[논문]강재 보-PC 보가 강접합 연결된 하이브리드 보의 휨 거동 평가

서은아; 양근혁; 홍승현

doi:10.4334/jkci.2016.28.1.013

강재 보-PC 보가 강접합 연결된 하이브리드 보의 휨 거동 평가
Evaluation on Flexural Behavior of Hybrid Beams with Rigid Joint Connecting Steel and Precast Concrete Elements 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.28 no.1, 2016년, pp.13 - 21

서은아 (한국건설기술연구원 구조융합연구소) , 양근혁 (경기대학교 플랜트.건축공학과) , 홍승현 ((주)한주에스티)

초록
AI-Helper

기존의 강재 보가 콘크리트에 매립되어 볼트접합 연결되는 기존 하이브리드 접합법의 한계와 단점을 개선하기 위하여 단순한 강접합 절점을 갖는 하이브리드 PC 콘크리트 보 시스템을 개발하였다. 개발된 하이브리드 시스템의 원할한 하중전달을 파악하기 위하여 양단 고정단의 보 실험체 3개를 반복 집중하중 하에서 실험하였다. 주요 변수는 강재 보의 길이로서 지점에서 변곡점까지의 거리의 0.25, 0.5 및 1.0배로 변하였다. 모든 실험체는 동일 주철근 지수를 갖는 철근콘크리트 보에 비해 높은 변위 연성비를 나타냈는데, 보의 반복하중-처짐 관계 및 연성은 강재 보의 길이에 영향을 받지 않았다. 보 길이에 따른 연속 변형률 분포 및 붕괴하중에 기반한 극한하중 예측으로부터 제시된 강접합 절점은 구조적 효율성을 갖는다고 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

A hybrid precast concrete beam system with a simple rigid connection was proposed to compensate the limitations and shortcomings of the conventional bolt connection associated with the H-beams embedded into concrete beams. Three beam specimens with fixed both ends were tested under one-point top cyclic loading to explore the effectiveness of the developed hybrid beam system in transferring externally applied flexure to a column. The main parameter considered was the length ($L_s$) of H-beam, which was selected to be $0.25L_I$, $0.5L_I$, and $1.0L_I$, where $L_I$ is the distance from the support to the point of inflection. All beam specimens showed a better displacement ductility ratio than the reinforced concrete beams with the same longitudinal reinforcement index, indicating that the cyclic load-deflection curve and ductility were insignificantly affected by $L_s$. The continuous strain distribution along the beam length and the prediction of the ultimate load based on the collapse mechanism ascertained the structural adequacy of the developed rigid connection.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 하이브리드 보에서 볼트접합 절점의 문제점을 개선하기 위한 새로운 개념의 강접합 절점상세를 개발하였다. 제시된 강접합 절점상세를 갖는 하이브리드 보의 휨 거동을 양단 고정단의 반복하중 하에서 평가하였다.

가설 설정

H0.25 실험체는 정방향하중에 대해 4Δy (17 cycle)에서 압축측 콘크리트의 압괴 및 심각한 박리와 함께 최대내력의 80% 이하로 하중이 저하되면서 실험을 종료하였다.
0 실험체의 강접합 절점은 변곡점에 위치하기 때문에 절점부근에서의 주철근, L형 강판 및 H형강 플랜지의 변형률은 0에 가까운 반면, 보 경간 중앙에서 주철근의 변형률은 급격히 증가하였다. H0.25 실험체의 절점영역은 정하중 방향에서는 부 모멘트 영역에 있으며, 부하중 방향에서는 정모멘트 영역으로 존재한다. 이에 따라 절점영역에서의 주철근은 부하중 방향에서 상부 주철근이 항복에 도달하였다.
H1.0 실험체의 최종 파괴는 가력점의 압축측 콘크리트의 심각한 파괴(5Δy)에 의해 결정되었으며, 강접합 절점은 변곡점에 위치하기 때문에 절점에서의 휨 균열은 발생하지 않았다.
H1.0 실험체의 휨 균열은 하중이력이 0.75Δy일 때 경간 중앙부에서 발생하였는데, 하중의 증가와 함께 휨 균열 발생영역은 단부방향을 향해 3d 구간까지 분포하였다.
보의 경간 중앙에서 임의의 변형률에 대한 곡률 및 휨 모멘트 내력(M(i))은 수치해석 기법으로부터 결정된 중립축에 대해 각 재료의 응력-변형률 관계를 이용하여 산정될 수 있다. 강재 보 및 주철근의 응력-변형률 관계는 완전 탄소성으로 가정하였으며, 콘크리트의 응력-변형률 관계는 Yang 등¹²⁾의 모델을 이용하였다. 보의 경간 중앙에서 변형률 값의 증 분에 따라 모멘트와 곡률 값을 얻을 수 있으며, 최대 모멘트 값을 단면의 극한모멘트로 결정한다.

