UHPC 충전형 상현재를 활용한 트러스 데크플레이트 시스템 시공단계 구조성능 평가 Structural Performance of a New Truss Deckplate System with UHPC Infilled Top Chords in Construction Stage원문보기
본 논문에서는 시공단계에서 서포트가 필요 없는 UHPC 충전형 상현재를 활용한 트러스 데크플레이트 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 시스템은 기존의 시스템과 동일한 절대 층고를 유지하면서 증대된 강성과 강도를 보유하며 효과적으로 처짐을 제어한다. 제안된 시스템 및 기존의 시스템의 구조 성능을 평가하기 위해 4.6m의 순 스팬을 갖는 5개의 실험체를 제작하였고 점진적으로 하중을 증가시키며 4점 휨 실험을 수행하였다. 실험을 토대로 실험체별 하중-처짐 그래프를 도출하였고 변수에 따른 비교 및 분석을 진행하였다. 그리고 실험을 기준으로 수행한 비선형 3차원 유한요소해석결과와의 비교를 진행하였다. 비교 및 분석 결과, 기존의 트러스 데크플레이트를 제외한 모든 실험체들이 시공단계 하중에서 건축구조설계기준 및 강구조설계기준에서 제한하는 처짐 기준을 만족하였으며, 실험과 유한요소해석의 결과가 서로 유사한 것을 확인하였다.
본 논문에서는 시공단계에서 서포트가 필요 없는 UHPC 충전형 상현재를 활용한 트러스 데크플레이트 시스템을 제안하고자 한다. 제안된 시스템은 기존의 시스템과 동일한 절대 층고를 유지하면서 증대된 강성과 강도를 보유하며 효과적으로 처짐을 제어한다. 제안된 시스템 및 기존의 시스템의 구조 성능을 평가하기 위해 4.6m의 순 스팬을 갖는 5개의 실험체를 제작하였고 점진적으로 하중을 증가시키며 4점 휨 실험을 수행하였다. 실험을 토대로 실험체별 하중-처짐 그래프를 도출하였고 변수에 따른 비교 및 분석을 진행하였다. 그리고 실험을 기준으로 수행한 비선형 3차원 유한요소해석결과와의 비교를 진행하였다. 비교 및 분석 결과, 기존의 트러스 데크플레이트를 제외한 모든 실험체들이 시공단계 하중에서 건축구조설계기준 및 강구조설계기준에서 제한하는 처짐 기준을 만족하였으며, 실험과 유한요소해석의 결과가 서로 유사한 것을 확인하였다.
In this study, we propose a new truss deckplate system, which does not require temporary floor supports during construction, with ultra-high-performance concrete (UHPC) infilled top bars. The increased stiffness and strength of the proposed system were well retained as compared to those of the exist...
In this study, we propose a new truss deckplate system, which does not require temporary floor supports during construction, with ultra-high-performance concrete (UHPC) infilled top bars. The increased stiffness and strength of the proposed system were well retained as compared to those of the existing truss deckplate systems, thereby resulting in the reduction of maximum deflection at the span center. Four-point bending tests were performed on five specimens with a net span of 4.6 m to evaluate the structural performance of proposed system in the construction stage. In addition, the load-deflection curve was plotted for each specimen, and the effects of test parameters were analyzed. Further, a rigorous nonlinear three-dimensional finite element analysis was performed, and its results were compared with the test results. From the results, it was observed that the test specimens of the proposed system exhibited superior performance as compared to those of the existing one and also satisfied the serviceability requirement during construction provided by the Korea Building Code 2016.
In this study, we propose a new truss deckplate system, which does not require temporary floor supports during construction, with ultra-high-performance concrete (UHPC) infilled top bars. The increased stiffness and strength of the proposed system were well retained as compared to those of the existing truss deckplate systems, thereby resulting in the reduction of maximum deflection at the span center. Four-point bending tests were performed on five specimens with a net span of 4.6 m to evaluate the structural performance of proposed system in the construction stage. In addition, the load-deflection curve was plotted for each specimen, and the effects of test parameters were analyzed. Further, a rigorous nonlinear three-dimensional finite element analysis was performed, and its results were compared with the test results. From the results, it was observed that the test specimens of the proposed system exhibited superior performance as compared to those of the existing one and also satisfied the serviceability requirement during construction provided by the Korea Building Code 2016.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 이와 같은 트러스 데크플레이트 구조 시스템의 단점을 보완하고자 Fig. 1(a)와 같은 새로운 형태의 트러스 데크플레이트 시스템을 제안한다. 그리고 추가적으로 새로운 시스템의 상현재 내부에 충전될 수 있는 재료로서 UHPC (ultra-high performance concrete)를 적용했다.
