선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 이 연구에서는 보-기둥 내부 접합부를 대상으로 접합부의 구조적 특성을 파악하고, 중진지역에서의 접합부 요구성능을 만족하여 현장적용 가능 여부를 실험적으로 평가하고자 한다.
- 이 연구에서는 HPHC 시스템의 접합부에 대한 내진성능을 평가하고 구조적 특성을 파악하고자 반복하중을 받는 부분구조체 성능 실험을 수행하였다. 이에 대한 연구 결과는 다음과 같다.
- 이 연구에서는 1/2 축소 실험체의 내부 접합부를 대상으로 부분 구조체 실험에 대하여 구조 성능을 평가하기 위해 반복하중 가력 실험을 계획하였다. 실험체 설치 상세는 Fig.
제안 방법
- 이러한 half PC 시공은 일반 RC 공법과의 차별성이 적어 오히려 시공상의 불편함을 초래하고 있다.3,4) 이러한 문제를 해결하기 위해 Fig. 1과 같이 접합부의 시공성 및 단절된 PC부재간의 효율적인 응력전달을 위해 철골연결재 및 HPFRCCs의 일종인 ECC(engineered cementitious composite)를 적용한 새로운 접합상세를 개발하였다.
- 철골연결재는 PC 기둥과 보에 매립되어 제작되는 철골 각관(square tube)과 철판(steel plate)을 현장에서 볼트 접합시킨 후 접합부 일부에 ECC를 타설하여 작업을 완료하도록 계획하였다. 개발된 상세의 특징은 각 부재간 접합을 철물을 통해 간단하게 연결이 가능하여 시공성이 우수하며, 접합부 내에 타설된 ECC의 경우 합성섬유를 시멘트 체적비 1% 정도 투입하여 보통 콘크리트보다 16%의 인장변형능력(tensile deformability)을 확보할 수 있도록 하여 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있도록 하였다.
- 개발된 상세의 특징은 각 부재간 접합을 철물을 통해 간단하게 연결이 가능하여 시공성이 우수하며, 접합부 내에 타설된 ECC의 경우 합성섬유를 시멘트 체적비 1% 정도 투입하여 보통 콘크리트보다 16%의 인장변형능력(tensile deformability)을 확보할 수 있도록 하여 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있도록 하였다. 또한 이 연구에서 제안하고 있는 현장타설을 위해서는 유동성 확보가 필수적이므로 합성섬유의 종류 및 체적비 등을 변화시켜 타설용 ECC를 새롭게 개발하여 적용하였다.
- HPHC 공법은 PC 기둥과 PC 보에 철골연결재(square tube & steel plate) 및 ECC를 사용한 합성 구조 시스템의 일종이다. 특히 보-기둥 접합부를 기둥 및 보에 삽입된 철물을 이용하여 볼트로 연결함으로써 건식공법이 가능하도록 하였다. 철골 연결재와 U형 부분 PC 보, 철골 연결재의 기둥을 사용한 것으로 Fig.
- 이 연구에서 개발된 HPHC 구조 시스템 접합부의 구조성능을 분석하기 위해 보와 기둥이 “+”연결된 내부 실험체를 계획하였으며 구조적 성능에 중요한 영향을 미치는 U자형 보에 타설되는 ECC의 면적 및 접합부의 횡보강근 유무를 주요 실험 변수로 하였다.
- 모든 PC 기둥의 크기는 350 × 350 mm이며 PC 기둥에 삽입되는 강관은 □−200 × 200 × 12의 기성 형강을 사용하였으며 보와의 연결부위는 양면용접을 하였다.
- 이 연구에서 개발된 HPHC 구조 시스템 접합부의 구조성능을 분석하기 위해 보와 기둥이 “+”연결된 내부 실험체를 계획하였으며 구조적 성능에 중요한 영향을 미치는 U자형 보에 타설되는 ECC의 면적 및 접합부의 횡보강근 유무를 주요 실험 변수로 하였다. 보 및 접합면에 타설될 ECC의 높은 인장변형능력에 따라 보-기둥 접합면에 발생하는 소성힌지를 보의 내측으로 확산시킬 수 있어 보에 타설될 ECC의 범위를 기존연구에서5) 제안된 소성힌지의 이동위치인 1.0d를 기준으로 0.7d와 1.4d로 설정하였다.
