연결보를 가진 전단벽 시스템은 벽체의 개별 강성을 합산한 것보다 훨씬 큰 강성을 확보할 수 있기 때문에 효율적인 횡력저항시스템으로서 40층 이하의 중 고층 건물에 널리 적용되고 있다. 일반적으로 사용되는 철근콘크리트 연결보는 철근배근이 복잡해 시공성이 저하되고, 철골연결보의 경우에는 과도한 스티프너의 사용으로 인해 경제성이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이 연구에서는 철근콘크리트와 철골부재를 합성하여 시공성 및 경제성을 개선하고 단면크기를 줄일 수 있는 불연속웨브가 적용된 프리스트레스트 합성연결보를 개발하였다. 개발한 프리스트레스트 합성 연결보의 구조적인 성능을 검증하기 위해서 전단철근비를 주요 변수로 두 개의 실험체를 제작하여 반복하중실험을 수행하였으며, 실험결과는 제안된 연결보의 내진성능을 검증하였다.
연결보를 가진 전단벽 시스템은 벽체의 개별 강성을 합산한 것보다 훨씬 큰 강성을 확보할 수 있기 때문에 효율적인 횡력저항시스템으로서 40층 이하의 중 고층 건물에 널리 적용되고 있다. 일반적으로 사용되는 철근콘크리트 연결보는 철근배근이 복잡해 시공성이 저하되고, 철골연결보의 경우에는 과도한 스티프너의 사용으로 인해 경제성이 저하된다는 단점을 가지고 있다. 따라서, 이 연구에서는 철근콘크리트와 철골부재를 합성하여 시공성 및 경제성을 개선하고 단면크기를 줄일 수 있는 불연속웨브가 적용된 프리스트레스트 합성연결보를 개발하였다. 개발한 프리스트레스트 합성 연결보의 구조적인 성능을 검증하기 위해서 전단철근비를 주요 변수로 두 개의 실험체를 제작하여 반복하중실험을 수행하였으며, 실험결과는 제안된 연결보의 내진성능을 검증하였다.
The shear wall system with coupling beams has been known as an effective means for moderate and high rise buildings up to 40 stories, because this structural system can provide the enhanced lateral stiffness compared to individual shear walls. Typical reinforced concrete coupling beams have difficul...
The shear wall system with coupling beams has been known as an effective means for moderate and high rise buildings up to 40 stories, because this structural system can provide the enhanced lateral stiffness compared to individual shear walls. Typical reinforced concrete coupling beams have difficulties in construction due to complicated reinforcing work on site, and steel coupling beams also have disadvantages in economical point of view because of a large number of stiffeners required for its stability under lateral loading. To overcome these disadvantages in existing coupling beam systems, this study developed the prestressed composite coupling beam with discontinuous webs, which have improved constructability, economic feasibility, and reduced sectional size. The reversed cyclic loading test on two prestressed composite coupling beams with discontinuous webs having different shear reinforcement ratios have been conducted to investigate their structural performances, and test results showed that the proposed composite coupling beams had good seismic performances.
The shear wall system with coupling beams has been known as an effective means for moderate and high rise buildings up to 40 stories, because this structural system can provide the enhanced lateral stiffness compared to individual shear walls. Typical reinforced concrete coupling beams have difficulties in construction due to complicated reinforcing work on site, and steel coupling beams also have disadvantages in economical point of view because of a large number of stiffeners required for its stability under lateral loading. To overcome these disadvantages in existing coupling beam systems, this study developed the prestressed composite coupling beam with discontinuous webs, which have improved constructability, economic feasibility, and reduced sectional size. The reversed cyclic loading test on two prestressed composite coupling beams with discontinuous webs having different shear reinforcement ratios have been conducted to investigate their structural performances, and test results showed that the proposed composite coupling beams had good seismic performances.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
이 연구에서는 철골부재와 콘크리트의 합성효과를 극대화하고, 프리스트레스 도입효율을 높이기 위해서 웨브의 형태를 불연속으로 제작하여 아코디언효과를 활용한 프리스트레스트 (prestressed, 이하 PS) 불연속웨브합성연결보를 개발하였다.
이 연구에서는 불연속웨브가 적용된 PS합성연결보 실험체 2개를 제작하여 횡력저항성능을 평가하였다. 실제 1 개의 실험체가 제작되었으며, 전단벽을 중심으로 양쪽에 다른 상세를 적용하여 2개의 실험체가 되도록 하였다 (Fig.
