본 논문은 강-콘크리트 슬립실험으로 결정된 계면 계수값을 휨 하중을 받는 콘크리트 충전강관 합성보 실험의 결과예측에 적용하여 콘크리트 충전강관 합성보의 계면거동과 구속효과를 규명하였다. 원형단면의 콘크리트가 전단면압축을 받도록 하기 위해서 콘크리트 충전강관에 웨브와 플랜지를 추가한 콘크리트 충전강관 합성보를 사용하여 휨 거동실험을 수행하였다. 콘크리트가 전단면 압축을 받는 단부가 개방된 콘크리트 충전합성강관의 경우에는 구속효과에 의해 약 16%의 강도증진효과를 확인하였으며, 단부를 폐쇄하여 구속효과가 커진 콘크리트충전 합성강관의 경우에는 35% 정도의 큰 강도증진효과가 발생하는 것을 확인하였다. 실험과 수치해석을 통해 얻은 이러한 결과는 콘크리트 충전강관을 이용한 교량의 상부 거더나 아치리브에 대한 단면 결정에 적용되는 적용성을 갖는다.
본 논문은 강-콘크리트 슬립실험으로 결정된 계면 계수값을 휨 하중을 받는 콘크리트 충전강관 합성보 실험의 결과예측에 적용하여 콘크리트 충전강관 합성보의 계면거동과 구속효과를 규명하였다. 원형단면의 콘크리트가 전단면압축을 받도록 하기 위해서 콘크리트 충전강관에 웨브와 플랜지를 추가한 콘크리트 충전강관 합성보를 사용하여 휨 거동실험을 수행하였다. 콘크리트가 전단면 압축을 받는 단부가 개방된 콘크리트 충전합성강관의 경우에는 구속효과에 의해 약 16%의 강도증진효과를 확인하였으며, 단부를 폐쇄하여 구속효과가 커진 콘크리트충전 합성강관의 경우에는 35% 정도의 큰 강도증진효과가 발생하는 것을 확인하였다. 실험과 수치해석을 통해 얻은 이러한 결과는 콘크리트 충전강관을 이용한 교량의 상부 거더나 아치리브에 대한 단면 결정에 적용되는 적용성을 갖는다.
Interface behavior and confining effects of concrete-infilled steel tube (CFT) composite beam were investigate based on the experimental observations and numerical analyses. For this purpose, laboratory four-points bending tests were performed for the two test specimens of 1,000mm long CFT composite...
Interface behavior and confining effects of concrete-infilled steel tube (CFT) composite beam were investigate based on the experimental observations and numerical analyses. For this purpose, laboratory four-points bending tests were performed for the two test specimens of 1,000mm long CFT composite beams. The test beams were made of ${\phi}110mm$ and 4.5mm thick steel tube and 10mm thick steel web and bottom flange. Therefore, concrete infilled in steel tube was in compression through the entire cross section due to the web and bottom flange. Two end section conditions, with end section cap and without end section cap, were considered in experiments to monitor the relative slip displacement at ends and induce confining effects at center. In numerical aspects, finite element analysis considering steel-concrete interface behavior was performed and compared to the experimental results.
Interface behavior and confining effects of concrete-infilled steel tube (CFT) composite beam were investigate based on the experimental observations and numerical analyses. For this purpose, laboratory four-points bending tests were performed for the two test specimens of 1,000mm long CFT composite beams. The test beams were made of ${\phi}110mm$ and 4.5mm thick steel tube and 10mm thick steel web and bottom flange. Therefore, concrete infilled in steel tube was in compression through the entire cross section due to the web and bottom flange. Two end section conditions, with end section cap and without end section cap, were considered in experiments to monitor the relative slip displacement at ends and induce confining effects at center. In numerical aspects, finite element analysis considering steel-concrete interface behavior was performed and compared to the experimental results.
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문제 정의
CFT 합성보는 축방향 부재로서의 CFT가 갖는 이러한 강도증진 효과를 휨부재에 적용하기 위한 목적으로 개발되었 으며, 국내에서도 Kang et al. (2005)와 Kang et al. (2006)이 콘크리트충전 강관을 갖는 프리스트레스트 합성거더의 정⋅부모멘트 거동성질 분석을 목적으로 실험 및 해석 연구를 수행하였다.
