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문제 정의
- 이 연구의 목적은 강재 기둥과의 접합부 영역에서 HSRC보의 반복 내력 및 휨 거동을 평가하는 것이다. 실험변수는 강재 보와 RC 보의 일체화에 영향을 주는 연결절점의 상세로써, 장부철근의 배근유무, 배근방법 및 L-형 연결재의 상세이다.
가설 설정
- Table 4에는 실험된 HSRC 보의 휨 모멘트 실험값과 예측값의 비교를 나타내었다. 강재 보의 항복에 의해 결정되는HSRC 보의 최대 휨 내력은 H-보의 완전 소성상태를 가정하여 산정하였다. A 실험체에서 부모멘트 방향의 최대 휨 내력은 정모멘트 방향의 값에 비해 약 7% 낮게 나타났는데, 이는 정모멘트 방향 가력 시에 발생한 용접부의 선행파괴 때문이다.
제안 방법
- A 실험체는 보-기둥 접합부의 용접부가 선행파괴된 이후부모멘트 방향 가력만 수행하였는데, Fig. 10에는 용접부 선행파괴가 발생하지 않을 경우 정 · 부 대칭거동을 가정하여 일손상지수를 평가하였다(dotted line in Fig. 10).
- 반복가력 하에서 HSRC 보의 소성힌지는 H-보 단부에서 형성되도록 유도되었기 때문에 Δy는 H-보 플랜지의 변형률이 항복변형률에 도달하였을 때, HSRC 보 자유단에서의 변위로 하였다. HSRC 보 자유단에서의 변위는 300 mm 용량의 변위계(linear variable differential transducers, LVDTs)를 이용하여 측정하였으며, 실험은 부재의 과도한 변형, 또는 하중이 최대 내력의 80%이하로 감소하였을 때까지 수행하였다.
- HSRC 보의 변위연성비(μΔ)는 최대내력 시의 변위(Δn)를 H-보 항복 시의 변위(Δy)로 나누어 산정하였다.
- 기둥은상·하부 힌지를 두고 각각 10개의 강재 락볼트(rock bolts)를 이용하여 가력시스템에 고정하였다.
- 전단철근은 모든 실험체에서 직경 13 mm의 철근을 사용하였는데, 배근간격은 연결절점 영역에서 40 mm, RC 보 영역에서는 80 mm이다. 모든 실험체는 강재 기둥, H-보 및 L-형 연결재를 각각 제작한 후에 용접 접합하였으며, 미리 제작된 PC 보를 L-형 연결재에 거치한 후, PC 보의 하부 주철근 또는 장부철근을 커플러를 이용하여 정착하였다. 이후에는 상부 주철근을 배근하였으며, 현장 타설 콘크리트 부위인 연결절점 영역과 슬래브를 타설하였다.
- 재 기둥과 접합된 HSRC 보 실험체에서 소성힌지는 H보에서 유도하였지만, A와 N 실험체는 예상치 못한 보-기둥접합면 용접부의 선행파괴가 발생하였으며, 이로 인해 더 많은 가력을 수행하지 못하였다. 반복가력 실험으로부터 얻은 부재의 균열진전, 하중-변위 관계, 변형률 분포 등을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 반복가력 하에서 HSRC 보의 소성힌지는 H-보 단부에서 형성되도록 유도되었기 때문에 Δy는 H-보 플랜지의 변형률이 항복변형률에 도달하였을 때, HSRC 보 자유단에서의 변위로 하였다.
- 실험변수는 강재 보와 RC 보의 일체화에 영향을 주는 연결절점의 상세로써, 장부철근의 배근유무, 배근방법 및 L-형 연결재의 상세이다. 반복가력 하에서 HSRC 보의 소성힌지는 기둥과 연결되는 강재 보 단부에서 형성되도록 유도하였다. 하중전달에 대한 연결절점의 영향을 평가하기 위하여 HSRC 보의 길이방향에서 변형률 분포를 측정하였다.
- 1에 나타내었다. 반복가력 하에서 기둥과 접합된 HSRC 보의 휨거동을 평가하기 위한 3개의 실험체는 장부철근의 배근방법 및 연결절점의 상세를 주요변수로 하였다. 단부 H-보의 길이는 Ls의 함수로써 1.