UHPC는 고강도일 뿐만 아니라 강성 또한 높은 재료이다. 따라서 시공단계에서 구조물의 휨강성에 의해 처짐이 결정되는 트러스 데크플 레이트 시스템에 적용하고자 한다.
가설 설정
1장에서 언급한 실험체의 치수를 기반으로 모델 링 되었다. 재료 및 부재별 항복강도의 경우 Table 2에 나타낸 것과 동일하며, 강재의 비선형 재료거동을 위해 탄성-완전소성(elastic-perfectly plastic) 거동을 가정하였다. 제안된 상현재의 충전재인 UHPC는 Fig.
제안 방법
1(a)와 같은 새로운 형태의 트러스 데크플레이트 시스템을 제안한다. 그리고 추가적으로 새로운 시스템의 상현재 내부에 충전될 수 있는 재료로서 UHPC (ultra-high performance concrete)를 적용했다. UHPC는 고강도일 뿐만 아니라 강성 또한 높은 재료이다.
구조물의 모델링을 위해 솔리드 요 소(C3D20R), 빔 요소(B32), 쉘 요소(S8R)를 사용하였다. 데크 플레이트 바닥판은 쉘 요소로, 트러스 거더의 래티스 및 하현 재 부분은 빔 요소로, 트러스 거더의 상현재는 솔리드 요소로 모델링을 진행하였다. 해석모델의 요소망 형상을 Fig.
또한 그래프들을 통해 도출된 초기 강성 및 처짐을 비교· 분석하였다.
본 연구에서는 트러스 데크플레이트의 상현재를 새로운 형태(C형강)의 제안된 상현재로 교체한 트러스 데크플레이트 시스템의 구조 성능을 4점 휨 실험 및 3차원 유한요소해석을 통해 평가하였다. 실험 변수로 상현재의 종류와 UHPC충전량이 있으며, 5개의 실험체를 제작하였다.
본 장에서는 기존 및 제안된 트러스 데크플레이트 시스템의 휨 성능 평가를 위해 제작된 실험체들에 대한 기본적인 형상 및 세팅과 실험방법 그리고 재료강도를 정리하였다.
본 장에서는 실험결과와의 비교를 위해 수행된 3차원 유한 요소해석의 요소 종류, 해석모델 경계조건, 재료 모델에 대한 정보를 정리하였다. 또한 유한요소해석 결과와 실험 결과의 하중-처짐 그래프의 비교를 진행하였다.
본장에서는 실험 결과들을 통해 도출한 하중-변위 그래프를 비교하였다. 또한 그래프들을 통해 도출된 초기 강성 및 처짐을 비교· 분석하였다.
수치적인 비교를 위해 실험과 해석 결과의 하중-처짐 그래프를 통해 3.3장에서와 마찬가지로 시공단계 하중에서의 처짐을 기준으로 각 실험체의 휨 강성을 도출하여 서로 비교하였다. 실험체별 실험 및 해석의 휨 강성과 실험의 휨 강성 대비 해석의 휨 강성의 상대비를 Table 6에 나타내었다.
실험체들의 실험 결과를 바탕으로 시공단계 하중에서의 실험체들의 처짐을 건축구조기준 및 강구조설계기준(Architectural Institute of Korea, 2016; Korea Society of Steel Construction, 2019) 에 명시된 최대 허용 처짐과 비교하였다. 건축구조기준에따른 구조물의 최대 허용 처짐은 순 스팬의 1/180로, 25.
재료 및 부재별 항복강도의 경우 Table 2에 나타낸 것과 동일하며, 강재의 비선형 재료거동을 위해 탄성-완전소성(elastic-perfectly plastic) 거동을 가정하였다. 제안된 상현재의 충전재인 UHPC는 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 재료실험을 통해 나온 응력-변형률을 적용하였다. 해석모델의 지점조건 및 하중조건을 각각 Fig.
