[논문]세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥의 압축실험

이호준; 박홍근; 최인락

doi:10.7781/kjoss.2015.27.2.219

세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥의 압축실험
Axial Load Test on Rectangular CFT Columns using High-Strength Steel and Slender Section 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.27 no.2, 2015년, pp.219 - 229

이호준 (서울대학교, 건축학과) , 박홍근 (서울대학교, 건축학과) , 최인락 (포스코, 건축구조연구소)

초록
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각형 CFT 기둥에 대한 실험 연구를 수행하였다. 본 연구는 세장 단면의 고강도 강관을 적용한 CFT 기둥의 압축성능 평가하는 것이 주요 목적이다. 실험 변수는 강관의 판폭두께비, 콘크리트 강도, 강관 항복강도, 그리고 스티프너의 사용여부이다. 총 5개의 기둥 실험체에 대하여 중심압축 실험을 수행하였다. 고강도 강관을 적용한 실험체는 탄성국부좌굴이 발생하였지만, 높은 항복강도로 인하여 상당한 후좌굴강도를 발휘하였다. 또한, 실험결과는 현행 설계기준에 의한 예상강도를 대체로 만족하였다. 세장 단면의 고강도 강관에 스티프너를 보강할 경우 강도와 변형능력 면에서 우수한 구조성능을 발휘하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

An experimental study was performed for thin-walled rectangular concrete-filled tubular (CFT) columns. The present study mainly focused on evaluation of the axial load-carrying capacity of concrete-filled tubular columns using high-strength steel and slender section. The test parameters were width-to-thickness ratio, concrete strength, steel yield strength, and the use of stiffeners. Five specimens were tested under monotonic axial loading. Although elastic local buckling occurred in the slender-section specimens with high-strength steel, the specimens exhibited considerable post-buckling reserve. The test results also satisfied the predictions of a current design code. The specimens strengthened with vertical stiffeners exhibited improved strength and ductility when compared with the un-stiffened specimens.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT기둥의 압축성능을 평가하기 위하여 중심압축실험을 실시하였다. 또한, 세장 단면의 국부좌굴 지연을 위하여 수직 스티프너를 보강한 실험체에 대해서도 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT기둥의 압축성능을 평가하기 위하여 중심압축실험을 실시하였다. 또한, 세장 단면의 국부좌굴 지연을 위하여 수직 스티프너를 보강한 실험체에 대해서도 연구를 수행하였다.
세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥의 압축 성능을 평가하기 위한 실험연구를 수행하였다. 고강도 강관과의 비교를 위해서 일반 강재를 적용한 실험체의 압축 성능도 평가하였으며, 세장 단면의 국부좌굴을 방지하기 위하여 스티프너를 보강한 실험체의 구조성능도 평가하였다.
그러나 이 경우 세장단면에 따른 감소계수를 전체 단면에 반영해야 하므로 실제 강도가 과소평가될가능성이 있다. 실험체 C2는 하나의 기둥에서 세장요소의 판재와 조밀요소의 판재를 모두 포함시켰을 때, 그 구조성능을 평가하는 것이 목적이다. 이 때 합성단면에서의 강재 기여도를 C1과 유사하게 유지시키기 위해서 콘크리트의 강도는 80MPa로 설계하였다.
KBC 2009의 제한값은 ANSI/AISC 360-10의 조밀 한계 판폭두께비와 동일하며, KBC 2009가 상당히 보수적임을 알 수 있다. 향후 KBC 2014가 ANSI/AISC 360-10의 포맷을 따르게 될 것이라고 예상되기 때문에, 본 연구에서는 ANSI/AISC 360-10에 의한 단면 분류를 토대로 실험체를 계획하였다.

가설 설정

A_c , A_s,t, A_s,s = 각각 콘크리트, 강관, 스티프너의 단면적이고, fck, Fy,t ,Fy,s = 각각 콘크리트의 압축강도와 강관, 스티프너의 항복강도이다. 스티프너를 보강할 경우 합성 단면을 조밀 단면처럼 취급할 수 있다고 가정하였으며 스티프너의기여분도 합산하였다. 한편 세장 단면의 CFT 기둥의 경우 공칭 강도 P_no는 탄성국부좌굴강도 F_cr = 9E_s/(b_t /t_t) = 548MPa 를 이용하여 다음과 같이 표현된다.
실험에는 1,000ton 용량의 UTM을 사용하였으며 기둥 실험체 양단의 엔드플레이트를 직접 가력 하는 형태로 진행하였다. 실험은 변위제어로서 UTM의 가력속도를 0.003mm/sec 로설정하였다. 강관과 충전콘크리트가 동시에 재하 되도록, 상부 엔드플레이트의 콘크리트 타설구에서 발생한 콘크리트의 처짐(수축 현상)을 보완하기 위해 실험 1주일 전에 고강도 에폭시를 타설구에 충전하여 면을 고르게 하였다.

