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문제 정의
- 이 연구는 소규모 철골조 건축물에 있어서 다양한 상세를 가진 노출형 주각부의 휨성능을 알아보고자 반복가력 실험을 수행하였다. 실험체 주요 변수는 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 개수와 매립깊이, 앵커볼트 후크의 유무, 그리고 리브 플레이트(Rib plate)의 유무이다.
- 이 연구에서는 국내 기존 건축물 중 소규모 철골조에 대한 현황조사와 분석을 통해 실제로 현장 시공된 다양한 상세를 가진 노출형 주각부에 대한 구조성능을 평가하고자 한다. 주각부는 기둥과 기초 사이의 접합부를 의미하며, 상부 구조물의 하중을 기초를 통하여 지반에 전달하는 역할을 한다.
- 이 연구에서는 기존 소규모 철골조에서 나타나는 현장상세 노출형 주각부와 이를 보완한 상세를 가진 주각부에 대한 반복가력 실험을 통해 다양한 상세를 가진 노출형 주각부의 구조성능을 평가하고자 한다.
제안 방법
- 4%정도 큰 값을 나타냈다. 베이스 플레이트 두께 계산을 위해 재료실험으로부터 구한 강재의 항복강도(Fy = 250 MPa)를 사용하였다.
- 변형률은 스트레인 게이지를 사용하여 측정되었다. 스트레인 게이지는 Fig.
- 5(a)는 노출형 주각부 실험체 셋업을 보여준다. 실험체는 1000 kN 엑츄에이터를 사용하여 변위제어 방식으로 반복가력하였다. 하중 스케쥴은 Fig.
- 12는 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 매립길이 및 개수 등의 실험변수 영향을 종합적으로 나타내고 있다. 이 연구에서는 노출형 주각부의 휨성능을 알아보고자 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 개수와 매립깊이, 앵커볼트 후크의 유무, 그리고 리브 플레이트(Rib plates)의 유무 등을 실험체 변수로 설정하였다. SBC1과 SBC2 실험체의 모멘트-층간 변위 관계를 상호비교한 결과, 리브 플레이트는 주각부의 휨강도와 강성에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다.
- 주요 실험 변수인 베이스 플레이트의 두께와 앵커볼트의 개수가 주각부 내진성능에 미치는 영향을 알아보기 위해 베이스 플레이트에서 측정된 변형률을 분석하였다. Fig.
- 5(b)에서 보이는 바와 같이, AISC(2010)에서 제시하고 있는 가력이력이 사용되었다. 첫 번째 스텝(6 cycles)은 0.00375 rad(3.75 mm), 두 번째 스텝(6 cycles)은 0.005 rad(5 mm), 세 번째 스텝(6 cycles)은 0.0075rad(7.5 mm), 네 번째 스텝(4 cycles)은 0.01 rad(10 mm), 다섯 번째 스텝(2 cycles)은 0.015 rad(15 mm), 여섯 번째 스텝(2 cycles)은 0.02 rad(20 mm), 그리고 일곱번째스텝(2 cycles)부터는 0.01 rad씩 증가시키며 반복가력하였다. 강재 기둥 상부에는 2000 kN 용량의 동적 엑츄에이터를 사용해 0.
대상 데이터
- DF1과 DF2 실험체의 베이스 플레이트의 크기는 400×400 mm이고 두께는 20 mm이다. 4개의 앵커볼트가 강재 기둥 플랜지 사이에 설치되었고, 앵커볼트의 매립깊이는 500 mm, 후크길이는 264 mm이다. 여기서, 앵커볼트의 매립길이(= 500 mm)는 소규모 철골조 건축물 현황조사에서 얻은 자료의 평균값을 나타내며, 후크의길이는 콘크리트 구조기준(2012)에 의해 산정되었다.
- DF1과 DF2 실험체의 베이스 플레이트의 크기는 400×400 mm이고 두께는 20 mm이다.
