[논문]570MPa급 고강도강을 적용한 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보의 휨거동 및 설계

이철호; 소현준; 박창희; 이창남; 이승환; 오하늘

doi:10.7781/kjoss.2016.28.2.109

570MPa급 고강도강을 적용한 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보의 휨거동 및 설계
Flexural Behavior and Design of Concrete-filled U-shape Hybrid Composite Beams Fabricated from 570MPa High-strength Steel 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.28 no.2, 2016년, pp.109 - 120

이철호 (서울대학교, 건축학과) , 소현준 ((주)대림건설) , 박창희 ((주)마이다스아이티) , 이창남 ((주)센구조연구소) , 이승환 ((주)센코어테크) , 오하늘 ((주)센벡스)

초록
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본 연구에서는 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보의 실물대 휨 실험을 수행하고 평가하였다. U형 강판의 웨브에는 공칭인장강도 400MPa 일반강종의 강재(SS400) 하부플랜지에는 공칭인장강도 570MPa 고강도 강재(SM570)의 강판을 각각 적용하였다. 연구의 주요 목적은 최대의 휨성능을 발현할 수 있는 하이브리드 단면구성과 설계지침의 개발이었다. 4점 단조가력실험의 수행을 통해 제안된 모든 하이브리드 합성보 실험체들은 의도한대로 소성모멘트 이상의 강도발현과 충분한 연성거동을 나타내었다. 그리고 하이브리드 합성단면의 소성중립축의 위치가 상부 콘크리트 기준으로 합성단면 전체깊이의 15%이내에 존재할 경우 휨강도 산정 시 소성응력분포법의 적용이 가능할 것으로 판단되었다. 또한 실험결과를 기반으로 하이브리드 합성보에 적합한 강성산정과정을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Flexural tests of full-scale concrete-filled U-shape hybrid composite beams were conducted. Ordinary (SS400) and high-strength (SM570) steel plates were used in the web and in the bottom flange of U-shape steel section respectively. The primary objectives were to develop the hybrid section configuration with maximized flexural capacity and to investigate its flexural strength and deformation capacity. All the hybrid test specimens in this study exhibited the plastic moment capacity and resonable deformability. It is shown that the plastic stress distribution can be assumed in calculating the flexural strength of the proposed hybrid composite beams if the plastic neural axis is located within 15% of the total beam depth from the top of the composite slab. The procedure for computing the effective flexural stiffness of hybrid composite beams is also recommended based on test results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 콘크리트채움 U형 합성보에 단면 분리 및 재결합 아이디어를 추가하여 위에서 언급한 문제점을 해결하고 휨성능을 실물대 실험으로 평가하고자 하였다. 즉, 기존의 일체형 U형단면 대신, 하부플랜지에는 고강도강재(SM570)를 적용하고 웨브는 일반강재(SS400)를 냉간 성형하여 적용하는 “3-piece” U형 하이브리드 합성보의 휨 성능을 평가하고 설계정보를 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 이런 문제점을 해결하기 위하여, 기존의 일체형 U형단면 대신, 하부플랜지에는 고강도 강재를 적용하고 웨브는 일반강재를 냉간성형하여 적용하는 “3-piece” U형 하이브리드 합성보의 휨성능을 평가하고자 하였다.
본 연구의 실험목적에 중요한 부분을 차지하는 실험체는 Hy-U-T와 Hy-U로 U형 강판 하부 플랜지에 고강도 강재를 적용함에 따른 하이브리드화 영향(Hy-U), 보 길이방향 하이브리드화(Hy-U-T)가 구조성능에 미치는 영향 등을 판단하기 위한 것이다. Ho-U는 하부 플랜지가 웨브와 동종강재인 인장강도 400MPa급 12mm 강판으로 구성된 실험체이고 Hy-U-T는 구조효율성을 높이기 위해 가력지점부근 중앙 하부 플랜지에 570MPa급 12mm 강판을 실험체 단부에는 인장강도 400MPa급 9mm 강판을 적용한 변단면 실험체이다.
즉, 기존의 일체형 U형단면 대신, 하부플랜지에는 고강도강재(SM570)를 적용하고 웨브는 일반강재(SS400)를 냉간 성형하여 적용하는 “3-piece” U형 하이브리드 합성보의 휨 성능을 평가하고 설계정보를 제시하고자 하였다.

