내부구속중공 RC(Internally Confined Hollow RC, ICHRC) 기둥이란 중공 RC 기둥의 중공부에 내부튜브를 삽입하여 코어 콘크리트를 3축 구속 상태에 놓이게 하여 기둥의 강도와 연성도를 증가시킨 기둥이다. ICH RC 기둥의 구속응력에 대한 연구는 선행 연구자에 의하여 이루어 졌으나 외부 구속응력에 대한 연구만 진행된 상태이다. 본 연구에서는 중공 RC 기둥과 ICH RC 기둥의 구속응력을 유한요소 해석프로그램을 이용하여 분석하였다. 이론 구속응력과 외부 구속응력 그리고 내부 구속응력과의 관계를 도출하였으며, 이를 이용하여 기존의 내부 튜브 파괴조건식을 기반으로 수정 내부튜브 파괴 조건식을 제안하였다. 이론 구속응력과 내부 구속응력과의 관계를 회귀 분석식을 이용하여 나타내어 내부 구속응력을 쉽게 산정할 수 있다. 또한 수정 내부 튜브 파괴 조건식을 이용하여 ICH RC 기둥을 설계할 경우 동일 구속응력대비 기존의 파괴조건식보다 약 50%의 내부 튜브 두께를 감소할 수 있어 경제성을 확보하였다.
내부구속중공 RC(Internally Confined Hollow RC, ICH RC) 기둥이란 중공 RC 기둥의 중공부에 내부튜브를 삽입하여 코어 콘크리트를 3축 구속 상태에 놓이게 하여 기둥의 강도와 연성도를 증가시킨 기둥이다. ICH RC 기둥의 구속응력에 대한 연구는 선행 연구자에 의하여 이루어 졌으나 외부 구속응력에 대한 연구만 진행된 상태이다. 본 연구에서는 중공 RC 기둥과 ICH RC 기둥의 구속응력을 유한요소 해석프로그램을 이용하여 분석하였다. 이론 구속응력과 외부 구속응력 그리고 내부 구속응력과의 관계를 도출하였으며, 이를 이용하여 기존의 내부 튜브 파괴조건식을 기반으로 수정 내부튜브 파괴 조건식을 제안하였다. 이론 구속응력과 내부 구속응력과의 관계를 회귀 분석식을 이용하여 나타내어 내부 구속응력을 쉽게 산정할 수 있다. 또한 수정 내부 튜브 파괴 조건식을 이용하여 ICH RC 기둥을 설계할 경우 동일 구속응력대비 기존의 파괴조건식보다 약 50%의 내부 튜브 두께를 감소할 수 있어 경제성을 확보하였다.
Internally Confined Hollow RC(ICH RC) column consisted of concrete, transverse reinforcement, longitudinal reinforcement, and inner tube. It had good strength and ductility by core concrete was become triaxial confining state with transverse reinforcement and inner tube. There were two confining str...
Internally Confined Hollow RC(ICH RC) column consisted of concrete, transverse reinforcement, longitudinal reinforcement, and inner tube. It had good strength and ductility by core concrete was become triaxial confining state with transverse reinforcement and inner tube. There were two confining stress as external confining stress and internal confining stress in an ICH RC column. While external confining stress was researched by former researchers, internal confining stress has not researched. In this paper, confining stress of both Hollow RC column and ICH RC column was investigated using FEA program. Relation between theoretical confining stress and internal confining stress was drawn by analysis results. Modified failure condition equations of inner tube were suggested to base on failure condition equations of inner tube by former researcher. When thickness of inner tube was calculated by modified equations, it could be economic because thickness of inner tube was reduced 50% compared with former researcher equations in order to same confining stress.
Internally Confined Hollow RC(ICH RC) column consisted of concrete, transverse reinforcement, longitudinal reinforcement, and inner tube. It had good strength and ductility by core concrete was become triaxial confining state with transverse reinforcement and inner tube. There were two confining stress as external confining stress and internal confining stress in an ICH RC column. While external confining stress was researched by former researchers, internal confining stress has not researched. In this paper, confining stress of both Hollow RC column and ICH RC column was investigated using FEA program. Relation between theoretical confining stress and internal confining stress was drawn by analysis results. Modified failure condition equations of inner tube were suggested to base on failure condition equations of inner tube by former researcher. When thickness of inner tube was calculated by modified equations, it could be economic because thickness of inner tube was reduced 50% compared with former researcher equations in order to same confining stress.