이 연구에서는 기존의 RC연결보와 철골연결보를 보완하고 프리스트레스 도입효율과 합성효과를 높일 수 있도록 불연속웨브를 가진 프리스트레스트 합성연결보를 개발하였다. 개발된 PS합성연결보의 구조성능을 평가하기 위해서 전단철근량을 변수로 한 2개의 실험체에 대하여 반복하중실험을 실시하였으며, 실험결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
이 연구에서는 철골부재와 콘크리트의 합성효과를 극대화하고, 프리스트레스 도입효율을 높이기 위해서 웨브의 형태를 불연속으로 제작하여 아코디언효과를 활용한 프리스트레스트 (prestressed, 이하 PS) 불연속웨브합성연결보를 개발하였다. 개발된 PS 연결보의 구조성능을 검증하기 위해서 합성보의 횡방향 철근량을 주요변수로하여 2개의 실험체를 제작하여 내진 성능을 평가하였다.
이 연구에서는 불연속웨브가 적용된 PS합성연결보 실험체 2개를 제작하여 횡력저항성능을 평가하였다. 실제 1 개의 실험체가 제작되었으며, 전단벽을 중심으로 양쪽에 다른 상세를 적용하여 2개의 실험체가 되도록 하였다 (Fig. 3 참고). Table 1에 나타낸 바와 같이 PS합성연결보에 배치된 전단철근량을 1%와 0.
콘크리트의 압축강도를 측정하기 위하여 높이가 200 mm, 지름이 Φ100 mm 원형실린더공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다.
Fig. 4(a)에 보이는 바와 같이 실험체의 기초판을 강봉으로 반력바닥에 견고하게 고정하였으며, 합성보의 극한 하중까지 가력철물, 강봉, 고정볼트 등의 고정철물들은 모두 탄성구간에 있도록 설계되었다. 500 kN Actuator를 사용하여 벽체에 미리 400 kN의 축력을 도입하여 일 정하게 유지하였으며, PS합성연결보의 내진성능평가를 위하여 벽체의 외단에서 950 mm 떨어진 곳에 1000 kN Actuator를 설치하여 반복주기하중(reversed cyclic loading) 을 도입하였다.
4(a)에 보이는 바와 같이 실험체의 기초판을 강봉으로 반력바닥에 견고하게 고정하였으며, 합성보의 극한 하중까지 가력철물, 강봉, 고정볼트 등의 고정철물들은 모두 탄성구간에 있도록 설계되었다. 500 kN Actuator를 사용하여 벽체에 미리 400 kN의 축력을 도입하여 일 정하게 유지하였으며, PS합성연결보의 내진성능평가를 위하여 벽체의 외단에서 950 mm 떨어진 곳에 1000 kN Actuator를 설치하여 반복주기하중(reversed cyclic loading) 을 도입하였다. 도입되는 주기하중의 이력은 Fig.
Fig. 5(a)와 (b)에 나타낸 것과 같이 콘크리트를 타설하기 이전에 미리 철골보와 철근에 최대 5 mm 용량의 스트레인 게이지(strain gauge)를 설치하여 실험체의 변형률을 측정하였다. Fig.
5(d)에는 철근에 부착된 게이지의 설치모습을 나타내었으며, 횡방 향철근의 콘크리트 구속효과를 평가하기 위하여 벽체와 합성보의 경계면에 게이지를 집중배치하였으며, 각 하중에서 높이에 따른 변형률의 분포를 알아보기 위해서 상하부 철근에도 추가적으로 배치되었다. 철골보 및 긴장재에 부착된 스트레인 게이지는 파형철골보에 프리스트레스를 도입하기 이전에 부착하였으며, 프리스트레스 도입과정 전후로 측정값을 기록하고, 하중가력시에는 측정된 변형률의 초기값을 정확히 조정하여 프리스트레스 도입에 의한 변형률과 하중가력에 의한 변형률을 구분할 수 있도록 하였다.
Fig. 6(a)와 (b)에 나타낸 것과 같이 합성연결보 하부에서 50 mm 떨어진 부분의 벽체에 180 mm 간격으로 매립형 콘크리트게이지를 설치하여 합성연결보가 반복하 중을 받을 때 콘크리트 벽체내부에서 발생되는 변형률을 측정할 수 있도록 하였다. Fig.
Fig. 6(a)와 (c)에 나타낸 것과 같이 부재의 수직변위을 계측하기 위하여 100 mm 용량의 LVDT 3개를 합성보의 하부에 설치하였으며, 벽체 상부에 1개의 LVDT를 설치하여 벽체의 횡변위를 측정 하였다. 모든 계측장치에서 측정된 데이터는 실험실 중앙에 설치된 데이터로거에 수집되었으며, 매 하중단계마다 균열양상을 관측하여 실험체에 직접 기입하여 나타내었다.
