SRC기둥-H형단면과 U형단면으로 구성된 합성보 접합부의 반복가력실험 Cyclic Loading Test on Connection of SRC Column-Composite Beam Consisting of H-Section and U-Section Members원문보기
본 연구에서는 SRC 기둥-H형단면과 U형단면으로 구성된 합성보 접합부에 관해서 반복가력실험을 실시하였다. 합성보에 관한 핵심요소는 H형단면과 U형단면 간 용접접합부의 구조적 성능이다. 이 두 부재 접합부의 성능을 향상시키기 위해서는 수직스티프너와 사다리꼴 스티프너가 필요하다. 접합부의 반복적인 성능을 평가하기 위해서 5개의 실대형 실험체를 계획하였으며, 실험변수는 H형단면의 크기($H-500{\times}200{\times}10{\times}16$, $H-600{\times}200{\times}11{\times}17$), 스티프너와 상부근의 유무 및 용접접근공(WAH)의 유무 등이다. 실험결과, H-500 시리즈 및 H-600 시리즈 보가 있는 실험체의 회전각은 각각 4%와 3%로 나타났으며, 이는 특수모멘트골조와 중간모멘트골조에 요구되는 값이다. 실험결과는 스티프너와 상부근이 있는 실험체의 변형능력이 그렇지 않은 실험체에 비해서 우수한 결과를 보였다. 끝으로, 실험체의 에너지소산능력과 변형도 분포를 요약하였다.
본 연구에서는 SRC 기둥-H형단면과 U형단면으로 구성된 합성보 접합부에 관해서 반복가력실험을 실시하였다. 합성보에 관한 핵심요소는 H형단면과 U형단면 간 용접접합부의 구조적 성능이다. 이 두 부재 접합부의 성능을 향상시키기 위해서는 수직스티프너와 사다리꼴 스티프너가 필요하다. 접합부의 반복적인 성능을 평가하기 위해서 5개의 실대형 실험체를 계획하였으며, 실험변수는 H형단면의 크기($H-500{\times}200{\times}10{\times}16$, $H-600{\times}200{\times}11{\times}17$), 스티프너와 상부근의 유무 및 용접접근공(WAH)의 유무 등이다. 실험결과, H-500 시리즈 및 H-600 시리즈 보가 있는 실험체의 회전각은 각각 4%와 3%로 나타났으며, 이는 특수모멘트골조와 중간모멘트골조에 요구되는 값이다. 실험결과는 스티프너와 상부근이 있는 실험체의 변형능력이 그렇지 않은 실험체에 비해서 우수한 결과를 보였다. 끝으로, 실험체의 에너지소산능력과 변형도 분포를 요약하였다.
In this study, connection of steel reinforced concrete(SRC) column and composite beam which consists of H-section and U-section members were tested under cyclic loading. An essential point of the composite beam is the structural performance of welded joint between the H-section and the U-section mem...
In this study, connection of steel reinforced concrete(SRC) column and composite beam which consists of H-section and U-section members were tested under cyclic loading. An essential point of the composite beam is the structural performance of welded joint between the H-section and the U-section members. To improve the structural performance of joint of two beam members, vertical stiffeners, trapezoidal stiffeners, and top bars were used. Five full-scaled specimens were designed to study the effect of a number of parameters on cyclic performance of connections such as H-section beam size($H-500{\times}200{\times}10{\times}16$, $H-600{\times}200{\times}11{\times}17$), the presence of stiffeners and top bars, and the presence of no weld access hole(WAH) method. Based on the test results, deformation capacity of the specimens with H-500 series beam and H-600 series beam were 4% and 3% rotation angle, which is the requirement for the Special Moment Frame and Intermediate Moment Frame(IMF), respectively. Test result showed that deformation capacity of connection with stiffeners and top bars is greater than that of connection without stiffeners and top bars. Finally, energy dissipation capacity and strain profile of specimens were summarized.