- 보는 350 × 400 mm이며 PC 보에 삽입되는 철판은 PL-334 × 748 × 12를 사용하였다. 보와 기둥의 현장연결을 쉽게 하기 위해 보철물 하부에 홈을 두어 기둥에 삽입된 각관과의 연결을 쉽도록 하였다. 콘크리트의 공칭압축강도는 27 MPa이며, 연결철물 및 철근은 SD400이다.
- 섬유 콘크리트는 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있다. 그러나 이 시스템에서 제안하고 있는 현장 타설을 위해서는 유동성 확보가 필수적이므로 타설용 ECC를 새롭게 개발하여 적용하였다.
- 보의 양 단부에는 회전이 가능한 유압힌지를 부착하였으며 로드 셀(loadcell)을 설치하였다. 기둥 양 단부에는 플레이트 판과 축력봉을 이용하여 횡력이 가해지는 동안 일정 축하중(0.1fckAg = 약 400 kN)이 작용하도록 하였으며 하부에는 회전이 가능하도록 힌지를 설치하였다. 반복가력은 기둥 단부에서 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 사용하였으며, 보의 횡좌굴을 방지하기 위해 양측 보 중간에 힌지가 설치된 철골 지지대를 설치하였다.
- 1fckAg = 약 400 kN)이 작용하도록 하였으며 하부에는 회전이 가능하도록 힌지를 설치하였다. 반복가력은 기둥 단부에서 1,000 kN 용량의 액츄에이터를 사용하였으며, 보의 횡좌굴을 방지하기 위해 양측 보 중간에 힌지가 설치된 철골 지지대를 설치하였다.
- 가력 프로그램은 ACI T1.1-01110)의 모멘트 프레임에 대한 내진 성능 실험 방안을 참고하였다. ACI 내진 성능 평가 기준에서는 drift ratio 3.
- 접합부에 배근된 횡방향 철근비가 증가함에 따라 접합부의 전단강도는 비례하여 증가하는 것으로 나타났다. 이에 이 연구에서는 개발된 접합 상세의 횡보강근의 유효성 평가를 위해 접합부의 전단변형각 및 접합부 횡보강근의 응력변화를 분석하였다.
이론/모형
- 모든 실험체는 보 항복 후 접합부가 파괴되는(BJ) 보기둥 실험체로서 접합부의 내력은 식 (1)과 같이 ACI318-056) 기준의 Type 2에 의해 계산하였다.
성능/효과
- 1) 그러나 일체화된 현장 타설 콘크리트에 비해 지진하중과 같은 심각한 비탄성 변형을 일으키는 반복주기하중을 경험할 경우 보나 기둥의 부재 요소보다는 응력부담이 상대적으로 큰 접합부가 취약하며2) PC 공법의 경우 부재간 단절에 의한 응력 불연속 구간이 접합부에 형성되어 일체 타설된 RC구조와 같은 성능을 발휘하기가 쉽지 않다. 이에 PC 부재를 이용한 구조시스템은 시공성이 확보되고, 구조성능 향상 및 일체성 확보를 위한 접합부 상세 개발에 초점을 맞추어 연구들이 진행되어 왔다.
- 철골연결재는 PC 기둥과 보에 매립되어 제작되는 철골 각관(square tube)과 철판(steel plate)을 현장에서 볼트 접합시킨 후 접합부 일부에 ECC를 타설하여 작업을 완료하도록 계획하였다. 개발된 상세의 특징은 각 부재간 접합을 철물을 통해 간단하게 연결이 가능하여 시공성이 우수하며, 접합부 내에 타설된 ECC의 경우 합성섬유를 시멘트 체적비 1% 정도 투입하여 보통 콘크리트보다 16%의 인장변형능력(tensile deformability)을 확보할 수 있도록 하여 지진 등과 같은 수평하중에 의해 발생하는 전단력에 충분한 인성확보가 가능하여 접합부의 내진성능 향상을 기대할 수 있도록 하였다. 또한 이 연구에서 제안하고 있는 현장타설을 위해서는 유동성 확보가 필수적이므로 합성섬유의 종류 및 체적비 등을 변화시켜 타설용 ECC를 새롭게 개발하여 적용하였다.
- 접합부에서 일체성과 시공성을 확보하는 것이 PC공법의 핵심이다. 이 연구에서 개발한 HPHC(high performance hybrid connection) 시스템은 간단한 철골접합부를 갖고 있으며 접합부 일부에 ECC를 타설함으로써 시공성 및 효율적인 응력전달을 기대할 수 있다.
