[논문]스트럿 부재와 융합단면을 이용한 기둥-보 강결 구조물 해석

조재형; 송재호

doi:10.21289/ksic.2020.23.2.289

스트럿 부재와 융합단면을 이용한 기둥-보 강결 구조물 해석
Analysis of Beam-column Joints in a Structure using Strut Members and Composite Section 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.2/1, 2020년, pp.289 - 299

조재형 (금오공과대학교 토목공학과) , 송재호 (금오공과대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The composition of convergence cross-section of the material is a technique that provides reasonable design and construction of structures. It is frequently used in medium-sized bridges and architectural structures. However, the structural behavioral spare capacity enhancement of the structure by the application of the convergence cross-section is still limited by the expandability due to the limiting state of each material. In order to overcome these limitations, this study reasonably analyzed the construction stages before and after the convergence cross-section constructed and developed a technique for forming multi-point boundary conditions using struts, which are compression members. Based on the existing cases, a reasonable construction step for forming the material composite section of the entire structural system of the structure was derived, and a numerical analysis model for a specific part was constructed to analyze the behavior of the strut application. As a result of this study, the effect of reducing the sectional force of 7.40% in beam-column joint and 6.31% in the center of girder was derived, and the deflection, which is a measure of the serviceability of the structure, improved by 54.41% from the installation and dismantling of strut members at each construction stage.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1 Schematic design of research subject structure type
그림 Fig. 2 Idealized numerical analysis models
그림 Fig. 3 Design section of existing case
그림 Fig. 4 Numerical model for the entire structural system
표 Table 1. aterials properties [units : MPa]
그림 Fig. 5 Numerical analysis model for a specific part
표 Table 2. Geometric properties [units : mm]
그림 Fig. 6 General model for numerical analysis (Model 200)
그림 Fig. 7 Model using a strut for numerical analysis (Model 210)
그림 Fig. 8 Convergence cross-section model for numerical analysis (Model 300)
그림 Fig. 9 Sectional forces by slab
표 Table 3. Comparison results of sectional forces between the existing case and this study [units : kN-m]
표 Table 4. The results of deformations by construction cases [units : mm]
그림 Fig. 10 The results of general model (Model 200)
그림 Fig. 11 The results of model using strut (Model 210)
그림 Fig. 12 The results of deformation of convergence cross-section model (Model 300)

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구는 강재 재료와 콘크리트 재료가 융합된 구조물이 적용된 교량에 대하여 시공단계별 구조적 거동을 수치해석적으로 분석하였다. 특히, 거더와 벽체가 만나는 지점부(우각부)에서 임시 경사부재 스트럿를 적용하여 다지점 형성에 따른 단면력 저감 효과와 구조물 사용성 검토의 지표인 처짐의 효과를 검증하였다
본 연구는 이와 같은 이론적 배경을 전제로 하여 수치해석적 접근방법을 통한 실질적인 구조적 거동의 효율도를 분석하고자 한다.
수치해석에 있어서 부분 모델은 해석의 시간을 절약하고 상세부에 대한 정밀 모사를 통해 구조적 거동의 민감도 분석을 위함이 하나의 목적이며, 전체 구조계의 실험적 검증이 불가능할 경우 부분 실험체 제작 수행에 대한 예비 검증차원에서 진행하는 것이 또다른 목적이다. 본 연구에서는 이러한 상세 해석과 분석을 통하여 기존 사례와 비교 검증을 수행하고자 한다.
본 연구의 수치해석적 검증을 위하여 기존 설계자료를 기반으로 스트럿 적용 여부에 따른 단면력의 증감을 검토하고자 한다.