In this study, connection of steel reinforced concrete(SRC) column and composite beam which consists of H-section and U-section members were tested under cyclic loading. An essential point of the composite beam is the structural performance of welded joint between the H-section and the U-section members. To improve the structural performance of joint of two beam members, vertical stiffeners, trapezoidal stiffeners, and top bars were used. Five full-scaled specimens were designed to study the effect of a number of parameters on cyclic performance of connections such as H-section beam size($H-500{\times}200{\times}10{\times}16$, $H-600{\times}200{\times}11{\times}17$), the presence of stiffeners and top bars, and the presence of no weld access hole(WAH) method. Based on the test results, deformation capacity of the specimens with H-500 series beam and H-600 series beam were 4% and 3% rotation angle, which is the requirement for the Special Moment Frame and Intermediate Moment Frame(IMF), respectively. Test result showed that deformation capacity of connection with stiffeners and top bars is greater than that of connection without stiffeners and top bars. Finally, energy dissipation capacity and strain profile of specimens were summarized.
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문제 정의
본 연구에서는 H형단면과 U형단면이 조합된 합성보와 SRC 기둥 접합부에 대한 내진성능을 실험적으로 검증하였다. 모두 5개의 실험체를 제작하였으며, AISC 및 KBC2009 기준에서 제시한 모멘트접합부의 가력프로토콜을 사용하여 반복가력실험을 실시하였고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 H형단면과 U형단면이 조합된 합성보와 철골철근콘크리트(SRC)기둥 접합부에 대한 반복가력실험을 실시하여, 접합부의 파괴모드 및 에너지소산능력 등을 관찰 하여 정리하였다.
제안 방법
12(b)를 참조하면 최종적으로는 소성 변형능력이 큰 GC01과 GC02실험체가 더욱 큰 에너지를 소산했다고 할 수 있다. GC03실험체의 경우에는 내력뿐만 아니라 변형능력도 부족하였기 때문에 제일 빈약한 에너지를 소산하였다.
모멘트가 양인 것은 가력점에서의 변위가 상부로 발생하여 콘크리트 슬래브가 압축을 받는 경우(정모멘트)이고, 모멘트가 음인 것은 변위가 하부로 발생하여 콘크리트 슬래브가 인장을 받는 경우(부모멘트)를 나타낸다. 그래프에 표현된 실선 및 점선은 각각 정모멘트와 부모멘트 상태에서의 보의 전소성모멘트를 나타내며, 강재의 항복강도 및 콘크리트의 압축강도를 나타낸 Table 2를 참조하여 실제의 내력을 예측하고자 하였다. Fig.
제안된 두 단면간 겹침길이는 설계 시 U형단면의 춤 이상이 되도록 설계단계에서 계획하였다. 그리고 U형단면 상부 플랜지가 H형단면 상부 플랜지와 높이가 일치하지 않기 때문에 U형단면의 모멘트를 H형단면에 전달하기 위해서, U형단면 상부플랜지면과 H형단면 웨브의 상단부를 수평스티프너(Horizontal stiffener, PL-200x60x6) 6개를 사용하여 용접 접합하였다(Fig. 6 참조). 이는 U형단면의 상부플랜지 인장력 이상으로 수평스티프너가 전단저항력이 크게 되도록 설계한 것이다.
접합부의 변형을 측정하기 위하여 변위계를 설치하여 총 회전각, 패널존 회전각 및 보의 회전각 등을 평가하도록 하였다. 또한 응력집중이 예상되는 위치에 변형도 게이지를 설치하여 변형도를 측정하였다.
본 연구에서는 H형단면과 U형단면이 조합된 합성보와 SRC 기둥 접합부에 대한 내진성능을 실험적으로 검증하였다. 모두 5개의 실험체를 제작하였으며, AISC 및 KBC2009 기준에서 제시한 모멘트접합부의 가력프로토콜을 사용하여 반복가력실험을 실시하였고 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
단부가 H형단면일 경우, 시공 시 기존의 철골보이음 방법과 동일하여 시공성이 좋으며, 실험체도 이와 같은 보이음으로 제작되었다. 보이음은 지진 시 극한내력을 견디도록 전강도 설계법을 사용하여 고력볼트의 개수를 산정하였다.
