[논문]재료 융합 단계와 임시 스트럿의 경계조건을 이용한 기둥-보 강결 구조물의 효율적인 거동 연구

조재형; 송재호

doi:10.21289/ksic.2020.23.2.361

재료 융합 단계와 임시 스트럿의 경계조건을 이용한 기둥-보 강결 구조물의 효율적인 거동 연구
A Study for Efficient Behavior of Beam-column Joint Structure Using Material Convergence Section Stage and a Temporary Boundary Condition by Strut 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.23 no.2/1, 2020년, pp.361 - 374

조재형 (금오공과대학교 토목공학과) , 송재호 (금오공과대학교 토목공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, small and medium-sized rahmen-type bridges have been developed as a technology that ensures the stability of structural behavior and the safety of use at the same time by using efficient and economical materials that make up the convergence section of reinforced bar, structural steel and concrete. This study is about a rahmen-type structure applied with the installation and dismantling of the strut. It improves the serviceability of the structure by forming multi-points and efficiently applies the convergence section of structural steel and concrete materials to the structural system changes to induce the displacement improvement effect additionally. By constructing mock-up models for the beam-column joint, the displacement was calculated and compared, and this was compared and analyzed by numerical analysis. The final displacement showed an improvement effect of 13.46% to 36.28% based on the vertical displacement of the existing structure without struts through the experiment of the mock-up models. As a result of analysis by numerical analysis method, the displacement improvement effect of 42.89% could be derived.

주제어

표/그림 (29)

그림 Fig. 1 Idealized numerical analysis simple span model
그림 Fig. 2 Idealized numerical analysis model of simple span using struts
그림 Fig. 3 Sequential model analysis method
그림 Fig. 4 Drawing of a beam-column joint structure for the mockup test
그림 Fig. 5 Drawing of a beam-column joint structure using convergence section for the mockup test
그림 Fig. 6 The mockup test model without strut
그림 Fig. 7 The load-displacement curves resulted from the mockup test of non-strut model
표 Table 1. Materials properties [units : MPa]
표 Table 2. The results of load-displacement for the mockup test of non-strut model
그림 Fig. 8 The mockup test model using strut
그림 Fig. 9 The load-displacement curves resulted from the mockup test using strut
표 Table 3. The results of load-displacements for the mockup test using strut
표 Table 4. The results of strut strain for the mockup test (×10^-6)
그림 Fig. 10 The mockup test model using convergence section
그림 Fig. 11 The load-displacement curve resulted from the mockup test of convergence section model
표 Table 5. The results of load-displacement for the mockup test of convergence section model
그림 Fig. 12 General model for numerical analysis (Model 200)
그림 Fig. 13 Model using a strut for numerical analysis (Model 210)
그림 Fig. 14 Convergence cross-section model for numerical analysis (Model 300)
그림 Fig. 15 The results of general model (Model 200)
그림 Fig. 16 The load-displacement curves of non-strut model resulted from the mockup test and the numerical analysis
표 Table 6. The results of load-displacement for the numerical analysis of non-strut model
그림 Fig. 17 The results of model using strut (Model 210)
그림 Fig. 18 The load-displacement curves using strut model resulted from the mockup test and the numerical analysis
표 Table 7.The results of load-displacement for the numerical analysis using strut
표 Table 8. The results of stresses on the strut for the numerical analysis using strut [units: MPa]
그림 Fig. 19 The results of displacement of convergence section model (Model 300)
표 Table 9. The results of load-displacement for the numerical analysis of convergence section model
그림 Fig. 20 The load-displacement curves of convergence section model resulted from the mockup test and numerical analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 경사부재 즉 스트럿 부재의 설치 및 해체에 대한 효과를 실험적으로 검증하기 위하여스트럿 부재 설치가 가능하도록 벽체부를 구성하고 특정길이의 거더와 연결하는 실험체를 구성하였다.
본 연구에서는 스트럿 부재를 경계조건을 형성하기 위해 활용하고, 시공단계에서 구조계의 변화에 적극적으로 대응하기 위해 재료의 융합단계를 효율적으로 적용하여 하중 단계에 따른 적정한 강성이 발휘되도록 융합된 단면 형성 시기를 구성하였다. 시공단계로 살펴보면, 벽체와 거더가 연결된 라멘형 구조형식에서 경사 스트럿을 설치하여 구조물에 다지점을 형성한다.
본 연구에서는 이와 같은 시공단계별 구조적 거동을 검증하기 위하여 벽체와 거더 연결부에 대한 부분 실물 모형체를 제작하여 하중과 처짐의 응답을 분석하였다. 또한 수치해석적 기법으로 모델의 응답도를 분석하여 실물 모형체의 결과와 상호비교 분석하였다.

가설 설정

구조물의 경계조건은 바닥부 각 절점에 고정단 경계조건을 형성하였다. 구조물의 거동은 탄성적 거동으로 가정하여 선형방정식의 결과만 고려하였다.

