강판 콘크리트구조에 대한 국내 연구는 대체적으로 강도가 큰 원전 구조물에 초점을 맞추고 있다. 현재 안전성과 시공성 측면에서 유리한 SC구조는 특수구조물에만 한정되어 적용되어 왔으며, 최근 구조적으로 장점이 명확한 SC구조에 대해 일반건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 SC 구조를 일반 건축물에 적용하기 위한 기초 연구로서 특히 SC 구조에서 중요한 요소인 콘크리트의 시멘트를 고로슬래그로 대체하여 친환경성에 부합한 구조체를 계획하기 위해 무시멘트 콘크리트를 적용한 SC 구조의 기본 설계 정보를 제시하고자 한다. 이 논문에서는 압축 특성, 중심 압축 하중을 받는 유효좌굴길이계수에 대해 연구하였다. 유효좌굴길이계수를 산정하기 위해서 판 이론을 적용하지 않고 오일러 기둥 이론으로 계산하였다. 유효좌굴길이계수를 계산할 때 필요한 변형률을 측정하여 강판의 항복강도, 강판의 좌굴 및 콘크리트가 파단되는 시점에서의 유효좌굴길이계수를 계산하였다. 또한, 세장비(B/t)를 변수로 최대 압축강도가 국외 및 국내 기준식에 부합하는 지를 검토하였으며 기둥 이론을 적용하여 실험체의 좌굴을 분석하고 측정된 강판의 변형률을 선택하는 방법에 따라 유효좌굴길이계수를 분석하여 기준식에서 제시하는 값과 비교하였다.
강판 콘크리트구조에 대한 국내 연구는 대체적으로 강도가 큰 원전 구조물에 초점을 맞추고 있다. 현재 안전성과 시공성 측면에서 유리한 SC구조는 특수구조물에만 한정되어 적용되어 왔으며, 최근 구조적으로 장점이 명확한 SC구조에 대해 일반건축물에 적용하기 위한 연구가 진행되고 있다. 본 연구에서는 SC 구조를 일반 건축물에 적용하기 위한 기초 연구로서 특히 SC 구조에서 중요한 요소인 콘크리트의 시멘트를 고로슬래그로 대체하여 친환경성에 부합한 구조체를 계획하기 위해 무시멘트 콘크리트를 적용한 SC 구조의 기본 설계 정보를 제시하고자 한다. 이 논문에서는 압축 특성, 중심 압축 하중을 받는 유효좌굴길이계수에 대해 연구하였다. 유효좌굴길이계수를 산정하기 위해서 판 이론을 적용하지 않고 오일러 기둥 이론으로 계산하였다. 유효좌굴길이계수를 계산할 때 필요한 변형률을 측정하여 강판의 항복강도, 강판의 좌굴 및 콘크리트가 파단되는 시점에서의 유효좌굴길이계수를 계산하였다. 또한, 세장비(B/t)를 변수로 최대 압축강도가 국외 및 국내 기준식에 부합하는 지를 검토하였으며 기둥 이론을 적용하여 실험체의 좌굴을 분석하고 측정된 강판의 변형률을 선택하는 방법에 따라 유효좌굴길이계수를 분석하여 기준식에서 제시하는 값과 비교하였다.
Domestic studies on steel plate concrete structures have focused on nuclear structures with high strength. In this study, the SC structure was applied to the general structure, and the SC structure that is advantageous in terms of safety and construction was limited to a special structure. As a basi...
Domestic studies on steel plate concrete structures have focused on nuclear structures with high strength. In this study, the SC structure was applied to the general structure, and the SC structure that is advantageous in terms of safety and construction was limited to a special structure. As a basic study for applying SC, this paper proposes basic design information of a SC structure applying cement concrete to plan the structure, which is suitable for eco - friendliness by replacing concrete cement, an important factor in a SC structure, with blast furnace slag. This study examined the compression characteristics and the effective length factor under central compression load. To calculate the effective length factor, the Euler column theory was applied without applying plate theory. The effective length factor was calculated from the yield strength of the steel plate, buckling of the steel plate, and the point at which the concrete was broken. In addition, this study examined whether the maximum compressive strength meets the national and international reference equations with the slenderness ratio (B/t) as a parameter. By analyzing the buckling of the specimen by applying the column theory and selecting the strain of the measured steel plate, the effective length factor was analyzed and compared with the value presented in the reference equation.