제안 방법

(Fig. 4) 또한, 콘크리트 슬래브에 전형적으로 배근되는 온도철근은 길이 및 직각방향 200mm 간격으로 ∅10(SD400) 철근을 배치하였으며, 슬래브는 폭 1,500mm, 두께 150mm의 30MPa 보통콘크리트를 타설하였다.
9는 실험체를 분석하기 위해 설치한 변위계 및 변형률계의 위치를 나타내고 있다. 변위계는 단부회전각 및 실험체 중앙부 처짐 등의 전체적인 거동을 계측하고, 변형률계는 상부 콘크리트 압괴, 하부 플랜지 인장, 웨브 변형률 분포 등의 국부적인 거동을 계측하기 위해 설치하였다.
8은 실험체 셋업을 도식화한 그림이다. 실험은 단조가력실험으로 중앙부 가력지점 간격은 2m이고, 양단 반력지점사이의 거리는 9m로 4점 가력 하여 휨실험을 수행하였다. 연속된 슬래브의 강막(다이어프렘)에 의한 구속효과를 모사하기 위해 실험체 단부 지점부분에서부터 2,600mm 떨어진 위치에 4개의 횡지지대를 설치하였다.
앞선 언급한 현행기준의 강도설계와 강성산정의 연장적용 여부를 확인하기 위해 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보 실험을 수행하였다. 합성보 실험체는 KBC 2009^[9], AISC 2010^[10]의 합성부재설계 기준에서 인정하는 소성응력분포법에 의해 단순보 실험체 4개(Ho-H, Ho-U, Hy-U-T, Hy-U)를 설계 및 제작하였다.
실험은 단조가력실험으로 중앙부 가력지점 간격은 2m이고, 양단 반력지점사이의 거리는 9m로 4점 가력 하여 휨실험을 수행하였다. 연속된 슬래브의 강막(다이어프렘)에 의한 구속효과를 모사하기 위해 실험체 단부 지점부분에서부터 2,600mm 떨어진 위치에 4개의 횡지지대를 설치하였다.

대상 데이터

Ho-U는 하부 플랜지가 웨브와 동종강재인 인장강도 400MPa급 12mm 강판으로 구성된 실험체이고 Hy-U-T는 구조효율성을 높이기 위해 가력지점부근 중앙 하부 플랜지에 570MPa급 12mm 강판을 실험체 단부에는 인장강도 400MPa급 9mm 강판을 적용한 변단면 실험체이다. Hy-U는 하부 플랜지 전구간을 인장강도 570MPa급 12mm 후판을 사용하였다.
앞선 언급한 현행기준의 강도설계와 강성산정의 연장적용 여부를 확인하기 위해 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보 실험을 수행하였다. 합성보 실험체는 KBC 2009^[9], AISC 2010^[10]의 합성부재설계 기준에서 인정하는 소성응력분포법에 의해 단순보 실험체 4개(Ho-H, Ho-U, Hy-U-T, Hy-U)를 설계 및 제작하였다.

이론/모형

실험체는 소성응력분포법을 통해 다음과 같이 강도를 산정하였다. 먼저, H형강 합성보 실험체 Ho-H의 강도(M_n)는 아래와 같은 (1)～(5)식에 의해 설계 가능하다.
한편 하이브리드 합성보의 경우(Hy-U-T, Hy-U)의 경우 고강도 강재인 SM570 사용에 따른 U형 강판의 강도증진 효과가 발휘되도록 하기위해서 충분한 개수의 스터드가 요구된다. 콘크리트와 강재부분이 완전합성 되도록 KBC 2009^[9]의 0709.3.2.4항에 의거하여 각 실험체의 스터드 간격을 산정하였다(Fig. 6). Mo-H는 100mm, Mo-U는 175mm, Hy-U-T와 Hy-U는 125mm 간격으로 ∅16 전단스터드를 2열 배치하였다.