- 이 연구의 목적은 강재 기둥과의 접합부 영역에서 HSRC보의 반복 내력 및 휨 거동을 평가하는 것이다. 실험변수는 강재 보와 RC 보의 일체화에 영향을 주는 연결절점의 상세로써, 장부철근의 배근유무, 배근방법 및 L-형 연결재의 상세이다. 반복가력 하에서 HSRC 보의 소성힌지는 기둥과 연결되는 강재 보 단부에서 형성되도록 유도하였다.
- 4에는 강재 기둥과 접합된 HSRC 보의 반복가력을 위한 측정 상세를 나타내었다. 실험체는 H-기둥에 단부 H-보를 용접하여 반복가력이 가능하도록 세팅하였다. 기둥은상·하부 힌지를 두고 각각 10개의 강재 락볼트(rock bolts)를 이용하여 가력시스템에 고정하였다.
- 기둥은상·하부 힌지를 두고 각각 10개의 강재 락볼트(rock bolts)를 이용하여 가력시스템에 고정하였다. 실험체에는 반복가력에 따른 H-보 및 철근의 변형률을 파악하기 위하여 H-보 단부 및 연결절점 영역 철근에 전기 저항식 와이어 스트레인게이지(wire strain gauge, WSG)를 부착하였으며 부재의 항복은 부재에 부착된 WSG의 변형률이 항복변형률에 도달하였을 때로 하였다. 가력은 2,000 kN 용량의 액추에이터를 사용하여 보 자유단에서 변위제어로 1점 반복가력 하였다.
- 이후에는 부모멘트 방향의 가력만 수행하였으며 5Δy(부모멘트 방향)에서 H-보 상부플랜지 및 용접부의 파괴로 인해 가력을 종료하였다.
- 반복가력 하에서 HSRC 보의 소성힌지는 기둥과 연결되는 강재 보 단부에서 형성되도록 유도하였다. 하중전달에 대한 연결절점의 영향을 평가하기 위하여 HSRC 보의 길이방향에서 변형률 분포를 측정하였다. 휨 연성은 하중-변위 관계로부터 얻은 변위연성비 및 일 손상지수로부터 평가하였다.
- 하중전달에 대한 연결절점의 영향을 평가하기 위하여 HSRC 보의 길이방향에서 변형률 분포를 측정하였다. 휨 연성은 하중-변위 관계로부터 얻은 변위연성비 및 일 손상지수로부터 평가하였다.
대상 데이터
- 기둥은 SM490의 H-400 × 300 × 13 × 21(mm)를 사용하였다.
- 단부 H-보는 SS400의 H-400 × 300 × 9 ×14 (mm)를 사용하였으며 9 mm 두께의 스티프너를 100 mm간격으로 용접하여 H-보의 국부좌굴과 전단파괴를 방지하였다.
- 모든 실험체에서 보의 전체길이는 2,400 mm이고 H-보의 길이는 960 mm이다. 기둥은 SM490의 H-400 × 300 × 13 × 21(mm)를 사용하였다.
- 부재 실험에 사용된 콘크리트의 설계 압축강도는 50 MPa로 하였으며, 설계 압축강도를 고려하여 결정된 배합표는 Table 1에 나타내었다. 타설은 프리캐스트 콘크리트와 현장타설 콘크리트 영역에서 모두 레미콘을 이용하였다.
- 8)은 H-보-RC 보의 연결절점을 갖는 하이브리드 보 시스템(hybrid H-steel-reinforced concrete, HSRC)을 개발하였다. 시공성과 부재의 연성향상을 고려하여 개발된 HSRC 보에서 RC 보는 프리캐스트 콘크리트(precast concrete,PC)를, 연결절점 영역과 상부 슬래브는 현장타설 콘크리트(cast-in-place concrete, CIP)를 이용한다. H-보와 RC 보는 접합을 위해 H-보 단부에 용접된 L-형 연결재를 통해 연결된다.
- 강재 보에 사용된 SS400 강재의 항복강도는 315 MPa이었다. 실험체에 사용된 H-형강과 철근의 탄성계수는 약 200,000 MPa이었다.
- 주철근으로 사용된 직경 25 mm 철근의 항복강도는 524 MPa이었다. 장부철근은 직경 16 mm 철근을 사용하였으며, 항복강도는 474 MPa이었다. 강재 보에 사용된 SS400 강재의 항복강도는 315 MPa이었다.