충전재인 UHPC를 스팬의 중앙부 부분에만 충전시켜도 실험체의 강성 및 강도 증대에 효과가 있는지 확인하기 위해 제안된 상현재(C형강)의 내부에 UHPC의 충전량을 0%, 20%, 40%, 100%로 다르게 설정하였고 이들의 실험 결과를 바탕으로 하중-처짐 그래프를 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 실험체 들의 하중-처짐 그래프를 통해 충전량이 증가함에 따라 실험체의 항복 하중 및 초기 강성이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
트러스 데크플레이트 실험체들의 구조성능평가를 위한 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS/CAE(ABAQUS, 2018) 를 이용하여 수행되었다. 구조물의 모델링을 위해 솔리드 요 소(C3D20R), 빔 요소(B32), 쉘 요소(S8R)를 사용하였다. 데크 플레이트 바닥판은 쉘 요소로, 트러스 거더의 래티스 및 하현 재 부분은 빔 요소로, 트러스 거더의 상현재는 솔리드 요소로 모델링을 진행하였다.
2의 실험체 표기법에 의해 Table 1에 정리하였다. 기존의 트러스 데크플레이트가 1개, 제안된 상현재를 활용한 트러스 데크플레이트가 4개이다. 제안된 상현재를 활용한 실험체의 형상은 Fig.
8에 나타내었다. 본 연구에서의 트러스 데크 플레이트에 작용하는 시공단계에서의 하중은 4.317kN/m로 실험하중으로는 19.86kN에 해당한다.
실험에 사용된 재료의 종류는 크게 두 가지로 강재와 UHPC 가 있다. 상현재 종류에 따른 항복강도는 기존의 트러스 데크플레이트의 상현재(D13)가 525MPa, 제안된 트러스 데크플레이트의 상현재(C형강)가 320MPa이다. 하현재와 래티스의 경우 각각 525MPa, 500MPa로 동일하다.
본 연구에서는 트러스 데크플레이트의 상현재를 새로운 형태(C형강)의 제안된 상현재로 교체한 트러스 데크플레이트 시스템의 구조 성능을 4점 휨 실험 및 3차원 유한요소해석을 통해 평가하였다. 실험 변수로 상현재의 종류와 UHPC충전량이 있으며, 5개의 실험체를 제작하였다. 실험 결과에 대한 실험체 별 하중-처짐 그래프를 토대로 변수에 따른 시스템의 구조성 능을 비교·분석하였다.
총 5개의 실험체를 제작하였으며, 기존의 트러스 데크플레이트 실험체가 기준 실험체이며, 각 실험체는 Fig. 2의 실험체 표기법에 의해 Table 1에 정리하였다. 기존의 트러스 데크플레이트가 1개, 제안된 상현재를 활용한 트러스 데크플레이트가 4개이다.
데이터처리
기존의 트러스 데크플레이트 시스템 및 제안된 트러스 데크플레이트 시스템의 구조적 성능평가를 위해 4점 휨 실험을 진행하였다. Fig.
본 장에서는 실험결과와의 비교를 위해 수행된 3차원 유한 요소해석의 요소 종류, 해석모델 경계조건, 재료 모델에 대한 정보를 정리하였다. 또한 유한요소해석 결과와 실험 결과의 하중-처짐 그래프의 비교를 진행하였다.
실험 결과에 대한 실험체 별 하중-처짐 그래프를 토대로 변수에 따른 시스템의 구조성 능을 비교·분석하였다.
트러스 데크플레이트 실험체들의 구조성능평가를 위한 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS/CAE(ABAQUS, 2018) 를 이용하여 수행되었다. 구조물의 모델링을 위해 솔리드 요 소(C3D20R), 빔 요소(B32), 쉘 요소(S8R)를 사용하였다.
성능/효과
1) 상현재 종류에 따른 비교 결과 기존의 트러스 데크플레이트 실험체(D13-X)보다 제안된 상현재를 사용한 트러스 데크플레이트 실험체(CX-F0)의 초기강성이 증가하였으며, 상현재의 좌굴성능이 증대되면서 항복하중이 증가하였다.
2) 충전량 변화에 따른 비교 결과 UHPC 충전량이 증가함에 따라 실험체의 초기강성이 증가하였으며, 상현재의 좌굴성능 또한 점차적으로 증대되면서 항복하중이 증가하였다.
3) 실험체들의 시공단계 하중에서의 처짐을 건축구조기준에서 제시하는 최대 허용 처짐과 비교한 결과, 기존의 트러스 데크플레이트 실험체는 기준을 만족하지 못하였으며, 제안된 상현재를 사용한 실험체들은 모두 기준을 만족하였다.