성능/효과

(1) 동종강재를 U형단면 전체에 적용한 시험체 Ho-H는 물론, 단면내 하이브리드화 시험체(Hy-U) 및 단면은 물론 스팬 하이브리드화 시험체(Hy-U-T) 모두 소성모멘트 이상의 휨강도를 발휘하였고 0.02 라디안 이상의 단부회전각에 도달한 이후 콘크리트의 압괴가 발생하였다. 또한 소성중립축의 위치가 단면 내에서 높은 위치에 있을수록 강도발현 및 연성능력이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
(2) 공칭인장강도 570MPa 강재를 사용한 콘크리트채움 U형 하이브리드 합성보의 경우에도 소성중립축 제한값 D_p/D_t = 0.15를 만족할 경우 소성모멘트 이상의 강도를 발휘하였다. 즉, 강재가 고강도화하면 소성중립축의 위치가 하향하므로 콘크리트가 압괴변형률에 도달해도 인장플랜지가 충분히 항복하지 않아 소성모멘트에 도달하지 못하거나 또는 콘크리트가 조기 압괴하는 거동을 보일 수 있는데, 이러한 부작용이 발생하지 않았다.
(3) 실험에서 얻어진 휨강성에 의할 때, 기존의 H형강 합성보는 비균열단면강성을, 콘크리트채움 U형 하이브리드 합성보는 균열단면강성을 사용하여 처짐을 산정하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 이는 중립축 아래 인장측 콘크리트 단면 비율이 작은 H형강 합성보의 경우 전 단면이 강성에 기여한다고 볼 수 있지만, U형 하이브리드 합성보의 경우 중립축 이하 인장측 콘크리트 단면비율이 상당하므로 인장균열이 발생한 콘크리트 단면은 강성에 기여하지 않기 때문인 것으로 이해할 수 있다.
12는 각 실험체의 주요파괴모드 사진이다. H형강 합성보 실험체인 Mo-H은 단부회전각이 2.1%정도 일 때 콘크리트가 압괴되었고 이후 중립축이 H형강 하부에 위치하면서 단부회전각이 4.0%정도 일 때 H형강 웨브횡좌굴이 발생하면서 최종 파괴하였다. U형 하이브리드 합성보 실험체는 비슷한 파괴모드를 보였다.
U형 하이브리드 합성보 실험체는 비슷한 파괴모드를 보였다. 단부회전각이 Mo-U는 2.5%, Hy-U-T은 2.3%, Hy-U는 2.1%정도 일 때 콘크리트가 압괴되었고 이후 중립축이 U형 강판으로 내려가면서 세 개의 실험체 모두 단부회전각이 3%정도일 때 웨브 및 플랜지 국부좌굴이 육안으로 확인되었다.
4(b)는 회전능력(R)과 합성단면 전체깊이(D_t) 대비 소성중립축깊이(D_p) 사이의 관계를 보여준다. 두 그림에서 보이는 바와 같이 D_p/D_t값이 작은 실험체들은(즉, 소성중립축의 위치가 합성단면에서 상부에 위치할수록) 우수한 강도 및 연성능력을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 이러한 선행연구의 실험결과를 Eurocode 4^[11]의 소성중립축 제한 값(D_p/D_t = 0.
따라서 Dp/Dt ≤ 0.15 인 하이브리드 합성보의 경우 복잡한 변형률적합법 대신 간단한 소성응력분포법에 의해 휨강도를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 Dp/Dt ≤ 0.15인 경우 인장강도 570MPa급 강재를 하부 플랜지에 적용한 하이브리드 합성보의 경우에도 복잡한 변형률적합법 대신 간단한 소성응력분포법에 의해 휨강도를 산정할 수 있을 것으로 판단된다.
실험체의 표본 수가 적기는 하지만 콘크리트 채움 U형 합성보의 경우에도 선행연구와 같이 D_p/D_t 값이 작은 실험체들이 우수한 강도 및 연성능력을 나타내는 경향을 확인하였다. 또한 Eurocode 4^[11]의 소성중립축 제한 값(D_p/D_t = 0.15)이 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보의 소성모멘트 이상의 강도발현과 연성거동을 위해서도 중요한 제한 값임을 확인할 수 있었다. 따라서 D_p/D_t ≤ 0.
02 라디안 이상의 단부회전각에 도달한 이후 콘크리트의 압괴가 발생하였다. 또한 소성중립축의 위치가 단면 내에서 높은 위치에 있을수록 강도발현 및 연성능력이 우수한 것을 확인할 수 있었다.
14였다. 실험체의 표본 수가 적기는 하지만 콘크리트 채움 U형 합성보의 경우에도 선행연구와 같이 D_p/D_t 값이 작은 실험체들이 우수한 강도 및 연성능력을 나타내는 경향을 확인하였다. 또한 Eurocode 4^[11]의 소성중립축 제한 값(D_p/D_t = 0.
콘크리트 공시체와 인장시편을 통해 계측한 값을 바탕으로 계산한 계측소성모멘트에서 자중에 의한 모멘트를 제외한 값(M_p,measured-M_self)과 실험결과를 비교하면 Mo-H는 98%, Mo-U는 116%, Hy-U-T는 106%, Hy-U는 108%로 Ho-H을 제외한 콘크리트 채움 U형 실험체들은 모두 계측소성모멘트에서 자중에 의한 모멘트를 제외한 값(M_p,measured- M_self)을 상회하는 휨강도를 발휘하였다.
실제로 대부분의 수평부재의 설계는 강도뿐만 아니라 처짐에 의해 지배되는 경우도 많으므로 올바른 강성 값(EI_eff) 산정은 처짐 계산 시 매우 중요하다. 현행기준의 강성산정 방식을 바탕으로 본 U형 합성보의 채움 콘크리트와 하부플랜지의 고강도 강재를 반영하여 휨에 의한 합성단면의 거동을 고려하면 강성은 아래와 같이 세가지의 순차적 강성산정단계로 분류하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 먼저, 채움 콘크리트가 인장균열되기 전까지의 강성을 비균열단면강성((EI_eff )_un), 채움콘크리트가 인장균열 한 후 웨브가 항복하기 전까지의 강성을 균열단면강성((EI_eff)_cr), 콘크리트 균열 및 웨브가 항복한 후 하부플랜지의 고강도 강재가 항복하기 전까지 단면의 강성을 웨브항복균열강성((EI_eff)_{cr, y})으로 정의한다.