- 6%이다. 전단철근은 모든 실험체에서 직경 13 mm의 철근을 사용하였는데, 배근간격은 연결절점 영역에서 40 mm, RC 보 영역에서는 80 mm이다. 모든 실험체는 강재 기둥, H-보 및 L-형 연결재를 각각 제작한 후에 용접 접합하였으며, 미리 제작된 PC 보를 L-형 연결재에 거치한 후, PC 보의 하부 주철근 또는 장부철근을 커플러를 이용하여 정착하였다.
- 타설된 콘크리트의 압축강도와 응력-변형률 관계는 KS 기준11)에서 제시하는 표준 원주 공시체(∅100 × 200 mm)를 이용하여 측정하였다. 콘크리트 압축강도는 부재 실험 직전에 측정하였으며, 프리캐스트 콘크리트 영역과 현장타설 콘크리트 영역에서 각각 59.0 MPa와 57.5 MPa였다.
- 부재 실험에 사용된 콘크리트의 설계 압축강도는 50 MPa로 하였으며, 설계 압축강도를 고려하여 결정된 배합표는 Table 1에 나타내었다. 타설은 프리캐스트 콘크리트와 현장타설 콘크리트 영역에서 모두 레미콘을 이용하였다. 타설된 콘크리트의 압축강도와 응력-변형률 관계는 KS 기준11)에서 제시하는 표준 원주 공시체(∅100 × 200 mm)를 이용하여 측정하였다.
이론/모형
- Table 2에는 강재 기둥, 강재 보 및 RC 보에 사용된 H-형강과 철근의 역학적인 특성을 나타내었다. 이들의 평가는 KS기준12)에 따라 수행하였다. Fig.
- 10에 나타내었다. 일손상지수는 Sheikh and Khourv14)의 모델을 통해 다음과 같은 식으로 산정하였다.
- 타설된 콘크리트의 압축강도와 응력-변형률 관계는 KS 기준11)에서 제시하는 표준 원주 공시체(∅100 × 200 mm)를 이용하여 측정하였다.
성능/효과
- 1) HSRC 보의 연결절점에 배근된 장부철근이 보의 균열 진전, 최대 휨 내력 및 연성에 미치는 영향은 미미하였다.
- 3333px;">n)를 H-보 항복 시의 변위(Δy)로 나누어 산정하였다.13) 변위연성비는 용접부가 선행파괴된 A 실험체의 부모멘트 방향과 N 실험체의 정모멘트 방향을 제외한 모 실험체에서 4.64 이상이었다. C 실험체의 부모멘트 방향에서의 변위연성비는 5.
- 2) 실험체 A와 N는 용접부 선행파괴로 인해 정 또는 부모멘트 가력 방향에서 최대내력 이후 가력을 진행할 수 없었지만, 모든 실험체의 변위연성비는 최소 한쪽 가력방향에 대하여 4.6 이상이었다.
- 3) 휨 파괴가 RC 보보다는 강재 보에 의해 지배되는 HSRC보의 휨 내력은 H-보 단면의 완전소성 응력분포에 의해 안전 측에서 평가될 수 있었다.
- 4) HSRC 보 길이를 따른 주철근 및 H-보 플랜지에서의 변형률 분포는 휨 모멘트도와 유사하였으며, 변위 증분에 따라 비례적으로 증가하였다.
- 제안된 시스템에서 소성힌지의 형성 위치는 연결절점의 접합 여부에 따라 강재 보 또는 RC 보에 발생할 수 있는데, 이에 따라 모멘트의 재분배가 달라진다.9) 부재 및 구조물의 연성증진을 위해서는 RC 보보다는 기둥과 연결되는 단부 강재 보에 소성힌지가 발생되는 것이 바람직하다.
- A 실험체는3Δy (15 Cycle)에서 C 실험체보다 약 49% 높은 에너지 소산능력을 보였지만 용접부의 파괴로 인해 정모멘트 방향 가력만 수행한 4Δy (16 Cycle)부터는 C 실험체보다 낮은 에너지소산 능력을 보였다.
- A 실험체의 최대내력은 정모멘트 방향에서 5Δy에 도달하였지만, 부모멘트 방향에서는 3Δy에서 발생한 용접접합부 선행파괴로 인해 정모멘트 방향보다 약 7% 낮았다.
- C 실험체는 용접부의 선행파괴 없이 정· 부모멘트 방향에서 다른 실험체보다 더 많은 횟수를 가력 하였기 때문에 일손상지수가 지속적으로 증가하였으며 최종적으로 가장 높은 일손상지수를 나타냈다.
