[논문]강재 단순보 단부에 근접한 개구부의 구조성능에 관한 실험적 연구

한동호; 윤성기

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.138

강재 단순보 단부에 근접한 개구부의 구조성능에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Structural Performance of Openings at End Steel Beams 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.138 - 145

한동호 (부산대학교, 건설융합학부) , 윤성기 (부산대학교, 건설융합학부)

초록
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본 연구는 강재 단순보의 유공보 시스템에서 개구부를 지지점 에 근접한 위치에 설치하는 경우에 대하여 구조성능을 파악하고자 실험을 실시하였다. 또한 수직·수평 강판을 이용한 개구부 보강에 대하여도 실험을 통하여 구조성능을 파악하였다. 강재 단순보에서 개구부가 지지점에 근접한 위치인 강재보 높이의 절반(D/2)인 경우에 강재보 높이(D)인 경우보다 적절한 개구부 위치인 것을 알 수 있었다. 또한 보강방법으로는 수직강판 보강보다는 수평강판 보강이 보강효과가 크며, 개구부와 강판의 간격이 없는 것이 구조성능이 더 큰 결과를 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study was conducted to identify the structural performance of the opening in a location close to the support point in the perforated beam system of steel beams. In addition, structural performance was determined through experiments on reinforced openings using vertical and horizontal steel plates. In the steel simple beam, it was found that the opening was in a position closer to the support point, half the height of the steel beam (D/2), which was more appropriate than the height of the steel beam (D). In addition, the reinforcement effect of horizontal steel plate was greater than that of vertical steel plate reinforcement. Structural performance was improved when there was no gap between openings and steel plates.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Opening Position Restriction Regulation
그림 Fig. 2 Specimen detail
표 Table 1 Specimen schedules
그림 Fig. 3 Loading Plan
그림 Photo 1 Test set up
그림 Photo 2 Failure Shape of the test Specimen
표 Table 2 Material experiment results
표 Table 3 Failure Shape of the test Specimen
그림 Fig. 4 Load-Displacement Relationship - 1
그림 Fig. 5 Load-Displacement Relationship - 2
표 Table 4 SB00-N0, SB15-N1, SB30-N2 Load and Displacement
표 Table 5 SB15-N1, SB15-V1, SB15-V0 Load and Displacement
그림 Fig. 6 Load-Displacement Relationship - 3
표 Table 6 SB15-N1, SB15-H1, SB15-H0 Load and Displacement
그림 Fig. 7 AISC Propose Value - 1
그림 Fig. 8 AISC Propose Value - 2
표 Table 7 AISC Propose Value - 1
표 Table 8 AISC Propose Value - 2

AI 본문요약
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문제 정의

한다. 또한 강재 단순보의 지지점에 개구부 가장자리가 강재보 높이 절반(D/2)인 경우에 수직과 수평 강판보강 및 개구부와 강판 간격여부에 따른 실험을 실시함으로서 구조성능의 변화를 파악하여 보강성능을 확인하고자 한다.
본 연구는 지지점과 개구부 가장자리의 이격이 강재보 높이(D)보다 가까운 위치일 경우(D/2)에 대하여 무보강 유 공보 실험체와 강판보강 유공보 실험체에 대한 실험을 실시한 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 강재 단순보의 지지점에서 개구부 가장자리가 강재보 높이(D)의 경우와 강재보 높이 절반(D/2)인 경우의 실험을 실시하여 구조성능의 변화를 파악함으로서 강재보 지지점에 근접한 단부에 개구부 설치 가능여부에 대하여 알아보고자 한다. 또한 강재 단순보의 지지점에 개구부 가장자리가 강재보 높이 절반(D/2)인 경우에 수직과 수평 강판보강 및 개구부와 강판 간격여부에 따른 실험을 실시함으로서 구조성능의 변화를 파악하여 보강성능을 확인하고자 한다.

