CFT 기둥은 시공이 간단하고 경제적이며 구조성능이 우수한 현장타설 매입형 연결 형식이다. 본 연구에서는 모듈러 교각에 적용되는 CFT 기둥-기초 연결부 형식을 제안하고, 실험을 통하여 구조성능을 평가하였다. 기둥-기초 연결부의 구조성능을 평가하기 위해서 기초부 콘크리트에 매입되는 CFT 기둥의 매입깊이를 변수로 총 4개의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 준정적 실험결과, 매입깊이가 0.6D인 실험체에서는 낮은 하중단계에서 기초부의 콘파괴로 인하여 상대적으로 낮은 연성능력을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 기초부의 콘파괴가 방지되고 CFT 기둥 하단부에서 전형적인 휨파괴 거동을 보이며 높은 연성능력을 발휘하였다. 하중-변위 이력곡선, 변위 연성도 및 에너지 소산능력 등을 분석한 결과, 제안된 CFT 기둥-기초 연결부의 매입깊이는 0.9D~1.2D 수준이 내진성능을 발휘하는 합리적인 수준인 것으로 평가되었다.
CFT 기둥은 시공이 간단하고 경제적이며 구조성능이 우수한 현장타설 매입형 연결 형식이다. 본 연구에서는 모듈러 교각에 적용되는 CFT 기둥-기초 연결부 형식을 제안하고, 실험을 통하여 구조성능을 평가하였다. 기둥-기초 연결부의 구조성능을 평가하기 위해서 기초부 콘크리트에 매입되는 CFT 기둥의 매입깊이를 변수로 총 4개의 실험체를 제작하여 실험을 수행하였다. 준정적 실험결과, 매입깊이가 0.6D인 실험체에서는 낮은 하중단계에서 기초부의 콘파괴로 인하여 상대적으로 낮은 연성능력을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 기초부의 콘파괴가 방지되고 CFT 기둥 하단부에서 전형적인 휨파괴 거동을 보이며 높은 연성능력을 발휘하였다. 하중-변위 이력곡선, 변위 연성도 및 에너지 소산능력 등을 분석한 결과, 제안된 CFT 기둥-기초 연결부의 매입깊이는 0.9D~1.2D 수준이 내진성능을 발휘하는 합리적인 수준인 것으로 평가되었다.
The CFT (Concrete Filled steel Tubes) column-footing connection is cast-in-place embedded type which provides simple construction procedure, low cost, and superior structural performance. In this study, CFT column-footing connection of modular pier is proposed and structural performance is evaluated...
The CFT (Concrete Filled steel Tubes) column-footing connection is cast-in-place embedded type which provides simple construction procedure, low cost, and superior structural performance. In this study, CFT column-footing connection of modular pier is proposed and structural performance is evaluated by experimental tests. To evaluate structural performance of the CFT column-footing connection, a series of experimental tests were performed for the 4 specimens with different embedded depth. As a result of the quasi-static test, the specimen with 0.6D (0.6 times the outside diameter of steel tube) embedded depth showed relatively low ductility than other specimens with larger embedded depth due to cone failure of base concrete occurred during the lower loading step. On the contrary, cone failure of the base concrete was not observed in the specimens with larger embedded depth than 0.9D, but typical flexural failure in lower part of CFT column was observed. With the analyses of force-displacement curve, displacement ductility, and energy dissipation capacity, it is concluded that the rational range of embedded depth of the CFT column-footing connection is from 0.9D to 1.2D in view of good seismic performance.
The CFT (Concrete Filled steel Tubes) column-footing connection is cast-in-place embedded type which provides simple construction procedure, low cost, and superior structural performance. In this study, CFT column-footing connection of modular pier is proposed and structural performance is evaluated by experimental tests. To evaluate structural performance of the CFT column-footing connection, a series of experimental tests were performed for the 4 specimens with different embedded depth. As a result of the quasi-static test, the specimen with 0.6D (0.6 times the outside diameter of steel tube) embedded depth showed relatively low ductility than other specimens with larger embedded depth due to cone failure of base concrete occurred during the lower loading step. On the contrary, cone failure of the base concrete was not observed in the specimens with larger embedded depth than 0.9D, but typical flexural failure in lower part of CFT column was observed. With the analyses of force-displacement curve, displacement ductility, and energy dissipation capacity, it is concluded that the rational range of embedded depth of the CFT column-footing connection is from 0.9D to 1.2D in view of good seismic performance.
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문제 정의
본 실험에서는 모듈러 CFT 기둥과 기초 연결부를 모사한 실험체에 대한 반복수평가력실험을 수행하였다. 실험을 통해서 연결부의 파괴모드 및 내진성능을 평가하였다.