4) 실험과 유한요소해석 결과를 비교한 결과, 유한요소해석 모델의 거동이 실물 실험체의 거동과 유사하였다. 또한 유한요소해석을 통한 초기강성 및 시공단계 하중에서의 휨 강성이 실험값과 유사한 것으로 보아 해석모델이 비교적 정확하게 실제 구조물의 거동을 예측함을 알수 있다.
5 에 나타내었다. 그래프를 통해 제안된 상현재를 활용한 실험체의 항복하중 및 실험체 강성이 기존의 트러스 데크플레이트보다 크게 증가한 것을 알 수 있다. 두 실험체 모두 Fig.
따라서 유한요소해석 모델이 비교적 정확하게 실제 실험체의 거동을 예측하며, 실험결과와 마찬가지로 충전량 증가에 의한 효과가 나타나는 것을 알 수 있다. 다만 해석결과에서는 실험결과와는 다르게 충전량 20%(CU-F20)의 실험체도 충전에 의한 효과가 있는 것으로 나타나는데, 이는 해석이 실험과는 다르게 C형강과 UHPC 충전재가 완전하게 붙어있는 것으로 모델링하였기 때문인 것으로 판단된다.
Table 3를 통해 항복하중과 초기 강성 모두 제안된 상현재의 실험체가 2배 이상인 것을 알 수 있다. 따라서 제안된 상현재가 기존의 상현재 보다 구조물의 초기 강성 및 항복하중 증대에 효과적인 것으로 판단된다.
이에 따라 제안된 실험체들의 처짐이 감소하였으며, 기준 실험체(D13-X)를 제외한 제안된 실험체들 모두 최대 허용 처짐을 만족하는 것을 알 수 있다. 따라서 제안된 상현재를 활용한 데크플레이트가 구조물의 시공단계 처짐을 제어하는데 있어 효과적이라 판단된다.
6(b)에 나타낸 것과 같이 스팬 중앙부 상현재의 좌굴에 의해 항복되었다. 따라서 제안된 실험체의 항복 하중이 증가한 것을 통해 상현재의 좌굴 성능 또한 증대된 것을 알 수 있다.
4) 실험과 유한요소해석 결과를 비교한 결과, 유한요소해석 모델의 거동이 실물 실험체의 거동과 유사하였다. 또한 유한요소해석을 통한 초기강성 및 시공단계 하중에서의 휨 강성이 실험값과 유사한 것으로 보아 해석모델이 비교적 정확하게 실제 구조물의 거동을 예측함을 알수 있다.
상현재의 좌굴성능은 충전량 20%에서는 크게 효과가 없지만 충전량 40%부터는 효과가 나타나는 것으로 판단된다. Fig.
7에 나타내었다. 실험체 들의 하중-처짐 그래프를 통해 충전량이 증가함에 따라 실험체의 항복 하중 및 초기 강성이 점차적으로 증가하는 것을 알 수 있다.
위와 같은 결과들을 토대로 UHPC 충전량이 증가할수록 구조물의 구조적 성능이 증가하며, 상현재의 좌굴성능 증대에 큰 효과가 있는 것으로 판단된다.
Table 5를 통해 휨 강성의 경우 기준 실험체(D13-X) 대비 제안된 실험체들이 약 2배로 휨 강성이 증가한 것을 알 수 있다. 이에 따라 제안된 실험체들의 처짐이 감소하였으며, 기준 실험체(D13-X)를 제외한 제안된 실험체들 모두 최대 허용 처짐을 만족하는 것을 알 수 있다. 따라서 제안된 상현재를 활용한 데크플레이트가 구조물의 시공단계 처짐을 제어하는데 있어 효과적이라 판단된다.
이는 기준 실험체(D13-X)의 경우 제안된 실험체들보다도 좌굴에 의한 변형이 큰데, 앞서 실험과 해석의 항복하중의 차이에서와 마찬가지로 좌굴이 반영되지 못했기 때문인 것으로 판단된다. 제안된 실험체들의 경우 상대비가 평균 1.04로 실험과 해석이 거의 유사한 것을 알 수 있다. 또한 실험과 마찬가지로 충전량이 증가함에 따라 해석의 휨 강성 또 한 점차적으로 증가하는 것을 볼 수 있다.
