[국내논문]정(井)자형 H형강으로 구속된 철근콘크리트 기둥접합부의 뚫림전단에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on Punching Shear at the Connection of RC Column Constrained by H-Beam with 井 Shape원문보기
정(井)자형 H형강을 강축의 수직 방향에 대해 띠판으로 연결한 조립보를 수평버팀대로 사용하면 구조적으로 약축 방향의 세장비를 줄여 구조 효율을 높일 수 있으며 또한 이를 구조물 지하 골조의 일부로 사용하여 시공성을 개선시킬 수 있다. 이 시스템의 H형강이 서로 만나는 교차 부분에는 콘크리트가 채워지고 그 사각형 가운데는 철근콘크리트 기둥이 위치하게 된다. 보-기둥 접합부의 뚫림 전단거동은, 사변을 구속하고 있는 H형강에 의해 전단균열에 의한 방사변형이 구속되어지며, H형강이 접합부를 충분히 구속할 수 있는 경우 하중 전달이 효과적으로 이루어지고, 일반적인 경우의 뚫림 전단강도보다는 더 큰 내력을 가지게 된다. 이 현상을 확인하기 위하여 구속 여부와 기둥면에서 구속 H형강까지의 거리를 변수로 하여 실험하였다. 실험 결과는 콘크리트구조설계기준을 준용하여 얻은 식과 비교하였고, 제안된 식을 통하여 계산된 결과는 실험을 통해 얻은 뚫림 전단강도와 비슷한 결과를 나타냈다.
정(井)자형 H형강을 강축의 수직 방향에 대해 띠판으로 연결한 조립보를 수평버팀대로 사용하면 구조적으로 약축 방향의 세장비를 줄여 구조 효율을 높일 수 있으며 또한 이를 구조물 지하 골조의 일부로 사용하여 시공성을 개선시킬 수 있다. 이 시스템의 H형강이 서로 만나는 교차 부분에는 콘크리트가 채워지고 그 사각형 가운데는 철근콘크리트 기둥이 위치하게 된다. 보-기둥 접합부의 뚫림 전단거동은, 사변을 구속하고 있는 H형강에 의해 전단균열에 의한 방사변형이 구속되어지며, H형강이 접합부를 충분히 구속할 수 있는 경우 하중 전달이 효과적으로 이루어지고, 일반적인 경우의 뚫림 전단강도보다는 더 큰 내력을 가지게 된다. 이 현상을 확인하기 위하여 구속 여부와 기둥면에서 구속 H형강까지의 거리를 변수로 하여 실험하였다. 실험 결과는 콘크리트구조설계기준을 준용하여 얻은 식과 비교하였고, 제안된 식을 통하여 계산된 결과는 실험을 통해 얻은 뚫림 전단강도와 비슷한 결과를 나타냈다.
Two parallel wide flange built-up beams are widely used as struts in resisting lateral earth pressure because of the effectiveness in structure and construction. In a certain structural system, the reinforced concrete columns are to be placed at the intersection where two perpendicular beams cross e...
Two parallel wide flange built-up beams are widely used as struts in resisting lateral earth pressure because of the effectiveness in structure and construction. In a certain structural system, the reinforced concrete columns are to be placed at the intersection where two perpendicular beams cross each other, the square part of the joint being filled with concrete. In the punching shear mechanism of the beam-column joint, the radial deformation caused due to shear cracking will be constrained by the spring action of the squarely encompassed beam flanges. As a result, the punching shear strength of the joint concrete can be expected to be increased. To verify this phenomenon experiments have been performed for various constraining elements and distances between columns and constraints. Test results are compared with the approximation analysis formula which has been proposed in this study, based on the code formula. The results calculated by the proposed equation show comparatively close agreement with the punching shear strength detected from the test.
