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고강도강재를 적용한 비대칭 하이브리드 합성보의 휨거동 실험
Flexural Testing of Asymmetric Hybrid Composite Beams Fabricated from High-strength Steels 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.29 no.3, 2017년, pp.217 - 228  

전수찬 (서울대학교, 건축학과) ,  한규홍 (서울대학교, 건축학과) ,  이철호 (서울대학교, 건축학과) ,  김진원 (POSCO 철강솔루션마케팅실 PAC)

초록
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본 연구에서는 고강도강재를 적용한 비대칭 하이브리드 합성보의 휨성능을 실물대 실험을 통하여 평가하였다. 합성보의 웨브와 상부플랜지에는 일반강재(SM400, SM490)를 적용하고 하부플랜지는 상부플랜지에 비해 상대적으로 크게 제작하여 비대칭 단면으로 적용한 후 일반강재(SM520) 및 고강도강재(SM570, HSA800)를 각각 적용하였다. 본 연구의 주요 목적은 비대칭 하이브리드 합성보의 휨성능 평가 및 설계지침의 개발이다. 실험결과 하부플랜지에 일반강재를 적용한 실험체의 경우 $Dp/Dt{\leq}0.15$를 만족시킬 시 우수한 휨강도와 연성능력을 발현하는 것을 확인하였다. 반면 하부플랜지에 고강도강재가 적용된 실험체의 경우 휨내력의 증가로 인한 슬래브의 수평전단력 증가가 예상치 못한 슬래브 종방향 전단파괴를 발생시켜 소성강도에 도달하지 못하였다. 따라서 고강도강재를 적용한 비대칭 하이브리드 합성보의 경우 설계단계에서 슬래브 수평전단강도 확보가 필수적이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Full-scale flexural testing of asymmetric H-shape hybrid composite beams was conducted in this study. In fabricating hybrid H-shape sections, high strength steels were utilized for the bottom flange while ordinary strength steels were used for the top flange and web. With adding a fully composite fl...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만 이번 실험 중 일부 실험체에서 슬래브 종방향 전단파괴로 인해 실험체가 충분한 소성강도를 발현하기 전에 파괴가 진행되었다. 따라서 본 연구에서는 슬래브의 종방향 전단강도(이하 수평 전단강도)에 대해서 추가적 분석을 하였다.
  • 하지만 이들 제한값은 일반강재로 제작된 압연 H형강을 바탕으로 제안된 값으로, 일반강재와 고강도강재를 혼합 배치한 후 비대칭 형상으로 단면을 구성한 경우에도 적용 가능한지에 대한 검토가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 하부플랜지에 고강도강재(SM570, HSA800)를 적용한 비대칭 하이브리드 합성보를 대상으로도 현행 설계기준과 소성중립축의 제한값이 유효한지에 대한 검증과 더불어 설계법 정립에 필요한 기초자료를 얻고자 하였다.
  • 본 연구에서는 일반적인 압연 H형강 합성보에 대한 대안으로, 고강도강재와 일반강재를 단면 내에 혼합 배치하고 비대칭 형상으로 단면을 구성하여 구조적, 경제적 효과를 극대화할 수 있는 비대칭 하이브리드 합성보를 제시하고 이에 대한 설계법 정립을 위한 실물대 실험을 수행하였다.
  • Table 2에 실험체 상세를 요약하였다. 이미 언급한 바와 같이 본 연구의 실험목적은 기존의 압연 H형강에 대한 대안으로, 휨강도에 큰 영향을 미치는 하부플랜지에 고강도강재를 적용하고 상부플랜지에 비해 하부플랜지의 단면적을 크게 적용함에 따른 단면 비대칭 및 하이브리드화가 합성보의 구조성능에 미치는 영향 등을 판단하는 것이다. 실험체는 두 가지 종류로 구분할 수 있다.
  • 본 연구의 실험결과는 일반강재 합성보에서 문제가 되지 않던 슬래브 종방향 전단파괴 모드를 고강도강재을 적용한 하이브리드 합성보 설계시에는 반드시 검토해야 함을 시사한다. 이하에서는 본 실험결과를 토대로 슬래브 수평전단강도에 대해 분석하고자 한다