- 1-01110)의 모멘트 프레임에 대한 내진 성능 실험 방안을 참고하였다. ACI 내진 성능 평가 기준에서는 drift ratio 3.5%까지 가력 하도록 제안하였으나 이 연구에서는 실험체의 파괴양상을 파악하기 위해 drift ratio 4.25%까지 변위 제어하였다.
- 모든 실험체가 수평하중의 증가에 따라 보와 기둥 접합부 순으로 균열이 진행되었으며, 보에서 발생된 균열은 대부분 휨에 의한 균열이 부재축에 수직한 방향으로 발생하였으며 기둥 또한 부재축에 수직한 균열이 주 패턴으로 나타났다. Fig.
- 1) RC-control; drift 0.2%에서 양단보에 초기 휨균열이 발생하였으며 하중의 증가와 더불어 양단 지지부로 균열이 확산되었으며 drift 0.25%에서 최초 발생된 접합부의 균열이 확산되며 drift 2.2%에서 접합부의 박리가 발생하였으며, drift 3.5%에 이르러 접합부의 압괴와 더불어 파괴가 발생하였다.
- 2) PC-HJFH-50; drift 0.2%에서 접합면과 ECC타설 계면에서 초기 균열이 발생하였으며 보 상부 타설면에 다수의 미세균열이 하중의 증가와 더불어 확산되었다. drift 0.
- 3) PC-HJF-25; 초기 균열의 발생 및 현상은 PC-HJFH50 실험체와 유사하게 나타났으나 drift 0.25%에서 보에 연결된 철판연결재 끝단 부위(접합면에서 700 mm)에서 보의 휨균열이 발생하였다. 이는 보의 소성힌지 구간에 타설된 ECC 범위가 작고 접합부에 횡보강근이 없기 때문으로 사료된다.
- 접합부에는 미세한 다수의 미세균열이 발생되었으며, ECC 타설면적이 250 mm이며 접합부 횡보강근이 없는 PCHJF-25 실험체의 경우 보에 소성힌지(약 1d) 발생 후 접합부에 다수의 사인장 균열이 발생하여 최종 파괴되었다. 기준 실험체를 제외한 두 실험체의 경우 ECC 및 철골 연결재에 의해 소성힌지를 유도할 수 있는 것으로 나타났다.
- 5%까지 안정적인 이력 거동을 나타내었다. 접합영역을 철골 연결재 및 ECC를 사용한 두 개의 PC 실험체의 최대내력은 기준 실험체에 비해 평균 13%(Vpeak) 증가하는 것으로 나타났으며 보에 타설면적을 증가시켜 소성힌지 구간을 확대한 경우 내력 상승의 영향은 적으나(약 6%의 내력 향상) 연성능력 즉, 내진 성능이 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 ECC의 소성힌지 확대 구역은 250 mm(0.
- Table 2에는 실험에서 측정된 최대하중 및 이에 상응하는 층간변위, 보의 주인장철근 항복시의 변위와 하중 및 각 실험체의 예상내력과 실험 결과를 비교하여 나타내었다. 분석 결과 최대 전단강도는 소요 전단강도를 평균 15% 초과하는 것으로 나타났으며 보의 휨 철근이 항복 후 변형 경화에 도달한 이후 접합부 파괴가 나타났다.
- 그러나 Fig. 7(b)와 같이 접합부에 ECC 및 철골 연결재로 연결된 PC-HJF-25실험체의 경우 횡보강근의 응력변화율은 미비한 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 8과 같이 접합부의 전단변형각이 RC-Control에 비해 PC 실험체의 전단변형각이 작기 때문으로 판단된다. 기둥에 설치된 철골 연결재(각형강관) 및 접합부에 타설된 ECC의 저항능력이 증대됨에 따라 접합부의 전단변형이 작아진 것으로 사료되며 이는 이 연구에서 개발된 접합상세의 경우 ECC 및 철골 연결재의 설치로 접합부의 횡보강근을 설치에 따른 전단강도의 증가효과는 미비할 것으로 사료된다.
- 5%에서 최대 강도의 75% 이상의 강도 성능을 유지하도록 하고 있다. 이에 대해 분석한 결과 모든 실험체가 부재각 3.5%를 경험한 마지막 사이클의 강도가 75% 이상을 유지하고 있는 것으로 나타났다.
