리트 충전 강관(Concrete Filled Steel Tube) 기둥의 내력산정에서 폭두께비의 제한을 두고 있으며 최대 폭두께비를 초과하는 기둥에 대해서는 설계식을 제시하지 않고 있다. 본 연구는 stiffened (양단지지) 플레이트에서는 좌굴이 발생하더라도 바로 내력저하가 발생하지 않고 상당한 양의 좌굴 후 강도를 발휘할 수 있어 폭두께비가 큰 강관을 사용하는 것이 경제적일 수 있다는 점을 착안, 유효폭 개념을 도입해서 폭두께비가 큰 각형 CFT의 강도를 계산할 수 있는 설계식을 제안하였다. AISC 2005, KBC 2005와 본 연구에서 제안한 식을, 폭두께비를 변수로 수행한 4개의 각형 CFT 기둥 실험결과와 비교하였며 제안된 설계식의 적용가능성을 확인하였다. 이에 Uy(2005), Dalin Liu(2005)는 폭두께비가 큰 단주 CFT에 한에서 선행 연구된 실험데이타를 근거로 제안 설계식을 단순적용 하였다. 폭두께비가 초과된 각형CFT 단주를 검토 대상기본으로 1. 용접 조립된 정사각형 단면 2. 모살용접된 정사각형 단면 (b/t 60mm. 80mm, 100mm) 3. 한 폭면의 폭두께비가 초과하는 직사각형단면의 (b/t 45.5) 실험체를 선정하여 제안식의 타당성을 검토해 보고자 한다.
The design standards, such as AISC-LRFD (2005) and KBC-2005, specify the maximum width-to-thickness ratio that can be used for computing the strength of the concrete-filled tube (CFT), and do not include any formula for computing the strength when the width-to-thickness ratio is over the limit. This...
The design standards, such as AISC-LRFD (2005) and KBC-2005, specify the maximum width-to-thickness ratio that can be used for computing the strength of the concrete-filled tube (CFT), and do not include any formula for computing the strength when the width-to-thickness ratio is over the limit. This paper proposes a strength equation for CFTs with a large width-to-thickness ratio by acknowledging the fact that the stiffened slender steel platehas substantial postbuckling strength, and that it therefore can be more economical to use it. The equation adopts the concept of effective width,which is very useful for plate analysis. By comparing the strengths of AISC2005, KBC2005, and the proposed method with the results of the experiment, where the width-to-thickness ratio was regarded as the main parameter, the applicability of the proposed method was verified.
The design standards, such as AISC-LRFD (2005) and KBC-2005, specify the maximum width-to-thickness ratio that can be used for computing the strength of the concrete-filled tube (CFT), and do not include any formula for computing the strength when the width-to-thickness ratio is over the limit. This paper proposes a strength equation for CFTs with a large width-to-thickness ratio by acknowledging the fact that the stiffened slender steel platehas substantial postbuckling strength, and that it therefore can be more economical to use it. The equation adopts the concept of effective width,which is very useful for plate analysis. By comparing the strengths of AISC2005, KBC2005, and the proposed method with the results of the experiment, where the width-to-thickness ratio was regarded as the main parameter, the applicability of the proposed method was verified.
따라서, 본 연구에서는 향후 폭두께비가 큰 각형 CFT기둥에도 적용가능한 설계식 제정을 최종 목표로, 우선적으로 단주의 설계 식을 제안하고자 한다. 설계식은 플레이트의 해석에서 자주 응용되는 유효폭 개념을 도입하여 제시하고자 한다.
설계식은 플레이트의 해석에서 자주 응용되는 유효폭 개념을 도입하여 제시하고자 한다. 또한 각형 CFT 단주를 대상으로 압축강도 실험을 수행하여 제 안 된 설계 식의 적용 가능성을 검증하고자 한다. 이에 Uy(2005), Dalin Liu(2005)는 폭두께비가 큰 CFT 단주에 한에서 선행 연구된 실험데이타를 근거로 제안 설계식을 단순적용 하였다.
본연구는 현재 CFT기둥에도 적용가능한 감소계수를 나타내기위한 방법에 관한 연구를 진행중이다.
제안하고자 한다. 설계식은 플레이트의 해석에서 자주 응용되는 유효폭 개념을 도입하여 제시하고자 한다. 또한 각형 CFT 단주를 대상으로 압축강도 실험을 수행하여 제 안 된 설계 식의 적용 가능성을 검증하고자 한다.