제안 방법

Fig. 1에 나타낸 하이브리드 보 시스템에서 강접합 절 점에서의 취성파괴를 방지하기 위하여 가능하면 콘크리트 보에서 소성힌지가 발생하도록 계획하였다. 따라서, 하이브리드 보 시스템의 붕괴기구는 Fig.
강재 보와 PC 보가 강접합 연결된 하이브리드 보의 양단고정 하에서 휨 거동을 평가하였다. 주요 실험변수로는 단부 강재 보의 길이(L_s)로서 0.
제시된 강접합 절점상세를 갖는 하이브리드 보의 휨 거동을 양단 고정단의 반복하중 하에서 평가하였다. 보의 길이를 따른 주철근과 강재 보 플랜지에서의 변형률 분포 및 강접합 절점을 고려한 보의 붕괴기구로부터 산정한 최대하중과 실험결과의 비교로부터 제시된 절점의 하중전달 및 강접합 절점설계의 적절성을 평가하였다.
하중가력에 따른 단부 기둥의 미끄러짐 발생은 50 mm 용량의 LVDT 를 이용하여 측정하였다. 압축 및 인장영역, 그리고 보 중앙부, 단부 및 절점영역에서 주철근, 강재 보 및 L형 강판의 응력전달은 전기저항 와이어게이지를 통하여 측정하였다. 실험은 콘크리트의 압괴 또는 하중이 보 최대 내력의 80% 이하로 떨어졌을 때 종료하였다.
양단 고정단 보의 구현을 위하여 실험체 양 단부에 700×700 mm 단면의 H형강 두 개가 연결된 합성 기둥을 설치하였다.
본 연구에서는 하이브리드 보에서 볼트접합 절점의 문제점을 개선하기 위한 새로운 개념의 강접합 절점상세를 개발하였다. 제시된 강접합 절점상세를 갖는 하이브리드 보의 휨 거동을 양단 고정단의 반복하중 하에서 평가하였다. 보의 길이를 따른 주철근과 강재 보 플랜지에서의 변형률 분포 및 강접합 절점을 고려한 보의 붕괴기구로부터 산정한 최대하중과 실험결과의 비교로부터 제시된 절점의 하중전달 및 강접합 절점설계의 적절성을 평가하였다.
4이다. 지점의 고정조건 구현을 위하여 강재 보가 용접연결 된 합성 기둥을 4개의 직경 50 mm인 강재 볼트를 이용하여 가력 슬래브에 고정하였다. 하중은 1,000 kN 용량의 엑츄레이터를 이용하여 보의 경간 중앙에서 1점 집중하중으로 변위제어 하에 가력하였다.

대상 데이터

제시된 하이브리드 보 시스템은 PC 구조와 보 양단부의 강재 구조, 두 구조의 연결절점 그리고 상부 현장타설 콘크리트로 구성된다(Fig. 1). 강재 기둥과 용접으로 연결되는 강재 보의 길이는 기둥의 중심에서부터 변곡점까지의 거리(L_I) 이하로 설계된다.
제시된 하이브리드 보 시스템의 휨 거동과 강접합 절점에서의 응력전달을 평가하기 위하여 강재 보의 길이를 변수로 3개의 실험체를 제작하였다. 강재 보의 길이(L_s) 는 0.
강재 보와 PC 보가 강접합 연결된 하이브리드 보의 양단고정 하에서 휨 거동을 평가하였다. 주요 실험변수로는 단부 강재 보의 길이(L_s)로서 0.25L_I, 0.5L_I, 1.0L_I로 변하였는데, 여기서, L_I는 지점에서부터 변곡점까지의 거리이다. 반복 휨 하중-처짐 거동으로부터 부재의 연성 및 강접합 절점에서의 하중전달 등을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

이론/모형

9에 나타내었다. 각 실험체의 하중이력에서 W는 Sheikh and Khoury¹⁰⁾의 모델을 통해 산정하였다. 모든 실험체의 W 값은 최대하중(12~15 cycle)까지는 동일한 경향으로 점진적으로 증가하였지만 최대하중 이후 W값은 H0.
5×9를 이용하였다. 단부 강재 보는 콘크리트 보의 파괴에 앞서 국부좌굴 등이 발생하지 않도록 설계기준⁷⁾에 준하여 설계되었다. 양단 고정단 보의 구현을 위하여 실험체 양 단부에 700×700 mm 단면의 H형강 두 개가 연결된 합성 기둥을 설치하였다.
보 길이 방향을 따른 주철근 및 강재 보 플랜지에서의 변형률 분포는 휨 모멘트도의 형상을 따랐다. 또한 강접합 절점에서의 변형률 분포도 보 길이 전체측면에서 급격한 변화를 갖는 불연속보다는 연속거동을 보였다.