본 연구에서는 기존에 개발된 합성보와는 달리 두 개의 단면, 즉, H형단면과 U형단면이 조합된 합성보를 제안하였다. Fig.
실험체의 반복가력 시, KBC2009 기준[8] 및 AISC Seismic Provision[9]을 참조하여 층간변위각 ±0.375%, ±0.5% 및 ±0.75%는 각 6사이클, ±1%는 4사이클, ±1.5%, ±2%, ±3% 이상은 ±1%씩 변위를 증가하면서 각 2사이클 씩 가력하도록 계획하였다.
3-4 참조). 이들 실험체의 경우, H형단면과 U형단면의 접합하는데 있어서 콘크리트 누수를 방지하면서 전단력을 전달하는 수직스티프너1은 모두 기본적으로 용접되어 있고, H형단면과 U형단면이 겹쳐지는 500mm 구간에는 보웨브 양측에 스터드볼트 4개씩 총 8개를 설치하여 강재-콘크리트 간 합성효과를 발휘하도록 하였다. 또한, 전술한 바와 같이 이들 3개의 실험체는 H형단면과 U형단면 춤의 차이가 크므로, U형단면의 하부플랜지에 축방향으로 500mm 길이의 홈을 두어 H형강 웨브를 삽입한 후 용접으로 접합하게 된다.
Table 3는 내력에 대한 실험값과 이론값을 정리하여 요약한 것이다. 전술한 바와 같이 이론값은 실제의 재료값을 사용하여 보에서 소성힌지 예상위치의 전소성모멘트를 정방향 및 부방향 모두 산정하였다. GC03을 제외한 모든 실험체가 이론값에 대한 실험값의 비가 1.
접합부의 변형을 측정하기 위하여 변위계를 설치하여 총 회전각, 패널존 회전각 및 보의 회전각 등을 평가하도록 하였다. 또한 응력집중이 예상되는 위치에 변형도 게이지를 설치하여 변형도를 측정하였다.
또한 H형단면과 U형단면의 겹침길이는 U형단면의 춤보다 약간 긴 500mm이다. 제안된 두 단면간 겹침길이는 설계 시 U형단면의 춤 이상이 되도록 설계단계에서 계획하였다. 그리고 U형단면 상부 플랜지가 H형단면 상부 플랜지와 높이가 일치하지 않기 때문에 U형단면의 모멘트를 H형단면에 전달하기 위해서, U형단면 상부플랜지면과 H형단면 웨브의 상단부를 수평스티프너(Horizontal stiffener, PL-200x60x6) 6개를 사용하여 용접 접합하였다(Fig.
제안된 합성보와 SRC기둥 접합부의 내진성능을 평가하기 위해서 실물실험을 실시하였다. 모두 5개의 실대형 실험 체를 설계하였고 실험체 일람은 Table 1과 같다.
6(b)와 같이, 수직스티프너2를 추가로 보강함과 동시에 U형단면 하단에 사다리꼴 스티프너(Trapezoidal stiffener)를 용접으로 보강하여 응력이 더욱 명확히 전달되도록 하였다. 추가적으로 상부에 철근(Top bar)을 배치하여 부모멘트 작용 시, 즉, 상부플랜지 및 슬래브가 인장을 받을 경우 부모멘트를 저항하도록 하였다. Table 2는 사용된 강재 및 철근(시험방법: KS B 0802)과 콘크리트(시험방법: KS F 2405)의 재료시험결과를 표로 정리하여 나타내었다.
대상 데이터
합성기둥은 H형단면인 H-400x400x13x23 부재와 D25 수직철근 12대 및 D10의 횡보강근으로 구성되어 있으며, 콘크리트를 포함하여 단면은 폭이 600mm의 정사각형 형태이다. 보의 경우는 단부는 H형단면인 H-500x200x10x16 또는 H-600x200x11x17부재와 중앙부는 U-460(춤)x400(폭)x6(강판두께)부재로 계획되었다. 단부가 H형단면일 경우, 시공 시 기존의 철골보이음 방법과 동일하여 시공성이 좋으며, 실험체도 이와 같은 보이음으로 제작되었다.
