현재 강재 교각-기초 연결부에 대한 국내의 설계기준이 명확히 제시되어 있지 않아 연결부의 합리적이고 경제적인 설계가 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이중 베이스플레이트간의 보강재 역할을 하는 리브의 구조상세 개선을 목적으로 리브의 설계변수에 따른 거동특성을 수치해석적으로 검토하였다. 이를 위해 상용유한요소 해석프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 앵커볼트와 내부철근은 BEAM 요소와 Embeded 기능을 사용하여 구현하였다. 이러한 해석기법의 타당성을 검증하기 위하여 선행연구의 실험결과와 해석결과를 비교하였고, 검증된 해석기법을 이용하여 리브의 다양한 설계변수 (리브의 개수에 따른 간격, 리브의 높이, 리브의 두께)에 따른 강재 교각의 하중-변위 관계를 도출하여 각 설계변수가 전체 구조물에 미치는 영향을 비교 분석한 후 리브의 합리적인 설계 범위를 제안하였다.
현재 강재 교각-기초 연결부에 대한 국내의 설계기준이 명확히 제시되어 있지 않아 연결부의 합리적이고 경제적인 설계가 어려운 실정이다. 따라서 본 연구에서는 이중 베이스플레이트간의 보강재 역할을 하는 리브의 구조상세 개선을 목적으로 리브의 설계변수에 따른 거동특성을 수치해석적으로 검토하였다. 이를 위해 상용유한요소 해석프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 앵커볼트와 내부철근은 BEAM 요소와 Embeded 기능을 사용하여 구현하였다. 이러한 해석기법의 타당성을 검증하기 위하여 선행연구의 실험결과와 해석결과를 비교하였고, 검증된 해석기법을 이용하여 리브의 다양한 설계변수 (리브의 개수에 따른 간격, 리브의 높이, 리브의 두께)에 따른 강재 교각의 하중-변위 관계를 도출하여 각 설계변수가 전체 구조물에 미치는 영향을 비교 분석한 후 리브의 합리적인 설계 범위를 제안하였다.
In this study, steel-pier's structural behavior by design variables of ribs were analyzed in order to improve structural details of ribs supporting double base plates. A numerical analysis was conducted using commercial FE analysis program. Anchor bolts and reinforced bars were made of BEAM element,...
In this study, steel-pier's structural behavior by design variables of ribs were analyzed in order to improve structural details of ribs supporting double base plates. A numerical analysis was conducted using commercial FE analysis program. Anchor bolts and reinforced bars were made of BEAM element, and coefficient of friction was applied to contact surfaces. After that, the analytical result was compared with experiment of previous study to verify analysis methods. Steel-pier's load-displacement relation was analyzed according to various rib's design variables (rib's central angle, height, thickness) by using proven analysis methods, and proper rib's design ranges were proposed.
In this study, steel-pier's structural behavior by design variables of ribs were analyzed in order to improve structural details of ribs supporting double base plates. A numerical analysis was conducted using commercial FE analysis program. Anchor bolts and reinforced bars were made of BEAM element, and coefficient of friction was applied to contact surfaces. After that, the analytical result was compared with experiment of previous study to verify analysis methods. Steel-pier's load-displacement relation was analyzed according to various rib's design variables (rib's central angle, height, thickness) by using proven analysis methods, and proper rib's design ranges were proposed.
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문제 정의
본 연구에서는 이중 베이스플레이트를 갖는 강재 교각-기초부의 합리적인 리브 설계를 위하여 수치해석을 통하여 리브 구조 상세에 따른 구조물의 거동특성을 비교⋅분석하였다.
본 연구에서는 휨모멘트와 전단력을 동시에 받는 강재 교각-기초 연결부에서 보강재 역할을 하는 리브의 전체 거동 특성을 파악하기 위해서 수치해석적인 방법을 통해 리브의 설계변수 (리브의 개수, 리브의 높이, 리브의 두께)에 대한 영향을 비교⋅분석하였다.
가설 설정
각 요소의 접합면에 대한 영향을 고려하기 위하여 강관과 구속콘크리트, 베이스플레이트와 기초 콘크리트의 접합면에 각각 마찰계수를 적용하였다. 그리고 베이스플레이트와 리브, 강관의 용접 부분은 완전부착으로 가정하여 해석하였으며, 해석의 오차를 최소화하기 위하여 각 요소 간의 절점을 공유하였다.
