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문제 정의
- 강재의 항복강도 상향에 따른 합성기둥 설계기준의 적용가능성을 평가하기 위해 본 연구에서는 고강도 강재를 사용한 RCFT 기둥의 실험을 수행하였다. 항복강도 상승에 따른 강도 발현비율을 평가하기 위해 항복강도가 다른 두 가지의 강재 SM490과 HSB800을 사용하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 강재의 설계기준 항복강도 증가에 따른 설계기준항복강도 제한 해제의 적용 가능성을 평가하기 위해 고강도 강재를 사용하였으며 세장비가 커 전체 좌굴이 발생할 수 있는 각형 RCFT 기둥의 실험을 수행하였으며 변수분석을 위한 유한요소해석을 수행하였다.
- 이에 본 연구에서는 고강도 강재를 적용한 직사각형 콘크리트충전 강관 장주 (Rectangular Concrete Filled Tube slender column : RCFT 장주)의 실험을 수행하여 현행설계기준의 적합성평가와 설계기준항복강도의 상향 조정에 대한 가능성을 검토하였다. 또한, 설계기준항복강도의 상향조정이 좌굴하중에 미치는 영향을 파악하기 위해 유한요소 해석을 수행하였으며 기 수행된 실험 결과들을 활용하여 현행 설계기준에의 고강도 강재 적용의 적합성을 재검토하였다.
가설 설정
- 콘크리트의 구성법칙은 Concrete Damaged Plasticity Mode을 사용하여 모델링하였다. Concrete Damaged Plasticity Model은 연속체의 소성기반 콘크리트 손상을 묘사하기 위한 모델로서 콘크리트의 주요 파괴 현상은 인장균열과 압축파괴로부터 발생하는 것으로 가정한다. 소성흐름을 비연관 법칙을사용하며 unsymmetric stiffness matrix를 구성할 수 있기 때문에 암석계열 취성 재료를 비교적 잘 표현하는 것으로 알려져 있으며, 균열을 직접적으로 표현하지 못하지만 본 연구에서는 균열의 표현이 중요한 바가 아니기 때문에 본 모델을 선택했다.
제안 방법
- Solid 요소는 ABAQUS에서 제공하는 8개의 절점을 가진 선형 요소인 C3D8R요소를 사용하였으며, Shell 요소로는 네 개의 절점을 가지며 복곡률의 표현이 가능한 S4R 요소를 사용하여 국부좌굴에 의해 발생하는 변형을 표현해줄 수 있도록 모델을 구축하였다. 구성법칙으로는 강재의 경우 Isotropic Hardening rule을 따르도록 결정하였으며 단축 응력-변형률관계는 Fig.
- 가력 방식은 일반적인 세장 기둥에 사용하는 방법과 같이 Post Buckling 상태의 데이터 취득이 가능하도록 변위 제어방법을 사용하였으며 해석 대상 기둥의 양 끝단은 핀 상태로 경계조건 입력을 하였다.
- 강재 설계기준항복강도의 증가에 따른 설계기준의 적합성여부를 판단하기 위하여 총 23개의 연구문헌으로부터 실험체를 수집하여 세장비와 강재의 강도에 따른 강도발현 비율을 검토하였다. 현행 기준의 강도 제한 기준을 벗어나는 실험체는 총 34개였으며 시편 인장 시험시 항복강도는 616~879MPa로 분포되어 있었다.
- 좌굴에 따른 RCFT 기둥의 강도저감에 대한 가장 큰 요인은 강재의 항복강도이다. 강재의 강도 기여분을 확대하여 강재에 더 큰 영향을 받을 수 있도록 설계기준 압축강도 30MPa의 콘크리트를 사용한 RCFT에 대한 해석을 수행하였다. 또한 강재가 좌굴에 쉽게 영향을 받을 수 있도록 얇은 판재인 t = 5mm인 RCFT의 해석 결과를 사용하였다.
