철근콘크리트 기둥과 철골보 합성골조의 지압강도 향상에 관한 실험적 연구

[김래은]

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[펌] 철근콘크리트 기둥과 철골보 합성골조의 지압강도 향상에 관한 실험적 | 철골

2005/03/14 23:51

http://blog.naver.com/lee5640n/40011275912

출처카페 : 논문/리포트나라 / 블루모닝님

철근콘크리트 기둥과 철골보 합성골조의 지압강도 향상에 관한 실험적 연구

1. 서론

1.1 연구의 목적
현대 건축물의 구조시스템은 철근콘크리트 구조, 철골구조, 합성구조로 구분할 수 있다. 그 중에서도 합성구조는 강재와 콘크리트 재료가 가지는 구조성능과 경제성 등의 장점을 최대한 살려 저층 구조에서부터 고층 구조에 이르기까지 널리 확산되고 있다. 본 연구에서는 철근콘크리트 기둥과 철골보(RCS) 접합부 시험체의 접합부 파괴유형을 분석하고 지압강도 증가를 위한 접합부 상세 개발과 설계식을 위한 자료로 제시하여 철근콘크리트 기둥/철골보 합성구조 건물을 실제로 설계 하고자 한다.

1.2 연구의 방법 및 절차
합성구조에서 두 부재간의 상호 작용으로 일어나는 접합부의 파괴양상은 크게 팬널 전단파괴(panel shear failure)와 지압파괴(bearing failure)로 인지되며, 이들 중 특히, 지압파괴가 중요한 파괴 형태중의 하나로 접합부의 강도를 결정한다. 콘크리트에서의 강도 f'c의 값은 주위 횡구속의 정도에 따라 영향을 받을 수 있으며, 따라서 국부지압실험을 통해 콘크리트 횡구속에 영향을 주는 횡보강근, 지압면적, ∩-TYPE 지압 보강근 등에 대한 연구가 요구되어 이러한 영향을 알아보고자 그림 1과 같이 철근콘크리트 기둥과 철골보(RCS) 접합부에서 철골보가 회전함에 따라 상하부에 발생하는 지압파괴를 단순화시킨 국부지압 시험체(local bearing test specimen)를 계획, 제작하여 실험 및 분석한다.

2. 접합부 국부지압강도 실험

접합부 지압강도에 대한 실험은 이미 여러 곳에서 행해졌었는데, 그중에서도 본 실험은 Kanno의 국부지압 실험을 바탕으로 새로운 상세를 채택하여 행하였다. Kanno는 아래와 같이 지압강도 Pmax를 제안하였다.
Pmax = Puc + Piua + Pir
여기서
Puc : 콘크리트의 직접전단에 저항하는 강도
Piua : 코너부 콘크리트 블록의 구속으로 증가하는 강도
Pir : 철근 배근의 구속으로 증가하는 강도

2.1 실험계획 및 재료
본 연구에서는 합성 골조에서 지압파괴에 따른 접합부의 거동을 단순화시켜 파악하고 접합부 상세에 따라 내력증가 및 변형특성을 평가하기 위하여 지압강도 시험체를 30개의 시험체로 계획하였고, 실험여건을 고려하여 실제크기의 1/3축척으로 제작하였다. 시험체는 기본으로 주근과 Hoop만 배근된 상태이며 지압보강시험체는 위의 식에서 Pir을 증가시키기 위해서 각각 2개와 3개의 ∩-type D13, D16 지압보강근을 그림 2에서와 같이 여장길이를 360mm(L), 200mm(M), 100mm(S)로 구분하여 배근 하였다. 시험체 명은 표 1과 같다. 본 실험에서 사용한 콘크리트는 직경 13mm이하의 조골재를 이용하여 강도설계 배합법에 따라 350㎏/㎠으로 설계하였고, 10cm 슬럼프와 28일 재령 후 평균적으로 330㎏/㎠ 압축강도를 나타내었고 실험당일의 압축강도는 380-390㎏/㎠이다. 또한 시험체 배근에 사용된 철근은 설계인장강도 4000㎏/㎠인 D10, D13, D16 철근을 사용하였다. 그리고 실험에 사용된 콘크리트 배합비는 표 2와 같다.