성능/효과

강재 보와 연결되는 콘크리트 보는 공기단축 측면에서 현장타설 보다는 공장 제작의 사용도 점차 고려되고 있다.¹⁾ 강재 보와 프리캐스트 콘크리트(precast concrete, PC) 보의 연결절점은 가능하면 단순한 시공절차와 원할한 응력의 전달과 변형저항 능력을 고려해야 한다.
1) 강재 보의 길이가 0.5L_I인 실험체의 경우 절점영역에서 프리캐스트와 현장타설 콘크리트 경계면을 따라 균열이 발생하였지만 이이는 부재의 내력 및 연성에 영향을 미치지 않았다.
2) 보 길이 방향을 따른 주철근 및 강재 보 플랜지에서의 변형률 분포는 휨 모멘트도의 형상을 따랐으며, 강접합 절점에서의 변형률 분포도 급격한 변화 없이 연속적인 거동을 보였다.
제시된 하이브리드 보 시스템의 구조적 특징은 다음과 같이 요약될 수 있다: 1) PC 보에 작용하는 하중은 L형강에 정착된 주철근-L형강-강재 보-강재 기둥으로 전달된다; 2) PC 보의 상부 주철근과 하부 주철근이 L형강에서 정착되고 주철근의 작용응력은 강재 보로 전달됨으로서 강재 보와 PC 보의 연결절점은 모멘트 저항능력을 갖는 강접합 절점의 거동을 기대할 수 있어 보 전체의 처짐저감에 유리하다; 3) PC 보의 내부에 강성이 큰 강재 보가 매립되지 않음으로서 PC 보 단부에서의 할렬균열 및 역사인장 균열 발생의 가능성을 최소화 할 수 있다. 제시된 하이브리드 보 시스템은 볼트접합에 비해 시공적 장점도 갖는다.
3) 모든 실험체의 하중-처짐 관계는 비슷한 거동을 보였다. 이에 따라 각 실험체의 하중이력에 따른 일손상지수는 최대하중까지는 동일한 값으로 점진적으로 증가하였으며, 최대하중 이후에는 강재 보의 길이가 0.
4) 동일 주철근 지수에서 제시된 하이브리드 보의 변위연성비 값은 단순지지 철근콘크리트 보에서 측정된 변위연성비 값보다 동등 이상으로 있었다.
11에 나타낸 단면분할법을 이용하여 산정할 수 있다. 단면분할법에 의한 해석의 기본 가정은 다음과 같다:³⁾ 1) 평면은 휨 변형 후에도 평면을 유지한다;2) 콘크리트의 인장응력은 휨 균열의 발생 이후에는 무시한다; 3) 철근과 콘크리트는 완전부착이다;4) 부재는 전단파괴를 방지할 수 있는 전단철근이 충분히 배근되었다. 보의 경간 중앙에서 임의의 변형률에 대한 곡률 및 휨 모멘트 내력(M(i))은 수치해석 기법으로부터 결정된 중립축에 대해 각 재료의 응력-변형률 관계를 이용하여 산정될 수 있다.
5) 붕괴기구와 단면분할법으로부터 산정된 하이브리드 보의 극한하중에 대한 예측값은 실험결과와 잘 일치하였다.
부방향 하중에서는 5Δ_y (20 cycle) 이전까지는 하중의 심각한 감소는 나타나지 않았으며, 6Δ_y의 두 번째 사이클에서 가력점 상부 주철근의 좌굴 및 파단으로 인해 내력은 급격히 감소하였다. H0.25 실험체의 하중-처짐 거동은 위 두 실험체와 매우 유사하지만, 초기강성은 다소 낮았으며, 최대내력 도달 이후 하중감소는 약간 컸다. H0.
소성힌지를 콘크리트 보에 발생하도록 계획하였기 때문에 최대내력까지 단부 강재 보의 플랜지는 항복에 도달 하지 않았다. H1.0 실험체의 강접합 절점은 변곡점에 위치하기 때문에 절점부근에서의 주철근, L형 강판 및 H형강 플랜지의 변형률은 0에 가까운 반면, 보 경간 중앙에서 주철근의 변형률은 급격히 증가하였다. H0.
보 길이 방향을 따른 주철근 및 강재 보 플랜지에서의 변형률 분포는 휨 모멘트도의 형상을 따랐다. 또한 강접합 절점에서의 변형률 분포도 보 길이 전체측면에서 급격한 변화를 갖는 불연속보다는 연속거동을 보였다. 이는 절점영역에서 주철근은 적절하게 정착되고 있으며, 응력흐름도 원활하게 이루어지고 있음을 의미한다.
각 실험체의 하중이력에서 W는 Sheikh and Khoury¹⁰⁾의 모델을 통해 산정하였다. 모든 실험체의 W 값은 최대하중(12~15 cycle)까지는 동일한 경향으로 점진적으로 증가하였지만 최대하중 이후 W값은 H0.25 실험 체에서 두 실험체에 비해 다소 낮았다(하지만 그 차이는 3% 이내로서 미미하였다). H1.