또한, 접합부 상세에서는 기초콘크리트에 매입되는 강관과 콘크리트의 합성효과를 높일 수 있는 방안이 고려되어야 한다. 본 연구는 모듈러 교각을 구성하는 여러 연결부 중에서 CFT 기둥 부재와 기초부를 연결하는 연결부 상세 및 시공법을 제안하였고, 이를 적용한 기둥-기초콘크리트 접합부 실험체에 대한 반복수평가력실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 CFT 기둥의 기초콘크리트내 매입깊이 변화에 따른 구조거동 및 내진성능, 합성거동 등을 평가하였다.
최종적으로는 모듈러 기둥-기초 연결부는 구조성능이 확보되면서 급속시공이 가능하여야 하며, 표준화된 시공을 위해 연결방법이 단순하고 또한 경제성이 확보되어야 한다. 본 연구에서는 이러한 요구조건을 만족할 수 있는 모듈러 교각 시스템의 기둥-기초 연결부의 연결방법을 다음과 같이 제안하였다.
제안 방법
본 연구에서는 모듈러 CFT 교각 시스템의 기둥-기초 연결부 접합방법 및 시공법을 제안하였고, 기초콘크리트내에 매입되는 CFT 기둥의 매입깊이를 변수로 한 기둥-기초 연결부 실험체에 대한 수평반복가력실험을 수행하였다. 기둥-기초 연결부의 매입깊이에 따른 파괴모드, 최대내력, 내진성능 및 휨강성 등의 평가를 통해서 내진성능을 만족하는 적정 매입깊이를 결정하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
8은 현장타설 매입방식으로 본 연구에서 제안하는 모듈러 CFT 기둥-기초 연결부의 상세로 모듈러 CFT 기둥 부재 하단부에 강관의 직경보다 큰 직경을 갖는 원형 플레이트를 설치하고, 원형 플레이트에 앵커볼트를 설치하여 기초부와 일체화 시킨다. 기초부와의 완전합성효과와 펀칭전단에 대한 저항능력을 향상시키기 위해 기초부에 매입되는 충전강관 표면부에 스터드 전단연결재를 수평으로 부착시킨다. Fig.
15로서 변위비(drift ratio)를 증가시키면서 변위제어로 수평하중을 가하였다. 변위제어는 Fig. 16과 같이 기둥유효길이에 대한 비율(drift ratio)로써 각 단계별로 2회씩 반복 재하하여 동일 하중 진폭에 대한 거동특성의 차이를 평가하였다. Drift ratio는 기둥의 유효길이에 대한 가력된 변위의 퍼센트(%)로 기둥 높이의 ±0.
본 연구에서 제안한 CFT 기둥을 이용한 모듈러 교각에서는 기둥-기초 연결부가 존재하는데 연성 및 내진성능이 향상될 수 있도록 접합부 상세 및 적정 매입깊이가 확보되어야 한다. 또한, 접합부 상세에서는 기초콘크리트에 매입되는 강관과 콘크리트의 합성효과를 높일 수 있는 방안이 고려되어야 한다.
본 연구에서는 모듈러 CFT 교각 시스템의 기둥-기초 연결부 접합방법 및 시공법을 제안하였고, 기초콘크리트내에 매입되는 CFT 기둥의 매입깊이를 변수로 한 기둥-기초 연결부 실험체에 대한 수평반복가력실험을 수행하였다. 기둥-기초 연결부의 매입깊이에 따른 파괴모드, 최대내력, 내진성능 및 휨강성 등의 평가를 통해서 내진성능을 만족하는 적정 매입깊이를 결정하였으며, 주요 결론은 다음과 같다.
13에서와 같이 4개가 제작되었다. 수평가력 실험을 통해서 매입깊이 변수에 따른 모듈러 CFT 기둥과 기초 접합부의 파괴모드, 내진성능 및 내진성능을 평가하고, 설계에서 요구되는 내진성능을 만족하는 최적의 매입깊이를 결정하기 위해서 4개의 매입깊이를 변수로 실험체가 제작되었다. 기초부의 단면형상 및 배근도는 Fig.
실험이 수행된 실험체는 기초부에 매입되는 모듈러 CFT 강관의 매입깊이(le)를 변수로 제작되었으며, 매입깊이는 CFT 강관 직경(D)의 변수로 나타내었다. 실험 결과를 통해서 매입깊이가 파괴모드, 구조내력 및 내진성능에 미치는 영향을 평가하고 이를 통해서 설계시 요구되는 모듈러 CFT 강관의 적정 매입깊이를 결정하였다. 실험체는 매입깊이가 0.