가설 설정
그림 2(c)는 유효폭 개념을 적용, 그림 2(b)를 치환하여 나타낸 것이다. 그림 2(c)는 그림 2(b)의 비선형으로 변화하는 실제응력을 "플레이트의 양단부에 작용하는 실제 (최대)응력(omax)이 유효폭(be)에 걸쳐 일정하게 분포되며 좌굴된 중앙부는 0 응력으로 가정'하여 변환된 것이다.
유효폭은 단면의 전체폭 (B) 이 아니라 직선부분(b)에만 적용하여 식 (2)로부터 산출하였다. 또한, 유효폭이 적용되는 구간에서의 강도는 그림 1에 나타낸 것과같이 실제응력상태의 최대응력을 구해서 적용해야 하지만, Liang and Uy (2000)등이 가정한 것과 같이 단순히 항복응력까지 받을 수 있는 것으로 가정하였다. 이상으로부터, 폭두께비가 큰 각형 CFT 단주의 단면강도 산정에도 적용가능한식을 다음 식 (5)과 같이 제안한다.
엄밀한 의미에서는 코너부분에서도 잔류응력의 영향을 고려해야 하나, 코너부에서는 콘크리트에 대한 구속효과가 어느 정도 발휘되어 콘크리트의 강도가 상승할 수 있는 여력이 있는점과, 코너부의 면적이 강재의 전체 단면적에서 차지하는 비율이 크지 않아 항복응력까지 유효한 것으로 가정하여도 무리가없는 것으로 판단하였다. 유효폭은 단면의 전체폭 (B) 이 아니라 직선부분(b)에만 적용하여 식 (2)로부터 산출하였다.
코너부분과 직선부분으로 나누었다. 코너부분에서는 강관의항복응력도까지 유효한 것으로 가정하였고 직선부분에만 유효폭의 개념이 적용되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
모살용접된 플레이트 끝단은 두께만큼의 모서리부분(Ase)으로 최대 내력을 받는 가정하에 제안식에 적용하였다. 또한 AISC2005와 KBC2005 규정의 경우 다음 비교분석은 표 4와같고 폭두께비별 무차원한 실험값에 대한 변위는 그림8와 같다.
본 연구는 stiffened (양단이 지지된) 플레이트에서는 좌굴이 발생하더라도 바로 내력저하}가 발생하지 않고 상당한 양의좌굴후 강도를 발휘할 수 있다는 점을 착안, 유효폭 개념을 도입해서 폭두께비가 큰 각형 CFT의 강도를 계산할 수 있는 설계 식을 제안하였다.
본 연구에서 제안된 식 (5)의 적용가능성을 검토하기 위하여 CFT 단주에 대한 실험을 실행하였다. 실험 변수는 강관의 폭 두께 비(b/t)와 콘크리트의 강도로 총 4개의 시험체를 제작하였다.
Australia 기준인 AS 4100-1990 (Standard Australia, 1990)에서 강재의 경우 a 의 값으로 표 1을 제안하고 있다. 본연구에서의 시험체 용접제작에 있어서 E71T-1 0 1.6mm 전극봉을 사용한 FCAM(Flux-Cored Are Welding) 방식으로행하였다. 가장 일반적인 방식이지만 잔류응력이 가장 좋지 않은 경우를 가정하여 a=0.
폭두께비가 큰 CFT기둥에도 적용가능한 압축강도 설계식을제안하기 위해 먼저 강관 플레이트를 그림3에 나타낸 것과 같이 코너부분과 직선부분으로 나누었다. 코너부분에서는 강관의항복응력도까지 유효한 것으로 가정하였고 직선부분에만 유효폭의 개념이 적용되는 것으로 가정하였다.
대상 데이터
수행하였다. 강관의 가로세로 비의 변수(H/B: 1, 1.3, 1.8, 2)와 고강도 콘크리트(fc :55, 83, 106Mpa) 및고강재( fy: 300, 495Mpa)를 사용하였으며, 연구데이타 중한 변의 폭두께비가 초과한 두 실험체를 선정하여 본 연구에서 제안한 내력식에 검토하고자 한다. 검증한 실험체 일람은표6에 나타났으며 실험체 형상은 다음 그림 9와 같다.
31로 제안하였다. 본 연구에서는 10.31을 사용하였다.