- 실험은 실험체의 축강도를 고려하여 10,000kN 용량의 만능시험기 (Universal Testing Machhine; UTM)를 사용하였으며 좌굴시의 회전을 용이하도록 하기 위해 상⋅하부 구면힌지를 사용하여 설치하였다. 강재의 변형량을 측정하기 위해 실험체의 중심부와 1/4 지점의 각 면에 변형률 측정 게이지를 설치하였다. 변형률 측정 지점에서의 변위를 측정하여 좌굴의 발생 시점을 특정할 수 있도록 계획하였으며 실험체의 설치 및 계측 계획은 Fig.
- 고강도 강재의 사용에 있어서 판 두께가 세장비에 따른 강도 발현에 미치는 영향을 파악하기 위해 콘크리트강도와 판두께를 변수로 하는 해석 결과를 비교하였다. Fig.
- 2에 나타난 바와 같이 강재 HSB800은 SM570TMC강재와 같이 명확한 항복점이 나타나지 않는 무항복점 강재이며, SM490에 비하여 큰 항복비를 보유하고 있다. 따라서 일반적인 고강도 강재의 항복강도를 정의하는데 사용되는 0.2% offset 방법을 사용하여 항복강도를 산정하였다.
- 강재의 강도 기여분을 확대하여 강재에 더 큰 영향을 받을 수 있도록 설계기준 압축강도 30MPa의 콘크리트를 사용한 RCFT에 대한 해석을 수행하였다. 또한 강재가 좌굴에 쉽게 영향을 받을 수 있도록 얇은 판재인 t = 5mm인 RCFT의 해석 결과를 사용하였다.
- 이에 본 연구에서는 고강도 강재를 적용한 직사각형 콘크리트충전 강관 장주 (Rectangular Concrete Filled Tube slender column : RCFT 장주)의 실험을 수행하여 현행설계기준의 적합성평가와 설계기준항복강도의 상향 조정에 대한 가능성을 검토하였다. 또한, 설계기준항복강도의 상향조정이 좌굴하중에 미치는 영향을 파악하기 위해 유한요소 해석을 수행하였으며 기 수행된 실험 결과들을 활용하여 현행 설계기준에의 고강도 강재 적용의 적합성을 재검토하였다.
- 세장비와 재료의 강도에 따른 RCFT의 좌굴 강도 평가 및 이에 대한 강재의 항복강도 제한 사항의 적합성 여부 판단 및 설계 요소의 영향 범위를 판단하기 위해 변수분석을 계획하였다. 변수분석에 사용된 주요 변수는 강재의 항복강도, 부재의 길이, 강재의 두께, 콘크리트의 강도로 설정하여 현행 KBC에서 고려하는 변수의 영향을 분석하였다. 변수분석에 사용된 해석모델의 제원은 총 54개로 Table 5에 간략하게 정리하였다.
- 본 연구에서 수행한 변수분석은 강재항복강도가 주요 변수이기 때문에 항복강도의 영향을 무차원화하기 위하여 세장비 (KL/r)이 아닌 세장 효과를 나타내는 (λ = P0/Pe)를 사용하여 변수분석을 수행하였다.
- 이는 본 연구에서는 Nonlinear Geometry Option을 사용함으로써 하중의 집중 현상 및 집중된 대변형을 고려할 수 있도록 하였다. 세장비가 작은 경우에는 국부좌굴을 모사할 수 있도록 하는 것에 만족할 수 있으나, 세장비가 클 경우 Global buckling이 일어날 수 있으므로 이에 대한 고려를 해주기 위해 모드해석을 수행하여 1차 모드 형태의 변위를 취득하였으며, 이 결과를 연계시켜 Imperfection을 입력하였다. Imperfection은 해석수행 시 해석대상모델에 모드해석결과 나타날 수 있는 형상이 나타날 수 있는 최소치를 입력하는 것으로 좌굴해석에 일반적으로 사용되는 해석 방법이다.
