[논문]철근콘크리트 기둥과 철골 보 합성구조 접합부 시스템 개발

김도균; 정하선; 최완철

문제 정의

접합부 내 지압 판과 연 장지압판, 직 교보 등의 상세를 가지도록 했으며, 수직 철근(VJR)과 U형 철근(U-bar)을 갖도록 하여 지 압보강 상세의 효과를 살펴보고자 하였다. 또한 각기 다른 상세에 의한 파괴유형과 거동, 균열양상 등을 살펴보고자 하였다. 시험체의 내력은 ASCE 설계법에 따른 접합부 강도와 비교하였다.
철근콘크리트 기등과 철골 보로 이루어진 RCS 시스템은 미국과 일본 등지에서 최근 많은 연구가 이루어지고 있으며, 국내에 서도 이 분야에 대한 관심이 증대되고 있다. 본 연구에서는 구조물의 안전성, 기능성 및 경제성을 보다 합리적으로 확보하기 위하여 지압보강에 대한 접합부 상세를 개발하였다. 이는 국내에서 RCS 시스템이 적용될 경우 초고 층 구조물과 중층 정도의 장 스팬 구조물에 효율적으로 적용될 수 있다.
따라서 접합부의 지압 강도 증가를 위한 접합부 상세 개발과, 그 성능을 검증하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 철근콘크리트 기등과 철골 보 접합부 시험체의 접합부 파괴유형을 분석하고, 지압 강도 향상을 위한 접합부 상세 개발과 그 성능을 검증하여 그 결과를 효율적 합성구조 접합부를 위한 기초자료로 응용하고자 한다.
그리고 일본의 시스템과는 다른 점 이 일본은 강진지역을 대상으로 개발된 복합구조 시스템이기 때문에 보-기둥 접합부 부분이 필요 이상으로 과대 설계되어 경제성이 낮은 구조시스템이 될 수 있으며, 설계 및 시공과정이 복잡하여 품질관리가 불리한 측면이 있다. 이와 같은 이유로 국내에 효과적으로 적용시키기 위하여 시공이 간편하며 구조성능을 성능을 향상시키기 위한 접합부 상세로 U형 지압보강근을 개발하였다.
본 실험에서는 열간압연 철골 보를 이용하여 1차로 접합부 상세를 달리하는 십자형 내부접합부 시험체를 제작하였으며, 2차로 내부 접합부 및 외부 접합부 시험체를 제작하였다. 접합부 내 지압 판과 연 장지압판, 직 교보 등의 상세를 가지도록 했으며, 수직 철근(VJR)과 U형 철근(U-bar)을 갖도록 하여 지 압보강 상세의 효과를 살펴보고자 하였다. 또한 각기 다른 상세에 의한 파괴유형과 거동, 균열양상 등을 살펴보고자 하였다.

가설 설정

보 플랜지의 지압에 대한 저항력은 내부 콘크리트로 전달된다. 콘크리트에 대한 지압응력은 보 플랜지 윗면에 작용하는 응력블럭으 로 나타낼 수 있고 파괴 시 접합부 지압보강철물(수직철근 또는 U형 철근)이 항복한다고 가정한다. 따라서 접합부 지압 강도는 3가지 저항 요소의 중첩에 의해서 구할 수 있다.

제안 방법

본 실험에서 시험체의 치수는 지점 간 거리가 2, 700mm, 보단부 가력점까지의 거리가 2, 250皿1이며, 기 등은 하중 재하시 기등에 작용되는 모멘트와 전단력에 충분히 저항할 수 있도록 설계하였고, 주근은 12-D35를 사용하였다. 또한 각각의 지압 파괴 양상을 고려하여 12mm 두께의 지압 판과 연장 지압 판을 부착하였고, 콘크리트 내 지압 보강 효과를 높일 수 있도록 D22 철근을 디비닥(Dywidag)공법과 U자형으로 제작 배근하였다.
본 실험에서는 열간압연 철골 보를 이용하여 1차로 접합부 상세를 달리하는 십자형 내부접합부 시험체를 제작하였으며, 2차로 내부 접합부 및 외부 접합부 시험체를 제작하였다. 접합부 내 지압 판과 연 장지압판, 직 교보 등의 상세를 가지도록 했으며, 수직 철근(VJR)과 U형 철근(U-bar)을 갖도록 하여 지 압보강 상세의 효과를 살펴보고자 하였다.
또한 각기 다른 상세에 의한 파괴유형과 거동, 균열양상 등을 살펴보고자 하였다. 시험체의 내력은 ASCE 설계법에 따른 접합부 강도와 비교하였다.
접합부의 성능평가를 위한 하중재하는 가변적 반복재하 방법과 규칙적 반복재하 방법이 있으나, 가변적 반복재하 를 결정하기 위한 분명한 기준이 아직 없으므로 그림 4와 같이 실험의 단순성과 분석의 편리함과 같은 장점 때문에 규칙적 반복재하 방법을 사용하였다. 하중재하의 단계별 증가량은 항복 변위를 기준으로 한 변위 연성계수( n = 8/8y )에 의해서 조절되었으며, 반복 재하의 수를 조절하기 위한 결정 기준은 일정한 변위 연성계수를 가지고 반복 하중을 가력시 같은 변위 연성 계수에서 부재가 초기 하중 저항능력보다 떨어져 실질적인 강도 감소를 나타낼 때까지를 같은 변위 연성계수로 가력하였다.

