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문제 정의
- CFRP쉬트로 보강된 실험체는 무보강실험체와 유사한 파괴 거동을 보였으나 바깥쪽으로 국부좌굴이 발생하는 면에 대해 CFRP쉬트의 구속이 발생하였으며, 좌굴의 범위가 확장됨에 따라 CFRP쉬트는 찢어지며 파단(rupture)되었고, 이후 국부 좌굴의 범위가 계속적으로 확대되어 실험체는 최종적으로 파괴되었다. 다만 CFRP쉬트의 보강으로 국부좌굴의 발생시점을 지연시킴을 실험을 통해 확인하였다. Fig.
제안 방법
- 그러나 세장판 사용은 강재량을 절약할 수 있는 장점이 있으나, 상대적으로 큰 폭-두께비로 인해 항복강도 이전에 국부좌굴이 발생하게 되며, 좌굴발생 이후 내력이 크게 저하된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 폭-두께비가 큰 세장판으로 구성된 강관기둥에 FRP쉬트 보강을 통해 국부좌굴을 지연시키고, 탄성좌굴응력의 증대를 통해 압축내력을 증가시킨다. FRP쉬트는 강도와 구조적 성능에 있어 우수한 CFRP를 선택하였다.
- 본 연구에서는 세장판으로 구성된 중공강관기둥에 CFRP 쉬트를 횡방향으로 보강하여 6개의 실험체를 제작하여 중심압축실험을 수행하였다. 또한 극한내력을 예측할 수 있는 내력예측식을 제안하였고, 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
- 실험체 중앙부에 대해 횡방향변위를 측정하기 위해 2개의 LVDT를 횡방향으로 설치하였다. 또한 실험체의 1/3지점과 2/3지점 사이에 각각 종방향과 횡방향으로 스트레인게이지를 각각 2개씩 설치하여 변형률을 측정하였다.
- 본 연구에서는 CFRP쉬트로 보강한 중공강관기둥에 대해 균일압축을 받는 플레이트의 유효폭을 계산하기 위하여 기존의 1.92를 변경한 Table 3의 세 계수(2.32, 2.28, 2.81) 평균값 2.47로 변경한 유효폭 산정식을 제안한다. 감소계수 Q값은 변경된 계수값에 의해 제안된 식 (6)을 이용해 산정한다.
- 본 연구에서는 기존의 진행된 연구(Teng[5], Shatt and Fam[6])와는 달리 세장판으로 구성된 각형강관기둥에 CFRP 보강을 통해 중심압축실험을 수행한다. 건축구조기준 (KBC 2009)[7], 미국 강구조설계기준(AISC LRFD 2010)[8]에서는 강관의 폭-두께비에 따라 콤팩트단면, 비콤팩트단면, 세장판단면으로 구성하고 있다.
- 본 연구에서는 세장판으로 구성된 중공강관기둥에 CFRP 쉬트를 횡방향으로 보강하여 6개의 실험체를 제작하여 중심압축실험을 수행하였다. 또한 극한내력을 예측할 수 있는 내력예측식을 제안하였고, 본 연구에서 도출한 결론은 다음과 같다.
- 3은 실험체 계측 계획도이다. 실험은 2,000kN급 만능시험기(UTM)에서 수행하였으며, 길이방향에 대한 축변위를 측정하기 위해 앤드플레이트 양 모서리에 2개의 LVDT를 설치하였으며 평균값을 축변위로 결정하였다. 실험체 중앙부에 대해 횡방향변위를 측정하기 위해 2개의 LVDT를 횡방향으로 설치하였다.
- 실험은 2,000kN급 만능시험기(UTM)에서 수행하였으며, 길이방향에 대한 축변위를 측정하기 위해 앤드플레이트 양 모서리에 2개의 LVDT를 설치하였으며 평균값을 축변위로 결정하였다. 실험체 중앙부에 대해 횡방향변위를 측정하기 위해 2개의 LVDT를 횡방향으로 설치하였다. 또한 실험체의 1/3지점과 2/3지점 사이에 각각 종방향과 횡방향으로 스트레인게이지를 각각 2개씩 설치하여 변형률을 측정하였다.
- FRP쉬트는 강도와 구조적 성능에 있어 우수한 CFRP를 선택하였다. 실험체는 설계기준집(KBC 2009, AISC기준 등)에서 언급한 비콤팩트단면 이상(본 연구에서는 b/t=40이상) 총 3종류의 판폭두께비 값을 가진 세장판 각형강관에 CFRP를 보강하였으며, 중심축하중실험을 통해 구조적 거동을 관찰하였고, 내력을 통한 보강효과, 초기강성, 연성 등을 비교하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 내력 예측식을 제안하여 실험 결과 값과 비교하여 예측식의 신뢰성을 입증하였다.
