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가설 설정
- 각 실험체의 하중-변위 관계를 정리하기 위하여 초기강성 구배를 갖는 직선과 초기강성 구배의 1/3인 직선을 평행이동시켜 두 직선의 교점을 항복내력으로 가정하였고 이때의 처짐을 항복변위로 한다. Table 4에 각 실험체별 초기강성, 항복하중, 항복변위 및 최대하중을 나타냈다.
제안 방법
- 콘크리트의 경우 총 6개의 공시체(100x200)를 제작하여 실험체와 같은 공간에 배치하였다. 100ton UTM을 이용하여 7일, 28일 압축시험을 수행하였다. 콘크리트 공칭강도인 25.
- 플랜지 관통형 접합부의 다이아프램 형상결정을 정리하면 원활한 하중경로를 위해 보 플랜지에서 다이아프램으로 전달되는 것을 기본으로 설정하였다. Fig. 4와 같이 십자형 다이아프램으로 양축에 응력전달이 가능하도록 계획했으며, 기둥에 콘크리트가 충전될 경우 다이아프램에 설치된 스티프너가 합성작용에 의한 내력증진 효과가 발휘될 것으로 판단된다. 기둥의 제작상 조립형 기둥[6]이므로 각각 측면의 조립상태가 단부와 중앙부로 나눠지는데 이때 중앙부의 폭을 보 플랜지 폭과 동일하게 함으로써 제작 시 기둥부재와 조합되는 형식을 갖추었다.
- 하중이력은 ANSI/AISC SSPEC-2010 Cyclic Loading Program에 의해 가력 하였다[8]. 기둥중앙에서 가력점까지의 거리를 기준으로 층간변위각을 산정하여 이를 기준으로 변위제어 하였다. 하중가력은 층간변위비를 기준으로 0.
- 콘크리트 충전을 위하여 다이아프램을 제외한 개구부의 면적이 15% 이상을 갖도록 권장하고 있으며 본 시험부재의 관통형 다이아프램은 십자형상으로 개구율 30%를 확보하고 있다. 내부 앵커역할을 유도하여 콘크리트와의 합성효과를 극대화 하고자 강축방향으로 보강 플레이트를 보강하였다. 보강 플레이트는 보의 플랜지와 동일한 두께를 갖으며 즉, 보 플랜지와 다이아프램, 보강 플레이트는 16mm로 동일하다.
- 7에서 보는 바와 같이 기둥 상하단을 힌지 상태로 유지하고 보 단부에 200ton 용량의 엑츄에이터를 설치하였다. 또한 가력 시 보의 면외좌굴을 방지하기 위해서 양쪽에 횡 좌굴 방지용 지그를 설치하였다. 하중이력은 ANSI/AISC SSPEC-2010 Cyclic Loading Program에 의해 가력 하였다[8].
- 접합부 실험을 통해 내력식을 제안하였으며[3] 내력식을 검증하기 위해 유한요소해석법을 이용하여 하중전달 요소인 슬리브와 콘크리트에서의 응력전달을 분석하였다. 또한, 상부는 복합+자형 내 다이아프램을 사용하고 하부는 각각 수평 T-bar와 스터드 볼트로 보강된 수직플레이트 형태의 상하 이형 다이아프램으로 보강된 접합부를 제안[4]하고 구조성능을 평가하였다. 여기서 수평 T-bar로 보강한 접합부의 경우 하부의 수평 T-bar는 보의 하부 플랜지의 압축하중을 사다리꼴 모양의 수평플레이트 끝에 용접된 수직플레이트가 콘크리트에 분산시키고, 인장하중을 수직플레이트의 앵커효과를 통해 저항하도록 계획하였다.
- 반복가력에 따른 실험체의 변형율과 변위를 측정하고자 Fig 6과 같이 응력 집중이 예상되는 위치에 스트레인게이지를 부착하였다. 변위계(LVDT)는 각각 기둥, 보, 패널존에 2곳씩 설치하여 변위를 측정하였다. 각 부재에서 측정된 변위는 모멘트-회전각 관계 분석 데이터로 사용된다.
