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문제 정의
- 본 논문에서는 실험을 통하여 합성구조 시스템의 접합부에 대한 성능 평가를 실시하였다. 본 연구에서 접합부의 거동 및 성능을 평가하기 위하여 접합부의 거동이 포함된 합성보의 휨모멘트를 산정하였으며 이를 토대로 보-기둥 접합부에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 논문에서는 실험을 통하여 합성구조 시스템의 접합부에 대한 성능 평가를 실시하였다. 본 연구에서 접합부의 거동 및 성능을 평가하기 위하여 접합부의 거동이 포함된 합성보의 휨모멘트를 산정하였으며 이를 토대로 보-기둥 접합부에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 합성구조 시스템의 보-기둥 접합부를 제안하고, 구조적 성능을 평가하였다. 하이브리드 접합부의 강성 및 내력을 평가하여 합성구조 시스템의 안정성을 검토하고, 해석방법의 신뢰도를 분석함으로써 보-기둥 접합부를 효율적으로 설계하기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
- Gustavo J.외 2인은 내진 구조 시스템을 위하여 프리캐스트 하이브리드 보와 RC기둥의 모멘트 접합 방법을 실험적으로 평가하고자 하였다4). 현재까지의 SRC 합성구조시스템에 관한 연구는 대부분 새롭게 개발되거나 기존 공법을 발전시킨 합성보에 관한 연구로서, 기둥은 기존의 철근콘크리트 기둥이나 철골 기둥을 사용하였다.
- 본 연구에서는 합성구조 시스템의 보-기둥 접합부를 제안하고, 구조적 성능을 평가하였다. 하이브리드 접합부의 강성 및 내력을 평가하여 합성구조 시스템의 안정성을 검토하고, 해석방법의 신뢰도를 분석함으로써 보-기둥 접합부를 효율적으로 설계하기 위한 기초자료로 활용하고자 한다.
제안 방법
- (2) 각각의 가정 사항에 따른 평형방정식을 수립하고, 수립한 평형방정식을 각각 중립축 (c)에 관한 방정식으로 정리하여 해를 구한다. 여기서 사용되는 평형방정식은 식 (1)과 같다.
- (3) 가정사항마다 각각 계산된 중립축을 통해 변형률도를 그려 각 구성요소의 응력상태가 가정된 응력상태와 동일한지 여부를 확인한다.
- 실험은 시험체를 수직으로 세워 기둥은 수평으로 보는 수직이 되도록 설치하여 실시하였다. 가력방식은 접합부에 부모멘트가 작용하도록 반복 단조하중을 가력 하였으며, 실험 전 기둥에 공칭 축하중의 10%에 해당하는 축력을 가하였다. 하중은 변위를 점진적으로 증가하면서 변위제어 방식에 의해 시험체에 파괴가 일어나거나 하중이 크게 감소할 때까지 실험을 계속 진행하였다.
- 변형률 적합성을 바탕으로 개발된 설계법은 전 단면에 걸친 중립축의 위치와 그에 따른 각 한계상태별 구성요소의 응력 상태를 가정하여 평형방정식을 수립한다. 각각의 가정 사항에 대해 평형방정식을 통한 중립축을 산출하고, 산정된 중립축에 따른 변형률도를 작성하여 가정 사항 중 중립축의 위치 및 각 구성요소의 응력상태를 만족하는 오직 하나의 중립축을 찾는다. 변형률 적합성 설계법은 산정된 명확한 중립축을 기반으로 합리적인 합성보의 공칭 모멘트를 설계한다.
- 실험을 위한 4개의 보-기둥 골조 시험체를 실물 크기로 동일하게 제작하였다. 기둥과 접합부 철골의 일체화 거동 여부를 판단하기 위하여 접합부 철골의 전단 스터드의 개수를 변수로 두었다. 보-기둥 골조 시험체의 길이는 보 2.