제안 방법
각 요소의 접합면에 대한 영향을 고려하기 위하여 강관과 구속콘크리트, 베이스플레이트와 기초 콘크리트의 접합면에 각각 마찰계수를 적용하였다. 그리고 베이스플레이트와 리브, 강관의 용접 부분은 완전부착으로 가정하여 해석하였으며, 해석의 오차를 최소화하기 위하여 각 요소 간의 절점을 공유하였다.
강관 내부에 충전된 콘크리트는 강관에 의해 콘크리트가 구속되기 때문에 구속 콘크리트에 대한 재료특성을 적용하였으며, 이와 달리 기초 콘크리트는 강관과 같이 콘크리트를 구속하는 요인이 없기 때문에 비구속 콘크리트에 대한 재료 특성을 사용하였다. Fig.
검증된 해석방법을 이용하여 리브의 설계변수 (리브의 개수, 높이, 두께)에 따른 구조물의 거동특성을 비교⋅분석하여 합리적인 리브 구조 상세를 제안하고자 한다.
여기서 Beam 요소란 연결하고자 하는 두 절점을 지정하여 선으로 연결한 뒤 단면의 형상과 직경을 입력하여 실제의 앵커볼트와 내부 철근을 동일하게 모델화할 수 있는 요소이다. 또한, Beam 요소로 구현한 앵커볼트와 내부철근에 Embedded 기능을 적용하여 콘크리트와 부착시켰다.
또한, 기둥의 최대 축하중의 75%인 1500kN을 재하한 후 변위제어로 횡하중을 재하하였다.
리브 높이에 따른 구조물의 거동 특성을 파악하기 위하여 리브의 가로길이 (b)와 리브의 높이 (h)의 비 (h/b)를 설정하여 해석을 수행하였다. 이때 가로길이 (b)는 3.
리브 중심각에 따른 거동특성을 파악하기 위해 리브 중심각을 변화하여 해석을 수행하였다. 원형 베이스플레이트에 앵커볼트는 8개로 고정하고, 리브를 대칭으로 배열하기 위해 Fig.
5에 나타내었다. 실제 실험과 동일하게 적용하기 위하여 경계조건은 기초와 앵커볼트, 철근의 하단부를 변위와 회전에 대해서 구속하였다. 또한, 기둥의 최대 축하중의 75%인 1500kN을 재하한 후 변위제어로 횡하중을 재하하였다.
원형 베이스플레이트에 앵커볼트는 8개로 고정하고, 리브를 대칭으로 배열하기 위해 Fig. 7과 같이 리브의 중심각에 따라 11.25° (32개), 22.5° (16개), 45° (8개), 90° (4개)로 설정하였다.
리브 높이에 따른 구조물의 거동 특성을 파악하기 위하여 리브의 가로길이 (b)와 리브의 높이 (h)의 비 (h/b)를 설정하여 해석을 수행하였다. 이때 가로길이 (b)는 3.1절에서의 기준모델과 동일한 141mm로 고정을 하고, 리브 높이 (h) 를 75mm에서 600mm까지 75mm간격으로 변화를 주어 해석을 수행하였다. 리브의 가로 및 높이의 형상과 리브의 가로길이와 리브의 비 (h/b)는 Fig.
그러나 앵커볼트와 내부철근을 Solid 요소로 모델링을 하게 되면 그 과정이 복잡해지고 요소들 간의 절점 공유가 어렵기 때문에 해석 결과의 정확성이 떨어질 수가 있으며, 해석 시간이 오래 걸리는 단점이 있다. 이러한 단점을 해결하기 위해서 Beam 요소를 사용하여 앵커볼트와 내부철근을 형상화하여 기초 콘크리트와 베이스플레이트를 연결하였다. 여기서 Beam 요소란 연결하고자 하는 두 절점을 지정하여 선으로 연결한 뒤 단면의 형상과 직경을 입력하여 실제의 앵커볼트와 내부 철근을 동일하게 모델화할 수 있는 요소이다.
