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문제 정의
- 새롭게 개발된 형상을 가진 U-플랜지 트러스 보의 구조 성능을 검증하기 위해서는 다양한 변수에서의 실험이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 다양한 변수를 가진 U-플랜지 트러스 보 실험체를 대상으로 단순보 실험을 실시하고 그 결과를 바탕으로 기존의 내력식과의 비교를 통해 U-플랜지 트러스보의 내력을 평가하고자 한다.
- 본 연구에서는 다양한 형상의 상현재를 가진 U플랜지 트러스 보 실험체를 대상으로 단순보 실험을 실시하고 그 결과를 바탕으로 기존의 내력식과의 비교를 통해 시공 단계에서의 U-플랜지 트러스보의 내력을 평가하였다. 그 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- U-플랜지 트러스 보의 구조 성능을 평가하기 위해 양단을 단순 지지하고 2점 가력을 실시하였다. 실험체는 [Fig.
- [Table 1]에서 보는 바와 같이 시공 하중에 의해 압축력을 받는 상현재의 형상과 래티스 간격 변화에 따른 U-플랜지 트러스 보의 구조 성능을 평가하고자 높이(h) 300mm, 폭(b) 320mm 및 길이(L) 4,800mm의 조립 강재보 실험체를 계획하였다.
- 단부 부근의 래티스가 조기에 좌굴하여 부재 전체의 내력을 충분히 확인할 수 없을 것으로 판단되어 이후 모든 실험체의 양 단부 첫 번째 래티스에19mm 철근을 용접하여 보강한 후 실험을 진행하였다.
- 따라서 국내·외 설계 기준식과의 비교를 통해 실험체의 최대 내력을 비교하였다.
- 또한 강봉을 사용하여 상현재와 하현재를 용접 접합한 래티스의 거동을 확인하고자 절곡 래티스의 간격을 342mm(UTB-07) 및 480mm(UTB-08)로 하여 비교 실험을 실시하였다.
- 3]에 나타낸 바와 같이 실험체 하부에 변위계를 설치하여 계측하였다. 또한 하중 재하에따른 실험체 주요 부위의 변형률을 측정하기 위하여 변형률 게이지를 부착하였다.
- 본 연구에서는 [Fig. 1]과 같이 상측에 개방 구조를 갖는 U형상의 상부 플랜지, 강판 두께 8mm 이상으로 된 하부 강판 및 일정한 패턴으로 절곡한 측면 래티스를 이용하여 상부 U형 플랜지의 좌우측에 래티스와 하부 강판을 용접 접합한 U-플랜지 트러스 보를 개발하였다. 이러한 U-플랜지 트러스 보는 공장에서 선조립되어 현장으로 반입된 후 크레인을 이용하여 기둥에 설치되고, 데크 설치 후 콘크리트를 타설하여 시공하게 된다.
- 실험체에 사용된 강재의 재료 성능을 확인하기 위해 인장 시험을 실시하였다. 시험편은 상현재로 사용된 25mm 환봉과 성형 강판 6mm 철판(SM275), 래티스로 사용된 12mm 환봉과 하현재로 사용한 6mm(SM275) 및 8mm 철판(SM275)에 대하여 실시하였다.
- 실험체의 단면에 U형 성형 강판을 상부 플랜지로 한 상현재를 구성하고 측면에 강봉 래티스를 좌우로 2열 배치한 후 하부 플랜지를 거푸집 기능과 인장재 역할을 하도록 구성한 U-플랜지 트러스 보의 시공 단계에 관한 휨 실험을 실시하였다.
- 하중 재하에 따른 수직 방향의 변위를 측정하기 위해 [Fig. 3]에 나타낸 바와 같이 실험체 하부에 변위계를 설치하여 계측하였다. 또한 하중 재하에따른 실험체 주요 부위의 변형률을 측정하기 위하여 변형률 게이지를 부착하였다.
대상 데이터
- U-플랜지 트러스 보의 성능을 평가하기 위해 총 8개의 실험체가 계획되었다. U-플랜지 트러스 보의 기본 형상은 [Fig.
- UTB-01 실험체는 지름 25mm의 환봉 3개를 상현재로 설치하고, 하현재로 8mm 철판을 사용하였으며, 래티스는 12mm의 강봉을 400mm 간격으로 2열 배치한 실험체이다. UTB-02 실험체는 U-플랜지 트러스 보의 기본형으로 상현재의 형상을 성형한 6mm 철판을 이용하고, 다른 부위는 UTB-01 실험체와 동일하다.
