[논문]H형강 매입형 합성기둥의 부착강도 및 전단연결재의 전단거동

왕녕; 이혜림; 이명재

doi:10.7781/kjoss.2017.29.5.377

문제 정의

실험에 앞서 실험체에 사용된 강재 및 콘크리트의 기계적 특성과 재료적 성질을 파악하여 실험의 가력 및 계측에 활용하기 위하여 구조재료 시험을 실시하였다. 실험결과를 Table 6에 나타낸다.
실험에서는 콘크리트와 강재의 이질재료 간 합성작용을 파악하기 위하여 두 가지 실험을 하였다. 먼저 콘크리트 속에 강판이 매입된 강판 매입형 합성기둥 기준 실험체를 제작하여 강판과 콘크리트의 부착면적을 변수로, 콘크리트와 강재 사이의 부착응력을 조사하였다.
AISC2010에서는 매입형 합성기둥에 대한 공칭부착강도를 제시하고 있지 않다. 여기서 KBC2016과 Eurocode 4에서 제시하는 부착응력 기준값과 실험을 통해 얻은 부착응력 값을 비교해보고자 한다.
이 연구에서는 강재 매입형 합성기둥의 콘크리트와 강재의 접합면에서의 부착응력과 슬립 거동을 파악하고, 전단연결재가 부착된 경우의 전단응력을 파악하기 위하여 강재 매입형 합성기둥에서 콘크리트와 강판의 부착면적과 전단연결재의 수를 변수로 하여 이에 대한 Push-out test를 수행하였다.
이 연구에서는 전단연결재의 수와 간격에 따른 H형강 매입형 합성기둥의 구조적 거동을 파악하기 위하여 각 실험체에 가하는 축하중은 강판의 상부에만 작용시키고, 가력은 축방향으로 일점가력하는 Push-out test를 하였다. 실험체의 설치 및 가력상황은 Fig.
이 연구의 목적은 강재 매입형 합성기둥의 콘크리트와 강재의 부착응력에 대한 성능을 파악하고, 각 실험 변수에 대한 비교 ‧ 분석을 통해 이질재료 접합부의 부착응력 및 전단 연결재의 거동을 조사하는 것이다.

가설 설정

KBC2016, AISC2010 그리고 Eurocode 4의 설계기준을 비교하였을 때, 매입형 합성기둥의 하중도입부 길이와 직접 부착강도 및 전단연결재의 전단강도는 Table 1과 같다. 이 연구에서는 합성기둥이 보 또는 기타 구조체와 연결되지 않았기 때문에, 실험체의 하중전달길이를 기둥의 전체길이로 가정하였다.
전단연결재의 수와 간격을 균등하고 비례적으로 배열하기 위해 일부 실험체는 기준의 간격제한(전단연결재의 최대 간격은 400mm 이하로 함)을 무시하고 배치하였으며, 기둥전 길이를 하중전달영역으로 가정하였다. H형강의 웨브에대칭으로 총 4개가 용접된 실험체부터 총 24개가 용접된 실험체까지 제작하였다.