제안 방법

(5) 본 실험체의 변수가 기존의 스티프너 설계식의 범위를 벗어났기 때문에 스티프너의 설계식을 역학적으로 유도하였다. 제안된 방법은 시티프너의 강성을 적절하게 예측하였다.
실험체에 사용된 강관은 모두 용접조립(built-up)으로 제작하였다. ATOS80 강재 간의 용접은 인장강도 830MPa 급 용접봉인 K-120TG를 사용하여 개선용접을 하였다. 스티프너와 강관은 양면 모살용접으로 접합하였다.
ATOS80 강재의 실제 항복강도는 750MPa 정도로 예상하였으며, 이 때 λr = 49.6이므로 이를 기준으로 판폭두께 비가 λr을 초과하여 bt /tt = 58이 되도록 세장단면을 산정하였다.
003mm/sec 로설정하였다. 강관과 충전콘크리트가 동시에 재하 되도록, 상부 엔드플레이트의 콘크리트 타설구에서 발생한 콘크리트의 처짐(수축 현상)을 보완하기 위해 실험 1주일 전에 고강도 에폭시를 타설구에 충전하여 면을 고르게 하였다. 강관은 엔드플레이트에 용접된 반면, 강관 내부에 있는 수직 스티프너는 현실적으로 상하부 엔드플레이트와 모두 용접하는 것이 불가능하였다.
세장 단면의 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥의 압축 성능을 평가하기 위한 실험연구를 수행하였다. 고강도 강관과의 비교를 위해서 일반 강재를 적용한 실험체의 압축 성능도 평가하였으며, 세장 단면의 국부좌굴을 방지하기 위하여 스티프너를 보강한 실험체의 구조성능도 평가하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결론을 요약하면 다음과 같다.
실험체 C3는 고강도 강재를 적용한 C1과의 비교를 위하여 SS400 강재를 사용하였다. 순수하게 강재의 항복강도로 인한 차이만을 보기 위해서 강관은 C1과 동일한 두께 및 단면 크기로 설계하였다. SS400의 실제 항복강도를 300MPa 정도로 예상했을 때, λ_p = 59.
실험에는 1,000ton 용량의 UTM을 사용하였으며 기둥 실험체 양단의 엔드플레이트를 직접 가력 하는 형태로 진행하였다. 실험은 변위제어로서 UTM의 가력속도를 0.
실험체 C2는 하나의 기둥에서 세장요소의 판재와 조밀요소의 판재를 모두 포함시켰을 때, 그 구조성능을 평가하는 것이 목적이다. 이 때 합성단면에서의 강재 기여도를 C1과 유사하게 유지시키기 위해서 콘크리트의 강도는 80MPa로 설계하였다.
Table 2에 나타나 있는 콘크리트 강도는 재령 36일째의 공시체 강도로서, 기둥실험은 재령 32~33일째에 모두 수행되었다. 콘크리트 강도는 세 개의 공시체 강도를 평균하여 산정하였다. 정사각형 단면을 가진 C1, C3, C4의 콘 크리트 강도는 70.
한편 실험체 C2에는 C1과 동일한 두께의 ATOS80 강재를 적용하되 강관을 실무에서의 다양한 활용성을 고려하여 직사각형 단면(□ - 300mm × 150mm)으로 설계하였다.

