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문제 정의
- 반면 앵글에 용접되는 횡방향 후프근 및 띠근은 기둥에 작용하는 전단력에 대한 저항, 앵글과 콘크리트 사이의 부착력 확보, 피복 콘크리트 탈락 시 앵글 및 종방향 철근 좌굴 저항, 내진설계시 콘크리트 구속을 통한 변형능력 증진 등 중요한 역할을 한다. 본 연구는 앵글 조립 PSRC 합성기둥 부재의 구조성능검증을 위한 기초적인 연구로서, 중심축 압축실험을 통하여 PSRC 합성기둥의 압축성능을 평가하였다. 이를 위하여 2/3축소 PSRC 기둥 실험체 5개와 기존 SRC 기둥 실험체 1개를 제작하여 중심축 압축실험을 수행하고, 강도, 강성, 변형 능력을 분석하였다.
- 앵글을 이용한 선조립 합성기둥(PSRC 합성기둥)의 구조성능을 검증하기 위한 기초 연구로서, 본 연구에서는 PSRC 합성기둥 부재에 대한 중심축 압축실험을 수행하였다. PSRC 합성기둥은 종방향의 앵글 및 철근과 횡방향 철근을 공장용접 하여 시공 중 자립이 가능한 조립기둥 부재를 제작한 다음, 거푸집 설치 및 콘크리트 타설을 통하여 실험체를 제작하였다.
제안 방법
- 앵글을 이용한 선조립 합성기둥(PSRC 합성기둥)의 구조성능을 검증하기 위한 기초 연구로서, 본 연구에서는 PSRC 합성기둥 부재에 대한 중심축 압축실험을 수행하였다. PSRC 합성기둥은 종방향의 앵글 및 철근과 횡방향 철근을 공장용접 하여 시공 중 자립이 가능한 조립기둥 부재를 제작한 다음, 거푸집 설치 및 콘크리트 타설을 통하여 실험체를 제작하였다. 기존 H형강 적용 합성기둥과 앵글 적용 PSRC 합성기둥의 중심축 압축 저항성능을 비교하고, 횡방향 철근의 수직 간격이 기둥의 압축저항성능에 미치는 영향을 평가하였다.
- 36 %, Hydrogen Control Method)를 고려하여 60 - 160℃의 예열이 필요하다(ANSI/AWS, 2010). 그러나 본 연구에서는 단순 중심축 압축실험으로서 용접부에 요구되는 인장강도 및 인성이 크지 않으므로, 실험체 제작 시 별도의 예열작업 없이 겨울철 작업장 상온(0℃) 에서의 용접작업을 통하여 실험체를 제작하였다. 본 연구에서는 SM재 앵글 L - 90 x 90 x 7 수급이 어려워 불가피하게 SS540 앵글을 사용하였으나, 실제 건축구조용 PSRC 합성 기둥에는 용접성이 확보된 SM 및 SN 강재를 사용하는 것이 바람직하다.
- 기둥 실험체의 높이는 Hc = 1,500 mm이었지만 지그로 인하여 실제 가력점과 지지점 사이의 유효 높이는 He = 1,820 mm이다. 기둥 상ㆍ하 강판의 네 모서리에 LVDT 변위계를 설치하여 실험체의 축방향 수직 변위를 계측하였고, 중간 높이에서 피복콘크리트 탈락에 의한 면외방향 변위(수평 변위)를 계측하였다. 또한 변형률 게이지를 통하여 콘크리트 내부의 횡방향 철근의 변형률을 계측하였다.
- 기둥 실험체의 상부와 하부에는 가력 시 발생할 수 있는 콘크리트 국부손상을 방지하기 위하여, 지압면은 25 mm 두께의 강판(SS400)으로 보강하였고, 측면은 150 mm 높이에 걸쳐 두께 12 mm의 각관(B - 400 ×400 × 12, SS400)으로 횡보강하였다.
- 그림 6은 기둥 실험체의 압축력-변형률 관계를 보여준다. 기둥의 압축력은 UTM 가력하중을 나타내고, 압축 변형률은 4개의 종방향 LVDT 변위계로 계측한 압축변형의 평균값을 기둥 순높이(Hc - 50 mm)로 나누어 구하였다(그림 5 참조). 표 2에 각 실험체의 최대하중 Pu , 최대 하중점에서의 압축변형률 εo , 파괴변형률 εu , 초기 축강성 Ki , 최대하중 이후 축강성 Kp (post-peak axial stiffness) 등을 나타냈다.