제안 방법

H형강 매입형 합성기둥의 부착 및 전단강도 실험을 위하여 단면크기 520mm×520mm 콘크리트 기둥에 H-300× 300×10×15형강을 매입하고, 여기에 전단연결재의 수와 간격을 변수로 하여 실험체를 설계하였다.
13에 나타내었다. SS00 실험체를 기준으로 각 실험체들의 전단연결재의 전단 강도를 KBC 2016의 식(0709.8.3.)으로 구하여 한국산업표준(KS)에서 제시하는 기계적 성질과 실제 실험에 의한 기계적 성질을 이용해 비교해 보았다. 매입형 합성기둥에 사용된 전단연결재 1개의 공칭강도는 다음과 같이 산정한다.
가력 실험 후, 각 실험체 내 H형강의 전단연결재 용접부 위와 전단연결재의 변형 모습을 파악하기 위해 콘크리트를 파쇄하였다. 각 실험체의 콘크리트 파쇄한 후 H형강과 전단 연결재의 모습을 Fig.
가력 후 실험체의 플랜지와 웨브 방향 모습과 설계도면을 비교하여, 각 실험체의 전단연결재와 철근의 위치와 균열 모습을 확인하였다. 대표적으로 SS08 실험체와 SS12 실험체의 상황을 Fig.
가력방식은 10,000kN 성능의 만능시험기(U.T.M.)로 H형강 상부에 가력판을 부착하여 가력판에 하중을 가하는 단주압축가력으로, 강재와 콘크리트 사이의 부착저항 및 전단 연결재의 전단저항 능력을 파악하고 전단연결재의 수와 간격에 따른 합성기둥의 구조성능을 조사하였다.
가력방식은 기둥 상단에서 1,000kN 성능의 만능시험기 (U.T.M)로 강재 플레이트 중심에 하중을 가하는 단주 압축 가력으로, 강재와 콘크리트 사이의 부착저항능력을 파악해 강판의 부착면적에 따른 부착성능을 조사하였다.
각 변수에 따른 콘크리트 기둥과 매입된 강판의 상부 중심에 작용시키고, 실험체의 지지는 콘크리트 기둥 하단 양쪽에 지지대를 대칭으로 놓아 강판의 거동에 지장이 없도록 하였다. 가력은 기둥의 축방향으로 일점가력하는 Push- out test를 하였다.
강재와 콘크리트의 부착면 사이에서 발생하는 부착성능 실험을 위하여 단면크기 300mm×300mm 콘크리트 기둥에 매입된 10mm 두께와 20mm 두께의 강판의 폭을 변수로 하여 실험체를 설계하였다.
먼저 콘크리트 속에 강판이 매입된 강판 매입형 합성기둥 기준 실험체를 제작하여 강판과 콘크리트의 부착면적을 변수로, 콘크리트와 강재 사이의 부착응력을 조사하였다. 다음으로, 전단연결재가 일정한 간격으로 용접된 H형강이 매입된 H형강 매입형 합성기둥을 실대형 크기로 제작하여 전단연결재의 수와 간격을 변수로, 강재와 콘크리트 사이의 부착응력 및 전단연결재의 전단강도를 조사하였다.
강재와 콘크리트 사이의 부착 거동만을 파악하기 위해 콘크리트 내에 보강 철근을 매입하지 않았다. 매입된 강판은 강재와 콘크리트의 부착면적을 변수로 하기 위해 두께와 폭을 일정 크기로 차이나도록 하여 치수를 선정하였다.
실험에서는 콘크리트와 강재의 이질재료 간 합성작용을 파악하기 위하여 두 가지 실험을 하였다. 먼저 콘크리트 속에 강판이 매입된 강판 매입형 합성기둥 기준 실험체를 제작하여 강판과 콘크리트의 부착면적을 변수로, 콘크리트와 강재 사이의 부착응력을 조사하였다. 다음으로, 전단연결재가 일정한 간격으로 용접된 H형강이 매입된 H형강 매입형 합성기둥을 실대형 크기로 제작하여 전단연결재의 수와 간격을 변수로, 강재와 콘크리트 사이의 부착응력 및 전단연결재의 전단강도를 조사하였다.
부착강도실험체 제작에 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위하여 인장강도시험을 실시하였다. 강재의 재질은 모두 SM490을 사용하며 10mm 두께의 강판과 20mm 두께의 강판에서 각각 3개씩 인장시편을 절취하여 시험하였다.
강재와 콘크리트의 부착면 사이에서 발생하는 부착성능 실험을 위하여 단면크기 300mm×300mm 콘크리트 기둥에 매입된 10mm 두께와 20mm 두께의 강판의 폭을 변수로 하여 실험체를 설계하였다. 실험체를 가력하였을 때 밀려나오는 강판의 거동을 확인할 수 있도록 콘크리트 기둥의 길이보다 강판의 길이를 더 길게 제작하였다. 콘크리트 속에 매입되지 않은 강판의 양쪽 단부에는 단면크기 100mm×100mm의 강판 플레이트를 부착하여 하중이 균등하게 작용하도록 하였다.
이상과 같이 강판 매입형 합성기둥에서 강재와 콘크리트의 접촉면의 부착강도와 전단연결재의 전단 거동을 실험을 통하여 알아보았다. 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
콘크리트 재료의 기계적 특성을 알아보기 위하여 압축강도시험을 실시하였다. 콘크리트는 공칭압축강도(f_ck)를 30MPa 로 계획하였으며, 압축강도용 공시체는 지름 100mm, 높이 200mm의 원형 공시체로 제작하였다.
9에 나타내었다. 하중과 변위의 측정은 10,000kN 성능의 U.T.M에 연결된 Computing Data Logger와 변위량 측정기(LVDT)에 의해 측정하였다.
하중을 가하는 H형강의 상단에는 단면 크기 300mm×300mm의 가력판을 대어 H형강에 균등하게힘이 작용하도록 하였다.