- 다소 콘크리트로부터 구속이 없었던 NDN 실험체는 충분한 연성거동을 보인 바와 같이 가장 많은 에너지 흡수한 것으로 평가되고 있다. 보다 정략적인 평가를 위해 최대 내력 발휘된 시점(8step)과 종국상태 시점(10step)을 분할하여 재 산정하였다. 그 결과 Fig 15 안에 막대 그래프와 같이 최대 내력 시점까지는 약 117kN-m, 종국상태까지는 약 111kN-M의 인성이 확보되는 것으로 평가되었다.
- 여기서 수평 T-bar로 보강한 접합부의 경우 하부의 수평 T-bar는 보의 하부 플랜지의 압축하중을 사다리꼴 모양의 수평플레이트 끝에 용접된 수직플레이트가 콘크리트에 분산시키고, 인장하중을 수직플레이트의 앵커효과를 통해 저항하도록 계획하였다. 스터드 볼트로 보강한 접합부의 경우 수직플레이트는 플레이트에 보강된 스터드 볼트가 수평 T-bar의 수직플레이트의 역할을 하도록 계획하였다. 그 결과 슬리브의 삽입으로 인한 앵커효과로 기둥내부의 콘크리트가 내력을 분담함으로써 효과적인 내력상승이 가능해졌으며, 비탄성 회전각 0.
- 실험에서 사용된 강재의 기계적 성질을 알아보기 위하여 인장시편 규준[9],[10]에 따라 각 5개씩의 인장 시험편을 절취하여 인장시험을 행하였다. 본 실험에서 사용된 재료는 SS400으로 두께에 따라 결과를 Table 2에 정리하여 나타냈다.
- 또한, 상부는 복합+자형 내 다이아프램을 사용하고 하부는 각각 수평 T-bar와 스터드 볼트로 보강된 수직플레이트 형태의 상하 이형 다이아프램으로 보강된 접합부를 제안[4]하고 구조성능을 평가하였다. 여기서 수평 T-bar로 보강한 접합부의 경우 하부의 수평 T-bar는 보의 하부 플랜지의 압축하중을 사다리꼴 모양의 수평플레이트 끝에 용접된 수직플레이트가 콘크리트에 분산시키고, 인장하중을 수직플레이트의 앵커효과를 통해 저항하도록 계획하였다. 스터드 볼트로 보강한 접합부의 경우 수직플레이트는 플레이트에 보강된 스터드 볼트가 수평 T-bar의 수직플레이트의 역할을 하도록 계획하였다.
- 따라서 폐단면을 갖는 기둥부재의 현장적용이 이루어지기 위해서는 다양한 다이아프램에 대한 연구 개발은 중요한 과제라 할 수 있다. 이 연구에서는 조립형 콘크리트 충전강관기둥-보 접합 형식을 관통형 다이아프램 형식으로 설정하여 실험계획 되었다. 기둥 내에 콘크리트 충전 여부, 관통형 다이아프램의 설치 여부의 변수를 갖는 3개의 T형 실험체를 제작하였다.
- 기둥 내에 콘크리트 충전 여부, 관통형 다이아프램의 설치 여부의 변수를 갖는 3개의 T형 실험체를 제작하였다. 이력거동을 갖는 접합부 구조실험을 통해 내력 및 내진성능, 하중전달을 평가하고자 한다.
- 전체 변위는 가력점에서 보 하부의 줄 변위계(wire gauge)로 측정하였고, 기둥-보 접합부에서 300mm 떨어진 기둥 상, 하면에 변위계를 두개 설치하여 기둥 회전각을 측정하였다. 패널존 거동 측정은 대각방향 측정에 양쪽에 두개의 LVDT를 설치하였다.
- 접합부 실험을 통해 내력식을 제안하였으며[3] 내력식을 검증하기 위해 유한요소해석법을 이용하여 하중전달 요소인 슬리브와 콘크리트에서의 응력전달을 분석하였다.
- 플랜지 관통형 접합부의 다이아프램 형상결정을 정리하면 원활한 하중경로를 위해 보 플랜지에서 다이아프램으로 전달되는 것을 기본으로 설정하였다. Fig.
