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문제 정의
- 따라서 기존의 설계기준을 명확하게 분석하고 다양한 설계 변수에 대한 검토 및 실제적 거동에 대한 예측이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용한 수치 해석적 연구 방법을 채택하여 축하중 및 횡하중을 받는 원형 강재기둥 베이스플레이트 접합부의 전반적인 구조적 거동을 분석하고 설계변수의 영향을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 해석적인 연구 방법을 채택하여 축하중 및 횡하중을 받는 강재기둥 베이스플레이트 접합부의 전반적인 구조적 거동을 분석하고 설계변수의 영향을 검토하였다. 본 연구에 대한 주요 결론을 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구의 결과를 토대로 향후에 교각 기초부의 새로운 형식을 제안하고, 제안된 구조물의 성능을 평가하여 교각 기초부의 합리적 설계 및 구조상세를 개선하고자 한다.
제안 방법
- 요소의 크기는 조밀하게 생성할수록 해석의 오차를 줄일 수 있으나, 구조물 전체를 너무 조밀하게 생성하면 오랜 해석시간이 소요되기 때문에 연구결과와 관련된 설계변수들의 요소는 작게 생성하고 나머지 부분은 크게 생성하여 해석이 빠르고 정확하도록 모델링하였다. CFT 기둥은 속채움 콘크리트와 강관 부재를 각각 생성한 뒤 두 부재의 접합부인 콘크리트 바깥면과 강관 안쪽면에 마찰계수를 적용하여 재료가 다른 두 부재간의 마찰을 고려하였고, 기둥과 연결된 베이스플레이트에도 마찰계수를 적용하였다.
- CFT 기둥의 직경-두께비에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 D/t를 30, 40, 60, 80으로 변화시켜 해석을 수행하였다. 그림 22는 CFT 기둥의 직경-두께비에 따른 횡하중-변위관계 그래프이며, 그림 23에서 보는 바와 같이 CFT 기둥의 직경-두께비가 30~60으로 증가할수록 변위가 일정하게 증가하나 60에서 80으로 증가할 때는 변위가 급격하게 증가함을 확인할 수 있다.
- CFT 기둥의 콘크리트 구속여부에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 콘크리트의 물성치를 2.2절에서 다룬 내용과 같이 Mander 제안식을 사용하여 응력-변형률 값을 다르게 적용한 뒤 해석을 수행하였다. 그림 24에서 보는 바와 같이 구속된 콘크리트의 기초부 하중-변위가 비구속된 콘크리트의 기초부 하중-변위보다 횡하중이 상승한 것을 확인할 수 있으나, 그 차이는 미비함을 확인할 수 있다.
- 본 연구에서는 CFT 교각 기초부의 각 설계변수에 따른 영향을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해석을 수행하고 각 설계변수의 하중-변위 관계를 도출하였다. 또한 변수들의 영향을 쉽게 비교할 수 있도록 일정 횡하중에서의 변수별 변위 관계를 도출하여 분석하였다. 해석모델의 단순화와 해석 소요시간의 단축을 위해 바깥쪽의 이형철근만을 고려하여 해석변수의 거동특성을 분석하였으며, 해석변수의 표기는 그림 11과 같다.
- 본 해석은 축하중과 횡하중을 동시에 받는 강재기둥 베이스플레이트 접합부의 거동 및 변수의 영향을 파악하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 3차원 비선형 해석을 수행하였다. 또한 해석의 오차를 최소화하기 위하여 각 요소 간 절점을 공유하여 하중에 따른 두 부재들 간의 절점이 함께 거동하도록 하였다. 요소의 크기는 조밀하게 생성할수록 해석의 오차를 줄일 수 있으나, 구조물 전체를 너무 조밀하게 생성하면 오랜 해석시간이 소요되기 때문에 연구결과와 관련된 설계변수들의 요소는 작게 생성하고 나머지 부분은 크게 생성하여 해석이 빠르고 정확하도록 모델링하였다.