- 접합부거동이 포함되어 있는 보 성능 평가는 Strain Compatability 설계법을 이용하면 합성보의 탄성거동부터 파괴까지의 전과정을 정확히 예측할 수 있기 때문에 실험을 통하여 전체 거동에 대한 해석값과 실험값의 비교가 가능하다. 또한 변형률 적합성을 기반으로 해석을 하였기 때문에 각 부재의 변형률과 중립축을 예측할 수 있으므로 각 부재의 거동이 실제 거동과 얼마나 차이가 나는지를 확인할 수 있다. 합성보의 성능 평가는 접합부의 거동을 분석하기 위하여 접합부의 거동이 포함된 합성보의 휨모멘트를 산출하였다.
- 시험체에 대한 정확한 실험결과를 측정하기 위하여 그림 5와 같이 LVDT를 설치하였다. 또한 보 연결부의 회전변위를 측정하기 위하여 100mm LVDT를 기둥단면으로부터 20cm 떨어진 거리에 설치하였다. 보 부재와 접합부에서의 응력을 측정하기 위하여 총 44개의 스트레인 게이지를 시험체에 부착하였다.
- 본 논문의 연구대상인 합성구조 시스템은 새로운 철골 철근콘크리트 합성보와 프리캐스트 콘크리트 기둥을 제시한다. 또한 합성보와 프리캐스트 콘크리트 기둥의 간편한 접합을 위해서 하이브리드 접합부를 개발하여 적용하였다. 합성구조 시스템은 선행연구를 통하여 철골과 철근콘크리트를 효과적으로 조합함으로써 구조 성능과 경제성 향상 이외에 이산화탄소 절감효과도 뛰어나 우수한 친환경(Green) 성능을 가지는 것으로 나타났다7).
- 실험을 수행하기에 앞서 접합부의 거동이 포함된 합성보의 성능 평가는 변형률 적합성 (Strain Compatibility)을 기반으로 개발한 해석법을 통해 수행하였다. 변형률 적합성을 바탕으로 개발된 설계법은 전 단면에 걸친 중립축의 위치와 그에 따른 각 한계상태별 구성요소의 응력 상태를 가정하여 평형방정식을 수립한다. 각각의 가정 사항에 대해 평형방정식을 통한 중립축을 산출하고, 산정된 중립축에 따른 변형률도를 작성하여 가정 사항 중 중립축의 위치 및 각 구성요소의 응력상태를 만족하는 오직 하나의 중립축을 찾는다.
- 보-기둥 접합부의 모멘트-회전각에 대한 관계를 측정하여 시험체에 대한 강성평가를 진행하였다. 보-기둥 접합부는 부재에서 부재로 축력 및 휨모멘트를 전달시키는 중요한 부분이다.
- 하이브리드 접합부는 프리캐스트 콘크리트 기둥과 철골 철근콘크리트 보의 용이한 접합을 위하여 철근콘크리트 구조의 접합방식과 철골 구조의 접합방식을 동시에 적용하였다. 하이브리드 접합부는 철골 접합방식과 철근콘크리트 접합방식의 장점을 활용하여 리모델링이 용이한 장스팬 보-기둥 접합 구현이 가능하며 철골보의 단점인 층고를 감소시킬 수 있다.
- 따라서 하이브리드 접합부를 공동주택에 적용함으로써 장점을 극대화 할 수 있다. 합성구조는 기둥을 세우고 보를 설치하여 골조를 구성한 다음 보, 슬래브 및 접합부의 콘크리트를 타설하는 순서로 공사를 진행한다. 기둥과 기둥사이에 삽입된 철골 부재는 SRC 보에 삽입된 CT형강과 볼트로 체결됨으로써 보와 기둥의 철골 접합을 가능하게 한다.
- 또한 변형률 적합성을 기반으로 해석을 하였기 때문에 각 부재의 변형률과 중립축을 예측할 수 있으므로 각 부재의 거동이 실제 거동과 얼마나 차이가 나는지를 확인할 수 있다. 합성보의 성능 평가는 접합부의 거동을 분석하기 위하여 접합부의 거동이 포함된 합성보의 휨모멘트를 산출하였다.