대상 데이터

특히 보 관통형 RCS 합성 골조의 경우 접합부의 복잡한 상세는 보 플랜지 하단에 콘크리트가 밀 실하게 타설되지 못하는 원인이 될 수 있다. 따라서 콘크리트의 시공연도와 골재의 크기는 중요한 변수가 되는데, 본 실험에서는 슬럼프 18cm, 최대골재 크기 25哑를 사용하였다. 그러나 기존의 연구에서 13mm 골재와 슬럼프 15 - 20cm를 사용한 것과 비교할 때, 13mm 정도의 작은 골재와 15cm 이상의 슬럼 프를 가진 콘크리트를 사용하는 것이 시공성 향상에 유리할 것으로 판단된다.
재료는 콘크리트 강도 270kgf/cm, , 슬럼프 15cm, 골재 크기 25mm이며, 철근은 SD40, 강재는 SM490과 SS400을 사용하였다. 본 실험에서 시험체의 치수는 지점 간 거리가 2, 700mm, 보단부 가력점까지의 거리가 2, 250皿1이며, 기 등은 하중 재하시 기등에 작용되는 모멘트와 전단력에 충분히 저항할 수 있도록 설계하였고, 주근은 12-D35를 사용하였다. 또한 각각의 지압 파괴 양상을 고려하여 12mm 두께의 지압 판과 연장 지압 판을 부착하였고, 콘크리트 내 지압 보강 효과를 높일 수 있도록 D22 철근을 디비닥(Dywidag)공법과 U자형으로 제작 배근하였다.
접합부 시험체는 실재 크기와 유사한 3/4 축척으로 표 1과 같이 제작하였다. 재료는 콘크리트 강도 270kgf/cm, , 슬럼프 15cm, 골재 크기 25mm이며, 철근은 SD40, 강재는 SM490과 SS400을 사용하였다. 본 실험에서 시험체의 치수는 지점 간 거리가 2, 700mm, 보단부 가력점까지의 거리가 2, 250皿1이며, 기 등은 하중 재하시 기등에 작용되는 모멘트와 전단력에 충분히 저항할 수 있도록 설계하였고, 주근은 12-D35를 사용하였다.

이론/모형

접합부의 성능평가를 위한 하중재하는 가변적 반복재하 방법과 규칙적 반복재하 방법이 있으나, 가변적 반복재하 를 결정하기 위한 분명한 기준이 아직 없으므로 그림 4와 같이 실험의 단순성과 분석의 편리함과 같은 장점 때문에 규칙적 반복재하 방법을 사용하였다. 하중재하의 단계별 증가량은 항복 변위를 기준으로 한 변위 연성계수( n = 8/8y )에 의해서 조절되었으며, 반복 재하의 수를 조절하기 위한 결정 기준은 일정한 변위 연성계수를 가지고 반복 하중을 가력시 같은 변위 연성 계수에서 부재가 초기 하중 저항능력보다 떨어져 실질적인 강도 감소를 나타낼 때까지를 같은 변위 연성계수로 가력하였다.