7(a)에 나타낸 것과 같이 유압잭을 이용하여 강선에 긴장력을 도입하였다. 앞서 언급된 바와 같이 인장강도의 75%(0.75fpy)인 137 kN을 목표도입 프리스트레싱력으로 설정하였다. 이때, 긴장력을 한번에 도입하면 편심하중으로 인하여 면외방향으로 부재에 큰 변형이 발생할 수 있기 때문에 Fig.
이때, 긴장력을 한번에 도입하면 편심하중으로 인하여 면외방향으로 부재에 큰 변형이 발생할 수 있기 때문에 Fig. 7(b)에 나타낸 순서대로 한쪽 강선에 목표 프리스트레싱력의 1/2을 도입하고 반대 방향에 긴장력을 도입하는 방식으로 진행하였다. 철골보의 길이가 짧기 때문에 정착장치의 활동에 의한 긴장력 손실이 상대적으로 커서 불연속웨브 철골보에 도입된 프리스트레싱력은 97.
개발된 PS합성연결보의 구조성능을 평가하기 위해서 전단철근량을 변수로 한 2개의 실험체에 대하여 반복하중실험을 실시하였으며, 실험결과를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
대상 데이터
불연속웨브철골보의 경우 상⋅하부플랜지 의 두께는 12 mm이며, 웨브에는 12 mm와 6 mm 두께 의 철판을 반복적으로 배치하여 불연속웨브를 제작하였다. 콘크리트와 합성전 불연속웨브철골보의 높이는 374 mm, 폭은 240 mm, 전체 길이는 3450 mm로 제작되었다. 콘크리트와 합성후 합성연결보의 높이는 470 mm, 폭은 300 mm이고, Fig.
75fpu이며(fpu는 긴장재의 인장강도), 이는 137 kN에 해당되는 도입력이다. 벽체를 포함한 실험체의 전 체 높이는 1450 mm이고, 길이는 총 3450 mm이며, 합성연결보, 벽체 및 기초판으로 이루어져 있다. 기초부분과 벽체부분의 높이는 각각 350 mm와 1100 mm이며, 벽체와 기초판의 길이는 각각 1000 mm와 1600 mm이다.
벽체를 포함한 실험체의 전 체 높이는 1450 mm이고, 길이는 총 3450 mm이며, 합성연결보, 벽체 및 기초판으로 이루어져 있다. 기초부분과 벽체부분의 높이는 각각 350 mm와 1100 mm이며, 벽체와 기초판의 길이는 각각 1000 mm와 1600 mm이다.
실험체의 합성연결보와 벽체는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 기초부분은 2종 고로슬래그 시멘트를 사용하였다. 합성연결보와 벽체 콘크리트의 물-시멘트 비는 43.
실험체의 합성연결보와 벽체는 1종 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며, 기초부분은 2종 고로슬래그 시멘트를 사용하였다. 합성연결보와 벽체 콘크리트의 물-시멘트 비는 43.5%, 굵은 골재는 최대치수가 25 mm인 화강암 쇄석이 사용되었다. 기초부분의 콘크리트는 물-시멘트 비 43%, 굵은 골재는 최대치수 20 mm인 화강암 쇄석이 사용되었다.
5%, 굵은 골재는 최대치수가 25 mm인 화강암 쇄석이 사용되었다. 기초부분의 콘크리트는 물-시멘트 비 43%, 굵은 골재는 최대치수 20 mm인 화강암 쇄석이 사용되었다. 보와 벽체의 콘크리트 설계강도는 50 MPa, 실험체 바닥판 콘크리트의 설계강도는 70 MPa로 계획되었으며, 콘크리트 배합표는 Table 2에 나타낸 바와 같다.
불연속웨브가 적용된 철골보 제작에 사용된 12 mm와 6 mm 강판의 항복강도는 각각 340 MPa, 281 MPa이며, 긴장재는 인장강도 1860 MPa인 ∅12.7 mm-7 연선 저이완긴장재를 사용하였다.
6(a)와 (c)에 나타낸 것과 같이 부재의 수직변위을 계측하기 위하여 100 mm 용량의 LVDT 3개를 합성보의 하부에 설치하였으며, 벽체 상부에 1개의 LVDT를 설치하여 벽체의 횡변위를 측정 하였다. 모든 계측장치에서 측정된 데이터는 실험실 중앙에 설치된 데이터로거에 수집되었으며, 매 하중단계마다 균열양상을 관측하여 실험체에 직접 기입하여 나타내었다.