대상 데이터

전단연결재의 수와 간격을 균등하고 비례적으로 배열하기 위해 일부 실험체는 기준의 간격제한(전단연결재의 최대 간격은 400mm 이하로 함)을 무시하고 배치하였으며, 기둥전 길이를 하중전달영역으로 가정하였다. H형강의 웨브에대칭으로 총 4개가 용접된 실험체부터 총 24개가 용접된 실험체까지 제작하였다.
부착강도실험체 제작에 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위하여 인장강도시험을 실시하였다. 강재의 재질은 모두 SM490을 사용하며 10mm 두께의 강판과 20mm 두께의 강판에서 각각 3개씩 인장시편을 절취하여 시험하였다. 인장강도 시험에 사용된 시험편은 한국공업표준의 금속재료 인장시험편(KS B 0801)^[8]에 제시된 시험편 규정에 따라 제작하였다.
실험체는 건축구조설계기준(KBC2016)을 따라 설계하였으며 H형강은 SM490, 강재앵커는 SS400 강재를 사용하였고 압축강도 30MPa의 콘크리트를 사용하였다. 띠철근과 주철근은 각각 SD500, SD600을 사용하였다.
직사각형 단면의 콘크리트 기둥에 직사각형 단면의 강판이 매입된 합성기둥 실험체로서 강판의 두께와 부착면적을 변수로 하였다. 사용된 강재의 강종은 SM490이며 압축강도 30MPa 의 콘크리트를 사용하였다. 강재와 콘크리트 사이의 부착 거동만을 파악하기 위해 콘크리트 내에 보강 철근을 매입하지 않았다.
실험체는 총 5가지 종류이며 각 종류별로 2개씩 제작되었다(Table 6). 실험체는 H형강 매입형 합성기둥으로 각 종류마다 다른 개수의 전단연결재를 변수로 갖는다. 실험체의 크기는 콘크리트 단면이 520mm×520mm이고, 매입된 H형강은 용접 H형강으로 치수는 H-300×300×10×15, 강종은 SM490을 사용하였다.
실험체는 건축구조설계기준(KBC2016)을 따라 설계하였으며 H형강은 SM490, 강재앵커는 SS400 강재를 사용하였고 압축강도 30MPa의 콘크리트를 사용하였다. 띠철근과 주철근은 각각 SD500, SD600을 사용하였다.
3.1 실험개요

실험체는 총 5가지 종류이며 각 종류별로 2개씩 제작되었다(Table 6). 실험체는 H형강 매입형 합성기둥으로 각 종류마다 다른 개수의 전단연결재를 변수로 갖는다.
2.1 실험개요