- 기둥중앙에서 가력점까지의 거리를 기준으로 층간변위각을 산정하여 이를 기준으로 변위제어 하였다. 하중가력은 층간변위비를 기준으로 0.375, 0.5, 0.75%일 때 각각 6회, 1%일 때 4회, 1.5%이상의 경우 2회씩 반복가력을 실시하였다. 반복가력에 따른 실험체의 변형율과 변위를 측정하고자 Fig 6과 같이 응력 집중이 예상되는 위치에 스트레인게이지를 부착하였다.
대상 데이터
- 이 연구에서는 조립형 콘크리트 충전강관기둥-보 접합 형식을 관통형 다이아프램 형식으로 설정하여 실험계획 되었다. 기둥 내에 콘크리트 충전 여부, 관통형 다이아프램의 설치 여부의 변수를 갖는 3개의 T형 실험체를 제작하였다. 이력거동을 갖는 접합부 구조실험을 통해 내력 및 내진성능, 하중전달을 평가하고자 한다.
- 기둥-보 접합부 실험체는 총 3개로 일람은 Table 1에 정리하였다. 기둥과 보는 SS400강재로 제작되었으며 기둥의 상하부 플레이트(지그와 볼트 접합되는 부위)는 SM490강재를 사용하였다. 콘크리트 설계 압축강도는 30MP으로 타설하였다.
- 에 따라 각 5개씩의 인장 시험편을 절취하여 인장시험을 행하였다. 본 실험에서 사용된 재료는 SS400으로 두께에 따라 결과를 Table 2에 정리하여 나타냈다. 기둥-보 접합부에 사용된 강재의 두께에 따라 정리 하였으며, 공칭항복강도는 235MPa, 인장강도는 400MPa로 모든 시편은 공칭 항복강도에 만족하지만 두께가 가장 두꺼운 16mm의 경우 평균 인장내력이 383MPa로 다소 낮게 평가되었다.
- 그밖에 공통사항으로 보의 규격은 H-500x200x10x16이며, 웨브는 볼트와 단일판(single plate)을 이용하여 전단 접합하였다. 볼트는 F10T- M20을 적용하였다. 용접조립된 기둥의 두께는 6mm로 전체 폭은 450mm이다.
- 기둥-보 접합부에 사용된 강재의 두께에 따라 정리 하였으며, 공칭항복강도는 235MPa, 인장강도는 400MPa로 모든 시편은 공칭 항복강도에 만족하지만 두께가 가장 두꺼운 16mm의 경우 평균 인장내력이 383MPa로 다소 낮게 평가되었다. 콘크리트의 경우 총 6개의 공시체(100x200)를 제작하여 실험체와 같은 공간에 배치하였다. 100ton UTM을 이용하여 7일, 28일 압축시험을 수행하였다.
이론/모형
- 또한 가력 시 보의 면외좌굴을 방지하기 위해서 양쪽에 횡 좌굴 방지용 지그를 설치하였다. 하중이력은 ANSI/AISC SSPEC-2010 Cyclic Loading Program에 의해 가력 하였다[8]. 기둥중앙에서 가력점까지의 거리를 기준으로 층간변위각을 산정하여 이를 기준으로 변위제어 하였다.
성능/효과
- (1) 기본형 실험체인 FDN은 가장 높은 내력을 발휘하며 안정적인 거동을 보이는 것으로 평가되었다. 또한 0.
- (2) 기둥 내부에 콘크리트가 제외된 NDN실험체의 경우 FDN에 비해 약 50kN의 내력차이를 보이지만 충분한 연성적인 거동을 보이고 있으며, 하부에 다이아프램이 없는 FUN 실험체와 비교해 볼 때 하부 인장력은 약 2.5 배의 차이를 보이고 있다.
- (3) 하부 다이아프램을 생략한 FUN실험체를 제외한 기둥-보 접합부 실험결과 상하부의 인장력은 보의 항복 모멘트 이상의 내력을 발휘하였으며 콘크리트가 채워진 FUN과 FUN은 보의 소성모멘트 이상의 내력을 확보하는 것으로 평가되었다.