- 세장비와 구성 재료의 고강도화에 따른 RCFT의 좌굴 강도산정에서의 설계기준항복강도의 적용에 대한 적합성을 판단하기 위해 기존 연구 결과와 본 연구에서 수행된 변수해석결과를 사용하여 검토하였다. 해석 결과의 도입을 통해Fig.
- 세장비와 재료의 강도에 따른 RCFT의 좌굴 강도 평가 및 이에 대한 강재의 항복강도 제한 사항의 적합성 여부 판단 및 설계 요소의 영향 범위를 판단하기 위해 변수분석을 계획하였다. 변수분석에 사용된 주요 변수는 강재의 항복강도, 부재의 길이, 강재의 두께, 콘크리트의 강도로 설정하여 현행 KBC에서 고려하는 변수의 영향을 분석하였다.
- 실험에 사용된 콘크리트는 KS F 2405에 의거한 시험을 통해 진행되었으며, 최대강도의 80% 이상이 발현된 이후 변위 제어를 수행하여 최대강도 발현 이후의 응력-변형률 관계를 도출하였다. 실험에 사용된 콘크리트의 응력-변형률 관계는 Fig.
- 실험은 실험체의 축강도를 고려하여 10,000kN 용량의 만능시험기 (Universal Testing Machhine; UTM)를 사용하였으며 좌굴시의 회전을 용이하도록 하기 위해 상⋅하부 구면힌지를 사용하여 설치하였다.
- 강재는 압축력을 받을 때 국부 좌굴이 일어나게 된다. 이는 본 연구에서는 Nonlinear Geometry Option을 사용함으로써 하중의 집중 현상 및 집중된 대변형을 고려할 수 있도록 하였다. 세장비가 작은 경우에는 국부좌굴을 모사할 수 있도록 하는 것에 만족할 수 있으나, 세장비가 클 경우 Global buckling이 일어날 수 있으므로 이에 대한 고려를 해주기 위해 모드해석을 수행하여 1차 모드 형태의 변위를 취득하였으며, 이 결과를 연계시켜 Imperfection을 입력하였다.
- 25를 입력하여 모델링하였으며, 법선 방향으로는 Hard Contact 조건으로 콘크리트와 강재 상호간의 절점이 투과하지 못하도록 설정하였다. 이를 통해 강재와 콘크리트 사이의 프아송비의 차이에 따라 발생하는 구속효과를 모델링하였다.
- 고강도 강재의 적용성 평가를 위해 본 연구에서 적용한 방법인 유한요소해석을 통한 변수 분석과정에는 제안된 모델의 검증이 필수적이다. 이에 기존에 수행된 실험 연구 중 800MPa를 초과하는 실험체와 본 연구에서 수행된 실험 연구 결과에 대한 해석을 수행하여 그 적용성을 평가하였다. 해석대상 실험체의 제원은 Table 4에 나타내었다.
- 전술한 바와 같이 RCFT의 유한요소해석에서는 강재의 모델링시 사용하는 요소에 대한 정의가 중요하다. 이에 따라 직접 유한요소해석을 수행하여 두 모델 사이의 차이점을 통해 변수분석에 사용할 해석 모델을 결정하였다.
- 콘크리트와 강재의 계면에는 Contact Element를 사용하여 모델링하였다. 접선 방향으로는 콘크리트와 강재 사이의 마찰력을 Ehab Ellobody의 연구에서 제안한 마찰계수 0.25를 입력하여 모델링하였으며, 법선 방향으로는 Hard Contact 조건으로 콘크리트와 강재 상호간의 절점이 투과하지 못하도록 설정하였다. 이를 통해 강재와 콘크리트 사이의 프아송비의 차이에 따라 발생하는 구속효과를 모델링하였다.