Domestic studies on steel plate concrete structures have focused on nuclear structures with high strength. In this study, the SC structure was applied to the general structure, and the SC structure that is advantageous in terms of safety and construction was limited to a special structure. As a basic study for applying SC, this paper proposes basic design information of a SC structure applying cement concrete to plan the structure, which is suitable for eco - friendliness by replacing concrete cement, an important factor in a SC structure, with blast furnace slag. This study examined the compression characteristics and the effective length factor under central compression load. To calculate the effective length factor, the Euler column theory was applied without applying plate theory. The effective length factor was calculated from the yield strength of the steel plate, buckling of the steel plate, and the point at which the concrete was broken. In addition, this study examined whether the maximum compressive strength meets the national and international reference equations with the slenderness ratio (B/t) as a parameter. By analyzing the buckling of the specimen by applying the column theory and selecting the strain of the measured steel plate, the effective length factor was analyzed and compared with the value presented in the reference equation.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 SC구조를 일반건축물에 적용하기 위한 기초연구로서 SC구조에서 고로슬래그로 대체 하여 친환경성에 부합한 구조체를 계획하고, 무시멘트를 사용하여 SC구조의 활용성을 검토하고자 한다. 이를 위해 압축실험체를 계획하고 중심압축하중을 가력하여 구조체의 거동을 확인하였으며, 친환경성에 부합한 구조 체로서의 사용 가능성을 파악하였다.
본 연구에서는 친환경 무시멘트 콘크리트를 활용한 SC구조 벽체의 실험결과를 토대로 진행되며, 세장비 (B/t)를 변수로 두어 실험체의 최대압축강도가 국외 및 국내기준식에 부합하는 지를 검토하였다. 또한 기둥이론을 적용하여 SC구조에서 구조적으로 중요한 강판의 좌굴을 분석하고 측정된 강판의 변형률 산정 방법에 따른 유효좌굴길이계수(K)를 분석하여 무시멘트를 적용한 SC구조에 대해 적정한 유효좌굴길이계수(K)를 제시하고자 한다.
대표적인 주요 연구사례로는 고로슬래그의 분말도 및 활성화제 종류에 따른 콘크리트의 압축강도의 평가 [11], 고로슬래그 결합재의 성능 및 강도발현 특성평가 [12] 등이 있으며 주요 연구내용은 재료분야에 대한 연구이다. 본 연구에서는 시멘트를 고로슬래그로 대체하여 합성구조에 적용성을 평가하기 위한 기초연구로서 무시멘트를 기반으로 하는 합성구조체의 구조적 거동을 평가 하고자 실험체를 계획하였다.
본 연구에서는 중심압축하중을 받는 무시멘트 콘크리트를 활용한 SC구조 벽체를 계획하고 세장비(B/t)를 변수로 최대압축강도가 국외 및 국내기준식에 부합하는 지를 검토하였다. SC구조 벽체에 기둥이론을 적용하여 실험체의 좌굴을 분석하고, 측정된 강판의 변형률을 선택 하는 방법에 따라 유효좌굴길이계수(K)를 분석하여 기준식에서 제시하는 값과 비교하였다.
본 연구에서는 친환경 무시멘트 콘크리트를 활용한 SC구조 벽체의 실험결과를 토대로 진행되며, 세장비 (B/t)를 변수로 두어 실험체의 최대압축강도가 국외 및 국내기준식에 부합하는 지를 검토하였다. 또한 기둥이론을 적용하여 SC구조에서 구조적으로 중요한 강판의 좌굴을 분석하고 측정된 강판의 변형률 산정 방법에 따른 유효좌굴길이계수(K)를 분석하여 무시멘트를 적용한 SC구조에 대해 적정한 유효좌굴길이계수(K)를 제시하고자 한다.
가설 설정
현행 KEPIC-SNG에서 제시하는 K값은 안전측에 있는 것으로 일본기준에 비해 보수적이다. 보편적으로 실험을 통해 제시한 일본의 K값이 이전 SC구조 관련 연구의 실험결과 기둥이론을 적용한 강판좌굴의 경우 유효 좌굴길이(K)는 0.7이 비교적 일치하는 것으로 나타났으므로 이에 따라 K값을 0.7로 가정하였다[1].
1과 같이 강판좌굴의 탄성과 비탄성의 경계는 점선과 같으며 B/t가 20 인 실험체는 비탄성영역에서 강판이 좌굴하는 실험체이고 B/t가 30 및 40 인 실험체는 탄성영역에서 좌굴하는 실험체이다. 특히 B/t가 30인 실험체는 탄성과 비탄성의 경계영역에서 좌굴이 발생하는 것으로 영역의 경계는 식 (1)과 식 (2)를 통해 유도하였으며, 유효좌굴길이(K)는 0.7로 가정하였다. 실제로 KEPIC-SNG에서는 유효좌굴길이(K)를 0.