후)관심 밖에">관심밖에 있어왔다. 본 논문에서는 콘크리트 충전 강관에 강재 웨브와 하부플랜지를 부착하여 강관내의 콘크리트 단면이 압축을 받도록 한 CFT 합성보에서 강관과 콘크리트간의 계면거동의 분석을 수행하였다. 이를 위해 CFT의양 단부가 개방된 경우와 폐쇄된 경우의 두 종류 CFT
가설 설정
후)단면 해석법에">단면해석법에
의한 CFT 보 단면의 저항강도는 압축부 충전콘크리트의 횡방향 체적팽창으로 인한 강관의 구속효과가 없는 것으로 가정하고 계산하였다. 이 방법으로 계산된 단면 강도는 실험에서 계측된
후)예측근거 자료로서만">예측근거자료로서만 사용하였다. 이에 따라 단면강도는 직사각형 단면의 응력사각형 블록 개념과 유사하게 콘크리트의 압축부 전면적에 대하여 콘크리트의 압축응력이 0.85fck의 크기를 갖는 것으로 가정하고 계산하였으며, 또한, 강관 내부의 충전콘크리트가 없는 순수 강관단면의 저항하중을 계산하여 충전콘크리트로 인한 강도 증가 정도를 고찰하였다.
제안 방법
후)경우(단부개방)와">경우 (단부개방)와 Fig. 1(b)와 같이 양단부를 강재를 사용하여 봉함으로써 강관내부 콘크리트의 슬립거동을 방지한 경우 (단부구속)의 두 경우에 대해 각 2개씩 총 4개의 실험체를 제작하였다.
Fig. 1(a)와 (b)의 CFT 보는 종 및 횡방향으로 대칭성을 가지므로 전체형상의 1/4 만을 고려하여 콘크리트는 절점당 3개의 변위자유도를 갖는 8절점 3차원 육면체 요소로서, 강재는 절점당 6개의 자유도를 갖는 4절점 3차원 쉘 요소로서 그리고 강관과 콘크리트 간의 계면은 0-계면깊이 (0-thickness) 8절점 계면요소로서 각각 유한요소 모델링하였다. 해석에 필요한 강재와 콘크리트의 재료물성값은 강재 및 콘크리트 실험에서 얻어진 Table 2와 3의 값을 적용하였고, 강관과 콘크리트의 계면에 대한 물성값은 강-콘크리트 계면의 부착 및 비부착 실험 (Lee et al.
결과적으로, Fig. 5(a)의 게이지 부착위치 ①로부터 ⑧에서 종방향 변형률게이지는 CFT보의 지점부로부터 중앙부까지 휨작용으로 인한 축방향 변형률의 변화경향을 계측하며, 대응하는 횡방향 변형률게이지는 실험체 길이방향으로 강관에 의한 충전콘크리트의 구속정도와 경향을 관찰하도록 계획하였다.
후)내부 콘크리트를">내부콘크리트를 타설한 후에 비닐을 강관 상단부에 덮어 수분의 증발을 방지하였으며 타설 후 1일 째에 비닐덮개를 제거하고 부직포를 덮은 후에 살수함으로써 습윤 양생 조건이 되도록 하였다. Fig.
후)단 부개방">단부개방 TF1과 단부구속 TF2의 두 종류 CFT 합성보 실험체에 대한 파괴거동을 계측하였으며, 단면해석법과 유한요소해석법을 사용하여 각 실험체에 대한 저항강도와 거동을 예측하였다.
후)단 부구속의">단부구속의 경우인 TF2 실험체는 최대하중 값에 도달하기 전인 656kN의 하중에서 단부의 웨브와 강관과의 용접부위가 파괴됨으로 인해 수치해석결과와는 비교하지 않았으며 경계요수를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우의 두 경우 유한요소해석결과를 사용하여 단부구속 경우에 대한 거동분석을 수행하였다.
후)단부 폐쇄">단부폐쇄 실험체 TF2의 경우는 계면이 고려된 경우와 고려하지 않은 경우의 3차원 비선형 유한요소해석과 단면해석 법에 의한 결과를 비교하였다.
후)계면 슬립을">계면슬립을 분석하였다. 단부폐쇄의 경우에는 강관의 구속작용에 의한 강도증가량을 계측하고 유한요소 해석 결과와의 비교를 통해 충전콘크리트의 구속효과를 검증하였다.