후속연구

하지만 현행기준은 항복강도 485MPa급 이하의 동종강재 H형강이 적용된 합성보를 바탕으로 제안된 것이다. 따라서 본 연구의 하부플랜지에 고강도 강재(SM570)가 웨브에 일반강재(SS400)가 적용된 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보 설계 시에도 현행기준의 연장적용이 가능한지에 대한 검증이 필요하다.
10에서 보듯이 Ho-H 실험체의 경우 비균열단면강성을 훨씬 상회하는 결과를 보여준다. 비균열단면강성으로 처짐을 평가하면 보수적임을 시사하나, 실험자료가 충분치 않으므로 추가적인 검토가 필요하다. 반면 U형 합성보 모두는 균열단면강성을 바탕으로 사용하중 상태의 처짐을 매우 정확하게 산정할 수 있음을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	H형강 합성보의 단점은?	Fig. 2(a)의 H형강 합성보는 표준 H형강으로는 단면선택에 제약이 많다. 고강도 강재를 적용하여 최적 조립단면을 구성하기 위해서는 용접 등 가공비용이 추가되어 경제성에서 불리할 수 있다. Fig.
	고강도 강재를 건축구조물에 적용할 경우 주의해야 할 점은?	하지만 고강도 강재를 건축구조물에 적용할 경우 강도증진에 따른 단면감소로 인해 발생할 수 있는 부작용, 즉 처짐 및 진동에 문제에 유의해야한다. 따라서 가능하면 단면의 휨 및 축 강성 확보를 통해 우수한 진동성능을 발휘하는 합성구조부재를 적용하는 것이 바람직하다.
	고강도 강재를 건축구조물에 적용할 경우 문제점을 해결하기 위해서는?	하지만 고강도 강재를 건축구조물에 적용할 경우 강도증진에 따른 단면감소로 인해 발생할 수 있는 부작용, 즉 처짐 및 진동에 문제에 유의해야한다. 따라서 가능하면 단면의 휨 및 축 강성 확보를 통해 우수한 진동성능을 발휘하는 합성구조부재를 적용하는 것이 바람직하다. 전통적으로 열간압연 H형강을 콘크리트 슬래브와 합성시키는 H형강합성보가 널리 사용되어 왔다.

참고문헌 (14)

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황현종, 박홍근, 이철호, 박창희, 이창남, 김형섭, 김성배(2011) 콘크리트채움 U형 강재보 -콘크리트 기둥 접합부의 내진성능, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제23권, 제1호, pp.83-97. (Hwang, H.J., Park, H.G., Lee, C.H., Park, C.H., Lee, C.N., Kim, H.S., and Kim, S.B. (2011) Seismic Resistance of Concrete-filled U-shaped Steel Beam-to-RC Column Connections, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.23, No.1. pp.83-97 (in Korean).)

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박홍근, 이철호, 박창희, 황현종, 이창남, 김형섭, 김성배(2011) 콘크리트채움 U형 강재보-강재기둥합성 내진접합부에 대한 주기하중 실험, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제23권, 제3호, pp.337-347. (Park, H.G., Lee, C.H., Park, C.H., Hwang, H.J., Lee, C.N., Kim, H.S., and Kim, S.B. (2011) Cyclic Seismic Testing of Concrete-filled U-shaped Steel Beam-to-Steel Column Connections, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.23, No.3. pp.337-347 (in Korean).)

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박창희, 이철호, 박홍근, 황현종, 이창남, 김형섭, 김성배(2011) 콘크리트채움 U형 강재보-H형강기둥 십자형 합성접합부의 내진성능, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제23권, 제4호, pp.503-514. (Park, C.H., Lee, C.H., Park, H.G., Hwang, H.J., Lee, C.N., Kim, H.S., and Kim, S.B. (2011) Cyclic Seismic Testing of Cruciform Concrete-Filled U-Shape Steel Beam-to-H Column Composite Connections, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.23, No.4. pp.503-514 (in Korean).)
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Kim, Y.T. (2008) Ultimate Flexural Strength of Hybrid Composite Girders Using High Performance Steel, M.S. thesis, Department of Civil Engineering Graduate School of Seoul National University of Technology, Seoul.

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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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