- Beam요소는 그림 5와 그림 6에서 보이는 바와 같이 Wire로 연결하고자 하는 두 절점을 지정하여 선으로 연결한 뒤 직경을 입력하여 이형철근과 동일한 형상을 모델화하는 요소이다. 또한, 콘크리트 기초부에 매입되어 있는 이형철근을 모사하기 위해 Embedded 기능을 적용하였고, 이형철근의 최하단부 절점에 x, y, z방향의 변위와 회전을 구속하였다.
- 단, 초기 탄성구간에서 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 선행연구의 실험과정에서는 핀칭현상이 발생하여 실험 초기단계에서 변위가 발생하였고, 해석과정에서는 이형철근의 Slip에 대한 영향을 고려하지 않아 발생된 오차로 판단된다. 또한, 해석시 안쪽의 이형철근의 영향을 판단하기 위하여 안쪽 이형철근을 제외한 모델링을 작성하여 해석을 수행하였다. 그 결과, 안쪽 이형철근의 유무에 따라 횡하중-변위 관계가 큰 차이를 보임을 확인할 수 있으며, 이는 안쪽 이형철근이 본 해석모델에 큰 영향을 미치는 변수임을 알 수 있다.
- 베이스플레이트의 강종에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 베이스플레이트의 강종을 SM400, SM490, SM520, SM570으로 변화시켜 해석을 수행하였다. 그림 18은 베이스 플레이트의 강종에 따른 횡하중-변위관계 그래프이며, 그림 19에서 보는 바와 같이 베이스플레이트의 강종이 SM400에서 SM490으로 증가할 때 변위가 20.
- 베이스플레이트의 두께에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 베이스플레이트의 두께를 최소두께에 따른 비로 산정하였다. 이중 베이스플레이트의 최소두께는 도로교 설계기준에서 지정한 단일 베이스플레이트의 최소두께인 25mm의 절반(12.
- 본 연구에서는 CFT 교각 기초부의 각 설계변수에 따른 영향을 분석하기 위해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 해석을 수행하고 각 설계변수의 하중-변위 관계를 도출하였다. 또한 변수들의 영향을 쉽게 비교할 수 있도록 일정 횡하중에서의 변수별 변위 관계를 도출하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 도로교 설계기준에 따라 교각 기초부의 설계에 영향을 미칠 수 있는 변수들을 분석하여 이를 토대로 다음과 같이 설계변수를 선정하였다.
- 본 해석은 축하중과 횡하중을 동시에 받는 강재기둥 베이스플레이트 접합부의 거동 및 변수의 영향을 파악하기 위하여 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 3차원 비선형 해석을 수행하였다. 또한 해석의 오차를 최소화하기 위하여 각 요소 간 절점을 공유하여 하중에 따른 두 부재들 간의 절점이 함께 거동하도록 하였다.
- 본 해석에 사용된 콘크리트의 물성치는 그림 3과 같이 Mander(1988)가 제안한 구속 상태의 콘크리트와 비구속 상태의 콘크리트로 구분된다. 실험에서 구한 콘크리트의 압축강도를 이용하여 CFT 기둥에 충전된 콘크리트와 기초부의 콘크리트에 각각 구속 상태, 비구속 상태의 콘크리트 응력-변형률 관계식을 적용하였다. Mander가 제안한 강재에 의해 구속된 콘크리트의 응력-변형률은 Popovics가 제안한 식 (1)을 기초로 하고 있으며, 구속된 콘크리트의 최대압축강도와 변형률은 식 (2), 식 (3)과 같다.
- 실험연구의 구조물은 기존의 기둥 기초부에 사용되는 앵커볼트 대신 이형철근을 설치하여 콘크리트와의 부착성을 높이고, 앵커프레임을 제거하여 구조물의 형태를 단순화시킨 새로운 기둥 기초부 형식으로써 지진 및 바람 등으로 인한 횡하중에 충분한 강도를 확보하도록 설계하였다.