2.2 시험체 제작
본 실험의 시험체의 치수는 실험여건에 따라 1/3축척의 기둥형 시험체를 제작하였으며, 직경은 25×25㎝이며 높이는 40㎝이다. 주근은 4-D16를 사용하였으며 Hoop는 D10@100(S)을 사용한 시험체 24개와 D10@100(D)을 사용한 시험체 6개이다. 피복두께는 2㎝로 하였으며 steel plate의 크기는 100×90, 80×70mm의 두 종류를 사용하여 U.T.M으로 가력 하였다. 시험체 상세는 그림 2와 같다.

[표1] 시험체 명 및 변수
시험체명	주 근	Hoop	지압 보강근	Plate 크기
				f'c
BS100-2D13L①	4-D16	D10@100(S)	2-D13L	70×80㎜ 390kg/㎠
BS100-2D13L②
BS100-2D13M①			2-D13M
BS100-2D13M②
BS100-2D13S①			2-D13S
BS100-2D13S②
BS100D-2D13L①		D10@100(D)	2-D13L
BS100D-2D13L②
BS100D-2D13M①			2-D13M
BS100D-2D13M②
BS100D-2D13S①			2-D13S
BS100D-2D13S②
BS100-2D16L①		D10@100(S)	2-D16L	90×100㎜ 380kg/㎠
BS100-2D16L②
BS100-2D16M①			2-D16M
BS100-2D16M②
BS100-2D16S①			2-D16S
BS100-2D16S②
BS100-2D16B①			2-D16B
BS100-2D16B②
BS100-2D16V①			2-D16V
BS100-2D16V②
BS100-3D16L①			3-D16L
BS100-3D16L②
BS100-3D16M①			3-D16M
BS100-3D16M②
BS100-3D16S①			3-D16S
BS100-3D16S②
BS100①			-
BS100②

[표 2] 콘크리트 배합비
설계강도 (㎏/㎠)	물-시멘트 비(%)	콘크리트 배합량 (㎏/m3)
		시멘트	물	잔골재	굵은골재
350	48	407	196	780	960

지압강도를 증가시키기 위한 지압보강 상세는 그림 3에서 보는바와 같이 트러스 모델에서 압축력과 인장력을 발생시키는 각각의 부위에 따라 분담될 것으로 예측하여 ∩-형의 D13, D16 철근을 스트럽의 안쪽에 배근 하였는데, 2개의 D16 철근의 간격은 60mm이며, 3개의 D16철근의 간격은 30mm, 2개의 D13철근의 간격은 50mm로 유지하도록 배근 하였다.

2.3 변형 및 재하 측정방법
변형의 측정은 ∩-형의 지압보강 철근과 hoop에 3mm 1축 스트레인 게이지를 그림 4에서와 같이 부착하여 U.T.M을 통하여 초당 15-20kg/sec의 속도로 가력하여 1t단위의 하중마다 그 변형을 측정하였다.

3. 결과 및 분석

 3.1 실험결과

[표2] 실험결과
시험체 명	지압 보강근	초기균열	최대하중	강도비 (fm/f'c)
BS100-2D13L①	2-D13L	19t	33.2t	1.52
BS100-2D13L②		18t	32.0t	1.46
BS100-2D13M①	2-D13M	28t	36.9t	1.69
BS100-2D13M②		22t	40.4t	1.85
BS100-2D13S①	2-D13S	24t	41.0t	1.88
BS100-2D13S②		19t	41.5t	1.90
BS100D-2D13L①	2-D13L	18t	54.4t	2.49
BS100D-2D13L②		30t	52.5t	2.40
BS100D-2D13M①	2-D13M	19t	49.7t	2.28
BS100D-2D13M②		17t	52.0t	2.38
BS100D-2D13S①	2-D13S	20t	43.7t	2.00
BS100D-2D13S②		21t	38.0t	1.74
BS100-2D16L①	2-D16L	30t	59.5t	1.74
BS100-2D16L②		23t	53.5t	1.56
BS100-2D16M①	2-D16M	32t	68.0t	1.99
BS100-2D16M②		30t	69.0t	2.02
BS100-2D16S①	2-D16S	23t	55.5t	1.62
BS100-2D16S②		33t	50.5t	1.46
BS100-2D16B①	2-D16B	38t	65.0t	1.90
BS100-2D16B②		28t	60.0t	1.75
BS100-2D16V①	2-D16V	37t	70.0t	2.05
BS100-2D16V②		42t	64.0t	1.87
BS100-3D16L①	3-D16L	31t	62.7t	1.83
BS100-3D16L②		35t	67.0t	1.95
BS100-3D16M①	3-D16M	33t	71.0t	2.08
BS100-3D16M②		40t	73.3t	2.14
BS100-3D16S①	3-D16S	32t	65.0t	1.90
BS100-3D16S②		21t	67.5t	1.97
BS100①	-	20t	43.0t	1.25
BS100②		25t	37.7t	1.10
* fm : 최대하중을 재하판 면적으로 나눈 강도. ** f'c : 콘크리트 공시체 강도