강관의 두께(t)는 모두 6皿로 일정하며 코너부의 안쪽반지름은 두께의 2배 ( = 12 mm)이다. 시험체의 길이(L)는 좌굴의 영향을 최소화하기 위하여 단면 폭(B)의 3.5배로 제작하였다. 강관과 콘크리트의 기계적 성질 등 각 시험체에 대한사항은 표 3에 나타내었다.
단주에 대한 실험을 실행하였다. 실험 변수는 강관의 폭 두께 비(b/t)와 콘크리트의 강도로 총 4개의 시험체를 제작하였다. 강관의 두께(t)는 모두 6皿로 일정하며 코너부의 안쪽반지름은 두께의 2배 ( = 12 mm)이다.
수행하였다. 폭두께비(60, 80 그리고 100)와 콘크리트와 강재 내력강도를변수로 하였고, 그 중 본 제안식과 검토를 하기위해 6개의 실험체를 선정하였으며, 그 일람은 표5에 나타났으며 실험체 형상은 다음 그림 7과 같다.
데이터처리
본 연구에서 제안한 방법의 적용성을 검토하기 위하여 실험체를 대상으로 실험결과, AISC2005, KBC2005, 제안식 (5) 에 의한 최대내력을 서로 비교하여 표 4에 나타내었다. 표 4에는 각 기준에서의 최대 폭두께비도 같이 나타내고 있으며, 시험체의 폭두께비가 각 기준에서 제시하는 한계폭두께비를 넘는 경우는 괄호를 사용하여 최대내력을 나타내었다.
성능/효과
(1) 용접조립각형 강관의 경우 본 제안식의 유효폭 개념을도입하여 AISC2005, KBC2005와 제안식을 실험결과와 비교한 결과, 본 논문에서 제안한 설계방법이 가장좋은 대응을 보이고 있었고 이에 본 연구에서 제안한 식 (5)를 각형CFT 단주의 내력산정시 폭두께비의 크기에관계없이 적용할 수 있는 식으로 제안한다.
(2) 모살용접된 정사각형 단주 CFT의 경우, 본 제안식과 검증할 실험체 6개를 선정하여 제안식과 비교 및 AISC2005, KBC2005와 분석해본 결과 실험치의 비가 평균 0.92로 원활한 대응을 보였으며, 폭두께비가 초과 할수록 실험치 수치와 근사함을 알 수 있었다. 따라서 유효폭(be) 선정에 있어서 모서리(Ase)부분을 플레이트 끝단에서 두께길이까지 최대 내력으로 가정하는 것이 큰 무리가 없다는 것을 알 수 있었다.
(3) 고강도 콘크리트와 강재를 사용한 한 변만 폭두께비가초과되는 직사각형 CFT 단주에 한에서 제안식과 비교해본 결과, 플레이트 구간을 유효폭 개념으로써 나뉘어단면강도를 산정한 수치는 실험치에 평균 0.94로 근접한 결과를 알 수 있었다.
KBC2005의 경우 앞서 비교되었듯이 실험치에 비해 전체적으로 과소평가가 되었음을 알 수 있었으며. AISC2005와 제안식은 0.9이상의 좋은 대응을 보였지만, 제안식의 표준편차와 변동성을 볼때 가장 우수한 대응결과를나타내었다. 폭두께비에 따른 실험치 변동은 그림10과 같다.
다음과 같다. AISC2005의 경우 전체적인 평균값은 0.9로 가장 우수하나, 폭두께비를 초과하거나 고 강재, 고강도 콘크리트를 사용한 실험체 평가에서는 과대 또는 과소평가로 인해 변동성을 보였다. KBC2005의경우 전반적으로 모든 실험체 비에 상당한 과소평가를 보였다.
92로 원활한 대응을 보였으며, 폭두께비가 초과 할수록 실험치 수치와 근사함을 알 수 있었다. 따라서 유효폭(be) 선정에 있어서 모서리(Ase)부분을 플레이트 끝단에서 두께길이까지 최대 내력으로 가정하는 것이 큰 무리가 없다는 것을 알 수 있었다.
92로 좋은 대응을 보였으며, 폭두께비가 초과 할수록 실험치 수치와 근사함을 알 수 있었다. 따라서 폭두께비와 상관없이 단주 CFT에 한에 본 연구에서 제안한 내력식에 대한 신뢰가 검증되었다.