변위제어는 FEMA 3568)에서 제시하는 이력에 따라 각 증분변위에서 3 사이클(Cycle)씩 반복하였으며, 각 사이클 당 수직변위의 크기는 부재 항복변위(Δy)의 0.75~5배로 증분하였다(Fig. 5).
3) 모든 실험체의 하중-처짐 관계는 비슷한 거동을 보였다. 이에 따라 각 실험체의 하중이력에 따른 일손상지수는 최대하중까지는 동일한 값으로 점진적으로 증가하였으며, 최대하중 이후에는 강재 보의 길이가 0.25L_I인 실험체는 높은 주철근 양으로 인해 일손상지수 값이 강재 보의 길이가 1.0L_I인 실험체에 비해 약 10% 낮았다.
6에 나타내었으며, 균열 및 최대내력 시 하중과 연성비는 Table 2에 요약하였다. 제시된 강접합 절점을 갖는 H-시리즈 보들은 모두 휨 파괴에 의해 지배되었으며, 콘크리트 보에서 전단균열은 발생하지 않았다.
5%로 저하되었다. 최대하중 도달 이전의 동일 처짐에서 첫 번째 사이클의 최대강도 대비 두 번째 및 세 번째 사이클의 최대강도 저감률은 1% 이하였다. 하지만 최대하중의 도달 이후에는 동일 처짐에서 하중이력의 증가와 함께 강도저감율이 점차 증가하였다.
모든 실험체는 정․부 방향에서 거의 대칭의 거동을 보였다. 최초 휨 균열의 발생과 함께 보의 처짐은 급격히 증가하며, 주철근의 항복 후 하중의 증가가 완만하게 이루어지면서, 최대하중 이후에는 서서히 하중이 감소하는 경향을 보였다. 작용하중은 압축측 콘크리트의 압괴 또는 주철근의 파단과 함께 급격히 떨어졌다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하이브리드 보란?	최근 대공간 구조물에서는 구조적 성능을 확보하면서 공기단축, 원가절감을 위한 방법으로 콘크리트 구조와 강구조를 연결한 하이브리드 보의 사용이 증가하는 추세이다. 하이브리드 보는 콘크리트 속에 강재를 매립하거나 강판 거푸집과 콘크리트를 일체화하는 합성의 개념보다는 철근콘크리트 보와 강재 보를 연결하여 두 구조의 장점을 살리는 시스템적 합성이다. 강재 보와 연결되는 콘크리트 보는 공기단축 측면에서 현장타설 보다는 공장 제작의 사용도 점차 고려되고 있다.
	하이브리드 보의 볼트접합에서 나타날 수 있는 문제점은?	이 볼트접합은 크레인의 양중 소요시간 및 다수의 볼트체결 시 볼트구멍 간의 불일치 가능성 등 시공 상의 불리한 요소가 있다. 특히 구조적 거동의 관점에서 콘크리트에 매립된 강재와 콘크리트 사이의 현저한 강성차이로 인하여 심각한 할렬균열 및 역사인장 균열에 의한 내력과 연성저하의 문제가 나타날수 있다.2) 하지만 하이브리드 보의 기존 연구3-5)는 대부분 단순지지 조건에서 수행됨으로서 단부에서의 할렬균열 및 역사인장 균열 문제가 나타나지 않아, 이에 대해 심각하게 다루어지지 않았다
	기존 하이브리드 접합법의 한계와 단점을 개선하기 위해 개발한 것은?	기존의 강재 보가 콘크리트에 매립되어 볼트접합 연결되는 기존 하이브리드 접합법의 한계와 단점을 개선하기 위하여 단순한 강접합 절점을 갖는 하이브리드 PC 콘크리트 보 시스템을 개발하였다. 개발된 하이브리드 시스템의 원할한 하중전달을 파악하기 위하여 양단 고정단의 보 실험체 3개를 반복 집중하중 하에서 실험하였다.

참고문헌 (12)

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원문보기 상세보기
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상세보기
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Mattock, A. H., "Discussion of 'Rotational Capacity of Reinforced Concrete Beam' by W. G. Corley", Journal of the Structural Division, ASCE, Vol.94, 1967, pp.519-522.
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저자의 다른 논문 :

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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