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문제 정의
또한 Han et al.(2008)[1] 이 제시한 내부튜브의 파괴조건식을 수정하여 합리적인 내부 튜브의 두께를 산정할 수 있는 수정 파괴조건식을 제안하고자 한다.
본 연구는 압축을 받는 내부 구속 중공 RC 기둥의 최적 구속력 평가를 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 Han et al(2008)[1]이 제시한 내부튜브 파괴 조건식을 바탕으로 수정 파괴조건식을 제시하였으며, 내부 구속응력을 도출할 수 있는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 ICH RC 기둥의 유한요소 해석을 통하여 내부구속응력을 분석한 후 내부구속응력을 정량적으로 예측할 수 있는 방법을 제시하려고 한다. 또한 Han et al.
여기에서 콘크리트와 튜브 사이의 접촉부분의 적용 옵션은 무마찰인 Frictionless으로 실험과의 비교를 통하여 이미 원덕희(2012)에 의하여 제시되어졌기 때문에 이 옵션을 그대로 적용한다[8]. 본 연구에서는 오직 콘크리트에만 하중을 주어 콘크리트의 구속응력에 대한 효과만 분석하였다. 만약 콘크리트와 튜브가 완전 합성거동을 하거나 내부튜브에 축하 중이 작용하게 될 경우에 정확한 내부 구속응력을 파악하기 힘들기 때문에 고려를 하지 않았다.
본 연구에서는 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS[7]를 이용하여 ICH RC 기둥의 내부구속력을 분석하려고 한다. 유한요소해석방법을 적용하기 위해서는 적용하려는 방법의 검증이 이루어져야 한다.
수정 항복 파괴 조건식을 제시하기 위하여 이론 구속응력과 내부 구속응력의 관계를 이용하려고 한다. ICH RC 기둥의 코어 콘크리트가 3축 구속상태에 있다면, 식 (8)과 같이 이론 구속응력과 외부 구속응력의 크기는 같고 내부 구속응력은 다를 것이다.
가설 설정
Han et al.(2008)[1]에 의하여 제안된 좌굴파괴와 동일한 스냅-스루(Snap-Through) 좌굴이 발생한다고 가정하고 이때의 좌굴 강도식은 식 (8)을 적용한다. 식 (14)와 같이 내부 튜브의 좌굴강도(fcr )은 외력인 내부구속응력(fil)보다 크다고 가정하며, 이때 내부 구속응력은 식 (14)의 우항과 같은 관계를 갖는다.
제안 방법
(4) 해석을 통하여 도출된 이론 구속응력 대비 내부 구속응력비를 이용하여 회귀분석식을 도출하여 감소계수(γ)를 제안하였다.
(5) 이론 구속응력과 내부 구속응력의 관계를 이용하여 내부 튜브의 수정 파괴 조건식을 제시하였다. 수정 파괴조건 식은 항복파괴 조건식과 좌굴파괴조건식으로 나뉘어 제시되었다.
ABAQUS[7]를 이용하여 철근 콘크리트 구조를 해석하기 위하여 Antonio and Gabriel(1998)[9]의 철근콘크리트 비선형 모델과 비교하였다. 해석 대상모델은 Fig.
. H-RC기둥과 ICH RC 기둥의 구속효과에 대한 연구는 이론 및 실험 연구를 통하여 외부 횡철근에 의한 구속효과에 대하여 분석하였다[1]. 이에 반하여 내부 횡철근 혹은 내부 튜브에 의하여 발생하는 내부 구속 응력에 대한 연구는 진행되지 않고 있는 실정이다.
ICH RC 기둥의 구속응력에 가장 크게 영향을 미치는 인자를 도출하기 위하여 Table 2와 같이 직경을 300mm에서 3500mm까지 증가시키면서 해석을 수행하였으며, 이 모델들의 철근배근 간격(s)은 모두 다르며, 이론구속응력(fl)도 거의 다르게 선정하였다. 이 모델들은 모두 중공비를 0.
Local 방향의 좌표계를 이용함으로써 Fig. 10과 같이 일정하게 응력이 분포되도록 하였으며, 콘크리트의 구속응력은 횡철근이 항복할 때의 응력을 확인함으로써 결과를 분석하였다.
압축을 받는 ICH RC 기둥의 구속응력을 분석하기 위하여 먼저 내부튜브를 삽입하지 않은 경우, 즉 중공 RC 기둥의 구속응력을 분석하였다. 내부튜브가 삽입되지 않았을 경우에 구속 콘크리트의 외부구속응력과 내부구속응력을 나타내었으며, 또한 내부 튜브가 삽입된 구조인 ICH RC 기둥에서의 외부 및 내부 구속 응력을 비교 검토하였다.