Two parallel wide flange built-up beams are widely used as struts in resisting lateral earth pressure because of the effectiveness in structure and construction. In a certain structural system, the reinforced concrete columns are to be placed at the intersection where two perpendicular beams cross each other, the square part of the joint being filled with concrete. In the punching shear mechanism of the beam-column joint, the radial deformation caused due to shear cracking will be constrained by the spring action of the squarely encompassed beam flanges. As a result, the punching shear strength of the joint concrete can be expected to be increased. To verify this phenomenon experiments have been performed for various constraining elements and distances between columns and constraints. Test results are compared with the approximation analysis formula which has been proposed in this study, based on the code formula. The results calculated by the proposed equation show comparatively close agreement with the punching shear strength detected from the test.
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문제 정의
이러한 연구 결과를 근거로 하여 이 연구에서는 H형강으로 구속된 슬래브의 뚫림 전단강도에 대한 보강효과를 규명하기 위하여 구속 여부와 구속 형태를 변수로 한 실험과 이러한 구속효과를 이론적으로 규명하기 위한 식을 제안하는 것을 목적으로 한다.
이 연구는 두 개의 H형강으로 구속된 정자형 접합부의 뚫림전단내력을 평가하기 위하여 기둥면에서 구속철판까지의 거리에 대한 두께의 비 (a / h)와 구속, 비구속을 변수로한 실험을 수행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
본 연구에서는 식 (5)에서의 Nu대신에 H형강의 구속 내력으로 대체하였다. 즉, 1방향 압축력이 작용하는 전단식 (2)를 준용하여 2방향 압축력이 작용하는 전단식 (5)로 확장하였으며, 이 연구에서는 조립보-기둥 접합부에서 식 (5)의 적용성을 검토하였다.
모든 시험체는 휨인장파괴를 방지하기 위해 2방향으로 D13의 철근을 150 mm 간격으로 배근하였고, 휨보강 철근은 정착파괴가 일어나지 않도록 단부를 180o 갈고리 정착으로 하였다.
실험 후 슬래브의 뚫림파괴를 관찰하고 사진촬영을 하였고, 하중의 증가에 따른 철근 및 H형강의 변형률과 시험체 중앙부의 최대 처짐량을 자료 수집 장치 및 컴퓨터를 이용하여 매 1초 마다 측정하여 데이터로 저장하였다.
3) 정자형 접합부는 H형강의 구속으로 인하여 2방향 축력과 전단력이 동시에 작용하며 이 때 접합부의 뚫림 전단강도 산정식을 1방향 축력과 전단을 받는 규준식을 준용하여 다음과 같이 제안하였다.
대상 데이터
연구에 사용된 시험체는 Table 1과 같이 모두 8개로, H형강 설치의 유, 무에 따른 구속과 비구속, 기둥면과 구속 H형강까지의 거리와 슬래브 두께의 비를 변수로 하여 시험체를 제작하였으며, 구속형강은 H-150 × 100 × 6 × 9를 사용하였다.
정자형 H형강 조립보와 철근콘크리트 기둥 접합부 실험에 사용된 시험체의 크기는 가로, 세로가 각각 1,100, 1,000, 900, 800 mm이고, 두께는 모두 150 mm이며, 중앙에 위치한 기둥의 크기는 가로, 세로 각각 300 mm, 높이 100 mm하였다. 한 변의 길이가 200 mm인 강재 가력판을 기둥 상부면에 설치한 후 가력하였다.
시험체 제작에 사용된 콘크리트의 배합 조건 및 압축강도는 Table 2에서와 같고, 구속 H형강과 휨철근의 탄성계수는 Table 3에 나타내었다. 실험 결과의 분석에는 재료실험을 통해 얻은 콘크리트 압축강도 24.1 MPa과 구속 H형강의 탄성계수 240,000 MPa를 사용하였다.
성능/효과
조립보-기둥 접합부의 비구속 시험체는 가력면과 지지부를 잇는 전형적인 1방향 전단에 의해 파괴되는 양상을 보였다. 이와는 달리 H형강으로 구속된 시험체는 콘크리트 경계면의 골재 맞물림 작용에 의해 지지되다가 파괴면이 형성되면 최종적으로 휨보강근의 장부작용과 구속 H형강의 구속력에 의해 지지된 후 기둥 주위에서 파괴되는 2방향 전단파괴 양상을 보였다.