전반적으로 AISC2005의 경우 원활한 대응을 보이고 있으나, 실험치보다 조금 높은 수치로 측정되는 것을 알 수 있었으며, KBC2005의 경우, 실험값에 비해 약30%의 상당한 차이가 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안한 내력식과 비교해 볼 때, 실험치의 비가 평균 0.92로 좋은 대응을 보였으며, 폭두께비가 초과 할수록 실험치 수치와 근사함을 알 수 있었다. 따라서 폭두께비와 상관없이 단주 CFT에 한에 본 연구에서 제안한 내력식에 대한 신뢰가 검증되었다.
또한 AISC2005와 KBC2005 규정의 경우 다음 비교분석은 표 4와같고 폭두께비별 무차원한 실험값에 대한 변위는 그림8와 같다. 전반적으로 AISC2005의 경우 원활한 대응을 보이고 있으나, 실험치보다 조금 높은 수치로 측정되는 것을 알 수 있었으며, KBC2005의 경우, 실험값에 비해 약30%의 상당한 차이가 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 제안한 내력식과 비교해 볼 때, 실험치의 비가 평균 0.
표 4에서 볼 수 있듯이 본 논문에서 제안한 방법과 실험치의비가 평균 0.952로 좋은 대응을 보이고 있으며 표준편차나 변동성(cov)도 우수한 것으로 나타났다. 반면, KBC2005는 비교된 모델중에서 가장 큰 오차를 나타내고 있다.
후속연구
99). 그 후 CFT기둥에서는 충전콘크리 트의 영 향으로 비 충전강관의 탄성 좌굴응력과 다르다는 연구결과를 반영하여 현재 AISC2005는 식 (3) 으로 보다 완화된 제한치를 제시하고 있으며 향후 발행될 KBCS2009에서도 반영될 것으로 기대한다. (폭두께비 외에도 다른 제한조건이 있으나 여기에서는 생략한다.
지금까지 국내 기준 (KBC) 의 모태가 되어 온 미국 강구조학회의 기준인 AISC(20005)는 이전 버전(AISC, 1999)에비해 CFT기등에서 사용할 수 있는 폭두께비의 제한치를 완화하였으며 이는 추후 발행될 국내 기준인 KBCS2009에서도반영이 될 것으로 기대된다. 하지만, 한계 폭두께비를 초과하는 폭두께비를 가지는 CFT기등에 대해서는 아직 적용 가능한설계식이 제시되지 않고 있다.
참고문헌 (18)
AISC(1999) Manual of Steel Construction, AISC, Chicago, USA
AISC(2005) Steel Construction Manual, Chicago, USA
Dalin L. and Wie, Min Gho(2005) Axial load behaviour of high0strength rectangular concrete- filled steel tubular stub columns. Thin-walled structurares, pp.1131-1142
Liang Q.Q., Uy B., and Liew, R. (2006), Nonlinear analysis of concrete-filled thin-walled steel box columns with local buckling effects. Journal of construction steel research, 62, pp.581-591
Liang, Q.Q. and Uy, B.(1998) Parametric study on the structural behaviour of steel plates in concretefilled fabricated thin-walled box columns. Advances in Structural Engineering, 2(1), pp.57-71
Liang, Q.Q. and Uy, B.(2000) Theoretical study on the post-local buckling of steel plates in concretefilled box columns. Computers and Structures, 75(5), pp.479-490
Mursi, M. and Uy, B.(2003) Strength of concrete filled steel box columns incorporating interaction buckling. 129(5), pp.626-639
Shanmugam, N.E. Lakshmi, B. Uy, B.(2002) An Analytical model for thin-walled steel box columns with concrete in-fill. Engineering Structures, pp.825-838
Standards Australia(1999) Steel Structures, Sydney, Australia
Wright, H. D.(1995) Local stability of filled and encased steel sections. Journal of Structural Engineering, 121(10), pp.1382-1388
Uy, B. Bradford, M. A.(1995) Local buckling of thin steel plates in composite construction: Experimental and Theoretical study, Proc., Inst. Civ. Eng. Struct. Build, Vol. 110, pp.426-440
Zhang, Y. Xu, C. and, Lu, X.(2006) HYSTERETIC BEHAVIOR OF CONCRETE FILLED THINWALLED STEEL TUBULAR COLUMNS, Steel Construction, Vol. 21, Proceedings of 8th International Conference for ASCCS, pp.202-208
강구조의 설계(2009) 한국강구조학회, 구미서관
김진호 전상우(1999) 콘크리트 충전강관 단주의 종국내력평가에 관한 실험적 연구. 한국강구조학회 논문집, Vol. 11, No. 5, pp.495-506
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.