실험체는 총 8가지 종류이며 각 종류별로 2개씩 제작되었다. 직사각형 단면의 콘크리트 기둥에 직사각형 단면의 강판이 매입된 합성기둥 실험체로서 강판의 두께와 부착면적을 변수로 하였다.
실험체의 크기는 콘크리트 단면이 520mm×520mm이고, 매입된 H형강은 용접 H형강으로 치수는 H-300×300×10×15, 강종은 SM490을 사용하였다.
콘크리트 속에 매입되지 않은 강판의 양쪽 단부에는 단면크기 100mm×100mm의 강판 플레이트를 부착하여 하중이 균등하게 작용하도록 하였다. 이 실험에서 사용한 실험체는 Table 2와 같으며 Fig. 1은 PL20W100 실험체이다.
이 연구에서는 여러 구조형태의 합성기둥 중 매입형 합성기둥을 대상으로 하였다. 이 연구에서는 강재 매입형 합성기둥의 콘크리트와 강재의 접합면에서의 부착응력과 슬립 거동을 파악하고, 전단연결재가 부착된 경우의 전단응력을 파악하기 위하여 강재 매입형 합성기둥에서 콘크리트와 강판의 부착면적과 전단연결재의 수를 변수로 하여 이에 대한 Push-out test를 수행하였다.
강재의 재질은 모두 SM490을 사용하며 10mm 두께의 강판과 20mm 두께의 강판에서 각각 3개씩 인장시편을 절취하여 시험하였다. 인장강도 시험에 사용된 시험편은 한국공업표준의 금속재료 인장시험편(KS B 0801)^[8]에 제시된 시험편 규정에 따라 제작하였다.
실험체의 크기는 콘크리트 단면이 520mm×520mm이고, 매입된 H형강은 용접 H형강으로 치수는 H-300×300×10×15, 강종은 SM490을 사용하였다. 전단연결재는 KS B 1062 머리붙이 스터드 기준에 따라 400MPa급으로 제작하였다.
실험체는 총 8가지 종류이며 각 종류별로 2개씩 제작되었다. 직사각형 단면의 콘크리트 기둥에 직사각형 단면의 강판이 매입된 합성기둥 실험체로서 강판의 두께와 부착면적을 변수로 하였다. 사용된 강재의 강종은 SM490이며 압축강도 30MPa 의 콘크리트를 사용하였다.
콘크리트 공시체는 실험체 제작 시 사용되었던 동일 재료로 총 10개의 공시체를 제작, 양생을 실시하였다. 압축강도 시험은 타설 후 14일과 28일에 각각 5개씩 실시하였으며, 시험결과 콘크리트 공시체의 28일 평균압축강도는 30MPa로서, 계획하였던 콘크리트의 설계배합강도인 30MPa와 동일하였다.
콘크리트 재료의 기계적 특성을 알아보기 위하여 압축강도시험을 실시하였다. 콘크리트는 공칭압축강도(f_ck)를 30MPa 로 계획하였으며, 압축강도용 공시체는 지름 100mm, 높이 200mm의 원형 공시체로 제작하였다.

이론/모형

각 변수에 따른 콘크리트 기둥과 매입된 강판의 상부 중심에 작용시키고, 실험체의 지지는 콘크리트 기둥 하단 양쪽에 지지대를 대칭으로 놓아 강판의 거동에 지장이 없도록 하였다. 가력은 기둥의 축방향으로 일점가력하는 Push- out test를 하였다. 하중과 변위의 측정은 U.