제안 방법
(b)처럼 스터드와 스터드 사이에 강재용 스트레인게이지를 설치하여 강판의 변형률을 측정하였으며 스터드의 인장거동을 확인하기 위하여 스터드의 위·아래 방향에 강재용 스트레인게이지를 설치하였다.
Fig. 10-(c)에서 강판의 항복변형률(εy), 강판의 좌굴이 시작되는 지점의 변형률 (εBS), 강판의 좌굴이 진행되어 파단되는 변형률(εCF)을 측정하였다.
본 연구에서는 중심압축하중을 받는 무시멘트 콘크리트를 활용한 SC구조 벽체를 계획하고 세장비(B/t)를 변수로 최대압축강도가 국외 및 국내기준식에 부합하는 지를 검토하였다. SC구조 벽체에 기둥이론을 적용하여 실험체의 좌굴을 분석하고, 측정된 강판의 변형률을 선택 하는 방법에 따라 유효좌굴길이계수(K)를 분석하여 기준식에서 제시하는 값과 비교하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
좌굴 분석을 위해 적용할 수 있는 이론은 대표적으로 기둥이론과 판이론이다. 그 중 기둥이론이 일반적으로 판이론보다 SC구조에 적합한 양상을 이전 연구결과를 통해 확인하였으므로[2] 본 연구에서는 기둥이론을 적용하여 유효좌굴길이계수를 분석하였다.
일반적으로 SC구조에서 강판의 좌굴은 스터드와 스터드 사이에서 일어나기 때문에 스터드의 연직간격(B)와 강판두께(t)의 비로 세장비가 결정 된다. 따라서 본 연구에서는 강판의 좌굴에 대한 경계를 탄성영역과 비탄성 영역으로 구분하여 실험체를 계획하였다. Fig.
)로 산정한 값보다 유효좌굴길이계수 (K)값이 다소 크게 나타났다. 따라서 비탄성 실험체의 강판 변형률을 선택할 때 다음의 방법으로 변형률을 선택하고 유효좌굴길이 계수(K)값을 계산하였다.
또한 강판이 좌굴이 시작되어 콘크리트가 최대응력으로 도달할 때의 변형률(εCF)을 강판의 좌굴로 인한 파단으로 보고 이때의 변형률을 측정하였다.
또한 비탄성 실험체의 경우 콘크리트의 응력이 최대로 도달(콘크리트의 파단)했을 때의 변형률 (εCF)까지 강판이 응력을 분담하고 있으므로 이때의 변형률도 측정하여 비교하였다.
3과 같이 중심축하중으로 단조가력을 실시하였다. 실험체에 편심을 최소화하기 위하여 본실험이 실시되기 전에 예상최대압축강도의 10 %정도 이하로 탄성범위 내에서 예비가력을 하여 변위가 일정하도록 하였다. 예비가력은 Fig.
10-(c)에서 강판의 항복변형률(εy), 강판의 좌굴이 시작되는 지점의 변형률 (εBS), 강판의 좌굴이 진행되어 파단되는 변형률(εCF)을 측정하였다. 위의 4가지 case에 비추어 그래프에서의 변형률 값을 선택하고 이를 통해 각 실험체의 유효좌굴길이 계수를 계산하여 정리하였다.
유효좌굴길이계수를 분석하기 위해 실험체의 적용된 강판의 B/t의 따라 분석을 진행하였다. Table 5에 나타낸 바와 같이 B/t가 20 인 실험체의 경우 항복변형률 (εy)을 이용하여 산정한 K값은 0.
따라서 본 연구에서는 SC구조를 일반건축물에 적용하기 위한 기초연구로서 SC구조에서 고로슬래그로 대체 하여 친환경성에 부합한 구조체를 계획하고, 무시멘트를 사용하여 SC구조의 활용성을 검토하고자 한다. 이를 위해 압축실험체를 계획하고 중심압축하중을 가력하여 구조체의 거동을 확인하였으며, 친환경성에 부합한 구조 체로서의 사용 가능성을 파악하였다. 이는 추후 일반건축물 특히 모듈러 건축물에 적용 시 산업부산물의 활용도에 대한 검토를 통해 그 구조적 성능이 입증된다면 친환경성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
대상 데이터
따라서 본 연구에서는 강판의 좌굴에 대한 경계를 탄성영역과 비탄성 영역으로 구분하여 실험체를 계획하였다. Fig. 1과 같이 강판좌굴의 탄성과 비탄성의 경계는 점선과 같으며 B/t가 20 인 실험체는 비탄성영역에서 강판이 좌굴하는 실험체이고 B/t가 30 및 40 인 실험체는 탄성영역에서 좌굴하는 실험체이다. 특히 B/t가 30인 실험체는 탄성과 비탄성의 경계영역에서 좌굴이 발생하는 것으로 영역의 경계는 식 (1)과 식 (2)를 통해 유도하였으며, 유효좌굴길이(K)는 0.