이론/모형
콘크리트의 압축강도를 측정하기 위하여 높이가 200 mm, 지름이 Φ100 mm 원형실린더공시체를 제작하여 실험체와 동일한 조건에서 양생하였다. 콘크리트의 압축 강도시험은 KS F 2405에 근거하여 실시되었으며, 압축강도 실험결과는 Table 3에 나타낸 바와 같다. 기초판, 합성 보 및 벽체의 콘크리트최대압축변형률(∊cu)은 약 0.
7 mm-7 연선 저이완긴장재를 사용하였다. 강재 및 긴장재의 인장실험은 KS B 0802에 근거하여 수행되었으며, 인장시편 시험결과는 Table 3에 나타낸 바와 같다.
성능/효과
불연속웨브에서 발생되는 아코디언효과로 인하여 웨브에는 거의 변형이 일어나지 않았고, 상⋅하부플랜지의 압축변형률은 일반적인 wide flange 형강에 비해서 약 30%정도의 프리스트레스 도입효율이 향상되었음을 확인할 수 있다.
처짐이 30 mm 일 때 최대하중 798 kN에 도달하였으며, 벽체와 연결된 부분의 연결보 부분에서 집중적으로 콘크리트의 지압균열이 발생되면서 하중이 감소되는 현상을 보였다. 횡변위비 3.5%에서는 최대하중의 75% 이상의 하중수준을 보여주었으며, 횡변위비 5.5%에서 전단벽에 큰 균열손상이 관측되어 다른 단부에 제작된 PCD0.3실험체에 대한 영향이 커질 것을 우려하여 가력을 종료하였다. 전단철근비가 0.
최종적으로 PCD1과 PCD0.3 실험체의 누적에너지소산량은 각각 147.2와 126.3 kN ⋅m로 측정되어 전단철근비가 1%인 PCD1 실험체의 누적에너지소산량이 전단철근비가 0.3%인 PCD0.3 실험체의 누적에너지소산량 보다 약 16.5% 높게 나타났다.
초기 휨균열은 가력하중 90 kN에 벽체에서 50 mm 떨어진 부분에서 발생하였으며 가력하중이 500 kN에 도달하였을 때 상⋅하부플랜지 부분에서 길이방향으로 상당한 균열이 진행되었다. 가력하중이 680 kN에 도달하였을 때 전단균열이 발생하였고, 가력하중이 730 kN일 때 벽체부분의 합성보 하부에서 콘크리트 탈락이 시작되었으며, 최종적으로 합성보에서 균열이 크게 증가하면서 파괴되었다. 앞에서 언급한 바와 같이 PCD1 에 비해 균열 및 박리가 연결보 전체적으로 분포한 것을 확인할 수 있다.
(1) 불연속웨브의 아코디언효과로 인하여 주요 휨저항 요소인 상⋅하부플랜지에 도입되는 프리스트레스의 도입효율이 일반 H형강에 비해 약 30%정도 향상된 것을 확인 할 수 있었다.
(2) 전단철근비가 1%인 PCD1 실험체가 전단철근비가 0.3%인 PCD0.3 실험체 보다 약 16.5% 높은 누적에너지소산능력을 나타내었다.
(3) RC부재와는 다르게 전단철근이 PS합성연결보의 강도 및 연성에 미치는 영향은 거의 없음을 알 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전단벽 구조는 주로 어디에 적용되는가?
전단벽 구조(shear wall system)는 공간이 일정한 면적으로 분할 구획되는 아파트와 같은 건축물에서 수직력과 횡력에 동시에 저항하는 구조형식으로 흔히 적용되며, 정형⋅비정형적인 고층건축물의 횡력저항 구조형식으로도 자주 사용되는 구조방식이다. 횡력이 작용할 때는 Fig.
경사인장철근의 단점은 무엇인가?
경사인장철근은 상대적으로 큰 지름의 철근이 사용되며, 극한상태 이전의 경사인장철근의 좌굴 방지와 콘크리트 구속효과를 위해서 띠철근의 배치가 필요하다. 이러한 경사철근들은 전단벽에 정착되어야 하기 때문에 배근이 복잡해져서 시공성이 저하되고 공사기간이 길어진다는 단점을 가지고 있다. Fig.
연결보(coupling beam) 로 상호 연속된 전단벽의 장점은?