대상 데이터
- 또한 보 연결부의 회전변위를 측정하기 위하여 100mm LVDT를 기둥단면으로부터 20cm 떨어진 거리에 설치하였다. 보 부재와 접합부에서의 응력을 측정하기 위하여 총 44개의 스트레인 게이지를 시험체에 부착하였다. 그림 7은 시험체가 설치된 모습을 보여주고 있다.
- 본 논문의 연구대상인 합성구조 시스템은 새로운 철골 철근콘크리트 합성보와 프리캐스트 콘크리트 기둥을 제시한다. 또한 합성보와 프리캐스트 콘크리트 기둥의 간편한 접합을 위해서 하이브리드 접합부를 개발하여 적용하였다.
- 시험체의 단면형상은 그림 5와 같다. 시험체 제작 시 사용된 콘크리트의 설계강도는 합성보의 경우 27MPa, 기둥의 경우 30MPa이다. 철골은 SM490이 사용되었으며, 항복강도 400MPa의 철근이 사용되었다.
- 실험을 위한 4개의 보-기둥 골조 시험체를 실물 크기로 동일하게 제작하였다. 기둥과 접합부 철골의 일체화 거동 여부를 판단하기 위하여 접합부 철골의 전단 스터드의 개수를 변수로 두었다.
- 시험체 제작 시 사용된 콘크리트의 설계강도는 합성보의 경우 27MPa, 기둥의 경우 30MPa이다. 철골은 SM490이 사용되었으며, 항복강도 400MPa의 철근이 사용되었다.
- 표 3은 시험체에 대하여 해석 값과 실험값을 정리 한 것이다. 해석값에 사용된 재료의 강도는 재료실험에 의해 콘크리트의 경우 압축강도 33.1MPa, 철근의 경우 항복강도 437.5MPa을 적용하였다. 시험체에 대한 해석값으로 항복 한계상태에서의 하중은 389.
이론/모형
- 보-기둥 접합부에 대한 모멘트 회전각의 관계를 Eurocode 33)에 의하여 분석하였다. 그림 8은 Eurocode 3에서 규정하고 있는 강성에 의한 접합부 분류에 따라 합성구조 접합부의 강성을 평가한 그래프이다.
- 실험을 수행하기에 앞서 접합부의 거동이 포함된 합성보의 성능 평가는 변형률 적합성 (Strain Compatibility)을 기반으로 개발한 해석법을 통해 수행하였다. 변형률 적합성을 바탕으로 개발된 설계법은 전 단면에 걸친 중립축의 위치와 그에 따른 각 한계상태별 구성요소의 응력 상태를 가정하여 평형방정식을 수립한다.
성능/효과
- 1) 변형률 적합성을 기반으로 개발된 설계법에 의한 오차는 항복 한계상태의 경우 -1.0∼6.0% 범위로 나타났으며 평균 약 7.3 kN인 1.9%의 오차가 발생하였다 .
- 2) 합성구조 시스템의 보-기둥의 접합면에서 측정된 휨 모멘트는 해석값과 거의 일치하였다. 따라서 합성구조 시스템에 적용된 하이브리드 접합부는 보에서 발생하는 휨 모멘트를 효과적으로 기둥에 전달할 수 있는 것으로 판단된다.
- 3) 이질부재의 완전합성 거동을 위해 설치된 다우얼 철근과 스터드 볼트는 모두 최대하중 한계상태에서 항복하지 않는 것으로 나타났다. 또한 실험 변수인 스터드 개수에 따른 실험값의 차이는 없는 것으로 분석되었다.
- 5) 합성구조의 보-기둥 접합부는 초기강성이 일정하게 나타났으며, 완전합성 거동을 전제로 한 해석결과의 초기 강성과 일치하는 것으로 분석되었다. 이를 통하여 합성구조를 이루는 철근, 철골, 콘크리트 등의 부재가 완전합성 거동을 하는 것으로 판단되다.
- 따라서 실험값을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다 . 그리고 하부철근의 변형률을 기준으로 하중 -변형률 관계를 비교한 결과 그래프가 거의 일치하는 것으로 나타났다.
