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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.
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