- 좌굴에 의한 강도 저하 현상을 평가하기 위해 실험체들의 세장비 (KL/r)를 좌굴이 발생하도록 25로 설정하였으며 네 개의 실험체의 제원은 Table 2에 나타내었다. 좌굴발생시 실험체 단부에서의 파단이 발생하지 않도록 실험체 단부를 추가 보강하였으며 HSB800 강재의 사용을 위해 특수 제작된 용접봉을 사용하여 실험체를 제작하였다.
- 유한요소해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며 비탄성 범위까지 해석을 수행하였다. 콘크리트에 대한 모델링은3차원 Solid 요소를 사용하였으며 강재의 경우 현재까지도 모델링 방법에 많은 논란이 있기 때문에 3차원 Shell 요소와 3차원 Solid 요소 모두를 사용하여 비교하였다.
- 콘크리트의 탄성 계수는 KBC2009와의 연계를 고려하여 콘크리트 구조기준에 의거하여 산정하였다. 콘크리트와 강재의 계면에는 Contact Element를 사용하여 모델링하였다. 접선 방향으로는 콘크리트와 강재 사이의 마찰력을 Ehab Ellobody의 연구에서 제안한 마찰계수 0.
- 현행 기준식의 제한치인 440MPa의 항복강도를 초과하는 강재를 사용한 RCFT의 좌굴 강도 발현 비율을 검토하기 위해 기존에 연구된 실험체들을 사용하였으나, 세장비와 판폭두께비, 콘크리트 강도 등에 제한이 있어 이에 대한 연속성을 확보하기 위해 유한요소해석을 통한 변수 분석을 실시하였다. 유한요소해석에 사용된 모델은 세장비 (KL/r)를 기준으로 총 두 개의 실험체를 대상으로 검증하였다.
대상 데이터
- 항복강도 상승에 따른 강도 발현비율을 평가하기 위해 항복강도가 다른 두 가지의 강재 SM490과 HSB800을 사용하였다. 또한 콘크리트 타설에 의한 좌굴 방지에 대한 영향을 평가하기 위해 설계기준압축강도가 30MPa인 콘크리트를 타설한 실험체와 강관 실험체로 구성하였다.
- 10에 실험결과와 비교하여 나타내었다. 실험체는 세장비의 변화에 따른 좌굴의 영향이 적절히 반영되는지 검토하기 위해, 세장비가 다르며 강재의 항복강도가 다른 실험체들을 대상으로 총 두 개의 실험체를 선정하였다. 각 실험체의 실험 결과와 해석 결과의 비교한 결과, 단주인 HSS2 실험체의 경우 실험결과에 대한 해석 결과의 최대하중의 비는 1.
- 현행 기준식의 제한치인 440MPa의 항복강도를 초과하는 강재를 사용한 RCFT의 좌굴 강도 발현 비율을 검토하기 위해 기존에 연구된 실험체들을 사용하였으나, 세장비와 판폭두께비, 콘크리트 강도 등에 제한이 있어 이에 대한 연속성을 확보하기 위해 유한요소해석을 통한 변수 분석을 실시하였다. 유한요소해석에 사용된 모델은 세장비 (KL/r)를 기준으로 총 두 개의 실험체를 대상으로 검증하였다.
- 강재의 항복강도 상향에 따른 합성기둥 설계기준의 적용가능성을 평가하기 위해 본 연구에서는 고강도 강재를 사용한 RCFT 기둥의 실험을 수행하였다. 항복강도 상승에 따른 강도 발현비율을 평가하기 위해 항복강도가 다른 두 가지의 강재 SM490과 HSB800을 사용하였다. 또한 콘크리트 타설에 의한 좌굴 방지에 대한 영향을 평가하기 위해 설계기준압축강도가 30MPa인 콘크리트를 타설한 실험체와 강관 실험체로 구성하였다.
데이터처리
- 유한요소해석 프로그램은 ABAQUS를 사용하였으며 비탄성 범위까지 해석을 수행하였다. 콘크리트에 대한 모델링은3차원 Solid 요소를 사용하였으며 강재의 경우 현재까지도 모델링 방법에 많은 논란이 있기 때문에 3차원 Shell 요소와 3차원 Solid 요소 모두를 사용하여 비교하였다.