- 또한 해석의 오차를 최소화하기 위하여 각 요소 간 절점을 공유하여 하중에 따른 두 부재들 간의 절점이 함께 거동하도록 하였다. 요소의 크기는 조밀하게 생성할수록 해석의 오차를 줄일 수 있으나, 구조물 전체를 너무 조밀하게 생성하면 오랜 해석시간이 소요되기 때문에 연구결과와 관련된 설계변수들의 요소는 작게 생성하고 나머지 부분은 크게 생성하여 해석이 빠르고 정확하도록 모델링하였다. CFT 기둥은 속채움 콘크리트와 강관 부재를 각각 생성한 뒤 두 부재의 접합부인 콘크리트 바깥면과 강관 안쪽면에 마찰계수를 적용하여 재료가 다른 두 부재간의 마찰을 고려하였고, 기둥과 연결된 베이스플레이트에도 마찰계수를 적용하였다.
- 본 해석모델과 같이 기둥의 안쪽과 바깥쪽에 각각 18개의 이형철근을 설치할 경우 총 36개의 이형철근을 모델링해야 한다. 이와 같이 많은 개수의 이형철근을 SOLID 요소로 모델링할 경우 많은 요소분할로 해석시간이 오래 걸리고 절점 공유의 어려움이 있기 때문에 이를 보완해 주는 Beam요소를 사용하여 베이스플레이트와 콘크리트 기초부 바닥면을 연결하였다. Beam요소는 그림 5와 그림 6에서 보이는 바와 같이 Wire로 연결하고자 하는 두 절점을 지정하여 선으로 연결한 뒤 직경을 입력하여 이형철근과 동일한 형상을 모델화하는 요소이다.
- 이중 베이스플레이트의 간격에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 베이스플레이트의 두께(20mm)를 기준으로 5배(100mm), 10배(200mm), 15배(300mm), 20배(400mm), 25배(500mm)로 변화시켜 해석을 수행하였다. 그림 20은 베이스플레이트의 간격에 따른 횡하중-변위관계 그래프이며, 그림 21에서 보는 바와 같이 베이스플레이트의 간격이 증가할수록 변위가 최대 26.
- 베이스플레이트의 두께에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 베이스플레이트의 두께를 최소두께에 따른 비로 산정하였다. 이중 베이스플레이트의 최소두께는 도로교 설계기준에서 지정한 단일 베이스플레이트의 최소두께인 25mm의 절반(12.5mm)으로 지정하였으며, 그 두께의 0.5배인 6.25mm, 1배인 12.5mm, 2배인 25mm, 3배인 37.5mm로 베이스플레이트 두께를 변화시켜 해석을 수행하였다.
- 이형철근의 개수에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 원의 각도를 기준으로 90°(4개), 45°(8개), 22.5°(16개)로 이형철근을 대칭 배열하여 해석을 수행하였다.
- 이형철근의 종류에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 이형철근 종류를 SD30, SD40, SD50으로 변화시켜 해석을 수행하였다. 그림 12는 이형철근의 종류에 따른 횡하중-변위관계 그래프이며, 그림 13에서 보는 바와 같이 이형철근의 종류(항복강도)가 SD30에서 SD40으로 증가할 때 변위가 54.
- 해석 모델은 선행연구에서 수행된 실험체(박용명 등, 2005)로써, 실험결과와 해석결과를 비교하여 해석 모델의 정확성과 타당성을 검증하였다.
- 해석 모델의 경계 조건은 실제 실험과 동일한 조건을 적용하기 위하여 콘크리트 기초부의 바닥면을 x, y, z방향의 변위와 회전에 대해 구속하였고, 강재기둥의 상단부에 축하중 P=1180kN으로 고정하고 횡하중 H를 변위제어로 재하하였다.
- 또한 변수들의 영향을 쉽게 비교할 수 있도록 일정 횡하중에서의 변수별 변위 관계를 도출하여 분석하였다. 해석모델의 단순화와 해석 소요시간의 단축을 위해 바깥쪽의 이형철근만을 고려하여 해석변수의 거동특성을 분석하였으며, 해석변수의 표기는 그림 11과 같다.
대상 데이터
- 간격이 180mm인 이중 베이스플레이트 구조 사이에 두께 20mm의 리브를 설치하였으며, 크기가 2000×2000×900mm인 콘크리트 기초부에 직경 22mm인 이형철근 18개를 각각 기둥의 안쪽과 바깥쪽에 800mm의 깊이로 매입하였다.
