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강섬유 콘크리트가 충전된 용접조립 각형강관 기둥의 구조성능 실험연구
An Experimental Study on Structural Performance of SFRC filled Built-up Square Columns 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.27 no.1, 2015년, pp.13 - 22  

김선희 (서울시립대학교, 건축공학부) ,  염경수 ((주)하모니구조엔지니어링) ,  최성모 (서울시립대학교, 건축학부)

초록
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본 연구에서는 콘크리트 내에 강섬유를 혼입하여 기둥자체의 인성력을 확대시키는 방안을 구조실험을 통해 분석하고자 한다. 내부 앵커형 용접조립 각형 기둥에 강섬유 보강 콘크리트를 충전하여 구조 거동을 고찰하였다. 강섬유 혼입량과 가력조건을 변수로 하여 총 10개의 단주를 제작하여 단조재하 실험을 수행하였다. 그 결과 휨 모멘트력이 발생될 때 강섬유 콘크리트는 특유의 성질인 균열 후 인장강도가 발현되어 내력 및 거동에 유리하게 작용되는 것으로 보인다. 미소 분량의 강섬유 혼입으로 축력과 휨내력이 향상 가능한 것은 매우 합리적인 단면설계가 가능하며 이를 적극적으로 설계에 반영될 필요가 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study suggests mixing steel fibers in concrete to secure the toughness of the columns. Therefore, to evaluate the structural behavior of welded built-up square columns filled with steel fiber reinforced concrete, ten stub column specimens were fabricated for compressive loading test with variab...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 앞서 선행연구 분석에서는 강섬유 보강 콘크리트 충전강관기둥의 실험적 연구를 소개하였다. 그 중 Zhong Tao(2007) 연구에는 본 실험과 사용된 강섬유의 형상과 강재 및 콘크리트의 재료강도가 가장 유사하여 실험결과를 비교해 보고자 한다. 비교대상((UCFT: 일반 각형 강관 + 일반 콘크리트), (UFRC: 일반 각형 강관 + 강섬유 보강 콘크리트))들은 중심 가력 실험으로 하중-변위관계를 통한 축강도와 연성도를 비교하고자 한다.
  • 강섬유 혼입율(mixing ratio)과 형상비(aspect ratio)에 따라 내력 차이가 상당히 크며, 선행연구 결과에 의하면 혼입율이 전체 체적에 1%이상일 경우 비경제적이고, 강섬유 뭉침현상이 발생되어 시공성이 떨어지는 문제가 제기 되었다. 따라서 0.5%미만의 강섬유를 혼입하여 변형성능과 최대 내력이후 거동을 분석해 보고자 한다. 실험체는 Fig.
  • 경제적 측면을 고려한다면 최적의 강섬유 혼혼입량 파악하는 것은 매우 중요하다. 따라서 강섬유 혼입율에 의해 압축 및 휨 내력에 미치는 영향을 파악하고자 한다. 중심축력의 경우 혼입률이 0%일 때를 기준으로 비교 하였고, 편심축력의 경우 혼입율 0.
  • 따라서 본 연구에서는 콘크리트 내에 소량의 강섬유만을 혼입하여 하중상태, 강섬유 혼입비율을 변수로 구조성능 실험을 수행하였다. 실험결과를 근거로 리브와 강섬유 콘크리트의 상호거동을 분석하고자 한다.
  • 현행 설계식(KBC2009)[14],[15]과 실험결과를 비교하여 설계식 적용에 대한 적합성을 비교해 보고자 한다. 현행규준에 의해 작도된 P-M상관관계에 각 편심기울기를 통해 편심축력 상태의 축력과 모멘트 강도를 예측할 수 있다.

가설 설정

  • 선행연구 결과를 보면 매우 아쉬운 점이 남아 있다. 첫 번째로 소량의 혼입율을 변수로 한 분석결과가 없다는 점이다. 두 번째로 실험체 크기는 실대 크기가 아닌 모두 축소모형으로 제작되어 그 결과는 비교적 과대평가 될 우려가 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
근래 건축구조 분야는 어떠한 모습을 보이고 있는가? 근래 건축구조 분야에서는 새로운 구조시스템의 개발과 함께 기존 재료를 적절히 조합하여 과거에는 얻을 수 없었던 성능을 건축구조에 부여하려고 하는 움직임이 활발하다. 이러한 구조방식 중 콘크리트충전 강관(Concrete filled steel tube, 이하 CFT)은 강관의 구속효과에 의해 충전 콘크리트의 압축내력 상승과, 충전 콘크리트에 의한 강관의 국부좌굴보강효과에 의해 부재내력이 상승하고 뛰어난 변형성능을 발휘한다[1],[2].
콘크리트충전 강관의 문제점은 무엇인가? 이러한 구조방식 중 콘크리트충전 강관(Concrete filled steel tube, 이하 CFT)은 강관의 구속효과에 의해 충전 콘크리트의 압축내력 상승과, 충전 콘크리트에 의한 강관의 국부좌굴보강효과에 의해 부재내력이 상승하고 뛰어난 변형성능을 발휘한다[1],[2]. 하지만, 기둥단면이 커질 경우 합성효과를 발휘하기 위하여 스터드 볼트나 후 시공 앵커 볼트를 사용해야 하는 시공상의 문제점이 발생된다. 이를 극복함과 동시에 합성효과를 증대시키기 위한 방안으로 콘크리트 충전 용접조립 각형 기둥이 소개되었다[3].
콘크리트 충전형 강관기둥의 장점은 무엇인가? 콘크리트 충전형 강관기둥의 가장 큰 장점은 압축력이 작용 할 때 외부의 강관이 내부의 콘크리트를 3축 응력상태로 콘크리트를 구속하여 압축내력이 상승하며, 콘크리트는 강관의 국부좌굴을 지연하므로 뛰어난 연성능력을 발휘하는 것으로 알려져 왔다. 이때 내부 앵커형 용접조립 각형기둥의 리브는 콘크리트 내에서의 앵커역할로 인해 일반 각형강관 기둥에 비해 경제적인 단면설계가 가능하다는 장점을 갖고 있다.
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참고문헌 (15)

