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문제 정의
- 내다이아프램의 형상은 상·하부 동일하게 적용하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 제작성, 시공성 그리고 용접의 난 이도를 개선한 접합방법을 제안하고자 한다.
- 실험은 접합부 상·하부를 각각 묘사한 6개의 단순인장 실험과 실대 크기인 2개의 T형 기둥-보 접합부에 대한 반복가력 실험을 수행하였다. 단순인장 실험은 기둥-보 접합부에서 인장력이 작용하는 부분을 강관기둥과 이상화한 보플랜지만 으로 단순화 시켜 접합부의 거동을 파악하기 위한 기초연구로 수행하였다. 또한, 단순인장 실험결과를 바탕으로 실제 모 멘트-회전각 관계를 확인하기 위하여 2개의 실험체를 제작하여 반복가력 실험을 수행하였다.
- 이로 인해 접합부 시공이 매우 복잡해지는 문제점을 발생 시킨다. 따라서 본 연구는 각형 CFT 기둥-보 접합 부 개발의 일환으로 동일 다이아프램으로 제작한 후 ㄷ형태 의 기둥부재를 용접하는 새로운 방식으로 제작된 상하이형 내다이아프램의 접합상세를 제시하고 실험을 통해 구조적 성 능을 검증하고자 한다.
제안 방법
- 2와 같이 상부는 복합+자형 내다이아프램을 사용하고 하부는 각각 수평 T-bar와 스터드 볼트로 보강 된 수직플레이트 형태의 상하이형 다이아프램을 적용한 접 합부를 제안하고 구조성능을 평가하였다. 그림 2(a)의 수평 T-bar는 보의 하부 플랜지의 압축하중을 수평플레이트 끝에 용접된 수직플레이트를 통해 콘크리트에 넓게 분산시키고, 인 장하중을 수직플레이트의 앵커효과를 통해 저항하도록 계획 하였다. 그림 2(b)의 수직플레이트를 사용한 접합부의 경우 플레이트에 부착된 스터드 볼트가 Fig.
- 3.3 소재실험결과 본 실험에서 사용된 강재의 기계적 성능을 파악하기 위하 여 KS B 0801[11] 및 KS B 0802[12] 규준에 따라 강관, 보 웨브, 보 플랜지, 상·하 내다이아프램 및 수직 플레이트에 서 인장시험편을 절취하여 인장시험을 수행하였으며 콘크리 트 공시체에 대한 28일 압축 강도 시험을 하였다.
- 내다이아프램의 형상은 상·하부 동일하게 적용하는 것이 일반적이나 본 연구에서는 제작성, 시공성 그리고 용접의 난이도를 개선한 접합방법을 제안하고자 한다. Fig. 5와 같이 미리 내다이아프램이 설치된 ㄷ형태의 부재 두 개를 용접하 여 각형강관을 제작하는 방법을 제안한다. 상부 내다이아프램은 수평플레이트로 제안하였으며, 하부는 콘크리트 충전성을 고려하여 수직 유공판을 제안하였다.
- 각 실험체의 하중-변위 관계를 파악하기 위하여 초기강성 기울기를 갖는 직선과 초기강성 기울기의 1/3인 직선을 평행이동시켜 두 직선의 교점을 항복하중 Py로 정하였고, 이때의 처짐을 항복변위 δy로 정한다.
- 기둥-보 접합부의 단순인장실험 결과를 바탕으로 실제 모 멘트-회전각 관계를 확인하기 위하여 Fig. 14와 같이 상부 다이아프램의 가력축 방향을 변수로 두어 약축을 DX, 강축을 DY로 한 2개의 실험체를 계획하였다. 단순인장 실험 시 상부는 모서리 절삭 형상과는 무관한 거동을 보였으나 곡선이 응력 흐름에 유리할 것으로 판단되어 곡선절삭 형상으로 계획하였으며 하부는 구조적 성능 및 경제성을 고려하여 수직 유공판 두께를 16mm, 전단구멍 개수를 4개로 계획하였다.
- 상부 실험체의 주요 변수는 내다이아프램의 절삭형상과 가력축 방향이다. 내다이아프램의 모서리 절삭형상에 따른 응력 흐름을 비교하기 위해 Fig. 6과 같이 곡선, 사선, 무절삭형상으로 계획하였다. 가력축은 보에서 전달되는 하중이 Fig.
- 14와 같이 상부 다이아프램의 가력축 방향을 변수로 두어 약축을 DX, 강축을 DY로 한 2개의 실험체를 계획하였다. 단순인장 실험 시 상부는 모서리 절삭 형상과는 무관한 거동을 보였으나 곡선이 응력 흐름에 유리할 것으로 판단되어 곡선절삭 형상으로 계획하였으며 하부는 구조적 성능 및 경제성을 고려하여 수직 유공판 두께를 16mm, 전단구멍 개수를 4개로 계획하였다. 실험체 제작에 사용된 부재는 단순인장 실험체와 같으며 보부재는 SS400강종의 H-500×200×10×16이다.