제안 방법

두 번째로는 실험체의 중앙부에 임의의 가력하중 300 kN 인 경우에 대하여 설계강도(_, _)를 적용하고, 극한 강도를 이론값(_, _)과 실험시 극한값(_, _)을 각각 적용하여 AISC의 제안값(_, _)을 산출하였으며 그 결과는 Table 8, Fig. 8과 같다.
무보강 유공보 실험체(SB15-N₁, SB30-N₂)와 수평강판 보강 유공보 실험체(SB15-H0)의 실험결과를 적용하여 AISC의제안식을 이용하여 휨내력과 전단내력 상호관계를 평가하였다. 개구부 양쪽 중 휨과 전단력이 큰 위치인 강재보 실험체의 중앙 쪽 개구부 가장자리 부분의 실험값을 적용하였다.
실험결과 분석에서 사용한 항복은 탄성구간의 초기강성 기울기의 1/3인 직선과 소성구간의 곡선의 교차점을 항복점으로 한다.
실험계획은 강재 단순보의 형태로 휨 및 전단력을 동시에 작용하도록 실험체 양쪽 지지점에 롤러를 사용한다.
실험체 계획은 강재보 무공 실험체와 함께 개구부 가장자리와 지지점 이격이 150 mm, 300 mm인 강재보 유공 실험체, 그리고 개구부 가장자리와 지지점 이격 150 mm인 강재보 유공 실험체에 수직 강판보강 및 수평 강판보강에 대하여 개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm인 강재보 경우와 간격 없는 강재보 경우로 나누어서 한다.
첫 번째로는 실험결과 중 항복하중 시의 실험값을 설계 강도(, _)로 적용하고, 극한강도는 이론값(_, _)과 실험의 극한값(_, _)을 각각 적용하여 AISC의 제안값(, )을 산출하였으며 그 결과는 Fig. 7과 Table 7과 같다.

대상 데이터

개구부 양쪽 중 휨과 전단력이 큰 위치인 강재보 실험체의 중앙 쪽 개구부 가장자리 부분의 실험값을 적용하였다.
본 연구의 재료실험은 KSB0801인 금속재료 인장시험 규정에 따라 일반구조용 압연강재인 SS275인 H-300×150×9/6.5 에서 채취한 6.5 mm와 9.0 mm의 시험편을 제작하여 재료실험을 실시하였다.
실험체 규격은 H-300×150×9/6.5로서, 일반구조용 압연 강재인 SS275로 한다. 실험체의 총길이는 2,000 mm으로 양쪽 끝에 100 mm의 여장과 지지점간의 거리가 1, 800 mm이다.
1/4인 75 mm로 계획한다. 실험체는 Fig. 2, Table 1과 같이 총 7개를 계획한다.
5로서, 일반구조용 압연 강재인 SS275로 한다. 실험체의 총길이는 2,000 mm으로 양쪽 끝에 100 mm의 여장과 지지점간의 거리가 1, 800 mm이다.
처리한다. 하중전달을 위하여 실험체의 중앙 하중 재하위치, 양쪽 단부 지지점 위치에 하중점 스티프너(t = 9.0 mm)를 설치하며, 개구부 보강에 사용한 보강강판은 일반구조용 압연강재인 SS275(t = 9.0 mm)를 사용한다.