- 본 해석에 사용된 콘크리트의 물성치는 그림 3과 같이 Mander(1988)가 제안한 구속 상태의 콘크리트와 비구속 상태의 콘크리트로 구분된다. 실험에서 구한 콘크리트의 압축강도를 이용하여 CFT 기둥에 충전된 콘크리트와 기초부의 콘크리트에 각각 구속 상태, 비구속 상태의 콘크리트 응력-변형률 관계식을 적용하였다.
- 표 1은 해석모델에 사용된 재료특성이다. 철근의 항복강도는 인장실험으로 얻은 강도를 사용하였으며, 강재는 SM490의 강도를 적용하였다.
성능/효과
- ② 이형철근의 강종, 개수 및 베이스플레이트의 두께와 기둥의 직경-두께비는 기둥 기초부의 거동에 중요한 설계 변수이며, CFT기둥의 콘크리트 구속여부에 따른 효과는 미비한 것으로 판단된다.
- 또한, 해석시 안쪽의 이형철근의 영향을 판단하기 위하여 안쪽 이형철근을 제외한 모델링을 작성하여 해석을 수행하였다. 그 결과, 안쪽 이형철근의 유무에 따라 횡하중-변위 관계가 큰 차이를 보임을 확인할 수 있으며, 이는 안쪽 이형철근이 본 해석모델에 큰 영향을 미치는 변수임을 알 수 있다.
- 이형철근의 종류에 따른 구조물의 거동을 알아보기 위하여 이형철근 종류를 SD30, SD40, SD50으로 변화시켜 해석을 수행하였다. 그림 12는 이형철근의 종류에 따른 횡하중-변위관계 그래프이며, 그림 13에서 보는 바와 같이 이형철근의 종류(항복강도)가 SD30에서 SD40으로 증가할 때 변위가 54.17% 감소하고 SD40에서 SD50으로 증가할 때 변위가 23.33% 감소함을 확인할 수 있다. 이는 이형철근의 종류가 전체 구조물의 거동에 큰 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- 본 모델의 해석결과, 횡하중이 증가함에 따라 베이스플레이트와 기초부를 연결하는 이형철근이 항복하면서 베이스플레이트 밑단이 축방향으로 들리는 현상이 발생함을 확인할 수 있다. 그림 8은 횡하중에 따른 베이스플레이트의 축방향 변위 관계를 나타낸 그래프로써, 곡선의 기울기가 급격하게 감소하면서 베이스플레이트의 들림현상이 발생함을 알 수 있다.
- 선행연구의 실험체와 해석모델의 횡하중-변위 관계는 그림 7과 같다. 실험결과와 해석결과를 비교해 본 결과, 횡하중-변위 관계가 거의 유사함을 확인할 수 있다. 단, 초기 탄성구간에서 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 선행연구의 실험과정에서는 핀칭현상이 발생하여 실험 초기단계에서 변위가 발생하였고, 해석과정에서는 이형철근의 Slip에 대한 영향을 고려하지 않아 발생된 오차로 판단된다.
- 축하중과 횡하중이 동시에 작용하는 교각 기초부의 전체적인 응력분포 및 형상은 그림 10과 같으며 베이스플레이트 접합부에 응력이 집중됨을 확인할 수 있다. 접합부인 베이스플레이트와 리브 부분을 확대한 그림 9를 보면 알 수 있듯이, 베이스플레이트 연결부분인 이형철근에 가장 큰 응력집중이 발생하고, 베이스플레이트와 리브 부분에도 많은 응력집중이 발생함을 확인할 수 있다.
- 05%정도로 감소함을 확인할 수 있다. 특히 베이스플레이트 두께의 15배인 300mm(q=15) 이상의 간격에서는 그 차이가 매우 미비함을 알 수 있는데 이는 본 연구의 해석모델에서는 이중 베이스플레이트의 간격을 300mm이상으로 사용하는 것이 비효율적일 것으로 판단된다.
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