실험 후 균열 양상은, 비구속 시험체 JC-0 계열의 경우 휨에 의해서 슬래브의 옆면에 초기균열이 수직방향으로 발생하였고, 하중이 증가 할수록 균열 형태는 경사를 이루었다. 경사 균열은 지지점에서 크게 형성되었고, 파괴는 네 모서리 지지점 중 한 곳에서 발생하였다.
비구속 시험체의 아랫면에는 많은 균열들이 밀집되어 있고, 균열 형태는 휨철근을 따라 균열이 발생되었다. 시험체의 크기가 클수록 균열의 수는 증가하였고, JC-04 시험체의 경우 지지점 윗면에서 파괴되는 것을 볼 수 있었다. 구속 시험체 JC-D 계열의 경우 윗면에는 기둥 주위에, 아랫면에는 전체적으로 다수의 균열이 발생되었다.
구속 시험체 JC-D 계열의 경우 윗면에는 기둥 주위에, 아랫면에는 전체적으로 다수의 균열이 발생되었다. 균열 형태를 보면 슬래브 중앙부에서는 휨철근을 따라 균열이 생성되지만 모서리 방향으로 갈수록 휨철근의 위치와는 무관하게 사방으로 뻗어나가는 방상형태를 하고 있고, 시험체의 크기가 클수록 균열은 복잡해졌다. Fig.
Table 4는 실험결과, 전단강도, 실험결과에 대한 전단강도의 비 및 중앙부 최대처짐 등을 나타내고 있다. H형강으로 구속된 시험체의 최대하중은 설계기준식에 의한 2방향 전단강도 (Vc)와 비교하여 1.44~1.74배 증가하고 있어 H형강의 구속효과가 접합부의 뚫림 전단내력을 향상시키는 것을 알 수 있었다. 특히 두께에 대한 기둥면에서 구속 H형강까지의 거리의 비 (a/h)가 1.
11, 12는 구속 시험체의 하중-H형강 변형률을 나타낸 것으로 구속 H형강의 중앙부와 H형강 접합부에서 150 mm 떨어진 곳의 플랜지와 웨브에 변형률이다. 중앙부의 플랜지와 웨브의 변형률 측정결과 상부는 압축, 하부는 인장인 것이 명확히 구분되었으며, 플랜지 상부는 시험체의 크기가 작아질수록 동일하중에 대하여 변형률이 감소하고 있고, 하부는 JC-D4 시험체의 변형률이 동일하중에 대하여 가장 작은 변형률을 나타내고 있다. 웨브의 상부 변형률은 차이가 적었으나 하부는 JC-D4의 변형률이 가장 적었다.
이는 JC-D1, JC-D2, JC-D3 시험체보다 JC-D4 시험체가 H형강 구속효과가 큼을 알 수 있다. H형강 접합부에서 150 mm 떨어진 곳의 플랜지와 웨브의 변형률은 모든 시험체가 비슷한 양상을 보이고 있는 것으로 나타났다.
1) 실험 결과 구속 시험체의 최대하중은 설계기준식에 의한 2방향 전단강도보다 1.44~1.74 배 큰 것으로 나타나 H형강의 구속이 접합부의 뚫림전단내력을 향상시키는 것을 알 수 있었다. 구속효과는 두께에 대한 기둥면에서 구속 H형강까지의 길이의 비 (a / h)가 1.
4) 제안식에 의한 값과 실험결과를 비교한 결과 a / h가 1.7~2.3일 때는 실험 결과가 제안식에 의한 값의 1.16~1.23배로 제안식에 의한 값이 실험결과와 비교적 일치하고 있다. 그러나 a / h의 비가 1.