- UTB-01 실험체는 지름 25mm의 환봉 3개를 상현재로 설치하고, 하현재로 8mm 철판을 사용하였으며, 래티스는 12mm의 강봉을 400mm 간격으로 2열 배치한 실험체이다. UTB-02 실험체는 U-플랜지 트러스 보의 기본형으로 상현재의 형상을 성형한 6mm 철판을 이용하고, 다른 부위는 UTB-01 실험체와 동일하다.
- 6 (a)]에 나타내었다. UTB-01 실험체의 상현재는 25mm 강봉이고, UTB-02 실험체는 6mm 성형 강판이다. UTB-03 실험체는 6mm 성형 강판 아래에 2개의 19mm 강봉으로 보강한 실험체이다.
- UTB-02 실험체는 U-플랜지 트러스 보의 기본형으로 상현재는 성형한 6mm 철판을 이용하고, 하현재는 8mm 철판을 사용하였으며, 래티스는 12mm 강봉을 400mm 간격으로 2열 용접 접합한 실험체이다.
- UTB-01 실험체는 지름 25mm의 환봉 3개를 상현재로 설치하고, 하현재로 8mm 철판을 사용하였으며, 래티스는 12mm의 강봉을 400mm 간격으로 2열 배치한 실험체이다. UTB-02 실험체는 U-플랜지 트러스 보의 기본형으로 상현재의 형상을 성형한 6mm 철판을 이용하고, 다른 부위는 UTB-01 실험체와 동일하다. UTB-02 실험체를 기준으로 상현재의 형상 및 하현재의 두께를 변경하였다.
- UTB-01 실험체의 상현재는 25mm 강봉이고, UTB-02 실험체는 6mm 성형 강판이다. UTB-03 실험체는 6mm 성형 강판 아래에 2개의 19mm 강봉으로 보강한 실험체이다. UTB-05 실험체는 6mm 성형 강판에 모르타르를 충진한 것이다.
- UTB-05 및 UTB-06 실험체는 성형한 6mm 철판에 40MPa 강도의 모르타르를 충전하여 상현재로 설치한 실험체이다.
- UTB-05 실험체는 성형한 6mm 철판에 40MPa 강도의 모르타르를 충전하여 상현재로 설치하고, 하현재는 8mm 철판을 사용하였으며, 래티스는 12mm 강봉을 400mm 간격으로 2열 용접 접합한 실험체이다.
- 6 (c)]에 나타내었다. 두 실험체(UTB-05, UTB-06) 모두 상현재는 6mm 성형 강판을 사용하였고 모르타르를 충전하였다. UTB-06 실험체는 래티스로 사용된 12mm 강봉 외에 6mm 철판을 400mm 간격으로 상현재와 하현재 사이에 추가로 용접하여 전단 보강하였다.
- 래티스 간격은 각각 342mm(UTB-07), 400mm(UTB-02), 480mm(UTB–08)이다.
- 시험에서 가력 장비는 MTS의 3,000kN Universal Testing Machined를 사용하였으며, 데이터 취득은 KYOWA의 데이터 로거가 사용되었다. 변위 측정 장비는 KYOWA의 LVDT(Displacement Transducer)로 50mm, 100mm, 1,000mm 용량의 LVDT가 사용되었다. 철근과 콘크리트의 변형률을 계측할 수 있는 변형률 게이지(Strain gauge)는 일본 동경측기사 제품으로 철근용 변형률 게이지는 Gauge length 5mm, Gauge resistance 120Ω 전기저항식 변형률 게이지를 사용하였다.
- 시험에서 가력 장비는 MTS의 3,000kN Universal Testing Machined를 사용하였으며, 데이터 취득은 KYOWA의 데이터 로거가 사용되었다. 변위 측정 장비는 KYOWA의 LVDT(Displacement Transducer)로 50mm, 100mm, 1,000mm 용량의 LVDT가 사용되었다.
- 시험편은 KS B 0801을 준용하여 각각 3개씩 제작하였고, KS B 0802에 따른 인장 시험 결과의 평균값을 [Table 2]에 나타내었다.
- 실험체에 사용된 강재의 재료 성능을 확인하기 위해 인장 시험을 실시하였다. 시험편은 상현재로 사용된 25mm 환봉과 성형 강판 6mm 철판(SM275), 래티스로 사용된 12mm 환봉과 하현재로 사용한 6mm(SM275) 및 8mm 철판(SM275)에 대하여 실시하였다.