- 앞서 언급한 바와 같이, DF1, SBC3, 그리고 SBC5 실험체는 각각 20, 30,25 mm 두께의 베이스 플레이트가 사용되었다. DF1와 SBC5 실험체의 경우, 4개의 앵커볼트가 사용되었으며, SBC3 실험체에는 6개의 앵커볼트가 설치되었다.
- DF3 실험체는 DF1과 DF2 실험체와는 달리 베이스 플레이트의 크기가 350×350 mm이고 두께는 22mm이다.
- 반면에, SBC3 베이스 플레이트의 두께는 30 mm이다. SBC1~SBC4 실험체는 모두 6개의 앵커볼트가, SBC5와 SBC6 실험체는 4개의 앵커볼트가 사용되었으며, DF1~DF3 실험체와는 달리, 앵커볼트는 강재 기둥 외부에 설치되었다. 여기서, SBC5와 SBC6 실험체에 4개의 앵커볼트를 사용한 것은 6개의 앵커볼트가 설치된 실험체(SBC1과 SBC2)와 앵커볼트 개수에 따른 주각부의 구조성능을 상호비교하기 위함이다.
- 1 GPa로 측정되었다. 강재 기둥의 플랜지와 웨브의 강종은 SS400으로 항복강도는 각각 329.0와 332.2 MPa,인장강도는 476.4와 498.2 MPa이며 탄성계수는 각각 203.8와 206.2 GPa로 측정되었다. 앵커볼트(SM45C)의 경우, 항복강도(fy)과 인장강도(fu)는 각각 608.
- Table 2는 베이스 플레이트, 강재 기둥의 웨브 및 플랜지,앵커볼트의 재료실험 결과를 보여주고 있다. 강재의 인장실험은 KS B 0801(2007), KS B 0802(2003)에 의해 수행되었다. 베이스플레이트에 사용된 SS400 강종의 항복강도(Fy)와 인장강도(Fu)는 각각 250.
- 비록 이 연구에서는 기초부 정착을 위해 이형철근 대신 원형강봉이 사용되었지만, 소규모 철골조 주각부가 상대적으로 낮은 기초위에 시공되는 점을 감안하여 앵커볼트의 매립깊이를 176 mm로 산정하였다. 리브플레이트의 영향을 알아보기 위해 SBC2와 SBC6 실험체에는 강재기둥 웨브 중앙부에 플랜지 두께와동일한 두께를 가진 2개의 리브플레이트가 설치되었다.
- 모든 실험체의 베이스 플레이트 크기는 450×450 mm로 동일하며, 강종은SS400이 사용되었다.
- 강재의 인장실험은 KS B 0801(2007), KS B 0802(2003)에 의해 수행되었다. 베이스플레이트에 사용된 SS400 강종의 항복강도(Fy)와 인장강도(Fu)는 각각 250.0, 422.9 MPa로 측정되었으며 탄성계수(Es)는 196.1 GPa로 측정되었다. 강재 기둥의 플랜지와 웨브의 강종은 SS400으로 항복강도는 각각 329.
- 6에서 보이는 바와 같이 베이스 플레이트 위험단면부터 끝단까지의 거리인 m에 해당되는 거리에, 앵커볼트에는 기초면에서 70 mm 떨어진 곳에, 강재 기둥에는 베이스 플레이트 상부로부터 50 mm 떨어진 곳에 스트레인 게이지가 부착되었다. 변위는 총 3개의 LVDT를 사용하여 측정되었다. LV1은 실험체의 횡변위 측정을 위해 설치되었고, LV2와 LV3는 베이스 플레이트의 상부 들뜸을 측정하기 위해 설치되었다.
- 본 연구에서 주각부 현황조사는 기존 철골조 건축물 중 구조상세에 대한 검토가 가능한 66건의 도면을 대상으로 수행되었다. Fig.
- 본 연구에서는 소규모 건축물 구조지침에서 제시하고 있는 철골부재 중 크기가 H-300×300×10×15 mm인 H형 단면을 가진 강재기둥을 사용하였으며, 주각부의 휨성능을 조사하기 위해 길이는 1,000 mm로 정하였다.