성능/효과

1) 강재 단순보에서 지지점과 개구부의 이격이 강재보 높이 절반(D/2)인 경우가 높이(D)인 경우보다 강도와 연성능력이 부족하지 않다고 평가되므로, 개구부에 덕트 및 배관 등의 설비시설의 시공이 용이한 개구부의 이격이 강재보 높이 절반(D/2)인 경우를 사용하는 것이 가능할 것으로 판단된다.
2) 지지점과 개구부의 이격이 강재보 높이 절반(D/2)인 모델의 보강형태에 따른 실험체의 결과에서, 수평강판 보강 실험체가 수직강판 보강 실험체보다 항복하중과 극한하중 측면에서 보강효과가 큰 것으로 평가되었다.
3) 개구부와 보강강판의 간격이 없이 강판보강을 하는 방법은 시공시 정밀한 작업이 필요하다는 단점이 있으나 개구부와 보강강판의 간격이 15 mm인 경우보다 보강 효과는 큰 것으로 평가되었다.
4) 보강효과가 가장 큰 개구부의 간격이 없는 수평강판 보강 유 공보 실험체는 무공 강재보인 실험체와 실험결과를 비교해보면 항복하중은 작게 측정되지만, 극한하중은 거의 비슷하게 측정되어 내력에 대한 보강이 충분히 된 것으로 평가된다. 또한 극한하중시 변위는 147.
5) 본 실험의 항복시 결과값을 적용하여 AISC의 제안값() 을 산정하면 강재보 무보강 실험체는 개구부의 위치가 상이한 경우에도 비슷한 AISC의 제안값()을 나타내고 있으며, 수평강판 보강 유공보 실험체는 AISC의 제안값 () 1.29~0.98로 유공보의 내력 보강 효과를 얻는 것이 가능한 것으로 판단된다.
6) 강재 유공보에서 지지점과 개구부 가장자리의 이격이 강재보 높이보다 가까운 위치인 경우(D/2)에 개구부 보강 방법으로 수평강판 보강을 한다면 내력에 대한 보강 효과와 함께 연성의 증가로 인한 에너지흡수능력이 증대되는 효과를 얻을 수 있다고 판단된다.
AISC의 제안값  평가에서 항복하중 시의 실험값을 설계 강도로 적용하고, 극한강도를 이론값을 적용한 경우가 실험 시 극한값을 적용한 경우보다 AISC의 값이 크게 평가되었다. 이는 이론값과 상이하게 실험값이 모멘트보다 전단력이 지배하는 보의 형태이기 때문으로 판단된다.
강판보강 유공보 실험체 중 가장 효율적인 결과로 측정된 개구부와 보강강판의 간격이 없는 수평강판 보강 유공보인 SB15-H0 실험체와 무공 강재보 SB00-N0 실험체의 결과를 비교하면, SB00-N0 실험체보다 SB15-H0 실험체가 항복하중 24.01 % , 극한하중 0.34 %로 작게 측정되었지만, 항복변위는 5.7 % 크고, 극한하중 시 변위는 147.24 %로 상당히 크게 나타났다.
개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm으로 수평강판 보강된 유공보인 SB15-H₁ 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기에 선형 거동하며, 가력하중이 308.69 kN에서 항복한 후, 하중이 계속 증가하여 387.07 kN 극한하중을 기록한 이후 서서히 감소되는 형태를 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N₁ 실험체와 비교하면 항복하중은 55.
개구부 가장자리와 보강강판 간격 15 mm인 수직강판 보강한 SB15-V1 실험체의 하중-변위 곡선은 하중의 가력 초기에 선형 거동을 하며, 이후 가력하중이 증가하여 208.59 kN에서 항복하였고, 230.51 kN에서 극한하중을 도달하였다. 이후 서서히 감소되는 형태를 보였다.
개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수직강판 보강한 SB15-V0 모델의 하중-변위 곡선은 가력 초기에는 선형 거동을 하며 가력하중이 223.50 kN에서 항복하였으며, 255.23 kN 지점에서 극한하중을 기록하였다. 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교하면 항복하중은 12.
개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강 유공 보인 SB15-H0 실험체에 대한 극한강도를 이론값을 적용한 AISC의 제안값  평가는 보강 성능을 만족하지 못하지만, 실험 시 극한값을 적용한 경우에는 보강을 만족하는 것을 알 수 있었다.
있다. 개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강 유공 보인 SB15-H0 실험체의 AISC의 값은 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교해보면 보강효과가 있는 것으로 평가되었다. 특히 _는 0.
있다. 개구부 가장자리와 보강강판 간격 없이 수평강판 보강한 유공 보인 SB15-H0 실험체는 AISC의 값은 무보강 유공보인 SB15-N1 실험체와 비교해보면 보강효과가 있는 것으로 평가되었다. 특히 _는 0.
개구부 이격 150 mm인 무보강 유공보 SB15 –N₁ 실험체의 하중-변위 곡선은 가력 초기에는 선형 거동 이후, 199.04 kN 에서 항복하고, 219.08 kN에서 극한하중을 도달한 후 서서히 감소하는 거동을 보였다.