무시멘트 콘크리트를 사용한 SC구조 실험체는 3 개를 계획하였으며 판폭두께비(B/t)에 따라 설계하였다. 실험체의 세부 일람은 Table 1과 같다.
본 실험에 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위해 KS B 0801의 규정에 준하여 시험편 5호를 제작하였다. KS B 0802의 금속인장시험방법에 따라 인장강도시험을 실시하였다.
KS B 0802의 금속인장시험방법에 따라 인장강도시험을 실시하였다. 시험편은 두께가 6.0 mm인 SM490 강재이다. 변형률은 각 시험편에 부착된 스트레인게이지를 통하여 측정하였으며 강재의 시험결과는 Table 3과 같다.
실험체의 형상은 Fig. 2와 같으며 사용된 스터드의 제원은 축직경 13 mm, 길이는 108 mm로 KEPIC-SNG 설계기준에 맞추어 축직경의 8 배 이상으로 무시멘트실험체와 비교대상 실험체에 동일하게 적용하였다.
데이터처리
이는 무시멘트로 사용한 고로슬래그시멘트의 성능은 모재의 화학적 조성, 알칼리 활성화제의 종류, 첨가량, 양생온도와 시간 및 물·결합재 등에 의해서 다소 변동적인 것으로 나타나 이에 대한 영향으로 판단된다[6]. 따라서 무시멘트콘크리트의 최대압축강도는 12 MPa를 적용하여 설계식을 계산하였으며 실험값과 비교하였다.
실험결과는 국내기준식인 KEPIC-SNG에서 규정하고 있는 Equation(3)과 국외기준식인 일본의 JEAG-4618에서 제시하고 있는 Equation(4)와 비교하였다.
위의 K값을 정리하여 Table 8 및 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 비탄성 영역에 비해 탄성좌굴영역에 해당되는 실험체의 경우 항복변형률(εy)로 산정한 K값이 콘크리트가 최대응력에 도달할 때의 변형률(εCF)로 계산된 K 값과 비슷한 결과를 보여주고 있으며 강판에서 측정한 변형률로 산정한 유효좌굴길이 계수(K)값이 KEPIC-SNG에서 제시하는 Equation(9)를 이용하여 계산한 값과 비슷하였다.
이론/모형
본 실험에 사용된 강재의 기계적 성질을 파악하기 위해 KS B 0801의 규정에 준하여 시험편 5호를 제작하였다. KS B 0802의 금속인장시험방법에 따라 인장강도시험을 실시하였다. 시험편은 두께가 6.
유효좌굴길이계수(K)는 기둥이론에 의한 강판좌굴강도의 Equation(7)을 이용하여 유도하였다. 이때 K값은 Equation(8)과 같다.
성능/효과
1. 실험결과 최대압축강도는 무시멘트실험체의 경우 B/t가 증가함에 따라 1,878 kN에서 2,146 kN으로 증가하였다. 기준식의 비교에서 KEPIC-SNG와 비교했을 때 평균 98 %로 나타났으며 보수적인 기준으로 JEAG-4618에 대해서는 실험값이 설계값에 약 92 %의 범위를 보여주었다.
2. 비탄성 영역에서 유효좌굴길이 산정 시 강판의 변형률을 선택할 때 접선법과 면적법을 활용하여 유효좌굴길이 계수(K)값을 분석한 결과 비탄성 영역 에서는 면적법이 KEPIC-SNG 및 JEAG-4618과 비슷하였다. 따라서 비탄성 영역에서는 강판의 변형률을 선택할 때 접선법 보다는 면적법이 용이한 것으로 판단된다.
3. 탄성 영역에서는 강판이 탄성좌굴 후 급격하게 콘크리트가 파단되는 파괴양상을 보여주었으며 특히 3 가지 방법에 의해 강판 변형률(εBS)을 선택하여 유효좌굴길이를 계산한 결과 KEPIC-SNG 기준식과 일치하였다.