- 11은 베이스 플레이트에서 측정된 변형률 변화를 보여준다. 비교를 위해 DF1, SBC3, SBC5 실험체를 사용하였다. 앞서 언급한 바와 같이, DF1, SBC3, 그리고 SBC5 실험체는 각각 20, 30,25 mm 두께의 베이스 플레이트가 사용되었다.
- 4은 실험체 상세를 보여준다. 실험체 주요 변수는 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 개수와 매립깊이, 앵커볼트후크의 유무, 그리고 리브 플레이트(Rib plates)의 유무이다. 실험체 상세는 Table 1에 요약되어 있다.
- 4은 실험체 상세를 보여준다. 실험체 주요 변수는 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 개수와 매립깊이, 앵커볼트후크의 유무, 그리고 리브 플레이트(Rib plates)의 유무이다. 실험체 상세는 Table 1에 요약되어 있다.
- 비교를 위해 DF1, SBC3, SBC5 실험체를 사용하였다. 앞서 언급한 바와 같이, DF1, SBC3, 그리고 SBC5 실험체는 각각 20, 30,25 mm 두께의 베이스 플레이트가 사용되었다. DF1와 SBC5 실험체의 경우, 4개의 앵커볼트가 사용되었으며, SBC3 실험체에는 6개의 앵커볼트가 설치되었다.
- 본 연구에서는 소규모 건축물 구조지침에서 제시하고 있는 철골부재 중 크기가 H-300×300×10×15 mm인 H형 단면을 가진 강재기둥을 사용하였으며, 주각부의 휨성능을 조사하기 위해 길이는 1,000 mm로 정하였다. 앵커볼트의 지름은 22 mm이고 SM45C 강종(Fu = 700 MPa)이 사용되었다. 여기서, Fu는설계인장강도이다.
- 주각부 베이스 플레이트의 크기는 앵커볼트의 위치를 고려하여 기둥형강의 각 방향 폭보다 150 mm 이상 크게 하고, 두께는 2층 건물의 경우는 30 mm 이상, 1층 건물의 경우는 20 mm 이상을 적용한다. 앵커볼트의 크기와 개수는 2층 건물의 경우 직경 22 mm이상의 앵커볼트를 6개 이상 사용하고, 1층 건물의 경우 직경 20 mm이상의 앵커볼트를 6개 이상 사용한다. 앵커볼트의 정착은 기초의 하부까지 직경의 30배 이상 연장되어 후크형태로 기초에 정착하여야 한다.
- 이 연구에서는 표준갈고리의 정착을 위한 갈고리철근으로 90° 표준갈고리가 사용되었다.
- 콘크리트 기초의 평면 크기는 800×800mm이고 높이는 775 mm이다.
이론/모형
- 주각부는 소규모 건축물 구조지침(2012)과 AISC 설계기준(2005)에 의해 설계되었으며, H형 단면을 가진 강재 기둥(SS400, Fy = 235 MPa)은 소규모 건축물 구조지침(5장 강구조)에서 제시하고 있는 표준단면치수를 사용하였다. 소규모건축물 구조지침(2012)에는 기둥 부재로 사용할 수 있는 총 6가지의 철골부재가 제시되어 있으며, 건물의 층수(2층 이하)와 경간(6 m 이하, 6m 초과 8 m 이하)에 따라 부재의 사용을 일부 제한하고 있다.