실험의 변수는 단부 H형단면 부재의 크기(H-500x200x10x16, H-600x200x11x17), H형단면과 U형단면 접합부의 보강여부, 전단연결재의 간격 및 용접접근공(Weld access hole)의 유무 등이다.
5는 실험체 상세를 나타낸 것이고, 실험체는 셋업 및 가력 등의 편의를 위하여 T형으로 계획하였다. 실험체의 총길이는 4,225mm, 기둥중심에서 가력점까지의 거리는 3,525mm, 기둥의 높이는 1,890mm, 그리고 기둥 상하단의 핀지점 사이의 거리는 3,000mm이다.
성능/효과
(1) 실험결과 본 연구에서 제시하고 있는 기둥-보 접합부는 안정된 이력거동을 하였으며, 최소한 3% rad이상의 회전성능을 발휘함으로써 중간모멘트접합부의 성능을 가지고 있음을 알 수 있었다. 특히 단부보가 H-500과 같이 보춤이 상대적으로 작을 경우에는 4%rad의 회전성능을 발휘하는 특수모멘트접합부의 가능성도 또한 보여주었다.
(2) 단부 H형단면보의 춤이 U형단면보와 크게 차이가 발생하지 않는 경우에는 U형단면보 하부플랜지의 상부에 H형단면보의 하부플랜지를 얹혀서 모살용접으로 보강함으로써 두 단면부재 간의 응력전달이 원활해짐을 알 수 있었으나, GC03실험체와 같이 두 단면보 춤의 차이가 클 경우에는 원활한 응력전달을 위해서 수직스티프너 및 사다리꼴 스티프너가 추가적으로 보강되어야 할 필요성이 있음을 실험결과를 통해 확인하였다.
(3) GC01과 GC02실험체의 파괴모드를 살펴보면 수직스티프너1과 U형단면보 웨브부분의 용접부에서 균열이 발생한 것이 관찰되었는데, 이는 실험체 제작 시에 보다 확실한 모살용접의 실시가 요구되었다. 또한 실험체 개수가 제한되어 용접접근용의 유무에 따른 두드러진 실험결과의 차이는 발견되지 않았다.
(4) GCR04 및 GCR05는 4%의 회전각을 목표로 가력하는 동안 단부 H형단면 하부플랜지의 용접접근공에서 균열이 시작되었다. 이는 KBC2009에서 제시하는 모멘트접합부의 용접접근공의 형태인 1/4원을 사용한 것이 주요 원인의 하나로 판단되며, 추가적으로 합성보의 경우 슬래브 효과에 의해 중립축이 상승되어 하부플랜지에 응력이 집중되는 것도 또한 플랜지파단의 원인이라고 판단할 수 있다.
가력이 진행되는 동안, 부모멘트 시에는 슬래브에 인장균열이 관찰되었고(Fig. 10(a)), 패널존 부근의 콘크리트는 전단균열이 관찰되었다(Fig. 10(b)).
9(c)～(e)는 단부 H형단면이 H-600시리즈인 실험체의 모멘트-회전각 곡선을 나타낸 것이다. 그래프를 참조하면 GC03실험체의 내력 및 변형능력이 GCR04 및 GCR05실험체에 비해서 매우 열등한 결과를 나타내었다. 이는 H형단면과 U형단면이 만나는 접합부가 모멘트나 전단력을 전달되도록 하는 보강상세로는 충분하지 않았기 때문으로 판단되며, 결과적으로 Fig.
그래프에서 수직축은 모멘트를, 수평축은 백분율로 나타낸 변형도 값이다. 변형도의 이력곡선을 살펴보면, 모든 실험체의 H형단면보의 하부플랜지가 큰 소성변형을 경험했음을 알 수 있는데 반해 U형단면보 하부플랜지의 변형도 분포는 GC03을 제외하면 대부분 탄성에 머무르는 것을 관찰할 수 있다. 이는 이론적으로 예측한 소성힌지의 위치가 타당함을 알려 준다.