본 연구에서는 이중 베이스플레이트를 갖는 강재 교각-기초부의 합리적인 리브 설계를 위하여 수치해석을 통하여 리브 구조 상세에 따른 구조물의 거동특성을 비교⋅분석하였다. 이를 위해 선행 연구에서 진행되었던 실험체를 선정한 후, 실험 및 수치해석 결과를 비교하여 해석방법의 타당성을 검증하였다.
이중 베이스플레이트의 보강재 역할을 하는 리브의 두께에 따른 구조적 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 리브의 높이에 대한 두께의 비 (h/t)를 변화하며 해석을 수행하였다. 여기서 리브의 두께는 6mm부터 30mm까지 3mm 간격으로 변화를 주었으며, 리브의 높이는 3.
대상 데이터
Fig. 1은 해석 모델의 단면형상을 나타낸 것으로 기둥의 총 길이(l)는 2500mm, 강관의 외부직경 (D)과 내부직경(Di)은 각각 518mm, 500mm이고 강관의 내부에는 콘크리트가 채워진 CFT (Concrete Filled Tube) 기둥이다. 기둥의 하부에는 25mm 두께의 베이스플레이트를 375mm의 간격으로 설치하였고, 15mm 두께의 리브로 상하의 베이스플레이트를 연결하였다.
기초 콘크리트의 크기는 2210 × 1710 × 900mm (L × H × B)이다.
3과 같이 재료인장실험을 통하여 얻은 값을 해석에 적용하였다. 또한 앵커볼트와 철근의 강종 및 지름은 각각 F8T와 30mm, SD400과 22mm가 사용되었으며, 앵커볼트와 철근의 재료특성은 재료인장실험을 통하여 얻은 값을 적용하였다. Table 2는 해석모델에 적용한 각각의 재료특성을 나타낸다.
(2012)가 진행했던 강재 교각-기초부의 실험체이며, 이는 기존에 기초콘크리트에 시공되어지고 있는 앵커프레임을 제거하고 고강도 앵커를 사용하여 구조물을 단순화시킨 것으로서 강재교각과 기초의 연결을 8개의 고강도 앵커와 이중 베이스플레이트를 사용하였다. 또한, 교각부와 기초부의 연결 성능을 향상시키기 위하여 기둥 내부에 16개의 철근을 설치하였다.
본 연구에서 수치해석 모델로 선정한 실험체는 Kim et al. (2012)가 진행했던 강재 교각-기초부의 실험체이며, 이는 기존에 기초콘크리트에 시공되어지고 있는 앵커프레임을 제거하고 고강도 앵커를 사용하여 구조물을 단순화시킨 것으로서 강재교각과 기초의 연결을 8개의 고강도 앵커와 이중 베이스플레이트를 사용하였다. 또한, 교각부와 기초부의 연결 성능을 향상시키기 위하여 기둥 내부에 16개의 철근을 설치하였다.
실험에서 강관 및 리브에는 SM490이 사용되었으며, Fig. 3과 같이 재료인장실험을 통하여 얻은 값을 해석에 적용하였다. 또한 앵커볼트와 철근의 강종 및 지름은 각각 F8T와 30mm, SD400과 22mm가 사용되었으며, 앵커볼트와 철근의 재료특성은 재료인장실험을 통하여 얻은 값을 적용하였다.
데이터처리
(1) 강재 교각-기초 연결부의 거동을 표현할 수 있는 해석 방법을 제안하였으며, 선행연구의 실험결과와 해석결과를 비교⋅분석하여 해석방법의 타당성을 검증하였다.
이중 베이스플레이트 접합부에서 휨모멘트와 전단력을 동시에 받는 리브 구조에 따른 거동 및 변수의 영향을 파악하기 위하여 상용유한요소해석 프로그램인 ABAQUS 6.10을 사용하였다.
성능/효과
(2) 리브 개수에 따른 횡하중-횡변위 관계와 항복하중의 비를 통해서 리브의 개수가 강재 교각-기초 연결부의 거동에 주요 설계변수임을 알았으며, 리브의 개수는 16개 (22.5°) 이상으로 설계하는 것이 합리적이라고 판단된다.
(3) 리브의 높이 (h)가 강재 교각-기초 연결부의 주요 설계변수임을 확인하였다. 횡하중-횡변위 관계에서 리브의 높이비 (h/b)는 1.