- PSRC 합성기둥은 종방향의 앵글 및 철근과 횡방향 철근을 공장용접 하여 시공 중 자립이 가능한 조립기둥 부재를 제작한 다음, 거푸집 설치 및 콘크리트 타설을 통하여 실험체를 제작하였다. 기존 H형강 적용 합성기둥과 앵글 적용 PSRC 합성기둥의 중심축 압축 저항성능을 비교하고, 횡방향 철근의 수직 간격이 기둥의 압축저항성능에 미치는 영향을 평가하였다. 주요한 실험 결과는 다음과 같다.
- 기둥 상ㆍ하 강판의 네 모서리에 LVDT 변위계를 설치하여 실험체의 축방향 수직 변위를 계측하였고, 중간 높이에서 피복콘크리트 탈락에 의한 면외방향 변위(수평 변위)를 계측하였다. 또한 변형률 게이지를 통하여 콘크리트 내부의 횡방향 철근의 변형률을 계측하였다.
- 표 1과 그림 2는 각각 SRC 및 PSRC 합성기둥 실험체의 실험변수와 제작도면을 보여준다. 실험변수는 강재 단면 형상 (H형강 및 앵글), 강재비 (기둥 단면 크기), 띠철근 간격이다. S1, S2, S3, S4 실험체의 기둥 단면 크기는 500 mm ×500 mm이고, S5 및 S6 실험체의 기둥 단면 크기는 400 mm × 400 mm이다.
- 앵글을 적용한 단면의 압축 강도 발현 및 최대하중 이후 피복콘크리트의 탈락에 의한 강도저하 거동을 분석하기 위하여, 재료의 비선형 응력-변형률 관계를 사용하여 SRC 및 PSRC 합성기둥 실험체의 단면해석을 수행하였다. 중심축 압축하중을 받는 합성기둥의 단면 압축저항 P(ε)은 강재, 철근, 콘크리트의 압축저항을 합하여 계산할 수 있다.
- 본 연구는 앵글 조립 PSRC 합성기둥 부재의 구조성능검증을 위한 기초적인 연구로서, 중심축 압축실험을 통하여 PSRC 합성기둥의 압축성능을 평가하였다. 이를 위하여 2/3축소 PSRC 기둥 실험체 5개와 기존 SRC 기둥 실험체 1개를 제작하여 중심축 압축실험을 수행하고, 강도, 강성, 변형 능력을 분석하였다.
- 콘크리트 횡보강을 위하여 KBC 2009 기준에 맞추어 SD400 철근 4-D19를 단면의 모서리에 종방향으로 배치하고(철근비 0.5 %), 횡방향 후프근으로 SD400 D10 철근을 수직 간격 200 mm (≤ 0.5h , h = 기둥 단면의 최소 치수) 로 배치하였다.
- 또한 S1과 동등한 성능 비교를 위하여 종방향 철근 4-D19를 앵글 사이에 배치하였다. 횡방향 보강 근으로서 D10 철근 4개(길이 390 mm)를 앵글의 바깥쪽 표면에 용접하여 앵글을 후프형으로 감싸고, 종방향 철근을 잇는 2개의 횡방향 띠근을 십자형으로 설치하였다. 횡방향 철근의 수직 간격은 200 mm로 S1과 동일하다.
- 횡방향 보강근으로 D10 철근 4개(길이 390 mm)를 용접하여 앵글을 후프형으로 감쌌다. 횡방향 보강 근의 간격에 따른 콘크리트 횡구속 효과 및 연성능력을 비교 하기 위하여, S3와 S4 실험체의 횡방향 보강근 수직 간격을 각각 100 mm 및 200 mm로 사용하였다.
대상 데이터
- S1은 일반적인 SRC 합성기둥 실험체로서 단면의 중앙에 SM490 H - 155 × 150 × 10 × 12 형강(강재비 2.0 %)이 사용되었다.
- 그림 3은 재료실험으로 구한 SM490 H형강, SS540 앵글, SD400 철근의 응력-변형률 관계를 보여주는데, 실험에 사용된 H형강, 앵글, 철근으로부터 직접 시료를 구하여 재료실험을 수행하였다. SM490 강재의 항복강도와 연신률은 각각 383 MPa 및 27 %이고, SS540 강재의 항복강도 및 연신률은 각각 444 MPa 및 17 %로 나타났다.