이론/모형
- Solid 요소는 ABAQUS에서 제공하는 8개의 절점을 가진 선형 요소인 C3D8R요소를 사용하였으며, Shell 요소로는 네 개의 절점을 가지며 복곡률의 표현이 가능한 S4R 요소를 사용하여 국부좌굴에 의해 발생하는 변형을 표현해줄 수 있도록 모델을 구축하였다. 구성법칙으로는 강재의 경우 Isotropic Hardening rule을 따르도록 결정하였으며 단축 응력-변형률관계는 Fig. 2에 나타난 바와 같은, 각 실험체에서 제시한 시편 시험 결과를 사용하였다.
- 세장비가 반영된 합성단면의 설계식에 대한 강도의 영향을 국내현행기준 (KBC, 2009)과 AISC-LRFD에 기반하여 평가하였다. 평가 결과, Fig.
- Concrete Damaged Plasticity Model은 연속체의 소성기반 콘크리트 손상을 묘사하기 위한 모델로서 콘크리트의 주요 파괴 현상은 인장균열과 압축파괴로부터 발생하는 것으로 가정한다. 소성흐름을 비연관 법칙을사용하며 unsymmetric stiffness matrix를 구성할 수 있기 때문에 암석계열 취성 재료를 비교적 잘 표현하는 것으로 알려져 있으며, 균열을 직접적으로 표현하지 못하지만 본 연구에서는 균열의 표현이 중요한 바가 아니기 때문에 본 모델을 선택했다.
- 콘크리트의 재료 거동은 단축 압축 또는 인장 상태의 응력-변형률 관계를 입력시켜줌으로써 완성되는데, 콘크리트의 경우 강도의 변화를 반영하기 위해 Collins의 압축응력-변형률 모델을 사용하여 고강도 콘크리트를 적용할 수 있도록 하였다. 인장 모델로는 널리 사용되고 있는 Okamura-Maekawa모델을 사용하였으며, 각각의 응력-변형률 관계는 Fig. 8에 표현하였다. 콘크리트의 탄성 계수는 KBC2009와의 연계를 고려하여 콘크리트 구조기준에 의거하여 산정하였다.
- 콘크리트의 구성법칙은 Concrete Damaged Plasticity Mode을 사용하여 모델링하였다. Concrete Damaged Plasticity Model은 연속체의 소성기반 콘크리트 손상을 묘사하기 위한 모델로서 콘크리트의 주요 파괴 현상은 인장균열과 압축파괴로부터 발생하는 것으로 가정한다.
- 콘크리트의 재료 거동은 단축 압축 또는 인장 상태의 응력-변형률 관계를 입력시켜줌으로써 완성되는데, 콘크리트의 경우 강도의 변화를 반영하기 위해 Collins의 압축응력-변형률 모델을 사용하여 고강도 콘크리트를 적용할 수 있도록 하였다. 인장 모델로는 널리 사용되고 있는 Okamura-Maekawa모델을 사용하였으며, 각각의 응력-변형률 관계는 Fig.
- 8에 표현하였다. 콘크리트의 탄성 계수는 KBC2009와의 연계를 고려하여 콘크리트 구조기준에 의거하여 산정하였다. 콘크리트와 강재의 계면에는 Contact Element를 사용하여 모델링하였다.
성능/효과
- (1) 기존 연구 결과를 통해 구축한 RCFT에 대한 DB를 통한 분석 결과 현행 구조설계기준에서 정하고 있는 항복강도 제한 기준 (440MPa) 이상의 강도를 가진 강재를 사용할 경우 세장비를 고려함에도 불구하고 설계강도를 초과하는 강도가 발현되었다.