- ). 판폭두께비를 변화시키기 위해 두께 2.3mm의 강판으로 강관의 폭을 변화시켜가며 폭두께비를 60에서 100까지 20씩 증가시켜가며 총 3종류의 폭두께비 실험체 6개를 제작하였다. 실험체의 길이는 실험체 폭에 3.
데이터처리
- 실험체는 설계기준집(KBC 2009, AISC기준 등)에서 언급한 비콤팩트단면 이상(본 연구에서는 b/t=40이상) 총 3종류의 판폭두께비 값을 가진 세장판 각형강관에 CFRP를 보강하였으며, 중심축하중실험을 통해 구조적 거동을 관찰하였고, 내력을 통한 보강효과, 초기강성, 연성 등을 비교하였다. 또한 실험결과를 바탕으로 내력 예측식을 제안하여 실험 결과 값과 비교하여 예측식의 신뢰성을 입증하였다.
성능/효과
- (1) 세장판단면의 각형 중강강관에 CFRP쉬트로 횡보강하여 중심압축실험을 수행한 결과 마주보는 두면은 안쪽으로 국부좌굴이 발생하고, 나머지 두면은 바깥쪽으로 국부좌굴이 발생하였다. 또한 국부좌굴의 확장으로 인해 CFRP 쉬트는 파단(rupture)되며 실험체가 파괴되었으나, CFRP 쉬트가 국부좌굴의 발생을 지연시킴을 확인하였다.
- (2) 하중-축변위 곡선에서는 실험체 모두 판폭두께비가 큰 실험체 이어서 항복강도 이전에 국부좌굴의 발생으로 내력이 저하되는 탄성좌굴거동을 보이고 있다.
- (3) 실험분석결과 CFRP쉬트의 보강으로 최대 33%의 내력이 상승하여 보강효과를 검증할 수 있었다. 초기강성은 CFRP쉬트로 보강하여도 10%의 편차로 거의 일정하여 CFRP 보강이 초기상성에 영향을 미치지 못함을 확인하였다.
- Fig 5는 무보강실험체와 보강실험체의 파괴모습을 확대한 것인데, 6개 실험체 모두 Fig 4,5와 같이 실험체 상부 혹은 하부에서 두면은 안쪽면으로 국부좌굴이 발생하고, 나머지 두면은 바깥쪽으로 국부좌굴이 발생하며 파괴되어 세장판으로 구성된 중공강관의 파괴거동은 압축을 받는 콤팩트단면 중공의 파괴거동과 유사하게 나타났다. CFRP쉬트로 보강된 실험체는 무보강실험체와 유사한 파괴 거동을 보였으나 바깥쪽으로 국부좌굴이 발생하는 면에 대해 CFRP쉬트의 구속이 발생하였으며, 좌굴의 범위가 확장됨에 따라 CFRP쉬트는 찢어지며 파단(rupture)되었고, 이후 국부 좌굴의 범위가 계속적으로 확대되어 실험체는 최종적으로 파괴되었다. 다만 CFRP쉬트의 보강으로 국부좌굴의 발생시점을 지연시킴을 실험을 통해 확인하였다.
- , 계산된 DI 값은 Table 2에 정리하였다. DI는 CFRP 보강겹수가 증가함에 따라 일반적으로 감소하는 것으로 나타났으나, SH80-3T 실험체는 기준실험체(SH80-0T) 대비 약 5% 증가하는 것으로 나타났다. CFRP 쉬트의 보강을 통해 내력을 상승시킬 수 있었지만 연성능력은 개선시키지 못함을 확인하였다.
- 강판에 대한 재료시험결과 항복강도는 288MPa, 인장강도는 371MPa이며, 연신율은 33%이다. CFRP는 평균두께는 0.
- 초기강성은 CFRP쉬트로 보강하여도 10%의 편차로 거의 일정하여 CFRP 보강이 초기상성에 영향을 미치지 못함을 확인하였다. 그러나 연성능력(DI)은 보강 시 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 세장판 단면은 단면에 비해 상대적으로 강재량은 적어 CFRP쉬트로 보강 시 강재는 연성거동을 하지 못하고, CFRP의 재료적 취성적인 성질로 연성능력이 감소한 것으로 사료된다.
- (1) 세장판단면의 각형 중강강관에 CFRP쉬트로 횡보강하여 중심압축실험을 수행한 결과 마주보는 두면은 안쪽으로 국부좌굴이 발생하고, 나머지 두면은 바깥쪽으로 국부좌굴이 발생하였다. 또한 국부좌굴의 확장으로 인해 CFRP 쉬트는 파단(rupture)되며 실험체가 파괴되었으나, CFRP 쉬트가 국부좌굴의 발생을 지연시킴을 확인하였다.