- 또한 실험 변수인 스터드 개수에 따른 실험값의 차이는 없는 것으로 분석되었다. 따라서 ACI318-05의 설계식을 이용한 다우얼 철근 및 스터드 볼트의 설계는 합성구조에 적합한 것으로 분석되며 보-기둥 접합부는 완전 합성상태로 일체화 거동이 가능한 것으로 판단된다.
- 0012로 측정되었다. 따라서 기둥의 접합부 철골에 부착된 스터드 볼트의 변형률이 탄성범위에 존재함으로 인하여 PC기둥과의 일체성이 확보됨을 분석하였다. 또한 ACI318-052)에서 제안하고 있는 기준에 따라 설계된 접합부 철골의 스터드 볼트는 합성보에서 발생하는 휨 모멘트를 기둥으로 전달하는 데에 충분한 것으로 분석되었다.
- 04radian 이상으로 층간 변위각을 확보하도록 규정하고 있다. 따라서 본 연구 대상 시험체의 접합부는 0.02radian이상의 층간변위를 확보하고 있기 때문에 중간모멘트 골조에 대한 층간 변위각을 확보하는 것으로 분석된다. 시험체 4개에 대한 전체적인 모멘트-회전각 곡선은 보 단부의 하중-변위 곡선과 매우 유사하게 나타났다.
- 9%의 오차 값을 나타났다. 따라서 실험값을 정확하게 예측할 수 있음을 확인하였다 . 그리고 하부철근의 변형률을 기준으로 하중 -변형률 관계를 비교한 결과 그래프가 거의 일치하는 것으로 나타났다.
- 따라서 기둥의 접합부 철골에 부착된 스터드 볼트의 변형률이 탄성범위에 존재함으로 인하여 PC기둥과의 일체성이 확보됨을 분석하였다. 또한 ACI318-052)에서 제안하고 있는 기준에 따라 설계된 접합부 철골의 스터드 볼트는 합성보에서 발생하는 휨 모멘트를 기둥으로 전달하는 데에 충분한 것으로 분석되었다.
- 또한 시험체 2∼시험체 4의 경우에도 하중에 대한 해석값과 실험값의 평균 오차가 항복 한계상태시 약 -1.9%, 최대하중 한계상태시 약 0.9%로 측정되어 거의 일치함을 확인하였다.
- 005872이다. 시험체 1에 대하여 실험값을 측정한 결과, 항복 한계상태에서의 하중은 414.7kN, 변형률은 0.002188이며 최대하중 한계상태에서의 하중과 변형률은 각각 430.1kN, 0.002860으로 측정되었다. 시험체 1의 경우, 항복 한계상태에서의 하중과 변형률은 거의 일치하고 있으며 최대하중 한계상태에서는 하중은 거의 일치하나 인장철근의 변형률 측정에 대한 어려움으로 인하여 변형률은 일치하지 않는 것으로 분석되었다.
- 002860으로 측정되었다. 시험체 1의 경우, 항복 한계상태에서의 하중과 변형률은 거의 일치하고 있으며 최대하중 한계상태에서는 하중은 거의 일치하나 인장철근의 변형률 측정에 대한 어려움으로 인하여 변형률은 일치하지 않는 것으로 분석되었다. 또한 시험체 2∼시험체 4의 경우에도 하중에 대한 해석값과 실험값의 평균 오차가 항복 한계상태시 약 -1.
- 최대하중 한계상태의 경우 오차는 -6.9∼2.5% 범위로 나타났으며 평균 약 3.6 kN인 0.9%의 오차 값을 나타났다.
- 9%로 측정되어 거의 일치함을 확인하였다. 해석값과 실험값의 그래프를 비교한 결과 탄성거동과 비탄성 거동이 매우 유사하게 나타남을 확인할 수 있다. 그리고 시험체에서 미끄러짐 현상(Slip)은 모두 예상 최대하중 이후에서 나타났다.
후속연구
- 따라서 합성구조 시스템에 적용된 하이브리드 접합부는 보에서 발생하는 휨 모멘트를 효과적으로 기둥에 전달할 수 있는 것으로 판단된다. 그리고 제시한 설계방법을 통해 합성구조의 효율적인 설계가 가능 할 것으로 판단된다.
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