먼저 내부튜브가 삽입되지 않은 구조인 H-RC 기둥에 압축력이 가해질 경우 구속응력을 분석하였다. 재료 물성치 및 제원은 Table 1과 같다.
새롭게 제안된 내부 구속응력비를 가장 큰 영향 인자인 중공비를 이용하여 회귀분석 식을 제안하였다. 회귀분석 식은 중공비 0.
(5) 이론 구속응력과 내부 구속응력의 관계를 이용하여 내부 튜브의 수정 파괴 조건식을 제시하였다. 수정 파괴조건 식은 항복파괴 조건식과 좌굴파괴조건식으로 나뉘어 제시되었다. 수정된 산정식을 이용하여 내부튜브의 두께를 산정할 경우 기존 식에 비하여 약 50%의 두께를 감소시킬 수 있어 동일 구속응력 대비 경제성 있는 기둥을 건설할 수 있을 것으로 판단된다.
압축을 받는 ICH RC 기둥의 구속응력을 분석하기 위하여 먼저 내부튜브를 삽입하지 않은 경우, 즉 중공 RC 기둥의 구속응력을 분석하였다. 내부튜브가 삽입되지 않았을 경우에 구속 콘크리트의 외부구속응력과 내부구속응력을 나타내었으며, 또한 내부 튜브가 삽입된 구조인 ICH RC 기둥에서의 외부 및 내부 구속 응력을 비교 검토하였다.
유한요소해석법에 의하여 ICH RC 기둥의 내부 구속 응력을 분석하였다. 분석한 결과 기존에 식 (2)에서 가정한 것과 같이 내부 구속 응력과 외부 구속 응력 그리고 식 (1)의 외부 구속 응력이 내부튜브의 삽입과 중공비에 따라서 크게 달라지는 것을 알 수 있었다.
)도 거의 다르게 선정하였다. 이 모델들은 모두 중공비를 0.1~0.9까지 나누어서 모델링 하였으며, 이때의 내부튜브의 두께는 해석을 통하여 Try and Error방법을 이용하여 내부튜브와 외부튜브가 동시에 항복될 경우를 선택하였다. 해석 모델의 총 개수는 189개이다.
검정색 선은 해석 결과 값들의 평균을 나타낸 것이고, 파란색 선은 해석 값들의 upper limit를 나타낸 것이다. 이때 내부튜브가 파괴되는 것을 방지하기 위하여 upper limit에 안전율 10%를 주어 빨간 선과 같이 새로운 내부 구속응력비를 제안하였다.
(2008)[1]이 제시한 내부튜브 파괴조건식은 내부 구속 응력을 외부 구속응력과 동일하게 하였기 때문에 과다 설계 가능성이 크다. 이론 구속 응력과 내부 구속 응력의 관계를 분석하여 내부 구속 응력을 산정하며, 이를 이용하여 파괴 조건식을 수정한다.
제안된 수정 항복 파괴 조건식과 좌굴 파괴 조건식을 이용하여 설계를 하고자 한다. 대상 기둥의 상세 제원은 Table 3과 같다.
중공비(Di/D')를 0.1~0.9, 이론 구속응력(fl)은 10MPa, 외경(D) 400mm, 철근의 항복강도(fyh )는 350MPa, 횡철근의 면적 Asp는 507mm2, 그리고 횡철근간의 간격은 89mm로 하였다.
의 콘크리트 모델은 Solid 요소(C3D8R)를 적용하였으며, 철근은 Truss 요소(T3D2R)을 적용하였다. 콘크리트와 철근 간의 접촉면은 Embedded Region 옵션을 적용하였다. 콘크리트의 강도는 Fig.
하중 및 경계조건으로는 콘크리트 상단에 축하중을 작용하였으며, 지점부분은 Local 좌표계를 이용하여 Tangential방향과 축방향 변위를 고정하였다.
본 연구는 압축을 받는 내부 구속 중공 RC 기둥의 최적 구속력 평가를 위하여 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 결과를 바탕으로 Han et al(2008)[1]이 제시한 내부튜브 파괴 조건식을 바탕으로 수정 파괴조건식을 제시하였으며, 내부 구속응력을 도출할 수 있는 방법을 제시하였다.
대상 데이터
9까지 나누어서 모델링 하였으며, 이때의 내부튜브의 두께는 해석을 통하여 Try and Error방법을 이용하여 내부튜브와 외부튜브가 동시에 항복될 경우를 선택하였다. 해석 모델의 총 개수는 189개이다.