- (2) 고강도 강재를 사용한 RCFT의 실험 결과 현행 설계기준에 대비해 지나치게 보수적인 설계를 수행함이 확인되었다. 강재의 제한 항복강도 수준이 높은 설계기준 (AISC-LRFD, 2010)을 적용한 결과 SM490강재를 사용한 실험체의 수준으로 경제적 설계가 가능했다.
- (3) 고강도 강재가 적용된 CFT의 실험결과와 해석결과에 따르면 콘크리트의 압축강도 증가에 따라 강재의 좌굴현상이 지연되는 현상이 현행 설계기준 범위 내에서의 항복강도를 보유한 강재가 사용된 CFT와 같이 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
- (4) 현행 설계기준에 의한 제한 항복강도 이상의 고강도강재가 사용될 경우에도 강재 두께가 증가할 경우 세장비에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타났다. 이는 누가 강도에 대한 콘크리트와 강재의 기여분의 차이에 따른 것으로 판단된다.
- (5) 강재의 항복강도 및 인장강도가 증가함에 따라 세장비의 증가에 따라 좌굴에 의한 강도의 하락 현상이 더 뚜렷하게 나타났다. 그러나 현행 기준에서 제안하는 항복강도 제한 (440MPa) 이상의 항복강도에 대해서 안전한 설계가 가능한 것으로 평가되었다.
- 실험 결과는 현행 설계기준을 통한 공칭강도 값과 비교되었으며 2장에서 언급되었던 두 설계기준이 보수적인 평가를 하고 있음을 알 수 있었다. SM490을 사용한 강재의 경우 모든 설계기준에서 발현강도의 공칭강도에 대한 비가 1.5이하로 산정되는데 반하여 고강도 강재가 적용된 LS-800-0과 LS-800-3 실험체의 경우 설계기준에 의한 공칭강도에 비해 2배가 넘는 강도가 발현됨으로써 고강도 강재를 사용할 경우 비경제적 설계를 유발할 수 있음을 알 수 있었다. 이는 AISC2010이 항복강도의 제한에 있어 KBC 2009보다 덜 보수적인 것에 비추어 볼 때, 최대 제한 항복강도의 차이에 의해 발생하는 현상인 것으로 판단된다.
- 그러나 최근에 수행된 연구들에 의하면 현행 설계기준의 제한 설계기준 항복강도 이상의 강도를 보유한 강재를 사용한 CFT가 사용 가능한 것으로 나타나고 있다. Uy의 연구로부터 440MPa 이상의 항복강도를 가진 고강도 강재가 사용된 CFT 단주에 대한 실험을 수행하여 제한 항복강도 이상의 강도가 발현이 가능하다는 것을 확인하였다. 이철호 등은 HSA800의 단주에 대한 연구를 통해 현행 설계기준 하에서의 중심압축 및 편심압축 하에서의 안전성을 확보할 수 있는 것을 확인하였으며, 최인락과 홍건호는 보강된 CFT의 성능이 현행 설계기준에 의한 설계에 의해서도 적절한 강도를 발휘할 수 있음을 확인하였다.
- 실험체는 세장비의 변화에 따른 좌굴의 영향이 적절히 반영되는지 검토하기 위해, 세장비가 다르며 강재의 항복강도가 다른 실험체들을 대상으로 총 두 개의 실험체를 선정하였다. 각 실험체의 실험 결과와 해석 결과의 비교한 결과, 단주인 HSS2 실험체의 경우 실험결과에 대한 해석 결과의 최대하중의 비는 1.02였으며 LS-800-3의 경우는 1.08로 나타났다. 최대 하중을 모사하는 데에는 10% 미만의 오차를 나타내어 고강도 재료를 사용한 CFT의 거동을 분석하는 데에 유한요소해석 모델을 적용할 수 있을 것으로 나타났다.
- (2) 고강도 강재를 사용한 RCFT의 실험 결과 현행 설계기준에 대비해 지나치게 보수적인 설계를 수행함이 확인되었다. 강재의 제한 항복강도 수준이 높은 설계기준 (AISC-LRFD, 2010)을 적용한 결과 SM490강재를 사용한 실험체의 수준으로 경제적 설계가 가능했다.