4. 비탄성 영역의 경우 좌굴길이 계수를 강재의 항복 강도를 이용하여 보수적으로 적용하고 있으며 KEPIC-SNG의 좌굴강도식을 이용하여 산정한 변형룰(εKEPIC), 강재의 항복강도로 산정한 변형률 (εy), 면적법을 이용하여 선택한 변형률(εBS)은 대체적으로 유효좌굴길이 계수(K)값이 비슷한 경향을 보여주었다.
Fig. 6과 같이 실험값과 KEPIC-SNG 기준식을 비교한 결과 OPC 및 황토콘크리트 실험체의 실험값이 대부분 KEPIC-SNG 기준식에 상회하는 결과를 보여주고 있지만 무시멘트 실험체의 경우 실험값이 기준식 대비 약 98 %로 비슷한 결과를 보여주었다. 이는 콘크리트의 강도가 SC구조의 성능에 많은 영향이 있으며 강판의 역할보다는 콘크리트의 역할이 중요하다는 것을 알 수 있다.
실험결과 최대압축강도는 Table 2와 같이 무시멘트실험체의 경우 B/t가 증가함에 따라 1,878 kN에서 2,146 kN으로 증가하였다. 기준식의 비교에서 KEPIC-SNG와 비교했을 때 평균 98 %로 나타났으며 보수적인 기준으로 JEAG-4618에 대해서는 실험값이 설계 값에 약 92 % 의 범위를 보여주었다.
실험결과 최대압축강도는 Table 2와 같이 무시멘트실험체의 경우 B/t가 증가함에 따라 1,878 kN에서 2,146 kN으로 증가하였다. 기준식의 비교에서 KEPIC-SNG와 비교했을 때 평균 98 %로 나타났으며 보수적인 기준으로 JEAG-4618에 대해서는 실험값이 설계 값에 약 92 % 의 범위를 보여주었다.
본 실험에 콘크리트 배합설계강도 18 MPa에 대한 설계배합표는 Table 2와 같다. 무시멘트의 압축강도 실험결과 12 MPa로 당초 계획했던 압축강도보다 낮게 측정되었다. 이는 무시멘트로 사용한 고로슬래그시멘트의 성능은 모재의 화학적 조성, 알칼리 활성화제의 종류, 첨가량, 양생온도와 시간 및 물·결합재 등에 의해서 다소 변동적인 것으로 나타나 이에 대한 영향으로 판단된다[6].
비탄성 실험체의 경우 판의 변형률이 다소 작게 측정 되어 항복변형률(εy)로 산정한 값보다 유효좌굴길이계수 (K)값이 다소 크게 나타났다.
후속연구
이를 위해 압축실험체를 계획하고 중심압축하중을 가력하여 구조체의 거동을 확인하였으며, 친환경성에 부합한 구조 체로서의 사용 가능성을 파악하였다. 이는 추후 일반건축물 특히 모듈러 건축물에 적용 시 산업부산물의 활용도에 대한 검토를 통해 그 구조적 성능이 입증된다면 친환경성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강판콘크리트의 특징은?
강판콘크리트(Steel-plate Concrete, 이하 SC구조 표기)구조는 강판과 콘크리트 및 전단연결재를 사용한 합성구조시스템으로 콘크리트의 취성파괴 및 강판의 좌굴을 어느 정도 방지가 가능한 안전한 구조로 시공 시 강판이 거푸집을 대신할 수 있어 모듈화 공법에서 유리하다[1-4].
콘크리트의 시멘트를 고로슬래그로 대체할 시 어떤 문제를 해결 할 수 있는가?
콘크리트의 시멘트를 고로슬래그로 대체하여 천연자원 및 에너지 고갈문제와 이산화탄소 배출에 의한 환경오염을 동시에 해결 할 수 있을 것으로 판단된다[7].
강판의 B/t의 따른 유효좌굴길이계수의 계산값은?
유효좌굴길이계수를 분석하기 위해 실험체의 적용된 강판의 B/t의 따라 분석을 진행하였다. Table 5에 나타낸 바와 같이 B/t가 20 인 실험체의 경우 항복변형률 (εy)을 이용하여 산정한 K값은 0.99 이고 강판의 좌굴이 시작되는 지점의 변형률(εBS)을 사용하여 계산한 K 값은 1.00∼1.40 의 범위를 보여주고 있으며 평균 1.13 표준편차 0.09로 나타났다. 여기에서 강판의 변형률이 다소 작게 측정되어 항복변형률(εy)로 산정한 값보다 유효좌굴길이계수(K)값이 다소 크게 나타났다.
참고문헌 (12)
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