대상 데이터

본 연구의 주요 대상은 세장한 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥이다. KS에 등재된 HSA800 강재는 실험이 가능할 정도의 얇은 강판이 생산되지 않기 때문에, 본 연구에서는 인장강도 800MPa 급이고, HSA800 강재와 유사한 재료 성질을 가진 ATOS80 강재를 사용하였다. ATOS80은 통상적으로 자동차에 사용되는 강판으로서, 항복 후 항복참 없이 바로 변형률경화하는 성질 및 항복비 측면에서 HSA800과 매우 유사하다.
기본 실험체인 C1에는 tt = 5mm인 ATOS80 강재를 적용하여 강관을 정사각형 단면(□ - 300mm × 300mm, bt/tt = 58)으로 설계하였다.
2는 각각 실험 변수와 실험체의 단면 상세를 보여준다. 본 연구의 주요 대상은 세장한 고강도 강관을 적용한 각형 CFT 기둥이다. KS에 등재된 HSA800 강재는 실험이 가능할 정도의 얇은 강판이 생산되지 않기 때문에, 본 연구에서는 인장강도 800MPa 급이고, HSA800 강재와 유사한 재료 성질을 가진 ATOS80 강재를 사용하였다.
이는 식 (4)에 따른 b_s ≥ 57mm 를 만족하는 수준이다. 스티프너 재료로는 C3의 강관과 동일한 SS400 강재를 사용하였다.
실험체 C3는 고강도 강재를 적용한 C1과의 비교를 위하여 SS400 강재를 사용하였다. 순수하게 강재의 항복강도로 인한 차이만을 보기 위해서 강관은 C1과 동일한 두께 및 단면 크기로 설계하였다.
0 < λp이므로 조밀단면으로 볼 수 있다. 콘크리트는 C1과 동일한 60MPa 로 설계하였다.

성능/효과

(1) 세장 단면의 고강도 강관을 적용한 C1, C2에서는 탄성국부좌굴이 발생하였지만, 큰 강성저하 없이 높은 후좌굴 강도를 발휘하였다.
(2) C1은 ANSI/AISC 360-10의 공칭강도 P_no를 18% 초과하였으며, 기준이 충분히 보수적임을 나타냈다. C2의경우 하중도입 초기에 강재가 먼저 재하된 관계로 공칭 강도를 28%나 초과하였다.
(3) 일반 강재와 조밀단면을 적용한 C3에서도 조기에 국부 좌굴이 발생하였지만 공칭강도(또는 소성강도) 대비 97%를 발휘하였다.
(4) 스티프너를 보강한 C4, C5의 경우 국부좌굴을 효과적으로 지연하였으며, 우수한 변형능력을 나타냈다. 특히 스티프너를 보강할 경우, 고강도 강관을 조밀 단면으로 취급하여 강도를 설계할 수 있었다.
SS400 강재의 항복강도는 301MPa, 인장강도는 466MPa, 연신율은 33.8%로 나타났다. 한편, ATOS80 강재의 항복강도는 746MPa, 인장강도는 835MPa, 연신율은 21.
일반 강재를 적용한 C3도 하중이 약 P = 4,500kN 부근에서 국부좌굴이 육안으로 확인되었으며, 이후에도 완만하게 하중이 증가하였다. 변형률 계측결과에 따르면, C1, C2, C3의 국부좌굴은 모두축 변형률 0.001~0.0015 구간에서 목격되었는데, 이는 고강도 강관(세장 단면, F_y,t = 746MPa)의 탄성국부좌굴응력 F_cr = 548MPa 및 일반 강재(조밀 단면)의 항복강도 F_y,t =301MPa에 대응하는 변형률보다 작은 값이다. 조기 국부좌 굴의 원인은 강관의 초기결함이나 잔류응력의 영향으로 판단된다.
예로서 C4의 스티프너 폭을 계산하면, 식 (1)에 의하면 b_s ≥ 57mm이고 식 (8)에 의하면 b_s ≥ 61mm이다. 본 연구에서 b_s = 60mm로 설계된 스티프너는 고강도 강관에 충분한 강성을 제공하였다.
^[10]은 일반강재를 적용한 세장 단면의 각형 CFT 기둥에 대하여 압축실험을 수행하였으며, 스티프너의 설계식을 제안한 바 있다. 실험결과, 수직 스티프너의 보강은 강관의 국부좌굴을 지연함으로써 강도 증진 측면에서 효과적인 것으로 나타났다. 그러나 낮은 항복강도의 강재가 사용되어, 콘크리트의 압괴 후에 취성적인 파괴로 인하여 큰 변형능력이 발휘되지 않았다.
단, C2의 경우 강재단면만 선재한되었을 의심이 있어 분석에서 제외하였다. 실험체의 최대강도 P_max를 단면소성강도 P_p과 비교하면, P_max/P_p = 92~100%를 나타냈으며 세장단면을 적용한 C1을 제외하면 대체로 소성강도를 발휘 하였다. C1의 경우 공칭강도 P_no에 대해서는 P_max/P_no =118%로서 공칭강도를 크게 상회하였다.
5(d), (e)와 같이 스티프너에 의해 강관의 좌굴모드가 변하였다. 일련의 결과는 일반강재의 스티프너가 항복 후에도 고강도 강관의 국부좌굴에 대하여 충분히 저항할 만큼의 비탄성강성을 보유하였음을 나타낸다. 스티프너의 설계에 대한 이론적 고찰은 6장에서 다루고자 한다.
한편 직사각형 단면을 가진 C2의 경우 세장한 판재에서만 탄성국부좌굴이 발생하고 조밀한 판재에서는 실험종료 시까지 국부좌굴이 발생하지 않았다. 일반 강재를 적용한 C3도 하중이 약 P = 4,500kN 부근에서 국부좌굴이 육안으로 확인되었으며, 이후에도 완만하게 하중이 증가하였다. 변형률 계측결과에 따르면, C1, C2, C3의 국부좌굴은 모두축 변형률 0.
정사각형 단면을 가진 C1, C3, C4의 경우 C4(고강도 강관+ 스티프너), C1(고강도 강관), C3(일반 강관)의 순으로 높은 하중재하능력을 보였다. 반면 직사각형 단면을 가진 C2, C5는 큰 강도차이를 보이지 못하였다.
(5) 본 실험체의 변수가 기존의 스티프너 설계식의 범위를 벗어났기 때문에 스티프너의 설계식을 역학적으로 유도하였다. 제안된 방법은 시티프너의 강성을 적절하게 예측하였다.
반면 직사각형 단면을 가진 C2, C5는 큰 강도차이를 보이지 못하였다. 참고로, 모든 실험체는 충전 콘크리트의 압괴음과 함께 최대강도에 도달하였다. 스티프너를 보강한 C4, C5의 경우 최대하중 이후에도 급격한 하중저하 없이 비교적 연성적인 거동을 나타냈다.