후속연구
다만 해석의 항복하는 하중인 실험의 항복 하중보다 다소 높은 것을 알 수 있다. 이는 해석의 경우 실험에서의 항복 유형 인 상현재와 래티스 부재의 좌굴을 고려하지 않았기 때문에 발생한 것으로 추후에 추가적인 좌굴변수에 대한 고려를 하여 유한요소해석을 수행하면 차이를 좁힐 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
트러스 데크플레이트이 많은 현장에 사용되는 이유는?
대표적인 공장생산 및 건식공법 부재로는 데크플레이트가 있으며, 데크플레이트는 크게 합성 슬래브용과 거푸집용으로 구분되는데, 강판 두께가 얇고 상대적으로 저렴한 철근을 사용하는 거푸집용 데크플레이트인 트러스 데크플레이트가 대세를 이루고 있다. 트러스 데크플레이트는 슬래브 시공 시 현장 시공 최소화 및 거푸집 공사비 절감 등의 장점이 있어 많은 현장에 적용되고 있다(Woo et al., 2008; Lee, 2010; Kim et al.
트러스 데크플레이트 구조시스템으로 구현할 수 있는 최대 휨 강성 및 강도 또한 제한되어 일반적으로 최대 4m 내외의 비교적 작은 스팬에 대해서만 시스템의 적용이 가능한 이유는?
트러스 데크플레이트의 구조적 성능을 담당하는 트러스 거더는 상현재와 하현재, 래티스로 이루어져 있다. 각 부재는 코일에 감겨있는 선재를 기계 장비를 이용하여 가공하고 점용접을 통해 일체화시킨다(Lee and Yoon, 2012). 이 때 상현 재 및 하현재의 직경이 커지면 코일에 감겨있는 선재의 가공에 들어가는 비용이 커지게 되어 상현재 및 하현재의 최대 직경에 제한이 생긴다. 이에 따라 트러스 데크플레이트 구조시스템으로 구현할 수 있는 최대 휨 강성 및 강도 또한 제한되어 일반적으로 최대 4m 내외의 비교적 작은 스팬에 대해서만 시스템의 적용이 가능하다.
트러스 데크플레이트의 구성요소는?
트러스 데크플레이트는 일반적인 강구조 부재와 마찬가지로 공장자동화 생산과정에 의해 제조된다. 트러스 데크플레이트는 크게 트러스 거더와 바닥판 데크플레이트의 두 부분으로 구성된다. 트러스 데크플레이트의 구조적 성능을 담당하는 트러스 거더는 상현재와 하현재, 래티스로 이루어져 있다. 각 부재는 코일에 감겨있는 선재를 기계 장비를 이용하여 가공하고 점용접을 통해 일체화시킨다(Lee and Yoon, 2012).
참고문헌 (9)
ABAQUS (2018) User's Manual Ver.6.17, H.K.S. Inc.
Architectural Institute of Korea (2016) Korea Building Code and Commentary (in Korean).
Kang, M.J., Kim. S.S. (2015) Structural Performance Evaluation of Steel Wire-Integrated Deck Plate according to the Construction Load, Archi. Inst. Korea, 31(5), pp.3-12.
Kim, S.B., Park, J.Y., Kim, S.S. (2011) Performance Evaluation of Steel Wire-integrated Void Deck Plate with Omega Type Plate, Archi. Inst. Korea, 27(6), pp.31-38.
Korea Society of Steel Construction (2019) Structural Steel Design (in Korean).
Lee, K.J., Kim, W.Y., Jung, J.W., Kim, E.K., Yang, I.S. (2014) Structural Performance of RC Slab using Steel Wire Integrated Deck Plate, Archi. Inst. Korea, 34(2), pp.523-524.
Lee, Y.J. (2010) Test research of Structural Safety for Steel Wire-Intergrated Deck Plate System, Korea Inst, Struct. Maint. & Insp., 14(6), pp.220-228.
Lee, Y.J., Yoon, S.C. (2012) Development of Steel Wire-Integrated Deck Plate Applicable to Stab with 180mm Thickness, Korea Inst, Struct. Maint. & Insp., 16(1), pp.89-98.
Woo, S.Y., Jung, H.M., Lee, S.H., Chae, H.S., Choi, S.M. (2008) An Evaluation of Bending and Shear Resisting Strengths of Wire-Integrated Deck Plate System using Lightweight Concrete, Archi, Inst, Korea, 28(1), pp.293-296.
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