본 연구는 모듈러 교각을 구성하는 여러 연결부 중에서 CFT 기둥 부재와 기초부를 연결하는 연결부 상세 및 시공법을 제안하였고, 이를 적용한 기둥-기초콘크리트 접합부 실험체에 대한 반복수평가력실험을 수행하였다. 실험결과를 통해 CFT 기둥의 기초콘크리트내 매입깊이 변화에 따른 구조거동 및 내진성능, 합성거동 등을 평가하였다.
본 실험에서는 모듈러 CFT 기둥과 기초 연결부를 모사한 실험체에 대한 반복수평가력실험을 수행하였다. 실험을 통해서 연결부의 파괴모드 및 내진성능을 평가하였다. 실험이 수행된 실험체는 기초부에 매입되는 모듈러 CFT 강관의 매입깊이(le)를 변수로 제작되었으며, 매입깊이는 CFT 강관 직경(D)의 변수로 나타내었다.
구조물 또는 어떤 부재의 총 에너지량에 있어서 지진응답 해석에 의한 변위이력으로부터 실제로 흡수 소산되는 에너지를 계산하고 총 에너지량과 비교하여 구조물의 안전성 여부를 검토할 수 있다. 에너지 소산능력을 평가하기 위하여 누적소산에너지(Cumulative Dissipated Energy)를 분석하였다. Fig.
대상 데이터
CFT 강관의 인발성능 및 내진성능을 향상시키고, 기초부 콘크리트와의 합성을 위해 CFT 강관 하단에는 8개의 앵커볼트가 설치된다. 8개의 앵커 중에서 4개는 갈고리 형상의 앵커이고, 4개는 기초부 콘크리트를 타설하기 전에 자립를 위해서 수직의 형상을 갖는 앵커가 적용되었다(Fig. 11). 모듈러 CFT 강관의 형상 및 기초부 콘크리트와의 합성을 위해 강관에 설치되는 스터드 전단연결재와 앵커의 배근형태는 Fig.
모듈러 CFT 기둥에 사용된 강관의 직경 D는 165.2mm이며, 강관의 두께 t는 6mm로서 모든 실험체에 동일하게 적용하였다. 기초부 콘크리트와의 합성을 위해 적용되는 스터드 전단연결재 및 갈고리 앵커의 배근형태는 Fig.
실험을 통해서 연결부의 파괴모드 및 내진성능을 평가하였다. 실험이 수행된 실험체는 기초부에 매입되는 모듈러 CFT 강관의 매입깊이(le)를 변수로 제작되었으며, 매입깊이는 CFT 강관 직경(D)의 변수로 나타내었다. 실험 결과를 통해서 매입깊이가 파괴모드, 구조내력 및 내진성능에 미치는 영향을 평가하고 이를 통해서 설계시 요구되는 모듈러 CFT 강관의 적정 매입깊이를 결정하였다.
실험 결과를 통해서 매입깊이가 파괴모드, 구조내력 및 내진성능에 미치는 영향을 평가하고 이를 통해서 설계시 요구되는 모듈러 CFT 강관의 적정 매입깊이를 결정하였다. 실험체는 매입깊이가 0.6D~1.5D 범위에서 총 4개가 제작하였으며, 각 실험체의 주요 변수별 특징은 Table 1과 같다.
(2) 매입깊이가 0.6D인 경우에는 CFT 기둥 하단부에서 휨파괴가 발생되기 이전에 낮은 하중단계에서 콘파괴가 발생되어 상대적으로 최대내력 및 연성능력이 낮은 수준을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.
(3) CFT 강관의 매입깊이가 0.6D인 경우에는 변위연성도가 낮게 평가되었으며, 1.2D 이상부터는 도로교설계기준에서 요구하는 5.0 이상의 충분한 연성도를 확보하는 것으로 나타났다.
(4) 실험결과, 매입깊이가 0.6D 실험체의 누적 소산에너지는 비교적 작은 수준을 보였고, 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 상대적으로 높은 수준을 보였다. 매입깊이가 증가하면 에너지 소산량이 증가하지만, 대략 1.
6D인 경우에는 CFT 기둥 하단부에서 휨파괴가 발생되지 않고 낮은 하중단계에서 콘파괴가 발생되어 상대적으로 최대내력 및 연성능력이 낮은 수준을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 콘파괴가 방지되고 CFT 기둥 하단부에서 전형적인 휨파괴가 발생되는 거동을 보였으며, 최대내력 및 연성능력도 높은 수준을 보였다. Fig.
6D인 경우에는 CFT 기둥 하단부에서 휨파괴가 발생되지 않고 낮은 하중단계에서 콘파괴가 발생되어 상대적으로 최대내력 및 연성능력이 낮은 수준을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 콘파괴가 방지되고 CFT 기둥 하단부에서 전형적인 휨파괴가 발생되는 거동을 보였으며, 최대내력 및 연성능력도 높은 수준을 보였다. Fig.