후속연구

그러나 낮은 항복강도의 강재가 사용되어, 콘크리트의 압괴 후에 취성적인 파괴로 인하여 큰 변형능력이 발휘되지 않았다. 고강도 강재를 적용한 CFT 기둥에 대해서도 스티프너의 사용은 유용할 것으로 보이며, 스티프너를 적용하였을 때의 거동 및 설계방법은 실험을 통해 검증될 필요가 있다.
우수한 구조성능, 경제성, 시공성 등의 이유로 합성기둥의 적용이 활성화되고 있다. 향후 다양한 고강도/고성능 재료가 개발됨에 따라 합성기둥의 사용이 보다 더 활성화될 것으로 기대되고 있다. 최근 콘크리트구조기준^[1]에서 단면해석을 수행하는 경우 항복강도 450MPa를 초과하는 고강도 강재의 사용이 허용되었으며, 합성기둥을 위한 보다 합리적인 설계 방법을 개발하기 위한 기준 연구도 활발하게 진행 중이다^[2],[3].

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	합성기둥의 적용이 활성화되고 있는 이유는?	우수한 구조성능, 경제성, 시공성 등의 이유로 합성기둥의 적용이 활성화되고 있다. 향후 다양한 고강도/고성능 재료가 개발됨에 따라 합성기둥의 사용이 보다 더 활성화될 것으로 기대되고 있다.
	CFT 기둥에 고강도 강재를 적용할 경우 시공적인 측면에서 장점은?	또한 강재가 단면의 최외곽에 배치됨에 따라 강재의 활용도가 극대화되므로, CFT 부재는 고강도 강재를 적용하기에 가장 이상적인 구조시스템이다. 시공적인 측면에서는, CFT 기둥에 고강도 강재를 적용할 경우 동일 강도 대비 강판의 두께를 줄일수 있어서 용접량 및 양중무게를 감소시킬 수 있다. 고강도 콘크리트와 같이 사용하게 된다면 단면의 사이즈를 크게 줄일 수 있어 경제적이다.
	CFT 기둥에 고강도 강재를 적용할 경우 강재가 항복하기 전에 강관의 국부좌굴이 먼저 발생할 수 있다는 점 때문에 현행 설계기준에서는 어떤 제한을 하고 있는가?	CFT 기둥에 고강도 강재를 적용할 경우 예상되는 문제점으로는, 높은 항복변형률로 인하여 강재가 항복하기 전에 강관의 국부좌굴이 먼저 발생할 수 있다는 점이다. 이러한 이유 때문에 현행 설계기준에서는 판재의 판폭두께비를 항복 강도의 함수로서 분류 및 제한하고 있다. 향후 고강도 강재의 유연한 활용도를 고려하였을 때, 이러한 규준들은 고강도 강재의 사용에 장애가 되고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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