- 4-98에 제시된 Flare-BevelGroove 용접 이음을 사용하였다. 용접재료는 사르피노치인성(86 joule@ 0℃)값을 만족하는 FCAW 용접재 YFWC50DR(FEX X = 584 MPa)를 사용하였다. PSRC 합성기둥 실험체에 사용한 SS540 강재는 탄소당량이 높은 비용접용 강재이므로 원칙적으로 주요 구조재로 사용하는 경우 용접을 할 수 없고, 용접을 하더라도 SS540 강재의 높은 용접 감수성지수(Pcm = 0.
이론/모형
- 1997 등에 의하여 횡철근으로 구속된 콘크리트를 위한 다양한 재료모델이 개발되었다. 본 연구에서는 간편하면서도 본 실험 결과와 잘 일치되는 결과를 보인 Hoshikuma et al(1997)의 횡구속 모델을 사용하여 단면해석을 수행하였다. Hoshikuma 등에 의하면, 횡구속 콘크리트의 압축응력-변형률 관계는 다음과 같이 정의된다.
- 설계기준(KBC 2009, AISC 360-10)에 따라 구한 공칭 압축강도 Pn 을 표 2에 나타냈다. 공칭 압축강도 Pn 은 다음과 같이 구하였다.
성능/효과
- (1) PSRC 합성기둥 실험체는 대체로 KBC 2009의 합성구조 설계기준에 제시된 공칭 압축강도를 상회하는 하중재하능력을 보였다.
- (2) PSRC 합성기둥의 경우 앵글이 피복 콘크리트의 면외방향 변위를 억제하므로, 큰 압축력 하에서 피복콘크리트의 수직균열 제어에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 앵글에 의한 추가적인 콘크리트 횡구속으로 인하여, H형 강을 사용한 기존 SRC 합성기둥에 비하여 최대강도 이후의 강도저하가 완만히 진행되었고, 궁극적으로 압축부재의 변형능력이 향상되었다.
- (3) 기존 철근콘크리트 압축재에 대하여 제안된 횡보강 콘크리트의 비선형 응력-변형률 관계를 사용한 단면해석 결과는 실험결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.
- H형강과 SD400 철근을 사용한 기존 SRC 합성기둥 실험체 S1은 압축변형률 εo = 0.0025에서 최대하중 Pu =7,612 kN을 발휘하였고, εu = 0.0041의 압축변형률에서 최대하중의 75%로 하중재하능력이 저하되어 파괴되었다(그림 6
- 그림 3은 재료실험으로 구한 SM490 H형강, SS540 앵글, SD400 철근의 응력-변형률 관계를 보여주는데, 실험에 사용된 H형강, 앵글, 철근으로부터 직접 시료를 구하여 재료실험을 수행하였다. SM490 강재의 항복강도와 연신률은 각각 383 MPa 및 27 %이고, SS540 강재의 항복강도 및 연신률은 각각 444 MPa 및 17 %로 나타났다. 또한 SD400철근인 D19의 항복강도 및 연신률은 각각 523 MPa 및 18%이고, D10의 항복강도 및 연신률은 각각 522 MPa 및 20%로 나타났다.
- SRC 합성기둥 실험체 S1은 초기부터 콘크리트 면외방향 변형이 크게 증가하는 경향을 보인 반면, 고강도 앵글을 사용한 PSRC 실험체 S2-S6의 면외방향 수평변위는 최대하중(Pu )이 재하되는 압축변형률 εo = 0.0021 - 0.0033 이후에 급격히 증가하는 경향을 보였다.
- )을 보였다. 그림 2에 나타난 바와 같이 기둥 단면의 중앙에 H형강을 배치하는 기존 SRC 부재와 달리, PSRC 부재는 앵글의 단면의 네 모서리에 배치하고 횡방향 철근을 용접하여 결속시키므로 앵글이 단면 중심부의 콘크리트 횡보강에 기여할 수 있고, 따라서 PSRC 기둥부재의 변형능력이 보다 향상된 것으로 판단된다. 또한 횡방향 철근의 간격을 200 mm에서 100 mm로 촘촘히 배근한 경우에 최대하중(Pu )과 변형능력(εu )이 더욱 증가하는 경향을 나타냈다.
- SM490 강재의 항복강도와 연신률은 각각 383 MPa 및 27 %이고, SS540 강재의 항복강도 및 연신률은 각각 444 MPa 및 17 %로 나타났다. 또한 SD400철근인 D19의 항복강도 및 연신률은 각각 523 MPa 및 18%이고, D10의 항복강도 및 연신률은 각각 522 MPa 및 20%로 나타났다. 재료시험에 의한 항복강도와 연신률은 표 1에 정리하여 나타냈다.