성능/효과
- 1) 노출형 주각부의 거동은 앵커볼트의 개수와 매립깊이의 영향이 큰 것으로 나타났다. 하지만, 앵커볼트의 길이가 구조기준을 만족한다고 할지라도 원형 강봉을 앵커볼트로 사용할 경우, 앵커볼트와 콘크리트 사이의 부착력이 충분히 확보되지 않아슬립형 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 2) 실험체의 초기강성과 현행 기준에서 제시하고 있는 값과 비교한 결과, 노출형 주각부의 휨강성은 핀접합일 때 휨강성의 최대값보다 크고 구속되었을 때 휨강성 하한값보다는 작은 값을 나타냈다. 앵커볼트의 매립깊이가 현행 구조기준을 만족하고, 앵커볼트에 후크가 설치된 경우, 노출형주각부의 초기강성은 주각부가 구속되었을 때의 휨강성 하한값의 약 40% 수준인 것으로 나타났다.
- 3) 베이스 플레이트의 두께는 주각부 휨강도 증가에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 실험체 파괴모드를 분석한 결과, 노출형 주각부의 휨강도 증진을 위해서는 앵커볼트가 항복하기 전 베이스 플레이트가 항복하지 않도록 적절한 두께가 확보되어야 할 것으로 사료된다.
- 60으로 나타났다. DF 계열 실험체의 초기 강성은 고정접합일 때 휨강성의 약 10% 수준이었으며, SBC 계열 실험체의 경우, 약 15% 수준으로 나타났다. 반면에, DF와 SBC 계열 실험체의 초기강성은 핀접합일 때 휨강성의 상한값에 대해, 최대 85%와 168% 정도 더큰 값을 나타냈다.
- 실험결과, 베이스 플레이트의 두께와 앵커볼트의 개수, 그리고 앵커볼트의 매립깊이가 에너지 소산능력에 영향을 끼치는 것으로 나타났다. SBC 계열의 에너지 소산능력은 대체로 DF 계열보다 큰 값을 나타났다. 베이스 플레트의 두께(= 30 mm)가가장 큰 SBC3 실험체의 에너지 소산능력이 가장 큰 것으로 나타났으며, 앵커볼트의 개수가 6개인 실험체의 에너지 소산능력이 4개인 실험체보다 다소 크게 나타났다.
- 이 연구에서는 노출형 주각부의 휨성능을 알아보고자 베이스 플레이트의 두께, 앵커볼트의 개수와 매립깊이, 앵커볼트 후크의 유무, 그리고 리브 플레이트(Rib plates)의 유무 등을 실험체 변수로 설정하였다. SBC1과 SBC2 실험체의 모멘트-층간 변위 관계를 상호비교한 결과, 리브 플레이트는 주각부의 휨강도와 강성에 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 이는 두 실험체 모두 강재 기둥이 소성상태에 도달하기 전 앵커볼트의 뽑힘현상이 발생하였기 때문으로 판단된다.
- DF1, DF2, 그리고 DF3 실험체의 경우, 베이스 플레이트와 앵커볼트 사이에 이격이 발생한 후 베이스 플레이트가 항복하였으며, 최종적으로 앵커볼트의 항복이 발생하였다. 각 실험체의 베이스 플레이트의 항복은 층간변위 0.45%,0.33%, 그리고 0.7%에서 발생하였으며, 앵커볼트의 항복은 DF1과 DF2 실험체의 경우, 각각 충간변위 약 3.89%, 3.43%에서 발생하였다. 이때, DF3 실험체의 앵커볼트는 항복하지 않은 것으로 나타났다.
- 베이스 플레이트의 두께가 30mm인 SBC3 실험체의 휨강도는 SBC1 실험체의 휨강도에 비해 약 8% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 기초부에 매립된 앵커볼트의 매립길이가 구조기준을 만족하는 경우와 그렇지않은 경우를 비교한 결과, 매립길이가 충분히 확보되는 경우 약 78%의 강도 증가효과가 있는 것으로 나타났다. 앵커볼트의 개수 역시 휨강도에 큰 영향이 있는 것으로 나타났다.
- 앵커볼트의 길이는 현행 콘크리트 구조기준(KCI, 2012)에 따라 결정되어야 하나, 대부분의 경우 앵커볼트 길이에 대한 관련 근거가 제시되어 있지 않았다. 도면검토 결과, 앵커볼트의 매립깊이는 약 500 mm 정도로 파악되었다(Fig. 3(d) 참조).