특히, 연결보(coupling beam) 로 상호 연속된 전단벽은 Fig. 1(b)에 나타낸 것과 같이 벽체의 개별 강성을 합산 것보다 훨씬 큰 강성을 확보할 수 있기 때문에 효율적인 횡력저항 시스템으로서 알려져 있다. 그러나 기존의 철근콘크리트(reinforced concrete, 이하 RC)연결보의 경우에는 Fig.
참고문헌 (18)
ACI Innovation Task Group 1 and Collaborators, Acceptance Criteria for Moment Frames Based on Structural Testing, American Concrete Institute, Farmington Hills, 2001, p.10.
British Standards Institution, structural use of steel work in building. part3 : Design in composite construction. BS 5950. BSI, 1990.
Derrick D. R. and Nicolas J. R., "Design of the Tallest Reinforced Concrete Structure in California-a-58-story Residential Tower in San Francisco", ASCE, Structures Congress, 2008.
Gong B. and Shahrooz B. M., "Seismic Behavior and Design of Composite Coupled Wall Systems", Cincinnati Infrastructure Institute, Cincinnati, OH., Report No. UC-CII 98/01, 1998.
Gong B. Shahrooz B. M. and Gillum A. J., "Seismic Behavior and Design of Composite Coupling Beams", Composite Construction in Steel and Concrete III, ASCE, New York, 1997, pp.258-271.
Gong B., Shahrooz B. M. and Gillum A. J., "Cyclic Response of Composite Coupling Beams", ACI Special Publication 174 Hybrid and Composite Structures, 1998, pp.89-112.
Han, S., W., Oh, Y., H., Oh, C., H. and Lee, L., H., "Structural Performance of Shearwall with Sectional Shape in Wall-type Apartment Buildings", Journal of Korea Concrete Institute, vol. 12, No. 4, 2000, pp.3-14. (in Korean)
Kent A. H., Patrick J. F., Baharam M. S. and Paul J. B., "Practical Design of Diagonally Reinforced Concrete Coupling Beams-Critical Review of ACI 318 Requirements", vol. 102, No. 6, ACI Structural Journal, 2005, pp.876-882.
Kim, K. S., Lee, D. H., Choi, S. M., Choi, Y. H. and Jung, S. H., "Flexural Behavior of Prestressed Composite Beams with Corrugated Web: Part I. Development and Analysis", Composites Part B: Engineering, vol. 42, No. 6, 2011, pp.1603-1616.
Kim, K., W. and Park, M., H., "Nonlinear Analysis of Reinforced Concrete Shear Wall Using Mander's Fiber Section Analysis Method", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 9, No. 3, 2005, pp.111-119. (in Korean)
Lee, S., G., Kim, S. C., Song, C., Y. and Song, S., Y., "Stability Analysis of Concrete Shear Wall System with Opening", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 9, No. 4, 2005, pp.109-118. (in Korean)
Oh, J. Y., Lee, D. H. and Kim, K. S., "Accordion Effect of Prestressed Steel Beams with Corrugated Webs", Thin-Walled Structures, vol. 57, No. 1, 2012, pp.49-61.
Park, H., G., Kang, S., M., Cho, B., H. and Hong, S., G., "Earthquake-Resistance of Slender Wall with No Boundary Confiement", Journal of Korea Concrete Institute, vol. 12, No. 5, 2000, pp.47-57. (in Korean)
Park, W. S. and Yun, H. D., "Seismic Behaviour of Steel Coupling Beams Linking Reinforced Concrete Shear Walls", Engineering Structures, vol. 27, No. 7, 2005, pp.1024-1039.
Paulay, T. and Binney, J. R., "Diagonally Reinforced Concrete Beams for Shear Walls", American Concrete Institute, SP-42. vol. 2. pp.579-598.
S. Mori, T. Miyoshi, H. Katoh, "A Study on Local Stresses of Corrugated Steel Webs in PC Bridges under Prestressing", Tech Memorandum Public Works Res Inst, 4009, 2006, pp.449-458.
Seo, S., Y., Kim, J., S., Choi, Y., C. and Lee, L., H., "Nonlinear Behavior Analysis of RC Shear Wall Using Truss Theory", Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, vol. 9, No. 3, 2005, pp.213-220. (in Korean)
Shahrooz B. M. and Gong, B., "Steel-concrete coupling beams: a critical overview of design guidelines", Structural Engineers World Wide, 1998, pp.T186-3.
이 논문을 인용한 문헌
저자의 다른 논문 :
연구과제 타임라인
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
LOADING...
활용도 분석정보
상세보기
다운로드
내보내기
활용도 Top5 논문
해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다. 더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.