- 정·부 방향 가력시 최대 변위점을 잇는 강성의 변화를 초기 항복강성에 대한 비율로 나타낸 것이다. 모든 실험체에서 비탄성 이력 싸이클이 증가함에 따라 강성이 저하되는 특성을 나타내고 있으나 실험체의 강도 성능이 클수록 강성 또한 크게 나타났다. 모든 실험체의 강성 저하 현상은 부재각 1%까지는 유사한 경향을 보였으며, 이후 철골연결재로 연결된 PC 실험체의 강성 감소현상이 둔화되는 것으로 나타났다.
- 모든 실험체에서 비탄성 이력 싸이클이 증가함에 따라 강성이 저하되는 특성을 나타내고 있으나 실험체의 강도 성능이 클수록 강성 또한 크게 나타났다. 모든 실험체의 강성 저하 현상은 부재각 1%까지는 유사한 경향을 보였으며, 이후 철골연결재로 연결된 PC 실험체의 강성 감소현상이 둔화되는 것으로 나타났다. 또한 두 PC 실험체의 경우 보의 보강면적이 큰 PC-HJFH-50실험체가 PC-HJF-25에 비해 40% 둔화된 강성 감소율을 보였으며, 세 실험체 모두 Table 3과 같이 내진성능 평가 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- 모든 실험체의 강성 저하 현상은 부재각 1%까지는 유사한 경향을 보였으며, 이후 철골연결재로 연결된 PC 실험체의 강성 감소현상이 둔화되는 것으로 나타났다. 또한 두 PC 실험체의 경우 보의 보강면적이 큰 PC-HJFH-50실험체가 PC-HJF-25에 비해 40% 둔화된 강성 감소율을 보였으며, 세 실험체 모두 Table 3과 같이 내진성능 평가 조건을 만족하는 것으로 나타났다.
- ACI에서는 구조물의 안정적인 에너지소산 능력을 확보하기 위해 drift 3.5%의 세 번째 사이클에 대하여 에너지소산율이 1/8(= 0.125)을 넘도록 요구하고 있으며 Table 3과 같이 3.5%와 4.25%에 대하여 분석한 결과 모두 만족하는 결과를 나타냈다.
- 1) 모든 실험체의 파괴는 보의 휨파괴가 선행되는 파괴모드를 보였으며, 철골 및 ECC를 적용하여 일부에 현장 타설된 2개의 PC 실험체는 최종파괴에 이를 때까지 일체식 거동형태를 보였다.
- 2) 개발된 접합상세의 일체식 거동 형태를 평가한 결과 연결철물 및 ECC의 사용을 통해 부재간 응력의 불연속이 나타나지 않았으며 보 및 접합부에 작용하는 하중을 효과적으로 전달하고 있는 것으로 나타났다.
- 3) 접합부내에 설치된 각형강관 및 ECC의 구속효과에 따라 접합부의 전단변형각은 매우 작았으며 이로 인해 접합부 내의 횡보강근 설치에 따른 내력증가율은 미비하였다. 추가적 연구가 필요하지만 강도에 있어 접합부내의 횡보강근은 필요 없으나 접합부의 균열제어 및 최대 강도 발현 후 변형성능을 향상시킴으로서 이후의 내력저하방지에 기여함에 따라 일정양의 횡보강근이 필요한 것으로 나타났다.
- 4) 개발된 하이브리드 보-기둥 접합상세는 ACI에서 제안하고 있는 부재각 3.5%까지 우수한 내진 성능을 확보하고 있는 것으로 나타났다.
- 접합영역을 철골 연결재 및 ECC를 사용한 두 개의 PC 실험체의 최대내력은 기준 실험체에 비해 평균 13%(Vpeak) 증가하는 것으로 나타났으며 보에 타설면적을 증가시켜 소성힌지 구간을 확대한 경우 내력 상승의 영향은 적으나(약 6%의 내력 향상) 연성능력 즉, 내진 성능이 개선되는 효과가 있는 것으로 나타났다. 이를 통해 ECC의 소성힌지 확대 구역은 250 mm(0.7d)만으로도 기둥에 작용하는 하중을 접합부 및 보로 효과적으로 전달할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 3) 접합부내에 설치된 각형강관 및 ECC의 구속효과에 따라 접합부의 전단변형각은 매우 작았으며 이로 인해 접합부 내의 횡보강근 설치에 따른 내력증가율은 미비하였다. 추가적 연구가 필요하지만 강도에 있어 접합부내의 횡보강근은 필요 없으나 접합부의 균열제어 및 최대 강도 발현 후 변형성능을 향상시킴으로서 이후의 내력저하방지에 기여함에 따라 일정양의 횡보강근이 필요한 것으로 나타났다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.