위의 실험결과를 보면 최대하중에 대한 강도비(fm/f'c)는 BS100D-2D13L 시험체에서 가장 높은 값을 나타내었고 BS100 시험체에서 가장 낮은 값을 나타내었다. 그리고 재하판의 크기가 작은 것이 큰 것에 비해 보강철근 단면적이 적음에도 불구하고 1.46-2.49의 비교적 높은 값이 나타났다.

3.2 지압보강근의 효과
지압보강근에 대한 효과를 (fm/f'c)과 철근단면적을 형상화한 철근비 (p'bh)에 대한 상관도를 보면 아래 그림 5와 같이 나타났다.

3.3 하중-변형곡선 분석

[그림6] 하중-변형도

하중-변형곡선을 분석해보면 지압보강철근상의 게이지 위치에 따라 A, E, F, G점에서는 트러스 모델의 예측에 따른 인장력이 발생하였으나 E점에서의 인장력은 미미하다. 그러나 압축력이 예상된 B, C, D점에서의 응력은 예상과 달리 B점에서는 재하 초기와 중기까지는 압축력이 발생하고 있으나 후반부에서는 인장력이 발생하는데, 이것은 국부압축에 의해 콘크리트가 사선형으로 앞쪽으로 이탈하려는 힘에 의한 것으로 판단된다. 이것은 F점에서 Hoop근에 인장력이 발생한 것을 보면 알 수 있다.

3.4 시험체의 파괴양상

 
(a) 90×100mm 재하판                                                       (b) 70×80mm 재하판
그림 7. 시험체의 파괴 양상 - 1

그림 7에서 시험체의 균열을 보면 재하판(steel loading plate)의 크기에 따라서 90×100mm 재하판으로 가력한 좌측 시험체의 균열이 70×80mm 재하판의 균열보다 숫자가 적고 미세 균열 또한 적은 것을 볼 수 있으며, 사선적인 주 균열선은 비슷한 경향을 나타냈다. 그리고 내부에 보조 hoop를 가진 그림 8의 시험체에서는 사선적인 주 균열선외에 가운데에 수직으로 또 하나의 주 균열이 생긴 것을 알 수 있다. 이것은 여장길이(L)가 360mm인 시험체에서 나타났으며, (M)과 (S)의 여장길이를 가진 시험체에서는 사선적인 좌우 두개의 주 균열선 외에 가운데에 수직에 가깝게 두 개의 주 균열선이 추가로 나타났다. 또한, 이 수직적인 균열은 모두 초기균열로 시험체 상부 1/3지점에서 시작된 것으로 관찰되었다.

(a) 여장길이(L)360mm                                                     (B) 여장길이(S)100mm
그림 8. 시험체의 파괴 양상 - 2

제 4 장 RCS 접합부에서 실험결과의 적용

4.1 개  요
본 장에서는 실험에서 수행된 국부지압강도실험을 바탕으로 철근콘크리트 기둥과 철골보(RCS)접합부에서 ∩-type 지압보강근을 배근한 십자형 시험체를 제작 실험하여 그 성능을 실험하였다. 본 연구의 주 내용은  철골보가 콘크리트 기둥을 관통하는 보 관통형 접합부에 대해 반복적인 수평력 작용시의 구조 성능을 평가한다. 철근콘크리트 기둥과 철골보 접합부 시험체를 제작하고 반복 하중을 가력하여 접합부의 파괴 유형을 평가, 분석하고 내력을 평가하고자 한다. 연구의 결과는 궁극적으로 저지진 지역용 접합부 상세 개발과 설계식을 위한 자료를 제시하여 철근콘크리트 기둥과 철골보 합성구조 신기술 활용을 유도하고자 한다. 철근콘크리트 기둥과 철골보 합성구조 시스템은 저층 콘크리트 구조물에 대한 대안으로서 콘크리트 거푸집 공사를 줄여 인건비 절감 효과, 보 스팬을 크게 함으로써 공간 활용을 높이고, 건식공법으로 인한 공기 단축 효과, 조립식/PC형 합성 접합부를 사용함으로써 경제성 확보의 장점으로 저층 장스팬 건축물 건설에 점차적으로 활용되고 있다. 본 장에서는 ∩-type 지압보강근의 실험결과를 적용하여 배근한 실제실험에 적용하고자 한다