- 단순인장 실험체는 접합부의 상부와 하부를 각각 구분하여 계획하였다. 각 타입별로 3개씩 총 6개의 실험을 수행하였다.
- 단순인장 실험은 기둥-보 접합부에서 인장력이 작용하는 부분을 강관기둥과 이상화한 보플랜지만 으로 단순화 시켜 접합부의 거동을 파악하기 위한 기초연구로 수행하였다. 또한, 단순인장 실험결과를 바탕으로 실제 모 멘트-회전각 관계를 확인하기 위하여 2개의 실험체를 제작하여 반복가력 실험을 수행하였다.
- 016mm/sec의 변위제어로 가력하였다. 변위 측정은 600mm의 표점거리 사이에 변위계를 설치하여 축방향 변위를 측정하였고, 변형률 게이지(W.S.G)를 Fig. 11과 같이 설치하여 강판 및 보, 내다이아프램의 변형 률 분포를 측정하였다.
- 12와 같이 나타내었다. 상부 TS-2 실험체는 용접부 파괴로 인하여 예상한 최대내력까지 도달하지 못하고 실험이 종료되었지만 본 연구에서는 가력축에 대한 초기강성 비교용으로 포함하였다.
- 5와 같이 미리 내다이아프램이 설치된 ㄷ형태의 부재 두 개를 용접하 여 각형강관을 제작하는 방법을 제안한다. 상부 내다이아프램은 수평플레이트로 제안하였으며, 하부는 콘크리트 충전성을 고려하여 수직 유공판을 제안하였다. 상부의 수평플레이트는 콘크리트 충전강관 규준에서 제시하 고 있는 최소개구율(15%, 건축강구조 표준접합상세지침[10]) 을 만족하도록 한 것이다.
- 실험은 접합부 상·하부를 각각 묘사한 6개의 단순인장 실 험과 실대 크기인 2개의 T형 기둥-보 접합부에 대한 반복가 력 실험을 수행하였다.
- 실험체 제작 시 모든 용접은 E708 Φ1.8mm전극봉을 사 용한 SMAW(Shielded Metal Arc Welding) 방식을 사용 하였으며 한쪽 부재 끝부분의 용접을 양호하도록 하기 위하 여 끝 단면을 비스듬히 절단하여 용접하는 맞댄 용접을 사용 하였다.
- Table 3은 실험체 제작 순서이다. 실험체의 가력은 RIST(포항산업과학연구소)소재 3000kN 유압식 만능시험기(U.T.M)을 사용하여 최대내력 이후 파괴 모드가 확인될 때까지 0.016mm/sec의 변위제어로 가력하였다. 변위 측정은 600mm의 표점거리 사이에 변위계를 설치하여 축방향 변위를 측정하였고, 변형률 게이지(W.
- 4의 전단연결재와 비슷한 목적을 갖는 것으로 콘크리트 충전 후 플레이트의 구멍을 통해 콘크리트와의 합성효과를 향상시키기 위해 계획한 것이다. 앞서 본 연구실에서는 실험체 제작 이전에 다이아프램의 형상 결정을 위하여 이론식 비교 및 해석을 통해 파괴메커니즘을 예측하였다.
대상 데이터
- 실험체는 SM490강종의 ⏨-400×400×12를 기둥으로 사용하였고 SS400강종의 PL-800×200×16을 사용하여 보 플 랜지를 이상화하였다. 내다이아프램은 상 하부 모두 SS400강종을 사용하였으며 형태와 두께 등은 각 실험체에 따라 변하는 변수로 설정하였다. 콘크리트는 충전성을 고려하여 고유동 콘크리트를 사용하였으며 28일 압축강도는 40MPa이다.
- 규준에 따라 각각 3개의 인장시험편을 절취하여 인장시험을 행하였다. 본 실험에 사용된 재료는 SS400의 16mm 강재와 SM490의 12mm 강재이다. 각 시험편의 결과를 Table 4에 나타냈다.
- 실험체 제작에 사용된 부재는 단순인장 실험체와 같으며 보 부재는 SS400강종의 H-500×200×10×16이다.
- 실험체는 SM490강종의 ⏨-400×400×12를 기둥으로 사 용하였고 SS400강종의 PL-800×200×16을 사용하여 보 플 랜지를 이상화하였다.
- 9와 같이 수직 유공판을 사용하여 하중이 전달되는 것으로 실험의 주요변수는 유공판의 두께와 전단구멍의 개수이다. 유공판의 두께는 16, 22mm이며, 전단 구멍의 개수는 3개, 4개이다. 전단구멍의 크기는 ∅55이다.
- 내다이아프램은 상 하부 모두 SS400강종을 사용하였으며 형태와 두께 등은 각 실험체에 따라 변하는 변수로 설정하였다. 콘크리트는 충전성을 고려하여 고유동 콘크리트를 사용하였으며 28일 압축강도는 40MPa이다.