가설 설정

  • 1해설), AASHTO 2012[8]에서는 슬래브의 수평전단강도 평가방법으로 수정된 전단마찰 모델(modified shear friction model)에 의한 식을 제안하고 있다. 두기준에서는 공통적으로 콘크리트에 작용하는 수평전단력은 균열사이의 마찰력, 균열면상 돌출부의 전단저항(골재의 맞물림 작용) 그리고 균열을 지나는 철근의 다월작용에 의해 저항된다고 가정한다. 2016 KBC[4](KCI 7.
  • 일반적으로 합성보의 휨강도는 소성응력분포법에 의한 소성해석을 통해 산정한다. 즉, 보에 작용하는 정모멘트에 대해 단면을 설계할 경우, 0.85fck만큼의 압축응력이 콘크리트의 유효압축구간에 균등하게 분포하며, 소성중립축의 높이에 따라 강재의 항복강도 Fy가 강재단면의 인장과 압축구간을 통해 균등하게 분포한다고 가정하여 보의 휨강도를 산정하게 된다. 이때 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초고층, 초대형 건축물에 어떤 시스템의 필요성이 증대하고 있는가? 통상 합성보는 압연 H형강을 이용한 합성보로서 일반강재를 사용해 제작한다. 하지만 최근 초고층, 초대형 건축물과 미학적으로 경쟁력 있는 구조물에 대한 수요 증대로 인해 고하중을 견딜 수 있는 고강도강재(Fy≥440~450MPa)를 적용한 구조부재나 구조시스템에 대한 필요성이 증대되고 있다. 따라서 최근 국내에서는 기존의 H형강을 적용한 합성보를 개선하기 위해 다양한 형상의 합성보나 이종강재를 적용한 하이브리드 합성보에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다[1],[2],[3].
합성보를 이용해 어떤 효과를 기대할 수 있는가? 합성보는 콘크리트 슬래브와 철골보의 합성작용을 통해 단면의 효율성 증가, 층고 및 물량의 절감 등의 효과를 기대할 수 있으며, 이러한 장점들로 인하여 강재의 주요 활용처로 주목 받고 있다. 통상 합성보는 압연 H형강을 이용한 합성보로서 일반강재를 사용해 제작한다.
합성보에서 하부플랜지는 어떤 기능을 하는가? 일반적으로 합성보에서 상부플랜지는 소성중립축 부근에 위치해있어 큰 응력을 받지 않고, 대부분의 압축력은 콘크리트 슬래브가 부담한다. 반면 소성중립축에서 가장 먼 위치에 존재하는 하부플랜지는 가장 큰 인장력을 받으며, 콘크리트 슬래브와 우력을 형성하여 휨모멘트에 대한 저항능력을 제공하는 핵심기능을 한다. 따라서 Fig.
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참고문헌 (14)

  1. 이철호, 소현준, 박창희, 이창남, 이승환, 오하늘(2016) 570MPa급 고강도강을 적용한 콘크리트 채움 U형 하이브리드 합성보의 휨거동 및 설계, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제28권, 제2호, pp.109-120. Lee, C.H., So, H.J., Park, C.H., Lee, C.N., Lee, S.H., and Oh, H.N. (2016) Flexural Behavior and Design of Concrete-filled U-shape Hybrid Composite Beams Fabricated from 570MPa High-strength Steel, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.28, No.2, pp.109-120 (in Korean). 

  2. 이철호, 안재권, 김대경, 박지훈, 이승환(2017) 콘크리트 채움 U형 메가 합성보의 내진성능 평가, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제29권, 제2호, pp.111-122. Lee, C.H., Ahn, J.K., Kim, D.K., Park, J.H., and Lee, S.H. (2017) Seismic Performance Evaluation of Concrete-filled U-shaped Mega Composite Beams, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.29, No.2, pp.111- 122 (in Korean). 

  3. 김성배, 조성현, 오광수, 전용한, 최영한, 김상섭(2016) 춤이 작은 신형상 고성능 하이브리드 합성보의 휨성능 평가, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제28권, 제2호, pp.151-162. Kim, S.B., Cho, S.H., Oh, K.S., Jeon, Y.H., Choi, Y.H., Kim, S.S. (2016) Bending Perofrmance Evaluation of Hybrid Composite Beam with Low Depth and New Shape, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.28, No.3, pp.151-162 (in Korean). 

  4. 대한건축학회(2016) 건축구조기준 및 해설(KBC 2016), 기문당. AIK (2016) Korea Building Code and Commentary - Structural, Architectural Institute of Korea (in Korean). 

  5. AISC (2010) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Construction, Chicago. 

  6. Wittry, D.M. (1993) An Analytical Study of the Ductility of Steel-Concrete Composite Sections, M.S. thesis, University of Texas-Austin, Austin, Texas. 

  7. Rotter, J.M. and Ansourian, P. (1979) Cross-Section Behavior and Ductility in Composite Beams, ICE Proceedings, Thomas Telford, Vol.67, No.2, pp.453-474. 

  8. AASHTO-LRFD (2012), Bridge design specifications, American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D.C. 

  9. Eurocode 4 (2004) Design of Composite Steel and Concrete Structures - Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings, European Committee for Standardization. 

  10. Ansourian, P. (1982) Plastic Rotation of Composite Beams, Journal of the Structural Division, ASCE, Vol.108, No.3, pp.643-659. 

  11. Mans, P., Yakel, A., and Azizinamini, A. (2001) Full Scale Testing of Composite Plate Girders Constructed Using 485MPa High Performance Steel, Journal of Bridge Engineering, Vol.6, No.6, pp.598-604. 

  12. Youn, S.G, Bae, D.B, and Kim, Y.J. (2011) Ultimate Flexural Strength of Hybrid Composite Girders Using High-Performance Steel of HSB600 at Sagging Bending, Composite Construction in Steel and Concrete VI, pp.680-690. 

  13. So, H.J. (2015) Behavior and Design of Hybrid Composite Beams with High-Strength Steel, M.S. thesis, Department of Architecture & Architectural Engineering Graduate School of Seoul National University, Seoul. 

  14. Eurocode 2 (2004) Design of Concrete Structures - Part 1-1: General Rules and Rules for Buildings, European Committee for Standardization. 

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