또한, 보의 길이방향을 따라 압축부 충전콘크리트의 횡방향 포아송효과가 발생하여 강관에 의해 억제되는지의 여부를 관찰하기 위한 목적으로 실험체의 길이 방향을 따라 축방향 및 횡방향 변형률 게이지를 추가로 부착하였다 (Fig. 5(b)).
변위 및 하중제어가 가능한 1,000kN 용량의 UTM을 사용하여 CFT 합성보 실험체에 대한 휨실험을 수행하였다. 실험 데이터는 총 84채널의 데이터 수집 장치를
후)수치 해석에서">수치해석에서 단면해석법의 경우에는 CFT 합성보 단면의 저항강도만을 계산하였으며, 유한요소해석법의 경우에는 강관과 충전콘크리트 간의 계면거동을 고려치 않는 완전부착 경우와 계면거동을 고려하는 경우의 두 경우에 대해 CFT 합성보의 거동예측을 수행하고, 실험에서 계측된 결과와 비교를 통해 실험결과로서 분석되지 않는 거동에 대한 관련자료로 활용하였다.
실험실 벽체에 두께 10mm의 합판을 설치하고, 연질 철사를 사용하여 강관의 하중판과 지점부를 합판에 고정시키고 강관을 연직방향으로 거치한 후에 강관 내부에 콘크리트를 타설하였다. 콘크리트는 현장에서 콘크리트 믹서를 이용하여 직접
실험은 최대하중 이후의 연화거동을 고려하여 변위제어로서 진행하였고, 데이터 수집 장치를 이용하여 2초 간격으로 계측자료를 수집 및 저장하였다.
실험체의 지간 중앙부에는 중앙하단에 LVDT를 설치하여 처짐량을 측정하였으며, 별도로 강관과 충전콘크리트 간의 계면에서 계면슬립 발생 여부를 관찰하기 위해 강관의 양단부 단면에 직교하는 방향으로 상부로부터 31mm 하단위치에 LVDT를 설치하였다. 실험체의 지간 중앙부에서
후)하단 위치에">하단위치에 LVDT를 설치하였다. 실험체의 지간 중앙부에서 휨 거동으로 인한 강관의 축방향 변형과 중립축의 변화 및 포아송 효과에 의한 강관의 충전콘크리트에 대한 구속효과를 계측하기 위해 강관의 상부, 중앙 및 하부에 로젵게이지를 각각 부착하였다 (Fig. 5).
여기서 축 및 횡방향의 두 방향으로 변형률게이지를 부착하는 대신에 로젵게이지를 부착함으로서 지간 중앙부에서 강관과 충전콘크리트 간의 계면슬립이 발생하는 경우에 이로 인한 전단변형을 계측하도록 하였다.
오른쪽 단부의 충전콘크리트 압출은 설치된 LVDT로부터 11.0mm를 계측하였으며, 왼쪽의 경우에는 0.7mm를 계측하였다. 이러한 슬립거동은 휨
후)계면 거동의">계면거동의 분석을 수행하였다. 이를 위해 CFT의양 단부가 개방된 경우와 폐쇄된 경우의 두 종류 CFT 합성 보를 제작하여 단부개방의 경우에는 강관과 내부 충전콘크리간의 계면슬립을 측정하고 계면유한요소해석법을 이용하여 거동을 예측하여 강관의 충전콘크리에 대한 횡방향 구속에 따른 계면슬립을 분석하였다. 단부폐쇄의 경우에는 강관의
콘크리트 충전 강관의 비선형 거동규명을 위해 콘크리트 충전 강관 실험체의 휨 실험을 수행하였으며 실험체의 거동 예측을 위한 수치해석을 수행하였다. 각 실험체에 대하여
후)연직 방향으로">연직방향으로 거치한 후에 강관 내부에 콘크리트를 타설하였다. 콘크리트는 현장에서 콘크리트 믹서를 이용하여 직접 타설하였으며 다짐봉을 사용하여 다짐을 수행하였다.
탄성계수는 각 인장 시험편에서 항복강도의 약 85% 범위에서 응력-변형율 관계를 회귀분석하여 결정하였으며, 강재의 포아송 비는 일반적인 강재의 포아송 비인 0.3을 적용하였다.