데이터처리
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3.5.2 하중 단계별 변형률 분포
각 실험체는 단조화 곡선을 통하여 구한 하중-변위 곡선을 통하여 보의 전체적 거동을 파악하기 위해 Fig. 24와 같이 보플랜지 및 웨브에 부착된 변형률 게이지의 측정값으로부터 변형률 분포를 비교하였다.
이론/모형
- 본 실험에서 사용된 강재의 기계적 성능을 파악하기 위하여 KS B 0801[11] 및 KS B 0802[12] 규준에 따라 각각 3개의 인장시험편을 절취하여 인장시험을 행하였다. 본 실험에 사용된 재료는 SS400의 16mm 강재와 SM490의 12mm 강재이다.
성능/효과
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2.5 분석 및 고찰
상부 접합부의 경우 모서리 절삭 형상에 따른 실험체의 초기강성 및 최대내력의 차이는 미비 하였으며 가력축에 따른 초기강성의 차이는 강축 방향 실험체인 TS-2가 약축 방향 실험체인 TS-1과 TS-3보다 다소 높게 나타났다. 하부 접합부의 경우 SH-1, SH-2, SH-3 실험체의 초기강성은 유사하게 나타났으며 최대내력은 전단구멍 개수를 늘린 SH-2 실험체가 가장 높게 나타났다.
- DY 실험체의 경우 상부 인장시 Fig. 28과 같이 보 플랜 지 상부의 변형률 분포를 보면 인장부분에서는 120kN까지 보전단면에 균등히 분포하고 있으나 150kN부터 보 중앙이 보양단부보다 집중되는 것을 확인할 수 있으며, 압축부분에서는 120kN까지는 보 플랜지에 균등히 분포하였으나 150kN 에서는 보 양단의 변형률이 더 적게 발생하였다. Fig.
- 하부 접합부의 경우 SH-1 실험체는 하중이 620kN일때 소리가 나면서 내력이 다소 떨어지는 현상을 보였으나 최종적으로 976kN에서 최대내력을 발휘한 후 보 플랜지와 기둥 이 맞닿는 면이 찢어지면서 실험체가 파괴가 되었다. SH-2 실험체는 731kN일때 소리가 나면서 내력이 다소 떨어지는 현상을 보였으나 최종적으로 1020kN에서 최대내력을 발휘 한 후 SH-1 실험체와 같은 파괴유형을 나타내었다. SH-3 실험체는 SH-1, SH-2 실험체와 달리 하중감소 없이 지속적 으로 내력이 증가하였다.
- 각 시험편의 결과를 Table 4에 나타냈다. 또한 콘 크리트 공시체에 대한 7일, 14일, 28일 총 3번의 압축강도 시험을 행하여 Table 5와 같은 결과가 나왔으며 28일 콘크리트 압축강도는 42.7MPa로 확인하였다.
- 4와 같이 CFT구조 접합부의 상부 다이아프램은 외측다 이아프램 형식이며, 하부 다이아프램은 관통다이아프램 형식 으로 하였다. 연구결과, CFT구조의 내진성능은 상, 하부 모두 관통형 다이아프램을 적용한 접합부와 비교할 때 동등한 구 조성능을 발휘한 것으로 평가되었다.
- Pp는 소성하중을 나타내며 Py는 항복하중을 나타낸다. 초기강성은 DY 실험체가 DX 실험체보다 상부 인장 시 7%, 하부 인장 시 11% 높게 나타났으며 최대하 중은 DY 실험체가 DX 실험체보다 상부 인장 시 6%, 하부 인장시 1% 높게 나타났다. 이는 축에 따른 영향이라 판단된다.
- 26과 같이 보웨브와 보플랜지의 관계는 안정적인 거동을 보여주고 있다. 하부인 장시 Fig. 27과 같이 보플랜 랜지 하부의 변형률 분포를 인장 및 압축부분에서 보플랜지 전단면에 걸쳐 변형이 고르게 분포하고 있으나, 압축부분에서 보플랜지 중앙의 변형이 양단부보다 크다는 것을 확인하였다.
- 29와 같이 보웨브와 보플랜지의 관계는 안정적인 거동을 보여주고 있다. 하부 인장시 Fig. 30과 같이 압축부분은 보플랜지 한쪽 단부의 변형이 크게 발생하는 것을 확인하였고, 인장부분에서는 150kN에서 보플랜지의 변형이 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이는 하부 플랜지가 인장력을 받을 때 발생되는 응력을 충분히 반대편까지 도달되지 못한 것으로 추정되며 극한 내력이 하부에 발생될 구조물에 있어서는 추가적인 보완계획이 필요하다.
후속연구
- 30과 같이 압축부분은 보플랜지 한쪽 단부의 변형이 크게 발생하는 것을 확인하였고, 인장부분에서는 150kN에서 보플랜지의 변형이 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이는 하부 플랜지가 인장력을 받을 때 발생되는 응력을 충분히 반대편까지 도달되지 못한 것으로 추정되며 극한 내력이 하부에 발생될 구조물에 있어서는 추가적인 보완계획이 필요하다.
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