제안 방법

1(a)와 같이 벽체와 거더 연결부인 지점부(우각부)에 경사방향 스트럿을 배치하여 다지점 경계조건을 형성한다. 가설이 완료된 격자 구조의 거더에 콘크리트 바닥판 슬래브 타설과 경화 등의 시공단계로써 각 재료의 융합단면을 형성한다. 거더 지점부 측 콘크리트 바닥판 슬래브에 매립되어 있는 긴장재의 긴장력 도입 공정을 진행하며, Fig.
절점번호 DK05와 LW03, DK09와 RW03을 연결하여 양측우각부에 점선으로 스트럿 부재를 표현하였다. 라멘 구조의 경계조건은 고정단으로 구성하였다. 실제 설계 사례는 지반 강성을 고려하였으나, 수치해석의 목적은 기존 사례와 스트럿에 의한 모델의 단면력 상대비교이므로 경계조건의 형태와 무관하여 모델을 단순화하기 위해 고정단 경계조건을 형성하였다.
본 연구에서는 벽체와 거더의 연결부 간에 경사부재 스트럿을 설치하여 다지점을 형성시킴으로써 특정 시공단계에서 단면력을 저감시키고, 재료 융합단면이 형성됨으로써 구조계 변화가 진행된 후 스트럿을 해체하여 최종적인 단면력 저감을 실현하기 위해 이러한 스트럿 부재를 적용하였다
콘크리트가 경화된 이후 스트럿이 해체되며 스트럿에 작용하고 있는 축력의연직성분이 스트럿과 강재 거더의 연결부에 작용하도록 하여 추가적인 처짐이 유발되어야 최종적으로 정역학적 평형이 구성된다. 산정된 스트럿 축력 P_s의 연직분력 3 6.84kN을 모델300에 작용시켜 처짐을 산정하는 것이 적정한 모델이지만, 본 연구에서는 P_s의 연직분력을 약 30% 할증하여 50kN까지 증가시켜 재하하였다. 콘크리트 바닥판 슬래브의 시공에 따른 별도의 가설하중을 반영하여 보수적인 결과를 유도하기 위하여 이와 같은 하중 증가계수를 적용시켰다.
수치해석용 모델은 기존 사례와 동일하게 스트럿이 없는 우각부 모델을 기준으로 스트럿이 있는 우각부 모델과 콘크리트 바닥판 슬래브가 타설된스트럿 없는 우각부 모델 등 3가지로 분류하였다.
라멘 구조의 경계조건은 고정단으로 구성하였다. 실제 설계 사례는 지반 강성을 고려하였으나, 수치해석의 목적은 기존 사례와 스트럿에 의한 모델의 단면력 상대비교이므로 경계조건의 형태와 무관하여 모델을 단순화하기 위해 고정단 경계조건을 형성하였다. 우각부에서 0.
전체 구조계의 해석은 자중과 우각부 상단 부모멘트 구간에 긴장력 도입 및 콘크리트 바닥판 슬래브의 분포하중 작용 등의 시공단계에 대하여수행하였다. Fig.
구조물의 도심(centroid)을 3차원 보요소(beam element)로 구성하였고 프로그램은 MIDAS Civil 2012를 사용하였다. 절점번호 DK05와 LW03, DK09와 RW03을 연결하여 양측우각부에 점선으로 스트럿 부재를 표현하였다. 라멘 구조의 경계조건은 고정단으로 구성하였다.
84kN을 모델300에 작용시켜 처짐을 산정하는 것이 적정한 모델이지만, 본 연구에서는 P_s의 연직분력을 약 30% 할증하여 50kN까지 증가시켜 재하하였다. 콘크리트 바닥판 슬래브의 시공에 따른 별도의 가설하중을 반영하여 보수적인 결과를 유도하기 위하여 이와 같은 하중 증가계수를 적용시켰다. 이상의 조건으로 해석한 결과, 처짐값 \(\delta \)_{본 연구는 강재 재료와 콘크리트 재료가 융합된 구조물이 적용된 교량에 대하여 시공단계별 구조적 거동을 수치해석적으로 분석하였다. 특히, 거더와 벽체가 만나는 지점부(우각부)에서 임시 경사부재 스트럿를 적용하여 다지점 형성에 따른 단면력 저감 효과와 구조물 사용성 검토의 지표인 처짐의 효과를 검증하였다}

대상 데이터

교량에 사용된 강재의 단면제원을 검토 단면별로 요약하면 Table 2와 같다. 강재 거더의 상부와 하부 플랜지의 폭은 500mm이고 두께는 26mm이다. 복부 높이는 374mm이므로 강재 거더 전체 높이는 374+26+26 = 426mm이다.

이론/모형

4와 같다. 구조물의 도심(centroid)을 3차원 보요소(beam element)로 구성하였고 프로그램은 MIDAS Civil 2012를 사용하였다. 절점번호 DK05와 LW03, DK09와 RW03을 연결하여 양측우각부에 점선으로 스트럿 부재를 표현하였다.

성능/효과

지점부 부분 모델에서 시공단계별 스트럿 부재 설치 및 해체에 따라 특정 검토 위치의 구조물 처짐은 54.41%개선되는 효과로 나타났다.

후속연구

에서의 처짐과 동치이다. 순수 강재 거더는 가설이 완료되어 자중이 작용하는 상태에서 정역학적 평형을 이루고 있으며 향후 콘크리트 바닥판 슬래브가 분포하중으로 작용하는 구조계가 된다. 이 때 l_p에서 처짐을 \(\delta \)₁₁이라고 하면,우각부 부분 모델의 연단부 l_p에서 \(\delta \)₁₁을 유발하는하중을 해석적으로 분석할 수 있는데 이 하중이P₁₁이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	융합단면구조는 어떤 것들이 연구되어왔는가?	건설산업 재료의 특성을 효율적으로 사용하는 융합단면구조는 철근 콘크리트 구조물에서 시작하여 프리스트레스트 콘크리트, 콘크리트 바닥판 슬래브와 강재 거더를 합성한 강합성교, 강재를 콘크리트가 완전히 덧씌운 프리플렉스(Preflex) 구조, SRC(Steel-Reinforced Concrete) 구조[1] 그리고 콘크리트 충전 강관(CFT, Concrete Filled Tubular)[2] 구조에 이르기까지 다양한 형태로 시도되었다. 강재와 콘크리트 재료의 융합단면은 교량 상부 구조 형식의 개선, 보완 및 개발을 토대로 다양하게 현장에 적용하고 있다[3]∼[14].
	교량의 거더로는 무엇이 자주 사용되는가?	철근 콘크리트 구조를 적용한 라멘형식 교량에서는 재료 특성의 한계에 따른 최대 경간길이의 제한으로 박스 암거 수준 등의 소규모 구조물에 적합하였으나, 긴장력의 도입으로 슬래브형 단면에서 탈피하여 거더형 단면으로 변환되고 있다[15]. 교량의 거더는 일반적으로 강재 거더 혹은 콘크리트 거더 등이 사용되는데, 교축 직각방향(교폭 방향)으로 복수 개의 거더가 간격을 두고 배치된다. 최근 강재 거더가 적용된 라멘형식 교량에서 부모멘트부 일체화 형식이 개발되어 거더의 높이를 낮추면서 경간길이를 최대 40m까지 가능하도록 하는 기술 개발이 이루어지고 있다[3], [4].