이론/모형
비선형 해석을 위한 ABAQUS[7]의 콘크리트 모델은 Solid 요소(C3D8R)를 적용하였으며, 철근은 Truss 요소(T3D2R)을 적용하였다. 콘크리트와 철근 간의 접촉면은 Embedded Region 옵션을 적용하였다.
성능/효과
(1) 중공 RC 기둥이 압축을 받을 경우 중공비가 0.3 이하에서는 코어 콘크리트 단면만으로도 충분한 구속효과가 발현되는 것으로 나타났으며, 중공비 0.4~0.7의 경우에는 코어 콘크리트 단면이 감소하면서 내부 구속 응력이 서서히 감소되어 이론 구속응력 대비 90%에 도달되며, 중공비 0.7 이후부터 급격하게 감소되어 중공비 0.9에서는 이론 구속응력 대비 20%수준까지 감소한다.
(2) ICH RC 기둥은 중공 RC 기둥에 내부튜브를 삽입한 구조로 내부튜브두께가 요구두께 이상으로 삽입될 경우에 구속 콘크리트의 외부 구속응력이 이론 구속응력과거의 유사하게 발현되는 것으로 나타났으며, 내부 튜브를 삽입하지 않을 경우와 비교하여 내부 구속응력은 외부 구속응력이 증가된 만큼 증가되는 것으로 나타났다. 주로 중공비 0.
(3) 매개변수 연구를 수행한 결과 내부 구속응력비에 가장 큰 영향을 미치는 인자는 중공비로서 그 이외의 변수인 직경, 내부튜브의 두께, 횡철근의 간격, 이론 구속응력 등은 약 10%내외의 오차를 가지고 변한다.
13은 내부튜브 삽입 후에 구속응력 변화를 나타낸 것이다. 내부튜브 삽입 이후에 외부 구속 응력은 이론 구속응력과 거의 유사한 값을 보이는 것으로 나타났으며, 내부 구속 응력은 거의 외부 구속응력 증가량만큼 증가된 것을 볼 수 있다. 내부튜브가 삽입됨으로서 코어 콘크리트의 구속응력이 증가되어 3축구속상태가 되는 것으로 나타났다.
유한요소해석법에 의하여 ICH RC 기둥의 내부 구속 응력을 분석하였다. 분석한 결과 기존에 식 (2)에서 가정한 것과 같이 내부 구속 응력과 외부 구속 응력 그리고 식 (1)의 외부 구속 응력이 내부튜브의 삽입과 중공비에 따라서 크게 달라지는 것을 알 수 있었다. 내부튜브가 삽입되었을 경우에 구속 콘크리트의 외부 구속 응력은 식 (1)과 같은 이론 구속응력과 동일해 지는 것으로 나타났으며, 내부 구속 응력은 중공비에 따라서 크게 변하는 것으로 나타났다.
수정 파괴조건 식은 항복파괴 조건식과 좌굴파괴조건식으로 나뉘어 제시되었다. 수정된 산정식을 이용하여 내부튜브의 두께를 산정할 경우 기존 식에 비하여 약 50%의 두께를 감소시킬 수 있어 동일 구속응력 대비 경제성 있는 기둥을 건설할 수 있을 것으로 판단된다.
24는 Table 5의 제원을 적용하여 해석한 결과를 나타낸 것으로 외부 구속응력이 이론 구속응력과 거의 유사한 것으로 나타났다. 이러한 결과로 보아 제안된 수정 파괴 조건 식에 의한 내부튜브 산정식 그리고 내부 구속 응력을 예측할 수 있는 감소계수가 매우 신뢰성이 큰 것으로 판단된다.
13의 튜브 삽입 이전의 내부 구속 응력 변화와 거의 유사한 형태를 가진다. 중공비 0.1~0.5의 모델에서의 외부 구속응력이 이론 구속응력과 거의 유사한 것으로 나타났으며, 0.5이후에 외부 구속응력이 감소하다 중공비 0.7을 기점으로 급격하게 감소한다. 중공비 0.
11은 H-RC 기둥의 구속응력비를 나타낸 것으로 이론 구속응력 대비 외부 구속응력, 내부 구속응력을 나타낸 것이다. 중공비 0.3까지는 외부 구속응력이 이론 구속응력과 거의 동일한 것으로 나타났으며, 중공비 0.3 이후부터 0.7까지 외부 구속응력이 점차 감소하여 이론 구속응력의 약 90%수준으로 감소되는 것으로 나타났으며, 중공비 0.7이후에는 급격하게 감소되어 중공비 0.8에서는 이론 구속 응력 대비 60% 수준, 중공비 0.9에서는 약 20%수준까지 감소하는 것으로 나타났다. 이에 반해 내부 구속응력은 중공비 0.