- 앵커볼트의 개수 역시 휨강도에 큰 영향이 있는 것으로 나타났다. 리브 플레이트가 없는 경우, 6개의 앵커볼트가 있는 실험체(SBC1)의 휨강도는 4개의 앵커볼트가 있는 실험체(SBC5)의 휨강도에 비해 약 30%의 강도증가를 보여주었으며, 리브플레이트가 있는 경우(SBC2와 SBC6)에는 강도가 약 13.4%정도 증가하는 것으로 나타났다.
- 8(g) 참조). 매립길이가 176 mm인 SBC 4 실험체의 강도는 소성모멘트의 40% 수준이었다 (M/Mp =0.4) 더욱이, 앵커볼트의 매립깊이가 구조기준을 만족한다고 할지라도 앵커볼트와 콘크리트 사이의 부착력이 충분히 확보되지 않는다면 슬립형 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
- 하지만, 앵커볼트의 길이가 구조기준을 만족한다고 할지라도 원형 강봉을 앵커볼트로 사용할 경우, 앵커볼트와 콘크리트 사이의 부착력이 충분히 확보되지 않아슬립형 거동이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 기둥 플랜지 사이에 설치된, 즉 기둥 웨브 양쪽에 설치된 리브플레이트는 앵커볼트의 부착력이 확보되지 않은 경우, 휨강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났다.
- DF 계열 실험체의 초기 강성은 고정접합일 때 휨강성의 약 10% 수준이었으며, SBC 계열 실험체의 경우, 약 15% 수준으로 나타났다. 반면에, DF와 SBC 계열 실험체의 초기강성은 핀접합일 때 휨강성의 상한값에 대해, 최대 85%와 168% 정도 더큰 값을 나타냈다.
- 반면에, 베이스 플레이트의 두께와 앵커볼트의 매립깊이는 주각부의 휨강도에 영향을 주는 것으로 나타났다. 베이스 플레이트의 두께가 30mm인 SBC3 실험체의 휨강도는 SBC1 실험체의 휨강도에 비해 약 8% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 기초부에 매립된 앵커볼트의 매립길이가 구조기준을 만족하는 경우와 그렇지않은 경우를 비교한 결과, 매립길이가 충분히 확보되는 경우 약 78%의 강도 증가효과가 있는 것으로 나타났다.
- 변수영향을 분석한 결과, 기둥 웨브에 설치된 리브플레이트는 휨강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 앵커볼트의 개수와 매립깊이가 주각부 휨거동에 영향을 주는 것으로 나타났다. 베이스 플레이트의 두께는 주각부 휨강도 증가에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 실험결과, 앵커볼트가 항복하기 전 베이스 플레이트가 항복하지 않도록 적절한 두께를 확보하는 것이 중요하다고 판단된다.
- SBC 계열의 에너지 소산능력은 대체로 DF 계열보다 큰 값을 나타났다. 베이스 플레트의 두께(= 30 mm)가가장 큰 SBC3 실험체의 에너지 소산능력이 가장 큰 것으로 나타났으며, 앵커볼트의 개수가 6개인 실험체의 에너지 소산능력이 4개인 실험체보다 다소 크게 나타났다. 초기 탄성구간에서는 모든실험체의 에너지 소산능력이 유사하게 나타났다.
- 변수영향을 분석한 결과, 기둥 웨브에 설치된 리브플레이트는 휨강도에 큰 영향을 주지 않는 것으로 나타났으며, 앵커볼트의 개수와 매립깊이가 주각부 휨거동에 영향을 주는 것으로 나타났다. 베이스 플레이트의 두께는 주각부 휨강도 증가에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났으며, 실험결과, 앵커볼트가 항복하기 전 베이스 플레이트가 항복하지 않도록 적절한 두께를 확보하는 것이 중요하다고 판단된다.