또한 GCR04와 GCR05 두 실험체에서 앵글시어커넥터의 간격에 의한 영향은 미미하였다. 뿐만 아니라 정/부모멘트 모두 예측한 전소성모멘트를 초과하였고, 회전각이 3% 될 때까지 안정된 이력루프를 관찰할 수 있었다. 다만 4%의 회전각을 목표로 정모멘트 방향으로 가력을 진행하는 과정에서 기둥부근의 H형단면 하부플랜지가 굉음과 함께 Fig.
후속연구
이는 KBC2009에서 제시하는 모멘트접합부의 용접접근공의 형태인 1/4원을 사용한 것이 주요 원인의 하나로 판단되며, 추가적으로 합성보의 경우 슬래브 효과에 의해 중립축이 상승되어 하부플랜지에 응력이 집중되는 것도 또한 플랜지파단의 원인이라고 판단할 수 있다. 따라서 기존의 결과에서 보여준 3% 회전각을 초과하는 특수모멘트접합부의 변형능력을 발휘하기 위해서는 하부플랜지에 추가적인 연성보강이 필요할 것으로 판단된다.
이는 U형단면에서 H형단으로 응력을 전달하는 과정에서 접합부의 용접부분의 상부가 벌어진 후 변위가 증가하면서 전 용접부가 파괴되는 결과를 초래하였다. 용접부의 파단부분을 살펴본 결과 충분한 모살용접의 크기를 확보하지 못한 것으로 조사되었고, 향후 설계 시에는 용접에 관한 명확한 품질확보가 필요하다고 판단된다.
19의 분포를 나타내었다. 이러한 결과를 통해, GCR04 또는 GCR05와 같이 H형단면과 U형단면의 춤에 대한 차이가 클 경우에는 명확한 응력전달을 가능하게 하는 보강재를 배치하여 GC03과 같은 열등한 접합부의 발생을 방지하여야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
H형단면과 U형단면이 조합된 합성보와 SRC 기둥 접합부에 대한 내진성능을 실험적 검증하는 과정에서, 기둥-보 접합부는 어떤 성능을 가지고 있었는가?
(1) 실험결과 본 연구에서 제시하고 있는 기둥-보 접합부는 안정된 이력거동을 하였으며, 최소한 3% rad이상의 회전성능을 발휘함으로써 중간모멘트접합부의 성능을 가지고 있음을 알 수 있었다. 특히 단부보가 H-500과 같이 보춤이 상대적으로 작을 경우에는 4%rad의 회전성능을 발휘하는 특수모멘트접합부의 가능성도 또한 보여주었다.
합성보는 무슨 효과를 이용하여 무엇에 유리한가?
일반적으로 합성보는 철골보와 슬래브의 합성효과를 이용하여 동일한 스팬에서 부재의 휨강성이 증가함으로 철골 물량저감에 효과적일 뿐만 아니라 적재하중에 의한 처짐이 적고 진동이나 충격을 받는 보에 특히 유리하다. 이와 같은 장점으로 인해 다양한 형태의 합성보를 개발하고 있다[1],[2],[3].
본 연구에서 합성기둥은 어떻게 구성되어있는가?
합성기둥은 H형단면인 H-400x400x13x23 부재와 D25 수직철근 12대 및 D10의 횡보강근으로 구성되어 있으며, 콘크리트를 포함하여 단면은 폭이 600mm의 정사각형 형태이다. 보의 경우는 단부는 H형단면인 H-500x200x10x16 또는 H-600x200x11x17부재와 중앙부는 U-460(춤)x400(폭)x6(강판두께)부재로 계획되었다.
참고문헌 (12)
김성배, 김상섭, 유덕수(2013) 신형상 U형 하이브리드 합성보와 기둥 접합부의 내진성능에 관한 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제25권, 제1호, pp.47-59. (Kim, S.B., Kim, S.S., and Ryu, D.S. (2013) Study on the Cyclic Seismic Testing of U-shape Hybrid Composite Beam-to-Composite Column Connections, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.25, No.1, pp.47-59 (in Korean)).
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