후속연구
339%정도의 오차율을 갖는다. 본 해석에서 가정한 콘크리트 Solid 요소, 철근 Truss 요소, 그리고 Embedded Region 옵션의 가정이 합리적인 것으로 판단되며, 향후 연구에 적용하여도 무방할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
중실기둥이 대형화될 경우 중공기둥이 적용되는 목적은 무엇인가?
중공 기둥은 상부구조에서 발생하는 축하중이 작고 허용 횡변위가 작을 경우 그리고 도로교량과 철도교량의 고교각에서 많이 적용되고 있다. 또한 중공기둥은 중실기둥이 대형화될 경우 큰 자중에 의하여 지진력이 증가되는 것을 막는 것을 목적으로 많이 적용되고 있다. 중공 철근 콘크리트기둥 (Hollow Reinforced Concrete ; H-RC)에는 일반적으로 Fig.
내부구속중공 RC 기둥이란 무엇인가?
내부구속중공 RC(Internally Confined Hollow RC, ICH RC) 기둥이란 중공 RC 기둥의 중공부에 내부튜브를 삽입하여 코어 콘크리트를 3축 구속 상태에 놓이게 하여 기둥의 강도와 연성도를 증가시킨 기둥이다. ICH RC 기둥의 구속응력에 대한 연구는 선행 연구자에 의하여 이루어 졌으나 외부 구속응력에 대한 연구만 진행된 상태이다.
내부 구속 중공 RC 기둥의 구조는?
(2008)에 의하여 제안된 내부 구속 중공 RC(Internally Confined Hollow RC ; ICH RC) 기둥이 있다[1]. 이 기둥은 내측에 횡철근과 종철근이 배근되지 않는 중공 RC기둥의 중공면에 튜브를 삽입한 구조로서 내측 부분이 완벽하게 구속되기 때문에 중공부에서 파괴되는 것을 방지할 수 있으며, 코어 콘크리트를 횡철근과 내부 튜브를 이용 하여 3축 구속 상태에 놓이게 하여 강도와 연성도를 증진시킨 구조이다[1],[2],[3]. 이밖에도 내부튜브를 삽입한 구조의 비선형 해석에 대한 연구가 있다[4]
참고문헌 (9)
Han, T.H., Lim, N.H., Han, S.Y., Park, J.S., and Kang, Y.J. (2008) Nonlinear concrete model for an internally confined hollow reinforced concrete column, Mag Concr Res., Vol. 60, No. 6 pp.429-438.
Han, T.H., Yoon, K.Y., and Kang, Y.J. (2010) Compressive strength of circular hollow reinforced concrete confined by an internal steel tube Construction and Building Materials, Vol. 24, pp.1690-1699.
황현종, 엄태성, 박홍근, 이창남, 김형섭(2012) 고강도 앵글을 적용한 선조립 합성 기둥의 압축 실험, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제4호, pp.361-369. Hwang, H.J., Eom, T.S., Park, H.G., Lee, C.N., and Kim, H.S. (2012) Compression Test for Prefabricated Composite Columns Using High-Strength Steel Angles, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol. 24, No. 4, pp.361-369 (in Korean).
한홍수, 최병정, 한권규(2011) 폭두께비에 따른 강판콘크리트구조의 압축거동, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제23권, 제2호, pp.229-236. Han, H.S., Choi, B.J., and Han, K.G. (2011) Compression Behavior of Steel Plate-Concrete Structures with the Width-to-Thickness Ratio, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol 23, No.2, pp. 229-236 (in Korean)
원덕희, 한택희, 윤나리, 강영종(2012) 일축압축을 받는 내부 구속 중공 CFT 기둥의 최적 구속 효과 연구, 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제32권, 제4A호, pp.227-235. Won, D.H., Han, T.H., Yoon, N.R., and Kang, Y.J. (2012) A Study on Optimum Confined Effect for Internally Confined Hollow CFT Columns under Uniaxial Compression, Journal of the Korean Society of Civil Engineers, Vol. 32, No. 4A, pp. 227-235 (in Korean).
Antonio, F.B. and Gabriel, O.R. (1998) Analysis of Reinforced Concrete Structures using Ansys Nonlinear Concrete Model, Computational Mechanics, New trends and application, Barcelona, Spain, pp.1-7.
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