- 실험결과, 모든 실험체는 매우 작은 층간변위에서 베이스 플레이트와 앵커볼트 사이의 이격이 발생하는 것으로 나타났다. 실험변수와 관계없이 층간변위 0.
- 실험결과, 모든 실험체는 앵커볼트와 베이스 플레이트 사이에 이격이 발생하면서 미끄러짐 현상이 시작되었다. 이후 앵커볼트와 기초부 콘크리트 사이의 부착력이 완전히 상실되고 난뒤앵커볼트의 뽑힘현상이 발생하는 것으로 나타났다.
- 실험결과, 베이스 플레이트의 두께와 앵커볼트의 개수, 그리고 앵커볼트의 매립깊이가 에너지 소산능력에 영향을 끼치는 것으로 나타났다. SBC 계열의 에너지 소산능력은 대체로 DF 계열보다 큰 값을 나타났다.
- 3) 베이스 플레이트의 두께는 주각부 휨강도 증가에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다. 실험체 파괴모드를 분석한 결과, 노출형 주각부의 휨강도 증진을 위해서는 앵커볼트가 항복하기 전 베이스 플레이트가 항복하지 않도록 적절한 두께가 확보되어야 할 것으로 사료된다.
- 2) 실험체의 초기강성과 현행 기준에서 제시하고 있는 값과 비교한 결과, 노출형 주각부의 휨강성은 핀접합일 때 휨강성의 최대값보다 크고 구속되었을 때 휨강성 하한값보다는 작은 값을 나타냈다. 앵커볼트의 매립깊이가 현행 구조기준을 만족하고, 앵커볼트에 후크가 설치된 경우, 노출형주각부의 초기강성은 주각부가 구속되었을 때의 휨강성 하한값의 약 40% 수준인 것으로 나타났다.
- 이러한 실험결과 및 현상을 종합해 보면, 노출형 주각부의거동은 앵커볼트 매립깊이의 영향이 큰 것으로 나타났다. 즉,앵커볼트의 매립깊이가 구조기준을 만족하는 경우, 휨강도가 현장상세 실험체보다 증가하는 것으로 나타났지만, 매립깊이가 현저히 작은 경우, 휨강도는 현장상세 실험체에 비해 매우 작은 값을 나타냈다(Fig.
- 실험결과, 모든 실험체는 앵커볼트와 베이스 플레이트 사이에 이격이 발생하면서 미끄러짐 현상이 시작되었다. 이후 앵커볼트와 기초부 콘크리트 사이의 부착력이 완전히 상실되고 난뒤앵커볼트의 뽑힘현상이 발생하는 것으로 나타났다.
- 종합적으로 본 실험결과에 의하면, 노출형 철골 주각부와기초부 그리고 앵커볼트 등이 모두 현행 구조기준을 만족한다고 할지라도, 앵커볼트와 기초부 콘크리트 사이의 부착력이 충분하지 않을 경우, 슬립형 거동이 발생하였다. 추후 슬립형 거동을 방지할 수 있는 노출형 철골 주각부 상세 개발이 필요하다고 판단된다.
- 이러한 실험결과 및 현상을 종합해 보면, 노출형 주각부의거동은 앵커볼트 매립깊이의 영향이 큰 것으로 나타났다. 즉,앵커볼트의 매립깊이가 구조기준을 만족하는 경우, 휨강도가 현장상세 실험체보다 증가하는 것으로 나타났지만, 매립깊이가 현저히 작은 경우, 휨강도는 현장상세 실험체에 비해 매우 작은 값을 나타냈다(Fig. 8(g) 참조).
후속연구
- 종합적으로 본 실험결과에 의하면, 노출형 철골 주각부와기초부 그리고 앵커볼트 등이 모두 현행 구조기준을 만족한다고 할지라도, 앵커볼트와 기초부 콘크리트 사이의 부착력이 충분하지 않을 경우, 슬립형 거동이 발생하였다. 추후 슬립형 거동을 방지할 수 있는 노출형 철골 주각부 상세 개발이 필요하다고 판단된다.
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