개구부와 보강강판의 간격에 유무에 따른 강재보 실험체의 결과를 각각 비교해보면, 간격이 없는 실험체(SB15-H0, SB15 -V0)가 간격 15 mm인 실험체(SB15-H₁, SB15-V1)에 비하여 항복 하중 7.49~10.37 %, 극한하중 11.28~15.88 %로 증가되었으며, 항복변위는 -3.85~1.31 %로 비슷하지만, 극한하중 시 변위는 18.05~82.53 %로 크게 증가되는 것으로 나타났다. 이는 개구부 가장자리에 집중되는 응력을 바로 보강 강판으로 전달되어 응력 집중을 완화하기 때문으로 판단된다.
87 kN에서 극한하중을 도달하고 이후 감소되는 거동을 보였다. 무보강 유공 보인 SB15-N₁ 실험체와 비교하면 항복하중은 65.46 %, 극한하중은 92.56 % 큰 것으로 나타났다.
이후 서서히 감소되는 형태를 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N₁ 실험체와 비교하면 항복하중은 4.8 %, 극한하중은 5.22 % 큰 것으로 평가되었다.
07 kN 극한하중을 기록한 이후 서서히 감소되는 형태를 보였다. 무보강 유공보인 SB15-N₁ 실험체와 비교하면 항복하중은 55.09 %, 극한하중은 76.68 % 크게 나타났다.
무보강 유공보인 실험체(SB15-N₁, SB30-N₂)는 무공 강재 보인 SB00-N0 실험체와 비교분석해 보면 상이하게 항복 하중 이후 극한하중 위치가 항복하중에 가깝고, 변형도경화 구간 보이지 않는 특징이 있는 것으로 나타났다.
수직강판 보강 유공보 실험체(SB15-V1, SB15-V0)의 실험 결과에서 분석된 하중-변위 곡선의 형태는 무보강 유공보 실험체(SB15 -N₁, SB30-N₂)와 비슷한 형상을 보이며, 또한 기본 모델의 실험체에 보다 항복 이후 강성비가 낮은 특징이 발견되었다.
수직강판 보강 유공보인 SB15-V1 실험체가 무보강 유공보 SB15-N1 실험체보다 항복하중은 4.80 %, 극한하중은 5.22 %, 항복변위는 5.26 %, 극한하중시 변위는 10.91 % 증가되었다.
수평강판 보강된 SB15-H₁ 실험체는 항복하중 50.29 %, 극한하중 71.46 %, 항복변위 21.38 %, 극한하중시 변위 128.50 %로 더 크게 증가되었다. 이는 수평강판 보강은 단면손실이 발생되는 개구부 부분에 집중되는 응력을 개구부 주변 부분으로 분산시키는 역할이 효과적이기 때문으로 판단된다.
재료실험의 결과는 Table 2와 같고, 측정된 평균값인 항복강도는 339.84 MPa이며, 인장강도는 459.87 MPa로 측정되었다. 이 결과는 추후 실험체의 내력분석 연구에 활용한다.
지지점과 개구부의 가장자리까지 거리가 150 mm인 무보강 유공보 SB15-N₁ 실험체와 300 mm인 무보강 유공보 SB30 -N2 실험체의 실험결과를 볼 때, SB30-N₂ 실험체보다 SB15 -N1 실험체가 항복하중은 1.88 %, 극한하중은 2.44 %, 항복 변위는 3.16 %, 극한하중시 변위는 1.63 % 더 크게 측정되었다. 이는 단순보에서 중앙부에서의 거리가 먼 위치에 개구부가 있으므로, 모멘트가 상대적으로 작게 작용하기 때문이다.

후속연구

87 MPa로 측정되었다. 이 결과는 추후 실험체의 내력분석 연구에 활용한다.

참고문헌 (7)

Darwin(1990), Steel and Composite Beams with Web Openings, Report, University of Kansas Center for Research, University of Kansas Center.
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Kim, K.S.(1980), A Study on the Structural Rigidity of H-Shape Steel Beam with Hole in Web, Journal of the architectural institute of Korea, The Architectural Institute of Korea, 24(1), 57-60.
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Kim, K.H(2018), Evaluation of Shear Performance of Reinforced Concrete Beams for Varying Reinforcement Details of Web Opening, Journal of Korean Institute for Structural Maintenance and Inspection, Korean Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(4), 19-26.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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