- 현행 기준의 강도 제한 기준을 벗어나는 실험체는 총 34개였으며 시편 인장 시험시 항복강도는 616~879MPa로 분포되어 있었다. 고강도 강재를 사용하였을 경우 설계 강도에 대한 실험체의 강도 비는 최대 두 배 이상으로, SM490이나 SM570TMC강을 사용했을 때에 비하여 크게 나타나고 있음을 확인할 수 있었다. 이는 Fig.
- 세장비 증가에 따른 강성 감소가 뚜렷하게 나타났으며, 강재의 항복 강도가 상승함에 따라 부재의 강도가 더 큰폭으로 감소하였다. 고강도 강재의 최종 파괴는 주어진 재료모델에 따라 다를 수 있지만 본 연구에서 수행된 고강도 강재의 인장시험 결과를 사용할 경우 콘크리트의 압괴와 맞물려 SM490과 유사한 최종파괴 시점을 보이는 것으로 나타나 고강도 강재의 사용에 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.
- 고강도 강재인 HSB800이 사용된 실험체의 콘크리트 충전에 따른 항복강도의 발현 형태가 SM490을 사용하여 제작한 실험체와 유사한 형태로 나타나며 항복을 경험했으므로 RCFT기둥에서도 고강도 강재를 사용할 수 있을 것으로 판단되며, 현행 설계기준에 의거한 설계가 안전측이 될 수 있을 것으로 예상된다.
- 변수분석 결과, 강재의 강도증진에 따라 강재의 강도분담비율의 상승에 의해 좌굴에 의한 강도하락현상이 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다.그러나 현행 기준에 HSB800과 SM570의 항복강도인 680MPa과 440MPa을 대입하여 세장비와 강도 발현 비율을 산정해본 결과 Fig. 12에 나타난 바와 함께 세장비의 영향을 고려하여도 안전한 설계가 가능함을 알 수 있었다.
- (5) 강재의 항복강도 및 인장강도가 증가함에 따라 세장비의 증가에 따라 좌굴에 의한 강도의 하락 현상이 더 뚜렷하게 나타났다. 그러나 현행 기준에서 제안하는 항복강도 제한 (440MPa) 이상의 항복강도에 대해서 안전한 설계가 가능한 것으로 평가되었다.
- 두 해석 모델은 최대하중의 발현에 있어 유사한 형태를 나타내었으나, 최대 강도 발현 이후의 강도 저하 현상에서 Shell Element가 더 현실적으로 반영하는 것으로 나타났다. 두 해석 모델의 하중-변위 관계, 응력 분포도는 Fig.
- 현재 구조설계기준의 항복강도 제한을 벗어나며 세장효과가 50% 이상의 감소비율을 가질 경우인 17개 실험결과 중두 개의 실험체를 제외하고는 항복강도로 제안된 값 (440MPa이상)을 사용하였을 때에도 안전한 설계가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 해석 결과 역시 실험 결과와 비슷한 양상을 보이고 있음을 통해 현행기준에 따라 RCFT의 설계를 수행할 경우 항복강도에 제한을 두지 않아도 안전한 설계가 가능함을 알 수 있었다.
- )를 사용하여 변수분석을 수행하였다. 변수분석 결과, 강재의 강도증진에 따라 강재의 강도분담비율의 상승에 의해 좌굴에 의한 강도하락현상이 크게 나타나고 있음을 알 수 있었다.그러나 현행 기준에 HSB800과 SM570의 항복강도인 680MPa과 440MPa을 대입하여 세장비와 강도 발현 비율을 산정해본 결과 Fig.