- 변위 측정 장비는 KYOWA의 LVDT(Displacement Transducer)로 50mm, 100mm, 1,000mm 용량의 LVDT가 사용되었다. 철근과 콘크리트의 변형률을 계측할 수 있는 변형률 게이지(Strain gauge)는 일본 동경측기사 제품으로 철근용 변형률 게이지는 Gauge length 5mm, Gauge resistance 120Ω 전기저항식 변형률 게이지를 사용하였다. [Fig.
성능/효과
- 1) 모든 실험체는 상현재의 형상에 관계없이 상현재와 하현재를 연결하는 래티스의 좌굴에 의해 최대 내력이 결정되었다. 따라서 시공 단계에서의 U플랜지 트러스 보에서는 래티스의 좌굴에 유의하여 단면 설계가 되어야 하며, 상현재의 형상은 추가적인 보강 없이 기본 형상만으로 충분할 것으로 판단된다.
- 2) 기존의 조립보 형식인 상현재를 강봉으로 사용한 단면 형상은 상현재의 강도와 강성이 낮아 래티스 좌굴이 조기에 발생할 수 있어 상현재에 추가적인 보강이 필요하다.
- 3) 실험 결과와 기존의 공칭 압축 강도 평가식을 비교 분석한 결과, 국내기준(KBC 2016)에 의한 식보다는 Eurocode 3(2005)에 의한 식을 사용하는 것이 U-플랜지 트러스 보의 래티스 좌굴을 안전측으로 평가할 수 있다.
- 4) 래티스의 간격이 좁을수록 U-플랜지 트러스보의 최대 내력은 향상되었다. 본 연구에서는 래티스의 간격을 높이의 1.
- [Table 3]에서 나타낸 바와 같이 국내설계기준(KBC 2016)에 의한 식은 U-플랜지 트러스 보에서의 래티스 내력을 정확히 반영하지 못하고 있음을 알 수 있다. 그러나 Eurocode 3의 기준식은 U-플랜지 트러스 보의 내력을 안전측으로 평가할 수 있음을 확인할 수 있었다. 특히, 기존의 조립보 형식인상현재에 25mm 강봉을 사용한 실험체(UTB-01)는 두 기준식에 의한 내력식보다 작은 값에서 최대 내력이 발현되었다.
- 따라서 U-플랜지 조립보의 최적 형상 결정 시 이러한 래티스의 좌굴을 고려하여야 할 것으로 판단된다. 또한 래티스의 간격을 줄이면 래티스의 좌굴 내력을 향상시켜 조립보의 최대 내력을 증가시킬 수 있는 것으로 분석되었다.
- 실험 결과, 모든 실험체가 상현재 형상에 관계없이 래티스의 좌굴에 의해 최대 내력이 결정되었다. 따라서 국내·외 설계 기준식과의 비교를 통해 실험체의 최대 내력을 비교하였다.
- 양 단부 첫 번째 래티스를 보강한 후 실험을 다시 진행한 결과, 상현재를 6mm 철판과 19mm 강봉으로 보강한 실험체(UTB-03), 하현재로 8mm 철판 대신 6mm 철판을 사용한 실험체(UTB-04), 래티스를 342mm 및 480mm 간격으로 배치한 실험체(UTB-07 및 UTB-08)도 단부 래티스가 좌굴하여 최대 하중에 도달하였다. 각각의 최대 하중은 72.
- 6 (c)]에서 보는 바와 같이 전단 보강한 실험체(UTB-06)는 초기에 래티스 좌굴이 일어난 시점이 전단 보강하지 않은 실험체(UTB-05)와 유사하나, 좌굴이 일어난 이후에도 하중이 급격히 감소하지 않고 실험체 내력이 지속적으로 상승하였다. 즉, 전단 보강하면 U-플랜지 트러스 보의 내력 및 연성을 크게 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
- 7kN에서 충전 모르타르가 길이 방향으로 쪼개지면서 최대 하중에 도달하였다. 즉, 조립보에 전단 보강을 실시하면 조립보의 내력을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있었다.
- 6 (b)]에 나타내었다. 하부 강판의 두께가 6mm인 실험체(UTB-04)가 8mm인 실험체(UTB-02)에 비해 최대 내력 및 강성이 향상되었다. 이는 UTB-04 실험체에서 단부 첫 번째 래티스에 D19 철근을 추가로 보강한 결과이며, 이로 인해 래티스의 좌굴이 지연된 것으로 판단된다.
후속연구
- 4) 래티스의 간격이 좁을수록 U-플랜지 트러스보의 최대 내력은 향상되었다. 본 연구에서는 래티스의 간격을 높이의 1.6배 이하까지 실험적으로 검증하였으나, 적정 배치 간격에 대한 추가적인 실험 및 해석 연구가 필요하다.
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