- (4）FDN실험체는 FUN실험체에 비해 약 3배 이상의 에너지 흡수능력을 발휘한 것으로 평가되었다. 한편, NDN 실험체의 소성변형능력은 가장 우수하게 평가되었으며 FUN실험체에 1.
- 3step까지 탄성적인 거동을 보이며, 6step까지 육안으로 확인할 수 있는 변형이 발생되지 않았다. 7step 시작부터 균열 폭이 증가하다가 최대내력 도달 후 보 상부 플랜지 접합 부근에서 찢기듯 파단이 발생되어 실험이 종료되었다.
- 12는 각 실험체의 모멘트- 회전각 곡선을 보여주고 있다. FDN(No1.) 실험체는 기본 실험체로 가장 높은 내력이 확보되었으며, 0.03rad의 소성 회전각을 보여주었다. 실험체의 최종파괴가 다이아프램과 플랜지의 용접부가 찢어지면서 발생하였으므로 용접결함에 의한 파괴로 판단되며, 용접관리가 충분히 된다면 0.
- 13과 같이 단조화한 곡선을 작도하였다. FDN실험체는 상부 인장 시 최대하중 194.3kN으로 가장 높은 내력을 나타냈으며, 가장 안정인 추세로 나타났다. 무 충전 NDN 실험체는 상부 인장 시 최대하중 143.
- 보다 정략적인 평가를 위해 최대 내력 발휘된 시점(8step)과 종국상태 시점(10step)을 분할하여 재 산정하였다. 그 결과 Fig 15 안에 막대 그래프와 같이 최대 내력 시점까지는 약 117kN-m, 종국상태까지는 약 111kN-M의 인성이 확보되는 것으로 평가되었다. 한편, 기본 실험체인 FDN의 경우 상부에만 다이아프램이 설치된 FUN 실험체에 비해 3배의 에너지를 흡수한 것으로 평가되고 있다.
- 스터드 볼트로 보강한 접합부의 경우 수직플레이트는 플레이트에 보강된 스터드 볼트가 수평 T-bar의 수직플레이트의 역할을 하도록 계획하였다. 그 결과 슬리브의 삽입으로 인한 앵커효과로 기둥내부의 콘크리트가 내력을 분담함으로써 효과적인 내력상승이 가능해졌으며, 비탄성 회전각 0.03rad의 소성변형능력을 확보하고 있음을 확인하였다.
- 본 실험에서 사용된 재료는 SS400으로 두께에 따라 결과를 Table 2에 정리하여 나타냈다. 기둥-보 접합부에 사용된 강재의 두께에 따라 정리 하였으며, 공칭항복강도는 235MPa, 인장강도는 400MPa로 모든 시편은 공칭 항복강도에 만족하지만 두께가 가장 두꺼운 16mm의 경우 평균 인장내력이 383MPa로 다소 낮게 평가되었다. 콘크리트의 경우 총 6개의 공시체(100x200)를 제작하여 실험체와 같은 공간에 배치하였다.
- 층간 변형각을 보, 기둥, 패널의 회전각으로 분해하여 보면 주로 보의 회전각이 지배적임을 알 수 있다. 또한 패널과 기둥의 회전각을 보면 탄성적 거동을 보이며, 보의 소성거동이 진행됨에 따라 회전각이 증가하는 것을 알 수 있다. 다음 Fig.
- 03rad의 소성 회전각을 보여주었다. 실험체의 최종파괴가 다이아프램과 플랜지의 용접부가 찢어지면서 발생하였으므로 용접결함에 의한 파괴로 판단되며, 용접관리가 충분히 된다면 0.04rad 이상의 회전각을 충분히 확보할 수 있을 것으로 추정된다. 내부 콘크리트가 없는 NDN(No2.
- (4）FDN실험체는 FUN실험체에 비해 약 3배 이상의 에너지 흡수능력을 발휘한 것으로 평가되었다. 한편, NDN 실험체의 소성변형능력은 가장 우수하게 평가되었으며 FUN실험체에 1.3배 FUN실험체에 비해 4.1배의 차이를 보이고 있다. 연성거동을 하면 많은 변형을 함으로써 많은 에너지를 흡수하였기 때문에 비교적 높게 평가된 것으로 판단된다.
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