4.2 실험계획 및 방법
합성구조에서 두 부재간의 상호 작용으로 일어나는 접합부의 파괴양상은 크게 팬널 전단파괴(panel shear failure)와 지압파괴(bearing failure)로 인지되며, 이들 중 특히, 지압파괴가 중요한 파괴 형태중의 하나로 접합부의 강도를 결정한다. 본 연구에서 실험한 국부지압강도실험의 ∩-type 지압보강근을 접합부에 적용한 시험체를 제작하여 합성 골조에서 각각의 파괴 유형에 따른 접합부의 거동을 파악하고 상세에 따른 내력증가 및 변형특성을 평가하기 위하여 접합부 시험체를 크게 6개의 시험체로 계획하였고, 실제실험과 유사한 3/4축척으로 제작하였으며, 철근은 SD40(fy=4000kg/cm2)을 쓰고 철골은 SM490(fy=3.3t/cm2), 콘크리트는 강도 270kg/cm2를 사용하였다. 시험체 명 및 변수는 표 3과 같다

[표 3] 시험체 명 및 변수
시험체명	제작법	보 단면(mm)	기둥 단면(mm)	예상 접합부 파괴유형	접합부 상세
F-EF-S	Hot-roll	H-506×201×11×19	500×500	지압파괴	FBP* E-FBP**
F-EF-V	-	H-506×201×11×19	500×500	전단파괴	FBP* E-FBP** VJR***
F-EF-VS	-	H-506×201×11×19	500×500	전단파괴	FBP* E-FBP** VJR***
F-EF-2US	-	H-506×201×11×19	500×500	전단파괴+기둥부 전단파괴	FBP* E-FBP** U****
F-EF-4US	-	H-506×201×11×19	500×500	전단파괴+ 기둥부 전단파괴	FBP* E-FBP** U****
F-EF-2US.F.D.H	-	H-506×201×11×19	500×500	지압파괴	FBP* E-FBP** U****
* FBP : Face Bearing Plate, ** E-FBP : Extended-Face Bearing Plate *** VJR : Vertical Joint Reinforcement , **** U : ∩-type 지압보강근

4.3 시험체 제작 및 상세
본 실험에서의 내부 접합부 시험체의 치수는 기둥의 지점간 거리가  2700㎜, 부단부 가력점 까지의 거리는 4500㎜가 되도록 계획하였다. 기둥은 하중 가력시 기둥에 작용되는 모멘트 및 전단력에 저항할 수 있도록 설계하였고 시험체 기둥의 단면 치수는 500×500㎜, 주근은 12-D35를 사용하였다. 또한, 각각의 지압파괴 양상을 고려하여 12㎜두께의 지압판(FBP)과 연장지압판(E-FBP)을 부착하였고, 콘크리트내의 지압효과를 높일 수 있도록 지압판과 연장지압판 외에 수직철근(VJR)과 ∩-type 지압보강근 D22철근을 사용하여 계획하였다. 그리고 한 개의 시험체는 접합부내에 선형 강섬유를 타설 실험하였다.  접합부 실험 장치는 그림 9와 같다.
철골보는 조립단면 H-506×201×11×19를 사용하여 휨 내력이 충분한 반면 전단내력이 낮아 하중으로부터 접합부가 먼저 파괴되도록 설계하였다. 실제에는 보의 파괴가 선행되게 설계하여야 하나 접합부 성능의 실험을 위해 접합부 파괴가 선행되도록 시험체를 설계하였다.
기둥에 사용된 전단 보강근은 접합부 보 춤내의 부분에서는 콘크리트 및 전단 보강근에 의해 콘크리트 기둥의 전단력을 높여 주기 위하여 철골 웨브에 구멍을 뚫어 D13 6개열이 70㎜간격으로 배근 될 수 있도록 계획하였다. 또한 접합부에서 철골보 위/아래 보 높이의 1/4 지점에 이르는 부분은 하중 재하시 콘크리트에 심한 응력 발생이 발생되므로 이를 구속하기 위하여 전단보강근 D13 3개열을 50㎜간격으로 배근 하였다. D13 전단보강근이 설치되지 않은 부분은 D10철근을 이용하여 100mm간격으로 복배근 되도록 계획하였다.