2) 구속 시험체 접합부 내부에 배근된 철근 변형률의 경우도 동일하중에 대하여 a / h의 비가 작을수록 감소하였는데, 이 경우도 a / h의 비가 작아지면 하중이 휨보다는 접합부 부분의 콘크리트가 스트럿을 형성하여 H형강으로 직접 전달되기 때문이다.
후속연구
23배로 제안식에 의한 값이 실험결과와 비교적 일치하고 있다. 그러나 a / h의 비가 1.3인 경우는 제안식의 값에 비해 실험결과의 비가 1.32배로 크게 나타나 a / h가 작을수록 접합부의 H형강에 의한 구속효과가 커지는 것을 알 수 있었으며 향후 a / h의 비가 1.3보다 작은 경우의 구속효과가 커지는 것에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
H 형강이 접합부를 충분히 구속할 수 있는 경우 어떤 장점이 있는가?
조립보와 기둥 사이의 내부 공간은 콘크리트로 채워지게 되는데 플랫 슬래브에서의 일반적인 2방향 전단 거동과는 달리 접합부의 내부 공간은 4개의 H형강에 의하여 구속되고 있다. H 형강이 접합부를 충분히 구속할 수 있는 경우 하중 전달이 효과적으로 이루어지고, 일반적인 경우의 뚫림 파괴하중보다는 더 큰 내력을 가지게 된다. 이 접합부의 경우 4개의 H형강이 접합부를 구속하여 매우 복잡한 다축 응력 상태가 되는데 특히 기둥면에서는 수직하중에 의한 응력, 방사 응력과 접선 응력이 3축 응력 상태를 나타낸다.
정 (#)자형 H형강을 강축의 수직 방향에 대해 띠판으로 연결한 조립보를 수평버팀대로 사용하면 어떤 장점이 있는가?
반면 Fig. 1과 같이 정 (#)자형 H형강을 강축의 수직 방향에 대해 띠판으로 연결한 조립보를 수평버팀대로 사용하면 구조적으로 약축 방향의 세장비를 줄여 구조 효율을 높일 수 있으며 또한 이를 구조물 지하 골조의 일부로 사용하여 시공성을 개선시킬 수 있다.
두 개의 H형강으로 구속된 정자형 접합부의 뚫림전단내력을 평가하기 위하여 실험을 수행하였고 그 중 구속 시험체 접합부 내부에 배근된 철근 변형률의 경우는 어떤 결과를 얻었는가?
2) 구속 시험체 접합부 내부에 배근된 철근 변형률의 경우도 동일하중에 대하여 a / h의 비가 작을수록 감소하였는데, 이 경우도 a / h의 비가 작아지면 하중이 휨보다는 접합부 부분의 콘크리트가 스트럿을 형성하여 H형강으로 직접 전달되기 때문이다.
참고문헌 (6)
Kuang, J. S. and Morley, C. T., “Punching Shear Behavior of Restrained Reinforced Concrete Slabs,” ACI Str. J., ACI, Vol. 89, No. 1, 1992, pp. 13-19
Alexander, S. D. B. and Simmonds, S. H., “Bond Model for Concentric Punching Shear,” ACI Str. J., ACI, Vol. 89, No. 3, 1992, pp. 325-334
Alexander, S. D. B. and Simmonds, S. H., “Punching Shear Tests of Concrete Slab-Column Joints Containing Fiber Reinforcement,” ACI Str. J., ACI, Vol. 89, No. 4, 1992, pp. 425-432
Alexander, S. D. B. and Simmonds, S. H., “Test of Column-Flat Plate Connections,” ACI Str. J., ACI, Vol. 89, No. 5, 1992, pp. 495-502
Alexander, S. D. B. and Simmonds, S. H., Simmonds, “Ultimate Strength of Slab-Column Connections,” ACI Str. J., ACI, 84, No. 3, 1987, pp. 255-261
한국콘크리트학회, 콘크리트구조설계기준 해설, 한국콘크리트학회, 2008, pp. 154-156, 190-192
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