하중점과 지점부에는 하중작용으로 인한 웨브의국부좌굴을 방지하기 위해 두께 6mm의 수직 보강재를 용접하여 설치하였으며, 양단구속의 경우에는 단부구속판의 설치로 인해 폭 20mm, 두께 8mm의 강판을 수직보강재로서 단부에 추가로 설치하였다.
대상 데이터
후)물성 파악을">물성파악을 위한 강재시험편은 실험에 사용된 강관으로부터 재단하여 KS B 0801 (금속재료 인장 시험편)에 따라 제작하였다. Table 3은 강관과 강재 플레이트의 두께에 따른 물성값을 보여준다.
후)사용하여">사용하여 CFT 합성보 실험체에 대한 휨실험을 수행하였다. 실험 데이터는 총 84채널의 데이터 수집 장치를 갖는 데이터 수집 장치를 사용하여 수집 저장하였다.
(1) 콘크리트 충전강관 합성보는 내부 콘크리트가 없는 경우에 비해 약 두배의 하중 저항능력이 있음을 단면해석과 실험을 통해서 확인하였다.
(2) 단부개방 실험체의 경우 강관 중앙부의 압축력으로 인해 콘크리트 슬립이 발생하여 콘크리트는 빠져나가고 강관은 들어오면서 국부좌굴이 발생하였으며, 이로 인해 강-콘크리트의 합성효과는 신뢰할 수 없게 되므로 단부구속이나 전단 연결재 설치 등의 슬립방지대책을 수립하여 강관의 국부좌굴을 방지하여야 한다.
(3) 단부폐쇄 실험체의 경우 강관의 단부가 구속에 의해 강관내부의 슬립파괴를 억제하므로 강관의 국부좌굴이 방지되고 콘크리트를 구속하는 효과에 의해 강성이 증가되므로 강관에 작용하는 모멘트 차이에 의한 전단 파괴가 강관과 웨브의 접합부에서 발생하였다. 그러므로 단부가 폐쇄된 콘크리트 충전강관의 경우 강관과 웨브 접합부의 연결에 유의하여 구조물의
(4) 단부개방 콘크리트 충전 합성강관의 경우에는 구속효과에 의해 약 16%의 강도증진 효과를 확인하였으며, 단부를 폐쇄하여 구속효과를 키운 경우의 콘크리트 충전 합성강관의 경우에는 35% 정도의 더욱 큰 강도증진효과가 발생하는 것을 확인하였다. 실험과
후)계면요 소를">계면요소를 고려하지 않은 3차원 유한요소해석결과는 실험값 보다 16% 크게 예측되었으며, 계면요소를 포함한 유한요소해석 결과는 실험값과 거의 일치하였고 실험체 TF1의 단면해석법에 의한 단면검토결과는 실험값 보다 14% 적게 예측되었다.
후)단면 해석법과">단면해석법과 유한요소해석으로 비교하였고 그 결과는 Table 7에 보여준다. 계면을 고려한 경우의 유한요소해석에 의해 예측된 극한하중은 단면해석 결과보다 약 36% 크게 예측되었으며, 단부개방 실험체 TF1의 해석값도 단면해석 결과보다 17% 크게 예측되었다. 이것으로 양단이
후)단 부개방">단부개방 TF1 실험체에 대해 계측된 최대하중은 내부콘크리트를 고려하지 않은 경우와 내부콘크리트를 고려하여 단면해석법으로 계산한 최대하중보다 각각 125% 및 16%의단면저항능력의 증가를 보이고 있다.
후)일치 하나">일치하나 비선형 구간에서는 차이를 보인다. 또한 단부개방 실험체 해석결과 중앙부를 제외한 측면부의 단면상부는 실험값과 거의 일치하는 결과를 보이나 중앙부 단면의 경우 다소 차이를 보이며 이는 중앙부 단면의 국부좌굴에 기인한 것으로 판단된다.
후)강도증진 효과가">강도증진효과가 발생하는 것을 확인하였다. 실험과 수치해석을 통해 얻은 이러한 결과는 플랜지와 웨브가 없는 콘크리트 구속강관의 경우와는 달리 웨브와 플랜지의 설치를 설치하여 중립축이 강관하단으로 내려간 경우에는 콘크리트의 충전에 의한 구속효과가 확실히 존재함을 알 수 있으며 이것을 이용하여 교량의 상부구조나 장지간 건축용 거더에서의 적용성이 있음을 확인하였다.