그림 9. 접합부 시험체 및 현장제작사진

4.4 실험결과 및 분석
본 연구는 RCS 합성골조의 내부 접합부 ＋ 자형 3/4 시험체의 접합내력을 측정하였는데, 표 4 에서 보는 바와 같이 접합부의 강도는 수직 철근(VJR)과 ∩-type 지압보강근이 배근된 시험체가 기준 시험체에 비해 19∼30%의 강도 증가가 나타났고 또한 수직 철근(VJR)보다 ∩-type 지압보강근이 배근된 시험체가 지압파괴에 대한 저항에 다소 효과적인 것으로 나타났다.

[표 4 실험결과 ]
시험체 명	주요 변수	항복 강도(ton)	최대 강도(ton)	비교 백분율(%)	비고
F-EF-S	교차보	18.5	25.0	100	기준시험체
F-EF-V	수직철근(VJR)	20.5	27.3	110	교차보 없음
F-EF-VS	수직철근(VJR) 교차보	21.05	29.4	117	-
F-EF-2US	2-U22 (∩-type)	22.5	30.0	119	-
F-EF-4US	4-U22 (∩-type)	24.15	32.2	130	-
F-EF-2US F.D.H	2-U22 (∩-type) 교차보 강섬유 혼입	17.08	22.7	90	접합부내 띠철근 없음

제 5 장 결  론

본 실험에서 실험한 철근콘크리트 기둥-철골보(RCS)합성골조 접합부를 단순화한 국부지압 시험체에서 ∩-type 지압보강근, 띠철근 간격과 배근 형태, 여장길이, 그리고 지압판의 크기를 다르게 하여 실험 분석한 결과 결론은 다음과 같다.
  1) 국부지압강도 실험결과 ∩-type 지압보강근이 배근된 시험체가 지압 보강근이 없는 시험체보다 27%-108%의 지압강도 증가가 나타났고 강도비(fm/f'c)로 산정해서 1.46-2.49배의 지압강도 향상효과가 나타났다.
  2) 시험체 그룹별로 보면 이중 띠철근이 배근된 시험체가 단일 띠철근이 배근된 시험체보다 높은 강도비 나타났는데, 이것은 띠철근의 횡구속 역할이 지압강도를 향상시킨다는 것을 알 수 있다.
  3) 하중-변형 특성에서 게이지 부착위치별로 트러스 모델에 따른 예측된 응력을 나타내었으나 게이지 위치 A, B점에서의 응력은 지압판의 깊이(c)와 여장길이에 따라 서로 다른 결과가 나타났다.
  4) ∩-type 지압보강근의 여장길이에 따른 성능을 비교하면 가장 높은 값은 여장길이가 360mm인 변수 L로 나타났지만 평균적인 성능은 여장길이 변수가 M인 여장길이 200mm인 시험체가 가장 좋은 지압보강효과를 나타냈다.
  5) RCS 접합부에서의 적용 실험결과 ∩-type 지압보강근은 성능이 기준 시험체보다 19-30% 증가하여 매우 효과적인 상세로 판단된다.

참고문헌

1) 최완철(1997), "콘크리트 기둥/철골보 합성구조의 최근 연구", 대한 건축학회 학술발표 논문집,17권, 2호, pp. 1207-1212
2) 이원규, 조필규, 송진규, 김종락, 최완철(1999), " 철근 콘크리트 기둥과 철골보 합성골조에서의 지압강도", 대한 건축학회 학술발표 논문집, 19권, 제2호, pp. 325-330
3) ACI-ASCE Committee 352(1985), " Recommendations for Design of Beam Column Joints in Monolithic Reinforced Concrete Structures," Report ACI 352R-85.
4) Darwin, D. et. al.,(1994), "Guidelines for Design of Joints Between Steel Beams and Reinforced Concrete Column," Journal of Struct Div., ASCE, 120(8), pp. 2330-2357.
5) Deierlein, G.G. (1988). "Design of Moment Connections for Composite Framed  Structures," Ph.D. Dissertation, Department of Civil Engineering, The Univ. of Texas at Austin.
6) Kanno, R. (1993), "Strength, Deformation, and Seismic Resistance of Joints Between Steel Beams and Reinforced Concrete Columns," Ph.D. thesis, Cornell Univ.

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