- 그러나 S2를 제외한 모든 SRC 및 PSRC 기둥 실험체에서는 최대강도에 도달 하기 이전에 피복콘크리트의 박리로 진전되지는 않았다. 또한 기존 SRC 및 앵글을 사용한 PSRC 합성기둥 사이의 콘크리트 균열 양상에는 큰 차이가 나타나지 않았고, 강재비, 횡방향 철근의 간격 등에 따른 파괴양상의 차이도 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 본 실험에서 사용한 PSRC 합성기둥의 앵글 경계면에서 피복 콘크리트의 분리가 조기에 발생하지 않았음을 가리킨다.
- (2) PSRC 합성기둥의 경우 앵글이 피복 콘크리트의 면외방향 변위를 억제하므로, 큰 압축력 하에서 피복콘크리트의 수직균열 제어에 효과적인 것으로 나타났다. 또한 앵글에 의한 추가적인 콘크리트 횡구속으로 인하여, H형 강을 사용한 기존 SRC 합성기둥에 비하여 최대강도 이후의 강도저하가 완만히 진행되었고, 궁극적으로 압축부재의 변형능력이 향상되었다.
- 또한 콘크리트 횡보강 효과로 인하여 εu =0.0075의 큰 변형능력을 보였다.
- 또한 횡방향 철근의 간격을 200 mm에서 100 mm로 촘촘히 배근한 경우에 최대하중(Pu )과 변형능력(εu )이 더욱 증가하는 경향을 나타냈다.
- 본 연구에서 개발한 앵글 적용 선조립 합성기둥이 KBC 2009에 의한 압축 성능 이상을 발휘하고 기존 H형강 적용 합성기둥과 비교하여 압축 강도 및 최대강도 이후 변형능력이 우수한 것으로 나타났다. 향후 PSRC 합성기둥을 현장에 적용하기 위해서는, 휨 또는 휨-압축을 받는 PSRC 합성기둥의 구조성능에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 또한 기존 SRC 및 앵글을 사용한 PSRC 합성기둥 사이의 콘크리트 균열 양상에는 큰 차이가 나타나지 않았고, 강재비, 횡방향 철근의 간격 등에 따른 파괴양상의 차이도 관찰되지 않았다. 이러한 결과는 본 실험에서 사용한 PSRC 합성기둥의 앵글 경계면에서 피복 콘크리트의 분리가 조기에 발생하지 않았음을 가리킨다. 그러나 보다 큰 사이즈의 앵글과 기둥이 사용되는 경우에는 앵글면에서의 피복콘크리트의 조기박리가 검증되어야 한다.
- 표 2에 나타난 바와 같이, 전체적으로 고강도 앵글을 적용한 PSRC 합성기둥 실험체에서는 기존 SRC 실험체보다 향상된 변형능력(εu )을 보였다.
후속연구
- 또한 횡방향 철근의 간격을 200 mm에서 100 mm로 촘촘히 배근한 경우에 최대하중(Pu )과 변형능력(εu )이 더욱 증가하는 경향을 나타냈다. 본 실험에서 언급된 앵글의 횡구속 효과는 강재비 =2.0 - 3.1 %, 표면에 대한 앵글의 표면적비 = 45 - 60 %, 횡철근비 = 0.17 - 0.35 %에 대한 실험결과이며, 앵글에 대한 설계변수가 달라지는 경우에는 실험이나 해석에 의한 추가적인 검증이 필요하다.
- 그러나 기존의 횡보강 모델은 철근콘크리트 압축부재에 근거하고 있어서 PSRC 합성기둥의 횡구속 콘크리트 면적 증가는 고려하지 못한다. 이로 인하여 PSRC 합성기둥에 대해서는 연성능력을 다소 과소평가하기 때문에 PSRC 합성기둥에서 횡구속 콘크리트 면적 증가를 고려할 수 있는 예측방법에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
- 본 연구에서 개발한 앵글 적용 선조립 합성기둥이 KBC 2009에 의한 압축 성능 이상을 발휘하고 기존 H형강 적용 합성기둥과 비교하여 압축 강도 및 최대강도 이후 변형능력이 우수한 것으로 나타났다. 향후 PSRC 합성기둥을 현장에 적용하기 위해서는, 휨 또는 휨-압축을 받는 PSRC 합성기둥의 구조성능에 대한 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다. 특히, 전단력을 받는 경우 앵글과 콘크리트, 띠철근 사이의 하중 전달이 연구되어야 한다.
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