- 그러나 CFRP쉬트로 보강된 각형강관기둥에 대해서는 기존 기준식을 그대로 적용할 수 없으므로 본 연구에서 제안한 유효폭 식 (6), (7)을 토대로 산정하여 압축내력 값과 실험값과의 비교를 Fig 9에 나타내었다. 본 연구에서 제안한 유효폭 계수 2.47을 사용하여 제안식과 실험값과 비교한 결과 평균 0.99, 표준편차 0.12로서, 본 연구에서 제안한 압축내력식 식 (6), (7)은 실험값과 근접함을 보여 매우 좋은 대응을 보이고 있다. 판폭두께비 60, 80 실험체는 제안 식과 실험값의 비가 0.
- 본 연구내용과 비슷한 속이 빈 중공강관의 FRP보강효과에 대한 연구내용을 요약하면, Teng[5]은 GFRP로 보강된 단주원형 강관에 대한 중심축하중 실험을 수행하였다. 실험결과 횡방향 보강을 통해 바깥방향의 국부좌굴을 GFRP의 구속력을 통해 지연시켜 보강효과를 검증할 수 있었다. Shatt and Fam[6]은 HSS(Hollow Square Section)강관의 단주에 대해서는 횡방향으로 장주에 대해서는 길이방향으로 각각 CFRP를 보강하여 중심압축실험을 수행하였으며, 단주의 경우 CFRP의 구속으로 인해 좌굴을 지연시켜 내력을 상승시킬 수 있었다.
- Table 2에는 실험결과를 통해 얻은 최대내력, 초기강성, 연성 값 들을 정리하였다. 실험체의 최대내력은 CFRP의 보강을 통해 판폭두께비 별로 각각 27%, 25%, 35% 상승시킴을 확인하였다. 이는 판폭두께비가 큰 실험체는 상대적으로 국부좌굴에 취약하여 내력이 항복강도에 도달하지 못하고 저하되는 탄성좌굴거동을 보여주고 있으나, CFRP쉬트의 보강을 통해 국부좌굴을 지연시키고 이로 인해 탄성좌굴응력(Elastic buckling stress)을 상승시켜 내력을 증가시킬 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
- 실험체의 최대내력은 CFRP의 보강을 통해 판폭두께비 별로 각각 27%, 25%, 35% 상승시킴을 확인하였다. 이는 판폭두께비가 큰 실험체는 상대적으로 국부좌굴에 취약하여 내력이 항복강도에 도달하지 못하고 저하되는 탄성좌굴거동을 보여주고 있으나, CFRP쉬트의 보강을 통해 국부좌굴을 지연시키고 이로 인해 탄성좌굴응력(Elastic buckling stress)을 상승시켜 내력을 증가시킬 수 있음을 실험을 통해 확인하였다.
- 47로 하며 유효폭 산정식은 식 (6)과 같다. 이를 토대로 극한 압축내력을 산정하였으며, 실험결과와 제안식의 결과를 비교한 결과 근접한 것으로 나타나 제안식은 신뢰가 있는 것으로 판단된다.
- 초기강성(Initial Stiffness)은 Table 2의 결과와 같이 기준 실험체 대비 10% 내외 증가 혹은 감소하는 것으로 나타났으며, CFRP 보강이 초기강성에는 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 연성(Ductility)은 항복점(δy)과 파괴점(δu)의 비율로 정의하며 이는 식 (3)에 나타냈으며 DI(Ductility index)로 정의한다[10].
- (3) 실험분석결과 CFRP쉬트의 보강으로 최대 33%의 내력이 상승하여 보강효과를 검증할 수 있었다. 초기강성은 CFRP쉬트로 보강하여도 10%의 편차로 거의 일정하여 CFRP 보강이 초기상성에 영향을 미치지 못함을 확인하였다. 그러나 연성능력(DI)은 보강 시 감소하는 것으로 나타났는데, 이는 세장판 단면은 단면에 비해 상대적으로 강재량은 적어 CFRP쉬트로 보강 시 강재는 연성거동을 하지 못하고, CFRP의 재료적 취성적인 성질로 연성능력이 감소한 것으로 사료된다.
- 12로서, 본 연구에서 제안한 압축내력식 식 (6), (7)은 실험값과 근접함을 보여 매우 좋은 대응을 보이고 있다. 판폭두께비 60, 80 실험체는 제안 식과 실험값의 비가 0.93, 0.94(중공강관의 경우), 0.93, 0.91 (CFRP보강된 중공강관의 경우)로 과소평가되며 안전측에 속하였으나, 판폭두께비 100의 실험체는 제안식과 실험값의 비가 각각 1.07, 1.13으로 과대평가 된 것으로 나타났다.
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