22는 각 하중단계별로 산정된 에너지 소산량을 매입깊이별로 정리한 그래프이다. 매입깊이가 증가하면 에너지 소산량이 증가하지만, 대략 1.0D 매입깊이 이상부터는 일정한 수준을 보였다. 따라서 모듈러 CFT 강관 기둥-기초 접합부에서 CFT 강관의 매입깊이는 1.
모듈러 CFT 기둥-기초 연결부 실험체의 충전콘크리트 및 기초부 콘크리트의 설계압축강도는 40MPa이며, 실린더 공시체의 28일 압축강도는 평균 37.5MPa로 평가되었으며, 주요 강재의 재료특성은 Table 2와 같다.
19에 나타내었고, 최대내력은 Table 4에 정리하였다. 실험결과에서 보면, 매입깊이가 0.6D인 경우에는 CFT 기둥 하단부에서 휨파괴가 발생되지 않고 낮은 하중단계에서 콘파괴가 발생되어 상대적으로 최대내력 및 연성능력이 낮은 수준을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
CFT의 장점은?
대부분의 하부구조는 철근콘크리트 교각으로 시공하고 있지만, 내진성능 향상을 위해 경제적으로 우수하면서 급속시공이 가능한 콘크리트로 충전한 원형 충전강관을 이용한 CFT (Concrete Filled steel Tubes) 교각에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. CFT는 원형이나 사각형 단면을 적용할 수 있는데, 원형 단면이 콘크리트를 구속하는 효과가 크고, 강재와 콘크리트 사이의 부착응력을 증가시키고 국부좌굴을 지연시키기 때문에 사각형 단면보다 우수한 성능을 발현한다. 그러나 사각형 단면은 다른 구조부나 보강재와의 연결이 쉽고, 원형 단면은 제한적이다(Roeder and Lehman, 2009).
연결부의 신뢰도가 떨어지는 이유는?
외부에 노출되는 연결부는 제작이 매입되는 방식보다 설치가 간편하다. 그러나 외부에 노출되는 연결부는 연결부의 강성이 앵커볼트의 성능에만 의존하기 때문에 신뢰도가 떨어지는 것이 일반적인 현상이다. 이 경우 앵커볼트가 항복되면 연결부의 강성(rigidity)이 약화되기 쉽다.
CFT 기둥의 매입깊이를 변수로 한 수평반복가력실험의 결과는?
(1) 수평반복가력실험에서 매입깊이가 0.6D인 실험체는 drift ratio가 6.0% 수준일 때 CFT 기둥이 뽑히면서 콘파괴가 발생되었다. 매입깊이가 0.9D인 실험체는 수평하중이 증가하면서 drift ratio가 6% 수준일 때 CFT 강관 하단부에서 좌굴이 발생되고 이후 점차적으로 내력이 감소하다 11% 수준에서 휨파괴가 발생되었다. 매입깊이가 1.2D인 실험체는 수평하중이 증가 하면서 drift ratio가 5%일 때 CFT 강관 하단부에서 좌굴이 발생되고 11% 수준에서 강재가 찢어지면서 휨파괴가 발생되었다. 매입깊이가 1.5D인 실험체는 CFT 강관 하단부에서 좌굴(drift ratio 5%)에 이어 강관이 찢어지면서(drift ratio 10%) 휨파괴가 발생되었다.
(2) 매입깊이가 0.6D인 경우에는 CFT 기둥 하단부에서 휨파괴가 발생되기 이전에 낮은 하중단계에서 콘파괴가 발생되어 상대적으로 최대내력 및 연성능력이 낮은 수준을 보였다. 그러나 매입깊이가 0.9D 이상에서는 콘파괴가 방지되고 CFT 기둥 하단부에서 전형적인 휨파괴가 발생되는 거동을 보였으며, 최대내력 및 연성능력도 높은 수준을 보였다.
(3) CFT 강관의 매입깊이가 0.6D인 경우에는 변위연성도가 낮게 평가되었으며, 1.2D 이상부터는 도로교설계기준에서 요구하는 5.0 이상의 충분한 연성도를 확보하는 것으로 나타났다.
(4) 실험결과, 매입깊이가 0.6D 실험체의 누적 소산에너지는 비교적 작은 수준을 보였고, 매입깊이가 0.9D 이상인 실험체에서는 상대적으로 높은 수준을 보였다. 매입깊이가 증가하면 에너지 소산량이 증가하지만, 대략 1.0D~1.2D 범위의 매입깊이 이상 부터는 일정한 수준을 보였다. 따라서 모듈러 CFT 교각 기둥-기초 접합부의 내진성능을 만족하는 적정 매입깊이는 1.2D수준 인 것으로 판단된다.
참고문헌 (11)
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