- 11에 나타내었다. 세장비 증가에 따른 강성 감소가 뚜렷하게 나타났으며, 강재의 항복 강도가 상승함에 따라 부재의 강도가 더 큰폭으로 감소하였다. 고강도 강재의 최종 파괴는 주어진 재료모델에 따라 다를 수 있지만 본 연구에서 수행된 고강도 강재의 인장시험 결과를 사용할 경우 콘크리트의 압괴와 맞물려 SM490과 유사한 최종파괴 시점을 보이는 것으로 나타나 고강도 강재의 사용에 큰 문제가 없을 것으로 판단된다.
- 6에 나타내었다. 속빈 강관 실험체는 모두 중앙부에서의 변형률이 항복 변형률을 경험하지 못하였으나, 콘크리트가 충전된 두 개의 실험체는 실험체 중앙부에서 측정한 변형률이 시편의 시험 결과로 나타난 항복 변형률에 도달하는 것으로 나타났다.
- 현행 설계기준에의 고강도 강재의 적용 가능성을 평가하기 위해 실험 결과로 나타난 최대 하중과 현행 설계기준을사용한 강도 평가 결과를 정리하여 Table 3에 나타내었다. 실험 결과는 현행 설계기준을 통한 공칭강도 값과 비교되었으며 2장에서 언급되었던 두 설계기준이 보수적인 평가를 하고 있음을 알 수 있었다. SM490을 사용한 강재의 경우 모든 설계기준에서 발현강도의 공칭강도에 대한 비가 1.
- 08로 나타났다. 최대 하중을 모사하는 데에는 10% 미만의 오차를 나타내어 고강도 재료를 사용한 CFT의 거동을 분석하는 데에 유한요소해석 모델을 적용할 수 있을 것으로 나타났다.
- 세장비가 반영된 합성단면의 설계식에 대한 강도의 영향을 국내현행기준 (KBC, 2009)과 AISC-LRFD에 기반하여 평가하였다. 평가 결과, Fig. 1에 나타난 바와 같이 강재의항복강도가 상승함에 따라 세장비 상승에 따른 강도 하락의 비율이 커짐을 알 수 있었으며 강재의 항복강도의 영향이 더 크게 반영되는 것이 나타났다. 즉, 설계기준항복강도의 제한에 따라 고강도 강재의 높은 항복강도에 따른 세장비의 영향을 고려하지 못하는 상황이 될 경우, 좌굴에 의한 영향을 과소평가하게 될 우려가 있는 것이다.
- 현재 구조설계기준의 항복강도 제한을 벗어나며 세장효과가 50% 이상의 감소비율을 가질 경우인 17개 실험결과 중두 개의 실험체를 제외하고는 항복강도로 제안된 값 (440MPa이상)을 사용하였을 때에도 안전한 설계가 가능한 것으로 나타났다. 또한, 해석 결과 역시 실험 결과와 비슷한 양상을 보이고 있음을 통해 현행기준에 따라 RCFT의 설계를 수행할 경우 항복강도에 제한을 두지 않아도 안전한 설계가 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
- 고강도 강재의 적용성 평가를 위해 본 연구에서 적용한 방법인 유한요소해석을 통한 변수 분석과정에는 제안된 모델의 검증이 필수적이다. 이에 기존에 수행된 실험 연구 중 800MPa를 초과하는 실험체와 본 연구에서 수행된 실험 연구 결과에 대한 해석을 수행하여 그 적용성을 평가하였다.
- 콘크리트의 설계기준압축강도는 21MPa이상이어야 하며 70MPa를 초과할 수 없어야 한다. 구조용 강재 및 철근의 설계기준항복강도는 440MPa를 초과할 수 없으며 실험과 해석을 통해 정당성이 증명된다면 설계기준항복강도가 440MPa를 초과하는 고강도강을 사용할 수 있다.
- 7에 표현되어있다. 특히, 이 현상은 세장비가 클수록 크게 나타나고 있어 고강도 RCFT를 설계함에 있어 고강도 재료의 항복강도를 설계식에 반영해주지 않을 경우 비경제적인 단면의 설계가 예상되므로 이에 대한 보완이 필요할 것으로 판단된다.
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