성능/효과

(1) 강재와 콘크리트 사이의 접촉면에서 발생하는 부착응력에 관한 실험에서, 부착에 의한 최대강도가 발현된 후 부착이 파괴되면서 마찰에 의한 거동을 하는 것이 확인되었다.
(2) 콘크리트에 매입된 강판의 두께가 두꺼울수록 부착응력이 커지는 것을 확인할 수 있었다.
(3) 강판 매입형 합성기둥과 H형강 매입형 합성기둥의 부착응력는 부착면적에 영향을 받으며, 부착면적이 넓을수록 부착응력은 작아진다.
(4) 강판 매입형 합성기둥 각 실험체의 부착응력 평균값은 2.59MPa로 KBC2016에서 제시된 매입형 합성기둥의 공칭부착응력 0.66MPa과 Eurocode 4에서 제시된 매입형 합성기둥의 공칭부착응력 0.30MPa보다 높게 나타났다.
(6) 모든 실험체에서 초기에 약 2000kN의 부착에 의한 강도가 발현된 후 부착파괴가 일어나는 것을 알 수 있었다.
(7) 콘크리트의 균열은 철근의 배근에 영향을 받으며, 하중을 받는 상부에 가까운 곳에 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
(8) 실험체 하단에 가깝게 위치한 전단연결재일수록 변형이 크고, 하중을 받는 실험체 상단에 가깝게 위치한 전단연결재부터 용접부에서 파괴되기 시작하는 것으로 관찰되었다.
(9) H형강 매입형 합성기둥 실험체 부착응력의 평균값은 0.84MPa로 KBC2016과 Eurocode 4에서 제시된 매입형 합성기둥의 공칭부착응력보다 높게 나타났다.
11과 12에서 비교해보았다. 강판 매입형 실험체에 비해 부착면적이 현저하게 높은 SS00실험체는 부착응력 또한 0.84MPa로 가장 낮게 나타났다.
모든 실험체의 부착강도는 Eurocode 4의 기준식을 이용하여 계산한 예상강도보다 최소 5배에서 최대 11배까지 크게 나타났다. 부착면적이 커질수록 부착강도는 증가하지만, 부착응력은 작아진다.
이는 SS02 실험체의 전단연결재 사이의 간격이 KBC2016에서 제시한 전단연결재 사이의 최대간격(400mm)보다 넓어 충분한 강도가 발현되지 않았기 때문이라고 판단된다. 반면에 SS04, SS08, SS12 실험체는 예상되는 전단강도의 최소값보다 높게 나타나며, SS12 실험체는 예상강도 최대값을 훨씬 뛰어넘는 것으로 나타났다. 따라서 설계기준을 만족할 경우 전단 연결재의 수가 많을수록, 전단연결재 사이의 간격이 좁을수록 합성기둥은 더 큰 내력을 발휘함을 알 수 있다.
또한 전단연결재의 수가 많고 전단연결재의 간격이 좁을 수록 콘크리트의 균열이 크고 많아진다. 실험체 대부분에서 균열이 기둥 중상부에 집중하여 발생하는 것을 보아 실험체의 상부에 응력이 강하게 작용하는 것을 알 수 있다.
콘크리트 공시체는 실험체 제작 시 사용되었던 동일 재료로 총 10개의 공시체를 제작, 양생을 실시하였다. 압축강도 시험은 타설 후 14일과 28일에 각각 5개씩 실시하였으며, 시험결과 콘크리트 공시체의 28일 평균압축강도는 30MPa로서, 계획하였던 콘크리트의 설계배합강도인 30MPa와 동일하였다. 강재와 콘크리트 공시체의 압축시험 결과를 Table 3 에 나타내었다.

후속연구

수치해석적인 방법은 마찰, 부착 등의 정량적인 영향요소를 효과적으로 반영시켜야 하는 과제가 해결되어야 하므로 추후 수치해석을 완성하여 실험결과와 비교, 분석할 예정이다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강재 매입형 합성기둥은 강재와 콘크리트의 합성효과를 위하여 무엇을 사용하는가?	강재 매입형 합성기둥은 강재와 콘크리트의 합성효과를 위하여 전단연결재를 사용하고 있다. 국내외 기준 및 연구에서 강재 매입형 합성기둥의 부착강도는 다양하게 평가되고 있다.
	본 연구에서 콘크리트와 강재의 이질재료 간 합성작용을 파악하기 위해 실험한 두가지는?	실험에서는 콘크리트와 강재의 이질재료 간 합성작용을 파악하기 위하여 두 가지 실험을 하였다. 먼저 콘크리트 속에 강판이 매입된 강판 매입형 합성기둥 기준 실험체를 제작하여 강판과 콘크리트의 부착면적을 변수로, 콘크리트와 강재 사이의 부착응력을 조사하였다. 다음으로, 전단연결재가 일정한 간격으로 용접된 H형강이 매입된 H형강 매입형 합성기둥을 실대형 크기로 제작하여 전단연결재의 수와 간격을 변수로, 강재와 콘크리트 사이의 부착응력 및 전단연결재의 전단강도를 조사하였다.
	본 연구에서 전단연결재가 부착된 경우의 전단응력을 파악하기 위하여 어떤 것을 수행하였는가?	이 연구에서는 여러 구조형태의 합성기둥 중 매입형 합성기둥을 대상으로 하였다. 이 연구에서는 강재 매입형 합성기둥의 콘크리트와 강재의 접합면에서의 부착응력과 슬립 거동을 파악하고, 전단연결재가 부착된 경우의 전단응력을 파악하기 위하여 강재 매입형 합성기둥에서 콘크리트와 강판의 부착면적과 전단연결재의 수를 변수로 하여 이에 대한 Push-out test를 수행하였다.

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