성능/효과

(3) 접합부 띠철근 : 접합부 띠철근은 접합부 내 띠철근과 상하부 띠철근으로 나누어 볼 수 있는데, 접합부 내 띠철근은 콘크리트를 구속함과 동시에 접합부 내측에서 발생한 웅력을 외측으로 전달하는 중요한 역할을 한다. 또한 접합부 상하
에너지 소산력은 구조물의 변형능력을 예측 비교하기 위한 지수로 그림 7에서 보는 바와 같이 U형 지압보강근(Chair-bar)을 변수로 한 시험체의 에너지 소산 능력이 비교적 우수한 것을 알 수 있다. 또한 반복하중을 받는 구조물의 손상 정도를 나타내는 손상지수 중 Darwin과 Nmai 등에 의해 연구된 누적 에너지 소산 손상지수와 연성비에 따라 접합부의 변형능력을 평가해 보면, 그림 8과 같이 U형 지압보강근을 가진 시험체가 그렇지 않은 시험체에 비해 약 22% 정도 높은 연성비를 나타내고 있어 U형 지압보강근을 가진 시험처】가 지진 등의 수평 하중에 대해 그 에너지를 잘 분산시킬 수 있는 접 합부 상세임을 알 수 있다.
특히 지압강도 보강을 위한 상세인 VJRe 10% 정도의 강도 증가 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구에서 개발한 상세인 U형 지압 보강근(U-bar)은 VJR과 동등한 성능을 보이면서 시공성이 우수해 매우 효과적인 지압보강 상세임을 알 수 있다.
반면 U형 지압보강근(U-bar)의 경우 F-EF-2US 시험체와 TN₂U-C 시험체에서 보는 바와 같이 각각 예상강도 대비 16%와 59%의 지압 강도 증대 효과를 보여주었으며, 지압 보강 근이 없는는 시험체와 비교해서 20 - 28%의 강도 증가 효과를 보이고 있어 매우 효과적인 지압 보강 상세임을 알 수 있다. 또한 VJR에 비해 시공이 간편한 장점 등을 가지고 있다.
RCS 합성 골조의 균열 양상은 크게 파괴양상에 따라 패널 존 내 전단파괴로 발생하는 사인 장 균열과 보 플랜지 상하부에 발생하는 지압균열로 나누어 살펴 볼 수 있다. 실험 결과 시험체가 최 대강도 에 도달하기까지 두 가지 균열양상이 모두 관찰되었으며, 이후 강도 저하와 함께 파괴 모드에 따라 지배적인 균열이 결정되는 양상을 보였다. 대표적인 균열양상과 시험체 사진은 그림 6과 같다.
이러한 상세와 더불어 보관통형 RCS 접합부의 성능에 있어 중요한 시공성 확보를 위해선 13剛 골재와 15cm 이상의 슬럼프를 가진 콘크리트를 사용하는 것이 유리할 것으로 판단되며, 콘크리트 타 설 면적 또한 30% 이상이 확보되야 할 것으로 생각된다. 더불어 ASCE의 내력 평가식을 실재구조물에 적용하는 데에는 다소 제한이 있어 이에 대한 보완이 필요할 것으로 생각된다.
기존의 접합부상세는 강도와 변형능력 등 접합부 성능을 향상시켜주며, 대체로 ASCE의 예상강도 와 유사하게 나타났다. 특히 지압강도 보강을 위한 상세인 VJRe 10% 정도의 강도 증가 효과가 있는 것으로 나타났다. 또한, 본 연구에서 개발한 상세인 U형 지압 보강근(U-bar)은 VJR과 동등한 성능을 보이면서 시공성이 우수해 매우 효과적인 지압보강 상세임을 알 수 있다.
RCS 합성골조의 파괴 양상은 크게 패널전단 파괴와 지압 파괴로 나타났으며, 특히 지압 파괴에 취약한 특징을 나타내고 있다. 하중 증가에 따른 균열 양상은 초기 인장균열에서 점차 사인장균열과 지압균열로 발전돼 나갔으며, 최대 하중 이후 파괴 형태에 따라 지배적인 균열이 크게 나타나는 양상을 보였다. 기존의 접합부상세는 강도와 변형능력 등 접합부 성능을 향상시켜주며, 대체로 ASCE의 예상강도 와 유사하게 나타났다.

후속연구

이러한 상세와 더불어 보관통형 RCS 접합부의 성능에 있어 중요한 시공성 확보를 위해선 13剛 골재와 15cm 이상의 슬럼프를 가진 콘크리트를 사용하는 것이 유리할 것으로 판단되며, 콘크리트 타 설 면적 또한 30% 이상이 확보되야 할 것으로 생각된다. 더불어 ASCE의 내력 평가식을 실재구조물에 적용하는 데에는 다소 제한이 있어 이에 대한 보완이 필요할 것으로 생각된다.
또한 기등의 크기와 보 플랜지의 크기가 콘크리트 타설 면적에 영향을 주므로 30% 이상의 공간 면 적 확보가 필요할 것으로 사료된다. 표 3은 기존 연구와 본 연구 간의 시공성을 비교해 본 것이다.

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