참고문헌 (18)

C. B. Joh, H. J. Yoon, B. S. Kim, "Design Bending Moments for the Long-Span Deck Slab on the Composite Two-Girder Bridge", JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS A, Vol.27 No.(1A), pp.35-43, (2007).
D. H. Nguyen, W. K. Hong, H. J. Ko, S. K. Kim, "Finite element model for the interface between steel and concrete of CFST (concretefilled steel tube)", Engineering Structures, 185, pp.141-158, (2019).

상세보기
H. O. Jang, J. W. Goo, Y. S. Cha, "The study of composite rahmen bridge behavior improving sectional properties of concrete slab by struts, the temporary compressive members", Proceeding of Korea Concrete Institute, Vol.30 No.2, pp.91-92, (2018).
D. I. Cho, "Structural Performance Evaluation of Steel Composite Frames with Partial Horizontal Tension", Thesis for Doctor of Philosophy, The graduate school of Korea National University of Transfortaion, pp.26-35, (2019).
S. Y. Lee, Y. S. Ahn, M. H. Oh, J. S. Chung, S.D. Yang, "An Experimental Study on the Girder-Abutment Connection for the Steel-Concrete Composite Rigid-Frame Bridge Integrated with PS Bars", Journal of the Korea Concrete Institute, Vol. 24, No. 4, pp. 453-463, (2012).

원문보기 상세보기
S. Y. Lee, "Introduction to the New Type of the Integral Bridge Reducing the Construction Period : PIC Girder Bridge", Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.23 No.3, pp.16-21, (2011).
H. Choi, J. S. Park, D. M. Ok, C. W. Kim, S. K. Cho, S. J. Yoon, "A Study on the Construction Method of Steel-Concrete Composite Girder Used on the Steel-Concrete Composite Rahmen Bridge", Proceeding of Korean Society of Steel Construction, pp. 17-18, (2011).
G. H. Kang, "Construction method of the optimized Steel-Concrete Composit Rahmen Bridges according to the construction step", Thesis for Master of Engineering, The graduate school of Seoul National University of Science and Technology, pp.39-44, (2018).
M. S. Park, S. Kim, "Productivity Analysis of the Site Installation Stage of Laminated Modular Multi-Family Housing", Journal of the Korean Society of Industry Convergence, Vol.22 No.5, pp.519-527, (2019).

원문보기 상세보기
J. D. Nzabonimpa, W. K. Hong, Y. J. Yun, "Experimental investigation of slab joints between existing buildings and new frames for vertical expansion; [Part I]". Struct Design Tall Spec Build. 26, e1334, (2017).

상세보기
J. Kim, W. K. Hong, Y. Yun, "Experimental investigation of the influence of joint connection details between existing buildings and added new frames on failure mode of retrofitted slabs for the vertical expansion of old buildings: Part II", Struct Design Tall Spec Build, 26, e1373, (2017).

상세보기
H. Y. Yang, " Corner Behavior of Retaining Wall Supported by Corner Strut.", Thesis for Master of Engineering, The graduate school of Gachon University, pp.15-16, (2004).
J. W. Choi, M.J.Jang, J.U.Cheon, S.J.Yoon, "An Experimental Study on the Structural Behavior of Steel-Concrete Composite Rahmen Bridge with Hinged End Supports", Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.27, No.2, pp.195-205, (2015).

원문보기 상세보기
S. Kiyota, H. Takasu, "Kouzo Manual", Engineer Book, pp.106, (2004).
M. H. P ark, J. H. Park, J. K. Kim, "Lateral Load Distribution for Prestressed Concrete Girder Bridge", Journal of the Korean Society of Industry Convergence, Vol.4 No.2, pp.157- 166, (2001).
S. E. Park, M. H. Park, J. K. Kim, "Optimum of Damper Position for Steel Frame Structure on Seismic Design", Journal of The Korean Society of Industry Convergence, Vol.12 No.4, pp.187-192, (2009).
J. Kang, "Seismic Performance Evaluation According to Seismic Retrofit Techniques of Existing School Buildings", Journal of The Korean Society of Industry Convergence, Vol.15 No.1, pp.29-36, (2012).

원문보기 상세보기
S. E. Park, M. H. Park, J. K. Kim, "Discrete Optimum Design of the Strut Supported Temporary Structures", Journal of The Korean Society of Industry Convergence, Vol.11 No.3, pp.127-134, (2008).

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증