  1. 이철호, 강기웅, 김성웅, 구철회(2013) 각형 콘크리트 충전강관 기둥 부재의 구조설계 기준 비교연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제25권, 제4호, pp.389-398 Lee, C.H., Kang, K.Y., Kim, S.Y., and Koo, C.H. (2013) Review of Structural Design Provisions Rectangular Concrete Filled Tubular Columns, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.25, No.4, pp.389-398. 

  2. 최인락, 정경수, 김진호, 홍건호(2012) 이종강관을 사용한 고강도 CFT합성부재의 구조성능, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제6호, pp.711-722. Choi, I.R., Chung, K.S., Kim, J.H., and Hong, K.H. (2012) (2012) Structural Performence of Hige-Strength Concrete- Filled Steel Tube Steel Columns Using Different Strength Steels, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.6, pp. 711-722. 

  3. 김선희, 염경수, 최성모(2013) 내부 앵커형 콘크리트 충전기둥의 내력 및 변형 능력에 관한 연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제25권, 제4호, pp.347-357. Kim, S.H., Yom, K.S. and Choi, S.M. (2013) A Study on the Load Carrying Capacity and Deformation Capacity of the Internal Anchors Welded Cold Formed Concrete Filled Columns, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.25, No.4, pp.347-357. 

  4. Hatzigeorgiou, G.D. and Beskos, D.E. (2005) Minimum Cost Design of Fiber Reinforced Concrete Filled Steel Tubular Columns, Journal of Constructional Steel Research, 61, pp.167-182. 

  5. Craig, R., McConnell, J., Germann, H., Dib, N., and Kashan, F. (1984) Behavior of Reinforced Fibrous Concrete Columns, Fiber Reinforced Concrete International Symposium, SP-81, American Concrete Institute, Detroit, pp.69-105. 

  6. Giuseppe, C., Sidney, M., Nunzio, S., and Gaetano, Z. (2000) Strength of Hollow Circular Steel Sections Filled with Fiber Reinforced Concrete, Canadian Journal of Civil Engineering, 27, pp.364-372. 

  7. Serkan Tokgz, Cengiz Dundar (2010) Experimental Study on Steel Tubular Column in Filled with Plain Steel Fiber Reinforced Concrete, Vol.48, No.1, pp.414-422. 

  8. Gopal, S.R. and Devadas, M.P. (2006) Experimental Behavior of Eccentrically Loaded Slender Circular Hollow Steel Columns in Filled with Fiber Reinforced Concrete, Journal of Constructional Steel Research, 62, pp.513-520. 

  9. Yiyan, L., Shan, L., and Juan, C. (2011), Research on Behaviors of Steel Fiber Reinforced Concrete Filled Steel tube Columns Under Axial Load, Advanced Materials Research, 163, pp.596-599. 

  10. Zhong, T., Lin, H., and Dong, Y.W. (2007) Experimental Behavior of Concrete Filled Stiffened Thin Walled Steel Tubular Columns, Thin Walled Structures, 45, pp.517-527. 

  11. JSCE-SF4 (1984) Method of Test for Flexural Strength and Flexural Toughness of Steel Fiber Reinforced Concrete, Concrete library of JSCE, Japan Society of Civil Engineers, Tokyo 3, pp.58-61. 

  12. KS B 0801 (2007) 금속재료 인장시험편, 산업자원부 기술표준원. KS B 0801 (2007) Test Pieces for Tensile test for Metallic Materials, Korea Agency for Tech-nology and Standards (in Korean). 

  13. KS B 0802 (2003) 금속재료 인장시험벙법, 산업자원부 기술표준원. KS B 0802 (2003) Method of Tensile test for metallic Materials, Korea Agency for Technology and Standards (in Korean). 

  14. 대한건축학회(2009) 건축구조설계기준 (KBC-2009). Architectural Institute of Korea (2009) Korean Building Code and Commentary, KBC-2009 (in Korean). 

  15. 강구조의 설계(2009) 한국강구조학회, 구미서관. Korea Society of Steel Construction (2009) Steel Structural Design, Goomibook (in Korean). 

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