- 초기 균열은 PC와 CIP의 수직 경계면 및 L-형 연결재 부근에서 발생하였다. 균열은 하중의 진전과 함께 RC 보에서 휨 모멘트가 가장 크게 작용하는 연결절점 영역에 집중되었으며, 대부분 연결절점 영역에서부터 약 400 mm 범위에 발생하였다. 연결절점 영역의 콘크리트는 최대 내력 이후에 L-형 연결재 하부철근받침 부근에서 탈락이 발생하였다.
- 초기 동일 변위에서 정모멘트 방향 하중은 부모멘트 방향 하중에 비해 약 80∼90%였는데, 그 차이는 변위의 증분과 함께 작아지는 양상을 나타냈다. 또한 모든 실험체는 RC 보의 균열로 인해 핀칭현상이 나타났지만, N 실험체는 L-형 연결재 하부 철근받침이 PC 보 높이까지 증가되어 다른 실험체보다 핀칭현상이 적었다. C 실험체는 5Δy정·부모멘트 방향에서 모두 최대하중에 도달하였으며, 6Δy 두 번째 사이클에서 최대하중의 80%로 하중이 감소하였다.
- 모든 실험체는 RC 보의 주철근 항복 이전에 H-보가 항복하였으며 부재의 항복 이후에 보-기둥 용접접합부, 또는 L형 연결재 하부철근받침이 파괴되었다. C 실험체(Fig.
- 8에서 ‘+’ 영역은 정모멘트 방향(↑) 하중이며 ‘-’영역은 부모멘트방향(↓) 하중이다. 모든 실험체에서 보 자유단의 변위는 최초 휨 균열의 발생과 함께 급격히 증가하였다. 작용하중은 H-보 플랜지의 항복 이후 완만하게 증가하였다.
- 모든 실험체에서 휨 내력에 대한 실험값과 예측값의 비는 약 1.00∼1.09 범위에 있었으며, 장부철근이 HSRC 보의최대 휨 내력에 미치는 영향은 미미하였다.
- 연결절점 영역의 콘크리트는 최대 내력 이후에 L-형 연결재 하부철근받침 부근에서 탈락이 발생하였다. 모든 실험체의 균열 양상은 유사하였으며 장부철근 배근이나 연결절점 상세에 따른 차이는 매우 미미하였다.
- 모든 실험체의 일손상지수는 2Δy (12 Cycle)까지 유사한 경향을 보이며 점진적으로 증가하였다.
- 실험체의 소성힌지는 보-기둥 접합부의 강재 보에서 발생되도록 유도하였기 때문에 RC 보의 주철근은 3Δy까지 항복 변형률에 도달하지 않았다. 보 길이 방향을 따른 주철근 및 H보 플랜지의 변형률 분포는 모든 실험체에서 휨 모멘트도와 유사하게 나타났으며, 변위 증분에 따라 비례적으로 증가하는 거동을 보였다. 따라서, HSRC 보의 H-보와 RC 보는 장부철근의 배근과 관계없이 RC 보 주철근의 응력이 L-형 연결재를 통해 H-보로 원활하게 전달되고 있다고 판단된다.
- N 실험체는 정 · 부 모멘트 방향에서 대칭의 하중-변위 관계를 보였다. 실험체 A와 N은 최대내력 이후 보와 기둥의 접합부에서 용접부의 파괴로 예상 최대변위 이전에 정 또는 부 모멘트 방향에서의 가력이 종료되었다. 만약 용접내력이 적절하게 확보되었다면, HSRC보에서의 더 많은 가력이력이 가능할 것으로 판단된다.
- 09 범위에 있었으며, 장부철근이 HSRC 보의최대 휨 내력에 미치는 영향은 미미하였다. 즉, 부재의 휨 파괴가 RC 보보다는 강재 보에 의해 지배되는 HSRC 보의 최대 휨 내력은 H-보의 완전소성 응력분포에 비해 안전 측에서 평가될 수 있었다.
후속연구
- 실험체 A와 N은 최대내력 이후 보와 기둥의 접합부에서 용접부의 파괴로 예상 최대변위 이전에 정 또는 부 모멘트 방향에서의 가력이 종료되었다. 만약 용접내력이 적절하게 확보되었다면, HSRC보에서의 더 많은 가력이력이 가능할 것으로 판단된다.
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