제안 방법

δ21과 δ22를 합산한 처짐값을 δ11 과 비교하여 스트럿의 효과를 검증하였다.
특히, 가력에 따른 실험체의 면외 변위를 방지하기 위하여 실험체 연단부(자유단부)에 별도의 수직프레임을 양쪽으로 구성하였다. 가력부 하단과 벽체-거더연결부측에 변위계를 설치하여 처짐을 측정하였다.
10과 같다. 가력하중은 250kN까지 재하하였고 연직처짐과 수평처짐의 측정은 실험체 연단부(자유단)와 벽체-거더 연결부 연단에서 계측하였다.
구조물 시공단계에서 콘크리트 슬래브가 하중으로 작용하는 단계를 연구대상의 초기 처짐(δ11)으로 산정하였다.
본 연구는 벽체와 거더 연결부의 부분 실물 모형체를 제작하여 재하실험을 실시하였고, 수치해석모델로써 그 결과를 상호 비교 분석하였다. 구조물 시공단계에서 콘크리트 슬래브가 하중으로 작용하는 단계를 연구대상의 초기 처짐(δ₁₁)으로 산정하였다.
스트럿 부재의 효과를 검증하기 위하여 본 연구의 수치해석적 검증을 위하여 Fig. 4 및 Fig. 5와 같이벽체와 거더의 부분 실물 모형체를 제작하였다.
실물 모형 실험체 거동의 검증을 위하여 수치 해석 모델을 구성하여 동일한 실험 방법으로 모사하였다. 수치해석용 프로그램은 범용프로그램으로 MIDAS Civil 2012를 사용하였고 3차원 플레이트요소(Plate element)를 사용하였다.
수치해석용 프로그램은 범용프로그램으로 MIDAS Civil 2012를 사용하였고 3차원 플레이트요소(Plate element)를 사용하였다. 실물 모형체와 동일하게 벽체하단의 전면부와 배면부에 보강재를 배치하여 바닥판과 일체 구성을 하였다. 구조물의 경계조건은 바닥부 각 절점에 고정단 경계조건을 형성하였다.
연직처짐은 거더 연단에서 측정하였고, 수평처짐은 거더와 벽체가 연결되는 연단에 배치하여 측정하였다. 하중재하점은 거더 연단에서 500mm 이격된 위치에 재하하였다.
콘크리트 슬래브가 강재와 융합단면을 구성하여 단면 강성 증가에 의해 구조계가 변화한 다음 스트럿 해체에 기인하는 추가 하중에 의한 처짐 발생을 본 연구의 최종처짐(δ21+δ22)으로 산정하여 비교하였다.

대상 데이터

4(b)와 같이 H400×400× 26×26으로 단면을 구성하였고 벽체 배면으로 플랜지폭 500mm, 두께 16mm, 높이 100mm의 T형상으로 보강을 하였다. 거더부강재의 상부와 하부플랜지 폭은 500mm이고 두께는 각각 26mm와 28mm이며, 복부높이는 474mm로 총 거더부 강재 높이는 528mm이다.
4는 벽체와 거더의 뼈대구조인 강재구조물로 구성하였고 스트럿을 볼트이음으로 벽체와 거더부에 연결하여 설치 및 해체를 실시할 수 있도록 하였다. 거더측 길이는 5,316mm이며 벽체부의 높이는 바닥 고정용 플레이트 32mm, 벽체높이 2,828mm이다. 스트럿 길이는 4,938mm이고 바닥에서 500mm 높이에서 경사배치를 하였으며 연직방향 높이는 1,800mm이다.
4의 뼈대에 벽체부 배면과 전면 그리고 거더부에 철근을 배근하여 콘크리트를 융합시킨 실물 모형체이다. 벽체부 높이는 3,102mm이고 거더부 길이는 5,500mm이다. Fig.
벽체부 단면은 Fig. 4(b)와 같이 H400×400× 26×26으로 단면을 구성하였고 벽체 배면으로 플랜지폭 500mm, 두께 16mm, 높이 100mm의 T형상으로 보강을 하였다.
본 연구는 경계조건 형성을 위하여 스트럿 부재를 활용하였다. 스트럿은 트러스구조의 압축부 재로 활용되거나 가시설 흙막이 구조물의 버팀대[11-12] 혹은 내진성능 향상을 위한 감쇠기[13-14] 등에 주로 이용되는 부재이다.
거더측 길이는 5,316mm이며 벽체부의 높이는 바닥 고정용 플레이트 32mm, 벽체높이 2,828mm이다. 스트럿 길이는 4,938mm이고 바닥에서 500mm 높이에서 경사배치를 하였으며 연직방향 높이는 1,800mm이다. 스트럿에 사용한 단면은 H300×300×10×15로써 단면적은 0.
스트럿 적용 실험 체는 연직처짐(δ21)이 12.84mm이고 강재와 콘크리트 융합단면 실험체에 스트럿 단면력의 연직분력(Pδ,y) 이 작용할 때 연직처짐(δ22)은 2.33mm가발생하여 δ21+δ22 는 15.17mm이다.
콘크리트는 설계기준강도 f_ok =27MPa 규격을 사용하였다. 철근은 SD40규격을 사용하였고 강재는 SM490규격을 사용하였다.
콘크리트는 설계기준강도 fok =27MPa 규격을 사용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 이와 같은 시공단계별 구조적 거동을 검증하기 위하여 벽체와 거더 연결부에 대한 부분 실물 모형체를 제작하여 하중과 처짐의 응답을 분석하였다. 또한 수치해석적 기법으로 모델의 응답도를 분석하여 실물 모형체의 결과와 상호비교 분석하였다.
실물 모형 실험체 거동의 검증을 위하여 수치 해석 모델을 구성하여 동일한 실험 방법으로 모사하였다. 수치해석용 프로그램은 범용프로그램으로 MIDAS Civil 2012를 사용하였고 3차원 플레이트요소(Plate element)를 사용하였다. 실물 모형체와 동일하게 벽체하단의 전면부와 배면부에 보강재를 배치하여 바닥판과 일체 구성을 하였다.