후)구속 효과가">구속효과가 감소된다는 것을 의미한다. 실험체의 실험결과와 계면이 고려된 비선형 유한요소 해석결과는 거의 일치하였으며, 단면해석법에 의한 결과는 실험결과의 84% 수준에 머물렀다. 이것은 실험
실험체의 중앙부와 하중판 부근에 부착된 변형률 게이지에서는 하중 500kN 정도에서 횡방향 변형률이 급격히 증가하며 팽창하는 것을 볼 수 있으며, 하중판과 하중판 사이 중앙부 구간의 횡방향 변형률은 거의 동일하게 균일한 팽창이 발생함을 알 수 있다.
후)유한요소해석과">유한요소 해석과 실험을 통해 계측된 최대하중의 비교를 통해 유한요소 해석법이 비교적 정확하게 실험값을 예측하고 있는 것을 보여주었으며, 계면요소가 고려되지 않은 경우의 유한요소해석 결과는 강-콘크리트사이의 계면거동이 없으므로 양단이 구속된 경우의 해석결과와 유사함을 알 수 있다.
후)단면 해석">단면해석 결과보다 17% 크게 예측되었다. 이것으로 양단이 열려있는 경우도 어느 정도의 구속효과가 발휘되었으며 양단이 막힌 경우는 구속효과가 매우 크다는 것을 알 수 있다.
후)최대 하중을">최대하중을 크게 평가하고 있다. 이러한 최대하중의 비교에서 실험값과 단면해석법에 의한 결과와의 비교를 통해 강관 내부의 콘크리트가 전 단면에 걸쳐 압축응력을 받음으로 인해 압축부 콘크리트가 강관에 의해 받는 구속효과가 있음을 알 수 있다.
후)해석 결과">해석결과 단부의 슬립량은 약 0.9 mm 이고 실험체의 콘크리트 최소 슬립량은 왼쪽 단부에서 약 0.7mm 최대 슬립량은 오른쪽 단부에서 약 11.0mm이다. 이처럼 슬립량이 차이가 나는 이유는 양쪽 단부의 강-콘크리트 사이의
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 충전강관의 장점은 무엇인가?
강관 내부에 콘크리트를 충전한 콘크리트 충전강관 (Concreteinfilled Steel Tube, CFT)은 강과 콘크리트의 각 재료가 갖는 재료 및 구조적 단점에 대한 상호보완작용을 통해 구조적 성능이 향상된다. 이 CFT는 강관에 의한 충전콘크리트의 횡방향 구속효과로 인해 축방향 저항성이 증가하며 또한 좌굴에 대한 저항성이 우수하여 주로 축방향 부재로서 사용되고 있으며 이에 관한 연구 또한 축방향 거동을 중심으로 수행되어왔다 (Hsuan et al., 2003; Ahmed and Shah, 1982; Lakshmi and Shanmugam, 2003; Yan et al.
CFT는 주로 어떻게 사용되고 있는가?
강관 내부에 콘크리트를 충전한 콘크리트 충전강관 (Concreteinfilled Steel Tube, CFT)은 강과 콘크리트의 각 재료가 갖는 재료 및 구조적 단점에 대한 상호보완작용을 통해 구조적 성능이 향상된다. 이 CFT는 강관에 의한 충전콘크리트의 횡방향 구속효과로 인해 축방향 저항성이 증가하며 또한 좌굴에 대한 저항성이 우수하여 주로 축방향 부재로서 사용되고 있으며 이에 관한 연구 또한 축방향 거동을 중심으로 수행되어왔다 (Hsuan et al., 2003; Ahmed and Shah, 1982; Lakshmi and Shanmugam, 2003; Yan et al.
콘크리트 충전강관은 무엇을 통해 구조적 성능이 향상되는가?
강관 내부에 콘크리트를 충전한 콘크리트 충전강관 (Concreteinfilled Steel Tube, CFT)은 강과 콘크리트의 각 재료가 갖는 재료 및 구조적 단점에 대한 상호보완작용을 통해 구조적 성능이 향상된다. 이 CFT는 강관에 의한 충전콘크리트의 횡방향 구속효과로 인해 축방향 저항성이 증가하며 또한 좌굴에 대한 저항성이 우수하여 주로 축방향 부재로서 사용되고 있으며 이에 관한 연구 또한 축방향 거동을 중심으로 수행되어왔다 (Hsuan et al.
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