(4) 강재 교각-기초 연결부에서 리브의 두께 (t)가 주요 설계변수임을 확인하였다. 하중-변위 관계와 항복하중의 비를 통하여 두께비 (h/b)를 31.
6과 같이 횡하중과 변위의 관계로 나타내었다. 두 결과 값을 비교해보면, 최대탄성변위인 약 25mm까지 탄성구간의 기울기가 거의 일치하며, 항복하는 지점의 변위도 일치하는 형상을 보였다. 또한 실험체와 해석의 항복하중은 각각 206.
(1) 강재 교각-기초 연결부의 거동을 표현할 수 있는 해석 방법을 제안하였으며, 선행연구의 실험결과와 해석결과를 비교⋅분석하여 해석방법의 타당성을 검증하였다. 따라서 검증된 해석방법을 이용하여 리브의 다양한 설계변수에 대한 검토가 가능하다고 판단된다.
초기탄성구간에서는 리브의 중심각에 상관없이 각 모델의 기울기가 모두 동일하게 나타났다. 이후 소성구간에서는 탄성구간과는 달리 리브 중심각이 작아질수록 최대 횡하중의 크기는 커지는 것을 확인할 수 있다. 이는 리브의 중심각이 작아지면 리브의 개수가 증가하여 기둥에 작용하는 하중을 앵커 볼트와 기초 콘크리트에 전달하는 연결부의 강성이 증가하므로 최대 횡하중의 크기가 커진다고 판단된다.
61kN 을 사용하였다. 전체적으로 리브의 높이비 (h/b)가 커질수록 항복하중의 비도 점차적으로 증가하는 경향을 보이고 있다. 특히 리브의 높이비 (h/b)가 2.
후속연구
65kN과 약 1%의 오차가 발생하였으나 유사한 거동을 보이는 것을 확인할 수 있다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 해석방법이 타당한 것으로 판단되며, 향후 해석적으로 강재 교각-기초 콘크리트 접합부의 다양한 설계변수에 따른 거동특성분석이 가능하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
교량이 대형화, 장대화되는 추세에 따라 어떤 현상이 일어나는가?
교량이 대형화, 장대화되는 추세에 따라 교량의 하부구조가 부담하는 하중이 증가하게 되고, 구조물의 안전한 지지를 위해서는 교각의 면적이 늘어나게 된다. 하지만 기존의 RC 구조물에서는 단면의 크기에 한계가 있기 때문에, 콘크리트와 강재 두 가지 재료의 장점을 활용한 콘크리트 충전 강관 기둥이 건설 분야에서 폭넓게 활용되고 있다.
앵커볼트와 내부철근은 무엇을 사용하여 구현하였는가?
따라서 본 연구에서는 이중 베이스플레이트간의 보강재 역할을 하는 리브의 구조상세 개선을 목적으로 리브의 설계변수에 따른 거동특성을 수치해석적으로 검토하였다. 이를 위해 상용유한요소 해석프로그램을 사용하여 수치해석을 수행하였으며, 앵커볼트와 내부철근은 BEAM 요소와 Embeded 기능을 사용하여 구현하였다. 이러한 해석기법의 타당성을 검증하기 위하여 선행연구의 실험결과와 해석결과를 비교하였고, 검증된 해석기법을 이용하여 리브의 다양한 설계변수 (리브의 개수에 따른 간격, 리브의 높이, 리브의 두께)에 따른 강재 교각의 하중-변위 관계를 도출하여 각 설계변수가 전체 구조물에 미치는 영향을 비교 분석한 후 리브의 합리적인 설계 범위를 제안하였다.
교각의 면적이 늘어남에 따라 무엇이 폭넓게 활용되고 있는가?
교량이 대형화, 장대화되는 추세에 따라 교량의 하부구조가 부담하는 하중이 증가하게 되고, 구조물의 안전한 지지를 위해서는 교각의 면적이 늘어나게 된다. 하지만 기존의 RC 구조물에서는 단면의 크기에 한계가 있기 때문에, 콘크리트와 강재 두 가지 재료의 장점을 활용한 콘크리트 충전 강관 기둥이 건설 분야에서 폭넓게 활용되고 있다. 이러한 형식의 구조물은 큰 압축력과 풍하중 및 지진하중에 의해 발생하는 횡하중의 하중 조합에 대한 충분한 강도를 가지도록 설계되어야 한다.
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