성능/효과

따라서 본 연구는 시공단계에 따라 스트럿이 설치되고 해체되는 벽체와 거더 연결부 구조물의 거동이 첫째, 스트럿 설치에 의한 다지점 형성으로 경간길이의 감소에 따라 처짐의 개선효과가 있으며 둘째, 강재와 콘크리트 융합단면을 구조계 변화(단면 강성의 변화)에 효율적으로 적용하여 추가적인 처짐의 개선효과가 있음을 검증하였다.
따라서, δ11= 17.53mm > δ21+δ22 =15.17mm이므로 15.17/17.53= 86.84% 이므로 스트럿 설치 및 해체의 효과로 처짐은 13.46% 개선되었다.
따라서, (δ21+δ22)/δ11=13.85/20.68=66.97% 이므로 스트럿 설치 및 해체에 의한 수치해석 모델의 처짐 개선효과는 33.03% 향상된 결과이다.
수치해석 모델의 실험 결과, 스트럿이 없는 모델의 연직처짐(δ11)을 기준으로 최종 처짐(δ21+δ22) 은 42.89% 향상된 결과를 도출하였다.
실물 모형체의 실험 결과, 스트럿이 없는 모형체의 연직처짐(δ11)을 기준으로 최종 처짐(δ21+δ22 ) 은 최소 13.46%에서 최대 36.28%의 개선효과를보였다.

후속연구

예를 들어, 단순보는 두 개의 경계조건이 형성된 보이지만, 보의 중간에 하나 이상의 추가 경계조 건을 형성하면 경간길이의 감소에 따라 처짐이 저감된다. 추가로 형성된 경계조건은 향후 시공단계의 진행에서 재료가 융합되는 단계 즉 구조계가 변한 다음 제거하면 융합단면으로 증가된 단면강성이 확보되어 처짐이 줄어드는 결과가 유도된다. 따라서, 단면 재료의 융합 단계를 효율적으로 적용하고 경계조건을 형성시키면 보다 향상된 구조적 거동과 경제적인 구조물을 조성할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스트럿은 주로 무엇에 이용되는 부재인가?	본 연구는 경계조건 형성을 위하여 스트럿 부재를 활용하였다. 스트럿은 트러스구조의 압축부 재로 활용되거나 가시설 흙막이 구조물의 버팀대[11-12] 혹은 내진성능 향상을 위한 감쇠기[13-14] 등에 주로 이용되는 부재이다.
	벽체-거더 연결부 뼈대 구조의 단점은?	이러한 뼈대 구조물은 교량 구조물 뿐만 아니라 건축구조물에 보다 활발하게 적용하고 있으며 보와 기둥의 연결부에 모듈화 방식으로 융합단면을 적용하고 있다[9-11]. 이와 같은 벽체-거더 연결부 뼈대 구조는 일체화 구조물로써 연속성은 있으나 여전히 하중에 대하여 최대 단면력이 작용하여 단면의 응력 집중이 발생하는 취약한 구조이다.
	슬래브형교와 라멘형교는 각각 어떤 구조물이며, 무엇으로 구성되는가?	교량 구조물에서 소규모로 적용되는 형식은 슬래브형교와 라멘형교가 있다. 슬래브형교는 하부 구조물 상단에 교량받침을 설치하고 상부구조물인 판형을 하부동바리를 이용하여 완성하는 교량이고, 라멘형교는 하부구조물과 상부구조물을 하나의 구조물로 연결하여 일체화한 구조물이다. 상기 구조물들은 공히 건설 재료중 철근 및 강재와 콘크리트의 융합단면으로 구성된다[1].

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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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